eletrônica componentes dispositivos

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
JONES EDUARDO EGYDIO
ANÁLISE DE INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS EM
SISTEMAS MULTIMÍDIA COM BLUETOOTH EM VEÍCULOS
AUTOMOTORES
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
SANTO ANDRÉ – SP
2014
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
JONES EDUARDO EGYDIO
ANÁLISE DE INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS EM
SISTEMAS MULTIMÍDIA COM BLUETOOTH EM VEÍCULOS
AUTOMOTORES
DISSERTAÇÃO DE MESTRADO
Dissertação apresentada ao Curso de Pós-graduação
da Universidade Federal do ABC, como requisito
parcial para obtenção do título de Mestre em
Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr. Álvaro Batista Dietrich
Coorientador: Prof. Dr. Marcelo Bender Perotoni
SANTO ANDRÉ – SP
2014
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, de
acordo com as observações levantadas pela banca no dia da defesa, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
Santo André, ___ de _________________ de 2014.
Assinatura do autor ______________________________________________
Assinatura do orientador __________________________________________
Dedicado à minha família.
i
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Dr. Alvaro Batista Dietrich pela oportunidade de realizar este trabalho,
além da orientação, estimulo e condução do mesmo. Agradeço-lhe ainda pela
paciência e confiança durante nossas conversas ao longo do desenvolvimento da
pesquisa.
Ao Prof. Dr. Marcelo Bender Perotoni pelo auxilio incondicional principalmente
nos aspectos computacionais e na realização dos ensaios utilizados nesse trabalho e
a sua disposição em compartilhar seus amplos conhecimentos.
Ao Prof. Dr. Stilante Koch Manfrin pelo auxílio dado na realização dos ensaios
mostrados nesse trabalho e suporte com seus essenciais comentários e sugestões
para se obter os resultados esperados.
Aos colegas Michel Gavião e Daniel Pinheiro Carlesimo pela amizade e apoio
durante todo este período em que compartilhamos as idas e vindas a UFABC.
Aos colegas Eng. José Reis e Eng. Sérgio Carriel pelo apoio e suporte aos
equipamentos de medida e amostras de cabeamento (chicote elétrico) utilizados
durante a realização dos ensaios.
Ao meu colega de trabalho e professores da Escola de Engenharia Mauá Prof.
Dr. Thiago Antonio Grandi de Tolosa e Prof. Dr. Hector Alexandre Chaves Gil pelo
fundamental apoio para conclusão desse trabalho.
Aos Srs. Eng. Roberto Pereira Ramos, Eng. Attila Budavari, Eng. Eduardo
Almeida e Eng. Felipe Vilasboas pelo incentivo e confiança pela busca do título de
mestre em engenharia elétrica.
Aos meus amigos e familiares pela paciência e palavras apoio durante os
períodos de ensaios e elaboração desse trabalho.
Por fim, agradeço a Deus por seu incansável trabalho a favor de nossas vidas.
ii
“O que sabemos não é muito. O que não sabemos é imenso.”
Pierre Simon Laplace
(23 de Março de 1749 - 5 de Março de 1827)
“Tenho a impressão de ter sido uma criança brincando à beira-mar, divertindo-me
em descobrir uma pedrinha mais lisa ou uma concha mais bonita que as outras,
enquanto o imenso oceano da verdade continua misterioso diante de meus olhos.”
Sir Isaac Newton
(04 de Janeiro de 1643 - 31 de Março de 1727)
iii
RESUMO
Com a crescente utilização da eletrônica embarcada nos veículos atuais em produção,
surgiu uma preocupação sobre os efeitos causados por campos eletromagnéticos em
módulos e sistemas eletrônicos. Esses campos podem ser gerados por fontes
intencionais, como por exemplo, uma emissora de rádio ou devido a uma fonte não
intencional, isto é, um campo gerado pelo funcionamento de outro sistema eletrônico,
pelo próprio módulo ou pelo cabeamento utilizado para a conexão elétrica desses
dispositivos.
Desta forma, o objetivo desse trabalho é avaliar a intensidade de um campo
eletromagnético irradiado pelo próprio veículo em seu interior, na região onde
geralmente é instalado o rádio/GPS ou sistema multimídia e verificar a possibilidade
deste campo interferir no funcionamento do Bluetooth.
Alguns ensaios foram conduzidos e os campos irradiados pelo veículo em
determinadas situações de funcionamento foram medidos. Ademais, utilizando o
software de simulação CST (Computer Simulation Technology), realizou-se uma
proposta para a abordagem de modelamento computacional dessas medidas na
região do painel de instrumentos do veículo.
Os resultados obtidos nos ensaios mostraram que o sistema elétrico do veículo não
produz campos ou ruídos eletromagnéticas que possam interferir no funcionamento
do Bluetooth. Também verificou-se que o CST pode ser utilizado como uma importante
ferramenta de modelagem computacional.
Portanto, esse trabalho fornece requisitos para um refinamento dos processos de
medição e simulação dos efeitos de EMC (Electromagnetic Compatibility) e constata
que há alternativas para redução de recursos financeiros de forma direta e na
agilidade de se obter diferentes cenários de simulação.
Palavras chave: Campos eletromagnéticos, software simulação, EMC.
iv
ABSTRACT
With the increasing use of electronics in current production vehicles, a concern about
the effects caused by electromagnetic fields in modules and electronic systems
emerged. These fields can be generated by intentional sources, such as a broadscast
transmitter or due to an unintentional source, i.e., a field generated by the operating
system, for itself or other electronic cabling used for the electrical connection of these
devices.
Thus, the aim of this study is to evaluate the intensity of an electromagnetic field
radiated by the vehicle itself within, the region where the radio / GPS or multimedia
system is usually installed and consequently the possibility of this field interfered with
Bluetooth.
Tests were conducted and the radiated fields in certain operating situations were
measured. Moreover, using the simulation software CST (Computer Simulation
Technology), there was a proposal for early computational modeling of such measures
on the vehicle instrument panel area.
The test obtained results showed that the vehicle's electrical system does not produce
noise or electromagnetic fields that can interfere with existing Bluetooth operation.
Furthermore, it was found that the CST could be used as an important tool of computer
modeling.
Therefore, this work provides requirements for a refinement of current procedures on
the measurement and simulations. It points out directions for alternatives on the cost
reduction related to these studies, as well as agility different simulation scenarios
.
Keywords: Electromagnetic Fields, simulation software, EMC.
v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15]. . 7
Figura 2: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15]. . 8
Figura 3: Modelo de um sistema sob o ponto de vista de EMC [3]. .......................... 10
Figura 4: Susceptibilidade vs. Imunidade [3]. ............................................................ 11
Figura 5: Formas de interferência eletromagnética [18]. ........................................... 12
Figura 6: Conceito de Componente e Sistema [3]. .................................................... 14
Figura 7: Conceito de Ponto de Radiador Isotrópico [3]. ........................................... 15
Figura 8: Antena Bicônica [21]. ................................................................................. 17
Figura 9: Antena Piramidal (Horn) [22]. ..................................................................... 17
Figura 10: Antena LPDA [22]..................................................................................... 17
Figura 11: Esquema de ensaio previsto na CISPR 12 [23]. ..................................... 18
Figura 12: Gerador de Campo E-H [23]. .................................................................. 18
Figura 13: Fator de Antena: a) Função de Transferência; b) Circuito Geral; c) Circuito
Equivalente [29]......................................................................................................... 20
Figura 14: Comparação da discretização da geometria pelo Método das Diferenças
Finitas (a) e Método dos Elementos Finitos (b) [35]. ................................................. 24
Figura 15: Aplicação do método FE-BI [38]. .............................................................. 25
Figura 16: Comparativo entre FEM e FE-BI [38]. ...................................................... 26
Figura 17: Antena Far-field Pattern a  = 90º [38]. ................................................... 26
Figura 18: Exemplo de aplicação da Técnica de Integração Finita no Domínio do
Tempo [41]. ............................................................................................................... 29
vi
Figura 19: Aproximação de uma geometria pelo método PBA. ................................. 31
Figura 20: Aproximação de uma geometria pelo método PBA. ................................. 32
Figura 21: Primeiro rádio lançado para automóveis [49]. .......................................... 37
Figura 22: Crescimento da aplicação de sistemas elétricos e eletrônicos embarcados
[50]. ........................................................................................................................... 38
Figura 23: Processo de desenvolvimento de produto [55]. ....................................... 43
Figura 24: Curvas de custo durante o processo de desenvolvimento de um produto
[56]. ........................................................................................................................... 44
Figura 25: Região de instalação do módulo de Bluetooth. ........................................ 46
Figura 26: Subsolo do Bloco A – Campus UFABC Santo André. .............................. 48
Figura 27: Fases das medições. ............................................................................... 50
Figura 28: Região de medições................................................................................. 51
Figura 29: Esquema simplificado da Arquitetura Elétrica do veículo usado nos
ensaios [15]. .............................................................................................................. 53
Figura 30: Instalação do módulo de Bluetooth. ......................................................... 54
Figura 31: Ponta de prova instalada no interior do veículo. ...................................... 55
Figura 32: Equipamentos montados para medição na Etapa 2 e Etapa 3. ............... 56
Figura 33: Segunda tentativa de medição na Etapa 2 e Etapa 3. ............................. 56
Figura 34: Configurações do RFEX para medição na Etapa 1 (200MHz à 6GHz). ... 57
Figura 35: Configurações do RFEX para medição na Etapa 2 (2KHz à 200MHz). ... 57
Figura 36: Sequência das Etapas de medição. ......................................................... 58
Figura 37: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Strenght [V/m]. ................ 63
vii
Figura 38: Resultados dos testes da Sequência 2 – Field Strenght [V/m]. ................ 63
Figura 39: Resultados dos testes da Sequência 3 – Field Strenght [V/m]. ................ 64
Figura 40: Resultados dos testes da Sequência 4 – Field Strenght [V/m]. ................ 64
Figura 41: Resultados dos testes da Sequência 5 – Field Strenght [V/m]. ................ 65
Figura 42: Resultados dos testes da Sequência 6 – Field Strenght [V/m]. ................ 65
Figura 43: Resultados dos testes da Sequência 7 – Field Strenght [V/m]. ................ 66
Figura 44: Resultados dos testes da Sequência 8 – Field Strenght [V/m]. ................ 66
Figura 45: Resultados dos testes da Sequência 9 – Field Strenght [V/m]. ................ 67
Figura 46: Resultados dos testes da Sequência 10 – Field Strenght [V/m]. .............. 67
Figura 47: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Level [dB µV/m]. ............ 68
Figura 48: Resultados dos testes da Sequência 2 – Field Level [dB µV/m]. ............ 68
Figura 49: Resultados dos testes da Sequência 3 – Field Level [dB µV/m]. ............ 69
Figura 50: Resultados dos testes da Sequência 4 – Field Level [dB µV/m]. ............ 69
Figura 51: Resultados dos testes da Sequência 5 – Field Level [dB µV/m]. ............ 70
Figura 52: Resultados dos testes da Sequência 6 – Field Level [dB µV/m]. ............ 70
Figura 53: Resultados dos testes da Sequência 7 – Field Level [dB µV/m]. ............ 71
Figura 54: Resultados dos testes da Sequência 8 – Field Level [dB µV/m]. ............ 71
Figura 55: Resultados dos testes da Sequência 9 – Field Level [dB µV/m]. ............ 72
Figura 56: Resultados dos testes da Sequência 10 – Field Level [dB µV/m]. .......... 72
Figura 57: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Strength [V/m].
.................................................................................................................................. 73
viii
Figura 58: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 2 – Field Strength [V/m].
.................................................................................................................................. 74
Figura 59: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field
Strength [V/m]. ......................................................................................................... 74
Figura 60: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Level [dB
µV/m]. ........................................................................................................................ 75
Figura 61: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 2 – Field Level [dB
µV/m]. ........................................................................................................................ 75
Figura 62: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field
Level [dB µV/m]. ....................................................................................................... 76
Figura 63: Resultados dos testes da Etapa 3 – Field Level [dB µV/m]. ..................... 77
Figura 64: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m]. .... 77
Figura 65: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m]. .... 78
Figura 66: Antenas posicionadas no interior do veículo. ........................................... 80
Figura 67: Pulso gerado por um gerador. .................................................................. 81
Figura 68: Pulsos gerados pelos dois geradores. ..................................................... 82
Figura 69: (a) Exemplos de circuitos compostos por pares trançados; (b) Exemplo
cabo RG58 ................................................................................................................ 84
Figura 70: Suporte do painel de instrumentos preparado para simulação. ............... 85
Figura 71: Modelamento do circuito par trançado. .................................................... 86
Figura 72: Especificação do cabo utilizado. .............................................................. 86
Figura 73: Sinal de excitação do cabo. ..................................................................... 87
Figura 74: Detalhe da ponta de medição de campo. ................................................. 88
ix
Figura 75: Distribuição de valores de Campo Elétrico obtidos da simulação. ........... 88
Figura 76: Campo Elétrico simulado. ........................................................................ 89
Figura 77: Modelo geométrico já discretizado da parte externa do veículo. .............. 89
Figura 78: Configuração simulada, considerando a parte externa do veículo e a
ponta de prova. ......................................................................................................... 90
Figura 79: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz. .... 90
Figura 80: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz. .... 91
Figura 81: Campo Elétrico simulado – após inserção da parte externa do veículo ... 91
Figura 82: Configuração do cabo RG58. ................................................................... 92
Figura 83: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200
MHz. .......................................................................................................................... 93
Figura 84: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200
MHz. .......................................................................................................................... 93
Figura 85: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200
MHz. .......................................................................................................................... 94
Figura 86: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200
MHz na ponta de medição......................................................................................... 94
x
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Frequência, comprimento de onda e “quarto de onda” [3]. ........................ 16
Tabela 2: Frequência, Potência e tipos de antena utilizada nos ensaios de Imunidade
Radiada [23]. ............................................................................................................. 19
Tabela 3: Sequência das medidas. ........................................................................... 52
Tabela 4: Tabela de com os limites máximos para imunidade – ISO 11452-2 [60]. .. 59
Tabela 5: Tabela de com os limites máximos para distúrbios radiados – CISPR-25 [62].
.................................................................................................................................. 60
Tabela 6: Resultados das medições realizadas – Parte 1. ........................................ 61
Tabela 7: Resultados das medições realizadas – Parte 2. ........................................ 61
Tabela 8: Resultados das medições realizadas – Parte 3. ........................................ 62
xi
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ABS
Anti-lock Braking System
BCM
Body Control Module
CAN
Controller Area Network
CFL
Courant-Friedrich-Lewy Criterion
CISPR
International Special Committee on Radio Interference
CST
Computer Simulation Technology
ECM
Engine Control Module
EEC
European Electromagnetic Compatibility
EFPBA
Enhanced Fast Perfect Boundary Approximation
EHF
Extremely High Frequency
ELF
Extremely Low Frequency
EMC
Electromagnetic Compatibility
EMI
Electromagnetic Interference
ESD
Electrostatic Discharge
FCC
Federal Communications Commission
FDTD
Finite Difference Time Domain
FE-BI
Finit Element Boundary Integral
FEM
Finite Element Method
FIT
Finite Integration Technique
FPBA
Fast Perfect Boundary Approximation
GPS
Global Position System
IEC
International Electrotechnical Commission
INPE
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais
ISO
International Organization for Standardization
LISN
Line Impedance Stabilization Network
LPDA
Log-periodic Dipole Array
LW
Long Wave
MDF
Método das Diferenças Finitas
MEF
Método dos Elementos Finitos
xii
MW
Medium Wave
PBA
Perfect Boundary Approximation
PWM
Pulse-Width Modulation
RF
Radio Frequência
rpm
Rotações por minuto
SAE
Society of Automobile Engineers
SW
Short Wave
TDR
Time Domain Reflectometer
TLM
Transmission Line Matrix
UWB
Ultrawide-Band
xiii
SUMÁRIO
1
INTRODUÇÃO .............................................................................................................. 1
2
ESTUDOS DE EMC/EMI ............................................................................................. 5
2.1
Cenário atual e aplicação na indústria automobilística .......................................... 6
3
FUNDAMENTOS DE EMC/EMI ................................................................................. 9
3.1
Termos e definições ..................................................................................................... 9
3.2
Definição de Componente e Sistema. ..................................................................... 13
3.3
Antenas ........................................................................................................................ 15
4
MÉTODOS NUMÉRICOS ......................................................................................... 23
4.1
MEF e FE-BI. ............................................................................................................... 23
4.2
Métodos no domínio do tempo ................................................................................. 27
5
NORMALIZAÇÃO E PADRONIZAÇÃO .................................................................. 33
5.1
Descrição das normas e padrões ............................................................................ 33
6
EMC/EMI NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA ................................................... 37
7
PROBLEMA ESTUDADO, ENSAIOS E SIMULAÇÕES ...................................... 45
7.1
Definição do problema ............................................................................................... 45
7.2
Estratégia para abordagem do problema. .............................................................. 47
7.3
Estratégia para Medição de Campo Elétrico Irradiado no interior de um veículo
...................................................................................................................................... 48
7.4
Fase 1: Medições, preparação e equipamentos .................................................... 50
7.5
Resultados obtidos e observações durante a Fase 1 ........................................... 59
7.6
Fase 2: Configurações de equipamentos e medições.......................................... 79
7.7
Resultados obtidos e observações durante a Fase 2 ........................................... 82
7.8
Proposta de modelagem e simulação dos ensaios realizados ........................... 83
xiv
8
CONCLUSÕES ........................................................................................................... 97
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 101
APÊNDICE A ........................................................................................................................ 109
APÊNDICE B ........................................................................................................................ 111
APÊNDICE C ........................................................................................................................ 115
APÊNDICE D ........................................................................................................................ 117
xv
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, inúmeros dispositivos eletrônicos são empregados em funções
importantes no contexto dos atuais veículos automotores em produção. As aplicações
da eletrônica embarcada, termo utilizado para definir circuitos eletrônicos e software
que realizam funções específicas e que possuem dimensões reduzidas, estão
presentes desde sistemas de navegação (GPS - Global Position System) até no
acionamento da bolsa inflável do airbag em caso de colisão [1].
A evolução da eletrônica também permitiu o melhor aproveitamento no
funcionamento dos motores de combustão interna, com o aprimoramento de
aplicações como sensores e/ou atuadores e sistemas de entretenimento [1].
A maioria desses dispositivos eletrônicos está conectada e trocam informações
entre si por meio de uma rede de comunicação de dados [2]. Estes sinais somente
podem ser lidos e processados quando se utiliza uma interface analógica capaz de
capturá-los e transformá-los em informações para o processamento via software.
Contudo, um dos principais e mais conhecidos efeitos físicos que podem levar
esses dispositivos ao mau funcionamento são as interferências eletromagnéticas
(EMI) provenientes de fontes emissoras de ondas ou ruídos eletromagnéticos, como
antenas de rádio ou até mesmo de outro dispositivo eletrônico instalado no mesmo
ambiente [3].
Estas interferências eletromagnéticas podem causar inúmeros distúrbios em
sistemas eletrônicos de baixa potência. Um exemplo desse tipo de distúrbio é a
geração de ruído nos sinais que trafegam na rede CAN (Controller Area Network) do
automóvel, podendo ocasionar falhas na interpretação desses sinais. Estas falhas
podem ser intermitentes ou permanentes.
Portanto, um projeto robusto de engenharia eletrônica deve considerar a
localização desses dispositivos eletrônicos e o ambiente susceptível às interferências
1
eletromagnéticas ao qual eles estarão submetidos. Isto significa que, tanto as fontes
externas quanto as internas de ruídos eletromagnéticos devem ser analisadas.
É de consenso no meio de engenharia automotiva que para esse tipo de estudo
devem-se realizar ensaios para se averiguar a robustez desses sistemas eletrônicos.
Dependendo da etapa do desenvolvimento do projeto, caso alguma possível região
problemática seja identificada, o custo para reparar esse problema pode ser
expressivo, ou seja, da ordem de dez a vinte vezes maiores do que quando
comparado ao custo de uma mudança na etapa inicial do desenvolvimento [4] e [5].
Isto acontece pelo fato de envolver diversas áreas e peças que já podem estar
em etapas avançadas de desenvolvimento e validação, como por exemplo, nos
estágios de construção de moldes e máquinas necessários para produção do
hardware de um determinado componente.
Para minimizar os custos dessas mudanças imprevistas e garantir o perfeito
funcionamento dos sistemas eletrônicos automotivos, isto é, evitando ao máximo os
efeitos das interferências eletromagnéticas, uma alternativa é a utilização de
ferramentas de simulação capazes de gerar resultados com um grau de precisão
aceitável pela indústria. Portanto, esses limites precisam ser definidos por
especificações técnicas e ensaios.
Neste contexto, as análises computacionais podem ser uma alternativa para
redução ou até substituição desses ensaios. Essas ferramentas de software podem
evitar gastos como o de transporte e/ou exportação de veículos para empresas ou
institutos que realizam tais testes.
Em todos os projetos de desenvolvimento de um produto são realizados
procedimentos de testes de validação de acordo com as especificações, demandando
um emprego de tempo e de recursos financeiros [4].
Para a realização destes testes de validação, em alguns casos, é necessário
exportar veículos para países com capacidade técnica e instrumental, deslocar
2
engenheiros para acompanhamento e orientação dos ensaios, ocorrendo um impacto
financeiro significativo no projeto.
O estudo de caso abordado e detalhado nesta dissertação está relacionado a
um problema encontrado na etapa inicial de desenvolvimento de um novo projeto de
um automóvel. Em uma determinada região do veículo foi previsto a instalação de um
sistema eletrônico de comunicação sem fio – Bluetooth.
Coincidentemente, nas proximidades desta região que receberá esse módulo
eletrônico, estão instalados os cabos que transportam potência e sinal para outros
dispositivos elétricos e eletrônicos, bem como outros módulos eletrônicos.
Assim, deve-se estudar a região e averiguar se há alguma interação entre o
campo irradiado por esses cabos e o módulo eletrônico, ou seja, se há risco de
interferência eletromagnética em torno dessa região [6].
Desta forma, foram realizados ensaios com o objetivo de medir o campo
irradiado no interior do veículo. Os ensaios foram divididos em lotes de três medições
respeitando uma sequência de funcionamento e acionamento de alguns itens elétricoeletrônicos do veículo. Os detalhes e resultados serão discutidos no Capítulo 7.
Adicionalmente, analisando o desenvolvimento de produtos em empresas da
área automotiva, nota-se que a utilização de ferramentas de simulação pode antecipar
alguns resultados que até então somente poderiam ser observados em ensaios.
Ademais, consegue-se uma economia de tempo, recursos financeiros, testes
de validação do produto e custo de modificação de ferramental dos componentes
envolvidos com a antecipação de mudanças estruturais [6].
Assim, a principal contribuição desse trabalho é a verificação da viabilidade da
utilização uma ferramenta computacional de simulação e modelagem, software CST
(Computer Simutation Technology) [7], para a determinação do campo irradiado no
ambiente interno do veículo.
3
Conceitos necessários para o entendimento desses fenômenos e suas
respectivas técnicas de estudo foram acrescentados no capítulo 2. Contudo, por não
fazer diretamente parte do escopo desse trabalho, não se utilizou um detalhamento
matemático complexo nesta etapa.
4
2 ESTUDOS DE EMC/EMI
Para
estudos
relacionados
ao
eletromagnetismo
aplicado,
deve-se
compreender e ter domínio dos fenômenos físicos e das avançadas técnicas
matemáticas utilizadas para solução desses problemas.
Por exemplo, pode-se analisar as equações de Maxwell na solução de
problemas de eletromagnetismo [8], [9] e [10]. Pelo ponto de vista algébrico, as
condições de contorno que são assumidas para a solução desses problemas
determinam a complexidade da solução. Do ponto de vista computacional, estas
condições de contorno se tornam um desafio para a correta abordagem de solução
do problema estudado.
Historicamente, os problemas envolvendo EMC começaram ser percebidos
juntamente com a evolução da microeletrônica [11]. Com a invenção do rádio em 1907
[12], as aplicações do eletromagnetismo começaram a ser difundidas na área das
telecomunicações. O surgimento das válvulas a vácuo, na década de 20 e 30, levou
os amplificadores utilizados para a transmissão a um novo patamar de potência,
podendo atuar em uma maior área geográfica [12].
Logo após o final da Segunda Guerra Mundial, os transistores foram inventados
e os circuitos eletrônicos começaram a ser desenvolvidos em dimensões cada vez
mais reduzidas, consumindo menos energia e ampliando o campo de aplicações da
microeletrônica. Alguns exemplos que continuam em frequente avanço: telefones
celulares, microprocessadores e circuitos embarcados utilizados na indústria
aeronáutica e automobilística.
Em contrapartida, essa evolução da microeletrônica produziu novas fontes de
emissão de ondas eletromagnéticas e os efeitos relacionados à EMC e EMI
começaram a interferir no funcionamento de alguns dispositivos eletrônicos, levandoos a funcionar de forma equivocada e inesperada [13].
5
Assim, nos últimos anos, os efeitos eletromagnéticos observados em alguns
dispositivos por meio de ensaios e/ou acidentalmente começaram a ser objeto de
estudo nas mais variadas áreas onde a eletrônica é aplicada.
Atualmente, existem requisitos a serem cumpridos com o objetivo de reduzir os
efeitos
danosos
causados
nos
dispositivos
eletrônicos
por
interferências
eletromagnéticas [14].
Estes estudos envolvem, além de ensaios, modelamentos computacionais com
o objetivo de se projetar e obter dispositivos robustos, isto é, capaz de permanecer
funcionais sob as condições extremas das especificações aos quais eles foram
projetados.
2.1
Cenário atual e aplicação na indústria automobilística
Nos atuais projetos em andamento na indústria automobilística, se faz uso de
métodos
computacionais
para
solução
de
problemas
relacionados
ao
eletromagnetismo [14].
Contudo, alguns sistemas eletrônicos possuem especificações determinando
seu modo de funcionamento e validação, demandando testes específicos para a
finalização de seus projetos.
Inclusive, algumas empresas possuem normas internas para cálculo e
validação em situações, ambientes e mercados consumidores específicos. Isso ocorre
pela característica dos projetos serem globais, ou seja, um veículo é projetado em
determinado centro de engenharia, por exemplo, no Brasil, mas pode ser
comercializado em vários mercados consumidores, como Europa e Estados Unidos.
Um exemplo de aplicação é mostrado nas Figuras 1 e 2. Neste caso, para a
elaboração desses relatórios, utilizou-se uma ferramenta de software aplicada para o
6
dimensionamento de antenas. Com esse estudo, obteve-se o ganho e directividade
da antena utilizada em um modelo de veículos em comercialização de uma grande
montadora. Vale ressaltar que estes resultados eram confirmados experimentalmente
em uma câmara anecóica.
Figura 1: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15].
7
Figura 2: Exemplo de estudo de simulação para dimensionamento de antenas [15].
Utilizado o software CST, os resultados obtidos apresentaram um nível de
correção aos ensaios da ordem de mais de 90%. Ademais, ressalta-se a possibilidade
de testar diferentes geometrias de superfície e posicionamento da antena, realizando
comparativos entre os diferentes arranjos possíveis.
Desta forma, consegue-se um trabalho orientado a otimização, ou seja, na
procura de um ponto ótimo para o funcionamento do sistema avaliado levando em
consideração os custos e viabilidade técnica de implementação.
Em exemplos de sucesso como este descrito, verifica-se uma significativa
contribuição para a expansão na aplicação dessas técnicas matemáticas e
computacionais. Há um ganho de tempo e flexibilidade nas opções de testes
implicando em uma redução de recursos financeiros.
8
3 FUNDAMENTOS DE EMC/EMI
Alguns termos são geralmente utilizados para descrever os fenômenos e
efeitos causados por campos eletromagnéticos em sistemas eletrônicos. As definições
desses termos fundamentam entendimento de ensaios e estudos relacionados ao
assunto.
3.1
Termos e definições
O termo EMI (Electromagnetic Interference) pode ser definido como qualquer
emissão que coloca em risco o funcionamento de um dispositivo, degradando,
obstruindo ou interrompendo seriamente e de forma repetida qualquer transferência
de dados ou energia entre dispositivos [10].
O termo EMC pode ser definido como a capacidade de um sistema eletrônico
de funcionar corretamente em um ambiente susceptível a campos eletromagnéticos e
também de não provocar interferência em outros sistemas existes neste ambiente [3].
Logo, o objetivo de um sistema eletrônico do ponto de vista de EMC é ser imune
as emissões eletromagnéticas existentes e não provocar perturbações, isto é, ser uma
fonte de interferências eletromagnéticas, em outros sistemas. Esse conceito é
fundamental quando se analisa as aplicações automotivas [3].
Para ilustrar o conceito de sistema, a Figura 3 mostra dois dispositivos
eletrônicos instalados em um mesmo ambiente. O objetivo é ter ambos dispositivos,
Sistema A e Sistema B, funcionando de forma adequada, livre de qualquer distúrbio
eletromagnético causado por fontes internas e externas [3].
9
Figura 3: Modelo de um sistema sob o ponto de vista de EMC [3].
Verifica-se que há três elementos básicos a serem considerados do ponto de
vista de EMC: fonte, o meio e o receptor. Os receptores por sua vez podem ser
classificados de dois tipos: os intencionais e não intencionais [3].
Exemplos de receptores intencionais seriam os aparelhos de rádio e/ou
televisão. Eles aparelhos funcionam captando sinais eletromagnéticos transmitidos
pelas antenas de rádio/TV e transformando-os em imagens e sons.
Em relação ao receptor não intencional, pode-se mencionar um computador ou
algum outro tipo de dispositivo eletrônico que não trabalha em função de ondas
eletromagnéticas enviadas por uma fonte. Este é o modelo básico e inicial que é
utilizado na resolução e/ou redução de problemas relacionados à EMC. As estratégias
de avaliação nestes casos podem realizar variações da energia da fonte, adotar o
meio como um condutor radiado no ar, etc. [3].
Desta forma, define-se o conceito de imunidade ou susceptibilidade
eletromagnética. Este conceito refere-se à habilidade de um dispositivo eletrônico
funcionar, satisfatoriamente, em um ambiente sujeito a distúrbios eletromagnéticos
[16] e [17].
10
Na indústria automobilística, a imunidade e susceptibilidade são tratadas como
grandezas inversamente proporcionais [3]. Na Figura 4 verifica-se, por exemplo, que
um sistema eletrônico possui um elevado nível de susceptibilidade se possuir um
baixo nível de imunidade.
Assim, a imunidade trata um sistema eletrônico do ponto de vista de
funcionamento em um ambiente eletromagnético. Em contrapartida, susceptibilidade
analisa a capacidade de um sistema ser susceptível a interferências em um ambiente
eletromagnético, podendo apresentar falhas em seu funcionamento [3].
Ressalta-se que, tanto imunidade quanto susceptibilidade são apenas duas
formas de representar o mesmo conceito. Podem ser considerados pontos de vista
diferentes em relação ao mesmo assunto.
Figura 4: Susceptibilidade vs. Imunidade [3].
Um conceito fundamental em EMC diz respeito à forma pela qual a EMI se
propaga, conforme a Figura 5. Se os distúrbios interferentes são verificados em linhas
de transmissão, cabos, fios, etc., são definidos como EMI conduzida. Caso contrário,
se a EMI é devida ao acoplamento de campos eletromagnéticos radiados com o
dispositivo interferido, é definida como radiada [16] e [18].
11
Figura 5: Formas de interferência eletromagnética [18].
A definição anterior de EMC dão origem as quatro subdivisões seguintes [19]:
a. Emissão radiada;
b. Emissão conduzida;
c. Susceptibilidade radiada;
d. Susceptibilidade conduzida.
Sendo formas diferentes de representar o mesmo conceito [3], no projeto de
desenvolvimento de um veículo, é usual encontrar estudos mencionando o termo
imunidade ao invés de susceptibilidade.
Portanto, na indústria automobilística, os estudos de imunidade radiada
analisam a proteção de todos os sistemas eletrônicos internos a partir do ambiente
onde estão instalados e sob possíveis interferências causadas por outras fontes de
emissão presentes no interior do veículo [20].
A imunidade conduzida descreve e detalha a habilidade dos dispositivos
eletrônicos instalados em um veículo de tolerar as variações de carga, transientes e
12
chaveamentos provocados pelo acionamento de uma carga de potência expressiva,
como o acionamento do ventilador de resfriamento do motor, conhecido como ECF
(Engine Cooling Fan) [20].
A emissão radiada aborda os ruídos eletromagnéticos emitidos pelos sistemas
eletrônicos instalados nos veículos. Esses ruídos devem ser minimizados, utilizando
técnicas de design de circuitos por exemplo, para garantir a operação dos sistemas
instalados no próprio veículo e em outros veículos que eventualmente estejam nas
proximidades [20].
A emissão conduzida é geralmente causada pelo chaveamento de cargas
indutivas, emitindo ruídos pelos condutores de potência que as ligam [20].
3.2
Definição de Componente e Sistema.
O estudo de EMC é realizado quando sistemas eletrônicos são utilizados para
realização de uma ou mais funções. Não há problemas de EMC associados a uma
chave de acionamento dos vidros ou mesmo em um microprocessador isoladamente.
Problemas de EMC ocorrerem quando componentes estão em um sistema em
funcionamento e fazendo interface com o ambiente externo [3].
Define-se como componente uma entidade que que possui uma dimensão
física e que possui massa. Um transistor pode ser classificado como componente, pois
consegue-se definir seu tamanho, a massa e algumas das suas características
elétricas como número de ligações, cor ou forma [3].
Assim, tendo em vista a discretização de um componente, define-se um
sistema como a interação de alguns componentes conectados entre si e as suas
respostas à interface para um ambiente externo.
Pode-se dizer que o transistor é um elemento do "sistema de amplificação".
Isso significa que há uma interação com o meio ambiente onde está instalado, isto é,
13
o sinal de entrada, a operação do transistor e a energia enviada para fora (o sinal
amplificado). Um exemplo é mostrado na Figura 6. Tem-se um rádio que é composto
por vários componentes eletrônicos, formando um sistema [3].
Figura 6: Conceito de Componente e Sistema [3].
Consegue-se identificar a representatividade de um componente no sistema.
De fato, o sistema somente existirá quando alguns componentes estiverem ligados e
trocando informação entre si [3].
14
3.3
Antenas
Muitos problemas de EMC são resultados da energia que é transferida por
radiação a partir de uma fonte. Para entender essa radiação de energia, é útil fazer
uso a alguns princípios básicos de eletromagnetismo. Um desses princípios é o "ponto
de radiador isotrópico" de energia.
O "ponto de radiador isotrópico" é definido como um ponto que possui raio zero
e radia energia igualmente em todas as direções. Isto é mostrado na Figura 7 [3]:
Figura 7: Conceito de Ponto de Radiador Isotrópico [3].
As entidades que intencionalmente transferem energia por radiação são
chamadas de antenas. Elas possuem características que as diferenciam dos
radiadores isotrópicos [3].
Basicamente, os dois tipos de antena mais comuns usados são "quarto de
onda" e "meia onda" [3]. Estes nomes se referem ao fato de que suas dimensões
físicas se aproximarem de uma fração do comprimento de onda, a qual é determinada
a partir da velocidade de propagação e a frequência de operação [3].
Por exemplo, uma antena de “meia onda” utilizada para receber um sinal de
100 MHz mediria cerca de 1,5 m de comprimento. Para o mesmo sinal, uma antena
de “quarto de onda” mediria aproximadamente 0,75 m de comprimento. Estas são
referidas como “antenas omnidirecionais” e possuem a característica de irradiar em
um ângulo máximo de 90 graus [3].
15
Além da direcionalidade, outra característica das antenas é a impedância ou
resistência de radiação. Resistência de radiação significa a resistência efetiva que a
antena apresenta quando ligada a uma fonte. Uma antena de “meia onda” é
comumente utilizada e possui uma resistência de radiação de aproximadamente 73
ohms. Uma antena de “quarto de onda” tem uma resistência à radiação de
aproximadamente 37 ohms [3].
As antenas “quarto de onda” são regularmente utilizadas na telefonia celular
[3]. Podem operar como antenas de ELF (Extremely Low Frequency) (operam nas
frequências de 3,0 Hz a 30 GHz) ou como antenas de EHF (Extremely High
Frequency) (operam nas frequências de 30 GHz a 300 GHz). Conforme visto na
Tabela 1, há uma diminuição do tamanho da antena em função ao comprimento de
onda
utilizado.
Consequentemente,
a
frequência
utilizada
é
inversamente
proporcional ao comprimento de onda, ou seja, quanto maior a frequência, menor o
comprimento de onda e dimensão da antena.
Tabela 1: Frequência, comprimento de onda e “quarto de onda” [3].
Frequência
Comprimento de onda
“Quarto de onda”
[MHz]
[metros]
[metros]
27
11.00
2.70
45
6.70
1.70
150
2.00
0.50
850
0.35
0.09
Quando se estudam as antenas utilizadas nos ensaios de validação do projeto
de um veículo (os ensaios de validação e suas características serão abordadas
posteriormente), verifica-se que esses componentes podem emitir ondas em
determinadas faixas de frequência. Nesse contexto as características de antenas
dipolo podem não ser suficientes, em termos de parâmetros tais como ganho, por
exemplo. Nesses casos, os três tipos mais utilizados são as Antenas Bicônicas,
Antenas Piramidais (Horn), e as Antenas LPDA (Log-periodic Dipole Array) mostradas
nas figuras 8, 9 e 10 respectivamente.
16
Figura 8: Antena Bicônica [21].
Figura 9: Antena Piramidal (Horn) [22].
Figura 10: Antena LPDA [22].
17
Conforme a CISPR-12, uma das normas de referência para validação e ensaios
em EMC/EMI, é definido um esquema de ensaio indicando a posição das antenas e
as faixas de frequência que devem operar – mostrada Figura 11 [23]. Um dos
requisitos mais importantes no EMC automotivo é o ensaio realizado para avaliar a
imunidade radiada.
Figura 11: Esquema de ensaio previsto na CISPR 12 [23].
Para as frequências de 100 KHZ – 30 MHz é utilizado um Gerador de Campo
E-H que trabalha suspenso por cabos não condutivos – mostrada na Figura 12. A
vantagem da utilização desse equipamento é o fato de poder ser ajustado em função
do tamanho do veículo a ser ensaiado [23].
Figura 12: Gerador de Campo E-H [23].
A cobertura de todas as faixas de frequência é feita por uma variação nos
sistemas de antenas, conforme apresentado na Tabela 2.
18
Tabela 2: Frequência, Potência e tipos de antena utilizada nos ensaios de Imunidade
Radiada [23].
Frequência
Potência
[Hz]
[W]
100 K – 30 M
10 K
Gerador de Campo E-H
30 – 100 M
10 K
Bicônica de Alta Potência
100 – 1000 M
2K
Dual Ridge Guide Horn
1 – 1.8 G
250 – 550
Octave Horn
20 – 200 M
5K
Fore-shortened LPDA
200 – 1000 M
1K
LPDA Dual array
Tipo de Antena
A utilização antenas ativas nas medições de emissões está em conformidade
com a CISPR 25. Estas medições devem considerar as influências causadas pela
estrutura passiva (em particular o tamanho do plano de terra) ou a determinação do o
melhor nível de ruído e amplificação (ganho). Ressaltando que esses ensaios são
realizados em câmaras anecóica e semi-anecóicas [24].
Para aplicações na área de EMC, a maneira mais utilizada para caracterizar as
propriedades de recepção de uma antena é a noção de fator de antena (AF – do inglês
antenna factor) [25], [26] e [27]. Assim, o termo fator de antena está intrinsecamente
relacionado ao uso de uma antena para medição de campos elétricos (ou
magnéticos). O fator de antena pode ser relacionado com os parâmetros tradicionais
de caracterização de antenas, tais como, ganho, directividade e abertura efetiva [28].
A definição do fator de antena (elétrico) pode ser entendida como a taxa da
intensidade de campo elétrico incidente (Einc) na superfície da antena receptora pela
tensão recebida (Vrec) nos terminais da antena [27], junto ao ponto de conexão do
sistema receptor.
𝐴𝐹 =
𝐸𝑖𝑛𝑐
𝑉𝑟𝑒𝑐
(2-1)
19
Usualmente, um sistema receptor para medição de campo, por exemplo, um
analisador de espectro, é conectado aos terminais da antena por meio de um cabo
coaxial [29].
Conforme ilustrado na Figura 13 [29], o fator de antena pode ser entendido
como uma função de transferência de um sistema linear, assim como, em termos de
circuito equivalente. O fator de antena possui a unidade de 1/m que é derivado da
relação de 1 V/m por V (AF elétrico), mas geralmente para propósitos de notação, a
unidade de 1/m costuma ser suprimida. Ademais, para utilização da escala
logarítmica, os fabricantes de antena costumam fornecê-los como valores em decibéis
(dB).
Figura 13: Fator de Antena: a) Função de Transferência; b) Circuito Geral; c) Circuito Equivalente
[29].
20
Na área de EMC, é comum expressar os valores de tensão e campo elétrico
relacionados a dBμV (decibel-microvolt). Portanto, tem-se:
𝐴𝐹𝑑𝐵 = 𝐸𝑖𝑛𝑐 (𝑑𝐵𝜇𝑉/𝑚)-𝑉𝑟𝑒𝑐 (𝑑𝐵𝜇𝑉)
(2-2)
Logo, para obter o valor do campo elétrico incidente na antena basta utilizar a
expressão:
𝐸𝑖𝑛𝑐 (𝑑𝐵𝜇𝑉/𝑚) = 𝑉𝑟𝑒𝑐 (𝑑𝐵𝜇𝑉) + 𝐴𝐹(𝑑𝐵)
(2-3)
A equação 2-3 é uma para converter a tensão registrada pelo analisador de
espectro (Vrec) nos valores de campo incidente na antena receptora (Einc). Sua
utilização para os casos em que o sistema de medição empregado possui a exata
configuração definida pelo fabricante conforme o teste de calibração do AF, isto é, até
o ponto de leitura utilizado no teste que geralmente envolve as perdas de acoplamento
da antena, dos conectores, e da atenuação do cabo coaxial fornecido com o conjunto
[29].
Para sistemas modificados que não seguem a configuração expressamente
definida pelo fabricante, como a utilização de cabos extensores ou atenuadores, as
perdas adicionais devem ser computadas (em dB) sempre como um valor positivo ao
lado direito da equação [29].
É importante ressaltar que os valores de AF podem variar dentro da faixa
frequência em que a antena foi projetada para operar. Por esta razão, é comum por
parte dos fabricantes, o fornecimento do fator de antena sob a forma de uma tabela
de correção (ou gráfico) dos valores em função da faixa frequência de operação da
antena.
Embora antenas do mesmo modelo possuam um comportamento semelhante
dentro da sua faixa de operação, os valores de fator de antena (ou fator de correção)
são específicos para cada uma delas, e obtidos a partir de ensaios de calibração
21
realizados pelo fabricante. A configuração utilizada nestes ensaios de calibração
define a limitação das aplicações da antena receptora [29] e [30].
Por fim, destaca-se que a análise aqui apresentada também pode ser obtida
para valores de campo magnético. Neste caso, é definido o fator de antena magnético
(AFm) a partir do campo magnético incidente, dado pela relação:
𝐴𝐹𝑚 =
𝐴𝑖𝑛𝑐
𝑉𝑟𝑒𝑐
(2-4)
A unidade utilizada para o fator de antena magnético é o S/m, derivada da
relação A/m por V.
Em geral, a impedância dos aparelhos de medição de campo é de 50 Ω [31].
Dessa forma, o Fator de Antena pode ser calculado como descrito na equação 2-5:
𝐴𝐹 = 20 log(𝑓) − 𝐺𝑑𝐵 − 29,78 (𝑑𝐵)
(2-5)
Onde:
- 𝑓 é a frequência sendo utilizada em MHz;
- 𝐺𝑑𝐵 é o ganho de potência da antena.
22
4 MÉTODOS NUMÉRICOS
4.1
MEF e FE-BI.
O MEF (Método de Elementos Finitos) tem sido utilizado por quase cinco
décadas para a solução de problemas eletromagnéticos [33]. Nos primeiros
desenvolvimentos, foi principalmente utilizado para a análise de problemas de
eletrostática e magnetostática.
Contudo, o método tem sido aplicado extensivamente para a análise de
problemas envolvendo geometrias bidimensionais e tridimensionais, especificamente
nas áreas de radiação e dispersão [32] e para campos eletromagnéticos estáticos [33].
Apesar das equações de Maxwell descreverem por completo o fenômeno físico
observado, a aplicação direta das equações em geometrias complexas é difícil, sendo
muitas vezes necessário recorrer a técnicas de cálculo numérico para se obter a
distribuição dos campos resultantes.
Uma metodologia inicialmente utilizada para estruturas menos elaboradas é o
MDF (Método das Diferenças Finitas) [34], por meio do qual se resolvem equações
diferenciais de uma determinada matriz, representada por uma malha.
O MDF pode ser utilizado para a solução de grande parte dos problemas com
geometrias simplificadas. Contudo, quando é necessário estudar o domínio para uma
geometria mais complexa, este método não é o mais adequado pelo fato de que a
discretização da geometria resulta em um processo complexo e, em muitos casos,
fora da forma ideal para cálculo, conforme exemplo mostrado na Figura 14.
O MEF foi inicialmente divulgado por volta dos anos 1960 [35], já então tendo
sido utilizado na área aeroespacial [36]. Os fundamentos básicos em métodos de
elementos finitos são muitas vezes extraídos de textos clássicos, baseados em
aplicações da engenharia civil e engenharia mecânica. Embora esses textos
proporcionem uma excelente estrutura para o método de elementos finitos, eles não
23
oferecem uma abordagem adequada para a solução de problemas bidimensionais e
tridimensionais envolvendo variações senoidais no espaço, problema este comum em
aplicações eletromagnéticas [32].
Os estudos a respeito da discretização de funções contínuas, por sua vez,
iniciaram-se apenas em 1943, pelo matemático Courant, seguindo a ideia de utilização
de elementos triangulares e o princípio da minimização de energia potencial em
estudos de torção em peças mecânicas [37].
Figura 14: Comparação da discretização da geometria pelo Método das Diferenças Finitas (a) e
Método dos Elementos Finitos (b) [35].
Conforme se observa, o MEF apresenta maior precisão na resolução de
problemas com geometrias complexas, pois se compatibiliza melhor ao contorno da
geometria sob análise [35]. Por outro lado, possui algumas restrições como a
complexidade de cálculo e tempo de processamento computacional [38].
Desta forma, aplicações atuais utilizam técnicas computacionais avançadas
para resolução de problemas dessa natureza. Pode-se citar a técnica denominada FEBI (Finit Element Boundary Integral) [38].
O FE-BI é considerado um método híbrido. Em função de utilizar uma Equação
Integral (IE) como um limite de truncamento para o espaço utilizado no método de
elementos finitos. Esta combinação de paradigmas permite uma redução no volume
de processamento da solução, resultando em uma abordagem mais rápida e mais
eficiente [38].
24
Um exemplo da abordagem do método FE-BI pode ser visto na Figura 15.
Nesse caso, é mostrada uma aplicação abordando um ensaio definido pela ISO
11451-2. É possível identificar que o domínio utilizado para a aplicação possui a
Equação Integral bem definida. Ainda é possível observar que, abordando o problema
pelo método dos elementos finitos, o volume a ser processado de informações será
visivelmente maior [38].
A equação integral é utilizada como um limite de truncamento para o espaço
simulado. Assim, com a redução desse volume que seria calculado, obtém-se um
processo mais conciso e rápido. Vale ressaltar que a distância da antena até fronteira
determinada no método FE-BI pode ser arbitrariamente pequena. Isso implica em uma
redução significativa em termos de processamento.
Figura 15: Aplicação do método FE-BI [38].
A
abordagem
proposta
pelo
método
FE-BI
pode
ser
comparada
qualitativamente analisando o domínio das simulações, conforme Figura. 16 [38].
25
Figura 16: Comparativo entre FEM e FE-BI [38].
No exemplo da Figura 16, tem-se a modelagem de um veículo em uma câmara
anecóica sendo submetido ao teste de EMI conforme ISSO 14451-2. Muito embora o
ambiente a ser calculado tenha sido reduzido no método FE-BI, os resultados obtidos,
Figura 17, mostram que praticamente não há alterações na qualidade do resultado
obtido [38].
Figura 17: Antena Far-field Pattern a  = 90º [38].
26
Neste comparativo entre os resultados obtidos pela técnica de elementos finitos
e FE-BI, conclui-se que ambos os processos podem ser utilizados, pois há uma visível
correlação nos resultados obtidos por técnicas diferentes. Contudo, a FE-BI possui o
benefício de ser mais rápido e necessitar de um menor poder de processamento dos
computadores que farão os cálculos dos resultados [38].
4.2
Métodos no domínio do tempo
O software de simulação utilizado nessa dissertação faz a utilização dos
seguintes métodos numéricos no domínio do tempo:

FIT (Finite Integration Technique);

FDTD (Finite Difference Time Domain);

TLM (Transmission Line Matrix).
Os métodos citados acima possuem as características de uma grade de
coordenadas cartesiana (hexaédrica cúbica ou cilíndrica circular) e um diagrama de
integração explícito no tempo [39].
Estes dois fatores estão intimamente relacionados. A grade de coordenadas
implica em uma estrutura de banda simples das matrizes do sistema na qual um
algoritmo pode ser aplicado [39]. Os campos são propagados através da estrutura
pelas multiplicações dos vetores das matrizes com um específico passo de tempo.
Assim, quanto maior for o passo de tempo, menor será o tempo de simulação.
O passo de tempo máximo possível é determinado pelo critério de CourantFriedrich-Lewy (CFL) [40]. Trata-se do tempo requerido para o sinal, que se propaga
a velocidade da luz, passar pela menor célula da malha no domínio de cálculo. Pode
ser mais ilustrativo pensar no critério CFL como uma maneira de forçar a informação
de uma célula da malha, a tocar em cada célula da malha vizinha, em cada passo de
tempo.
27
Os requisitos de memória e o tempo de simulação aumentam linearmente com
o aumento do número de pontos da malha. Devido a esta propriedade, os simuladores
no domínio de tempo são adequados para resolver estruturas eletricamente grandes
e ricas em detalhes, onde bilhões de incógnitas podem ser manipuladas e calculadas
[41].
Há outras abordagens no domínio do tempo que utilizam grades não ortogonais
e/ou diagramas de integração implícitos no tempo. Atualmente para micro-ondas e
RF, não há implementações comerciais disponíveis [42], [43].
Um algoritmo implícito sempre deve resolver um sistema de equações em um
determinado passo de tempo, mas na sequência o tamanho do passo de tempo pode
ser alterado para um valor maior, levando a diminuição do tempo de simulação [41].
O domínio do tempo oferece a possibilidade de estudo do comportamento
transiente das estruturas eletromagnéticas. Adicionalmente ao fato de poder ser
utilizado como um analisador de redes virtual, o simulador também pode funcionar
como um reflectômetro virtual no domínio do tempo (TDR – Time Domain
Reflectometer), tempos de atraso e degradação do sinal em linhas de transmissão
podem ser simulado diretamente [41].
Tanto os sinais como os campos podem ser estudados no domínio do tempo,
como por exemplo, os farfields transientes tornam-se cada vez mais importantes em
aplicações de UWB. Em dispositivos de múltiplas portas, cada porta pode ser excitada
individualmente com um sinal de tempo diferente e os campos simulados podem ser
monitorados apropriadamente.
A FIT, utilizada nas simulações deste trabalho pelo software CST, recebe este
nome por discretizar a forma integral, ao invés da diferencial, as equações de Maxwell
[41]. As incógnitas são definidas por:
a. Tensões elétricas, denotadas por en, nas extremidades da malha
discretizada;
28
b. Fluxos magnéticos, denotados por bn, sobre as faces da malha.
Por exemplo, para discretizar a lei de Faraday, Figura 18, em uma face da
malha, verifica-se que o lado esquerdo de (1) é a integral de linha do campo elétrico
(ou seja, uma tensão elétrica) ao longo da borda da face. Esta integral pode ser escrita
como uma soma algébrica das incógnitas da borda. O lado direito é a derivada é em
função do tempo (indicado por um ponto) do fluxo magnético através da face. Desta
forma, para qualquer malha fixa, ou seja, que já inclui um erro de discretização do
espaço, nenhum erro suplementar de discretização da equação é adicionado, quando
se passa da forma contínua para a discreta. Isto porque, com esta escolha de
incógnitas, a passagem de (1) para (2) baseia-se unicamente nas propriedades
matemáticas da integral [41].
Figura 18: Exemplo de aplicação da Técnica de Integração Finita no Domínio do Tempo [41].
29
Por outro lado, um erro de discretização das equações ocorrerá quando se
discretizar as relações de propriedades dos materiais [41]. Ao agrupar os coeficientes
+1 e -1 da soma algébrica em uma matriz C (a versão discreta do operador ‘curl’), e
as incógnitas elétricas e magnéticas em vectores e e b, uma matriz compacta
resultante é formada, que se assemelha a forma diferencial contínua da lei de Faraday
⃗
⃗ ̇ , ou seja, ∇ × 𝐸⃗ = − 𝜕𝐵.
𝑐𝑢𝑟𝑙 𝐸⃗ = − 𝐵
𝜕𝑡
Assim, todas as equações de Maxwell podem ser discretizadas com o FIT para
produzirem suas formas discretas em uma forma matricial compacta [44]. Os
operadores da matriz C, 𝐶 (operadores curl discretos) e S, 𝑆 (operadores divergente
discretos) são matrizes topológicas, contendo apenas 1, -1 e 0 como entradas. Em
uma grade cartesiana, o FDTD se equivale ao FIT [45].
Mesmo a versão moderna do método FEM utiliza exatamente a mesma forma
(6), Figura 18, das equações de Maxwell discretizadas [46]. A diferença entre o FEM
moderno e o FIT é somente na discretização das relações de propriedade dos
materiais [41].
Os métodos FIT, FDTD e TLM tradicionais, a célula da malha possui um
formato hexaédrico e é preenchida totalmente por um determinado material. Esse tipo
de aproximação é chamada de staircase (em escada).
Contudo, essa discretização pode dificultar a obtenção de uma exatidão ótima
na representação geométrica de muitos dispositivos, pois a maioria dos componentes
contêm características arredondadas. Como mostrado na Figura 19, uma malha
sendo aproximada pelo método staircase.
30
Figura 19: Aproximação de uma geometria pelo método PBA.
Para reduzir os erros gerados nos resultados, deve ser aplicado um
refinamento na malha utilizada na simulação. Métodos de conformação, tal como a
PBA (Aproximação de Contornos Perfeito) [47], melhoram a descrição geométrica,
sem comprometer a eficiência da memória de processamento [41].
O aumento do desempenho diz respeito não somente a um número menor de
células da malha, mas também a células maiores que implicam em um passo de
tempo maior.
O processo de convergência PBA é rápido e estável e pode ser seguramente
assumido que o aumento da densidade da malha irá melhorar a exatidão do resultado.
Esta afirmação não é verdadeira para aproximações em staircase onde a
convergência é lenta e não estável [41] . A Figura 20 mostra uma malha sendo
aproximada pelo método PBA.
31
Figura 20: Aproximação de uma geometria pelo método PBA.
Ainda com a preocupação de se obter melhores aproximações da geometria
dentro da grade cartesiana foram criados o FPBA (Fast Perfect Boundary
Approximation) (Fast PBA – PBA rápido) e o EFPBA (Enhanced Fast Perfect Boundary
Approximation – exatidão aumentada) [7].
Ambos visam melhorar a aproximação geométrica, aumentar a estabilidade e
a convergência do método de cálculo, diminuir o tempo e aumentar a correlação da
simulação.
As simulações na área automotiva demanda esse tipo de melhoria. Em geral,
os modelos utilizados são grandes e complexos demandando recursos de tempo e
computacional para processamento. Nas simulações a serem apresentadas neste
trabalho optou-se pelo EFPBA para garantir o melhor resultado possível em termos
de tempo de simulação e resultados calculados.
32
5 NORMALIZAÇÃO E PADRONIZAÇÃO
A preocupação com a EMC está além dos requisitos técnicos, já que o
crescente volume das relações comerciais internacionais fez crescer à necessidade
de criação de normas internacionais com o objetivo garantir o funcionamento
adequado dos produtos comercializados em diversos países.
5.1
Descrição das normas e padrões
Existem diferentes normas que regularizam ensaios para os cinco
subproblemas básicos de EMC [6], a saber:
a. emissão irradiada: verificação dos níveis de campos eletromagnéticos
irradiados pelo equipamento e que podem ser recebidos por outros
equipamentos causando interferência. Em geral é medido apenas o campo
elétrico e os limites são dados em dBµV/m. A faixa de frequências é de 30 MHz
a 40 GHz. A verificação é realizada medindo-se os campos elétricos irradiados
em uma câmara semi-anecóica ou em um campo de testes aberto [6];
b. emissão conduzida: são correntes elétricas que circulam pelo cabo de
alimentação do equipamento e chegam ao quadro de distribuição elétrica, onde
podem irradiar de maneira mais eficiente e causar interferência em outros
equipamentos; verificação dos limites é realizada com a introdução de uma Line
Impedance Stabilization Network (LISN) entre o equipamento testado e a rede
elétrica. A faixa de frequências para emissões conduzidas é de 450 kHz a 30
MHz. Os limites são dados em Volts [6];
c. suscetibilidade irradiada: verificação da capacidade de bom funcionamento do
equipamento em presença de campos eletromagnéticos externos [6];
d. suscetibilidade conduzida: verificação da capacidade de bom funcionamento
do equipamento em presença de ruído conduzido em seus cabos [6];
e. imunidade a descargas eletrostáticas (ESD - Electrostatic Discharge).
33
A especificação do procedimento de medição a ser realizado durante a
verificação de limites de emissão de um produto é tão importante quanto à própria
especificação dos próprios limites, isto porque se o procedimento não é bem
especificado, podem-se obter diferentes conjuntos de dados de medição para um
mesmo equipamento.
Cada norma que define limites de emissão conduzida e irradiada possui uma
regulação correspondente que define claramente como os dados precisam ser
medidos. Isso inclui o procedimento de teste, equipamento de teste, faixa de
passagem, antenas de teste, etc.
Há basicamente duas classes de exigências de EMC que são impostas aos
sistemas eletrônicos [6]:
a. Impostas por agências governamentais e,
b. Impostas pelo fabricante do produto.
As exigências governamentais são impostas, para controlar o nível de
interferência produzido pelo produto com a finalidade de controlar o grau de poluição
eletromagnética no ambiente.
A verificação da imunidade passou a ser relevante no setor de normalização
há apenas algumas décadas, principalmente devido a necessidade de proteção da
instrumentação de controle de processos industriais contra distúrbios provocados por
transmissores de radiofrequência (RF), principalmente rádios transmissores portáteis,
descargas eletrostáticas e transitórios.
As normas IEC 801.x (IEC, 1984), composta de quatro partes, publicada pelo
Comissão Internacional de Eletrotécnica, International Electrotechnical Commission
(IEC), foi durante alguns anos o documento fundamental no domínio da
suscetibilidade eletromagnética. Esta série foi substituída pela série IEC 61000-4-x,
composta de 12 partes referentes a testes de imunidade, que é atualmente
referenciada em famílias mais recentes de produtos e normas de EMC.
34
Embora as normas governamentais também regulem requisitos de imunidade,
tal preocupação é muito mais evidenciada nas exigências impostas pelos fabricantes,
que têm como principal objetivo a satisfação do cliente, visando à garantia de um
produto confiável e de qualidade [6].
Em 1933, um encontro da IEC, órgão internacional que promulga padrões a fim
de facilitar o comércio entre os países, em Paris, recomendou a formação do CISPR
(International Special Committee on Radio Interference), para tratar do emergente
problema de EMI.
O comitê produziu um documento detalhando o equipamento de medição para
determinar potenciais emissões de EMI. Encontros subsequentes do comitê
resultaram em várias publicações técnicas que tratam de métodos de medição e dos
limites de emissão recomendados. O CISPR não é um órgão regulatório, mas
simplesmente desenvolve padrões que quando adotados tornam-se o padrão para
aquele governo [6].
Em 1979, a Comissão Federal de Comunicações dos EUA, Federal
Communications Commission (FCC) publicou uma regulamentação que requer que
as emissões eletromagnéticas (conduzidas ou irradiadas) de todos os equipamentos
digitais estejam abaixo de certos limites. A faixa de frequências definida pela FCC
como radiofrequências vai de 9 kHz a 3000 GHz [6].
O objetivo desta regulamentação é tentar limitar a poluição eletromagnética do
meio ambiente evitando o número de casos de EMI. Como nenhum equipamento
digital pode ser vendido nos EUA se os seus níveis de emissões eletromagnéticas
alcançarem os limites impostos pela FCC, o assunto compatibilidade eletromagnética
gerou grande interesse entre os fabricantes de equipamentos eletrônicos comerciais,
desde computadores digitais até máquinas de escrever eletrônicas.
Em 1989, foi publicada a Diretiva 89/336/EEC para EMC, cujos requisitos
essenciais de proteção são a limitação das emissões para evitar rádio interferência e
a provisão de imunidade adequada a distúrbios eletromagnéticos para assegurar a
35
operação correta de todos os equipamentos em qualquer lugar. O escopo desta
diretiva se aplica a todos os equipamentos elétricos, de pequenos componentes a
sistemas de geração de potência e de tração. Inicialmente, as únicas exceções são
rádios transmissores, que exigem licença e equipamento de rádio amador. Outras
exceções existentes atualmente são os equipamentos que possuem sua própria
diretiva, como equipamentos médicos e veículos automotores [48].
A FCC divide os equipamentos digitais em duas classes:
a. Classe A: equipamentos para uso em ambiente comercial e industrial;
b. Classe B: equipamentos para uso em ambiente residencial.
Os limites impostos para equipamentos da Classe B são mais rigorosos que os
da Classe A porque se assume que o problema de interferência de um equipamento
em um ambiente industrial pode ser mais facilmente corrigido do que em um ambiente
residencial, onde a fonte de interferência e o dispositivo suscetível provavelmente
estão em maior proximidade.
Além disso, o proprietário de um equipamento em um ambiente residencial
provavelmente não possui conhecimentos técnicos nem os recursos financeiros para
corrigir o problema, diferentemente do proprietário de ambiente industrial.
No Brasil, o órgão responsável pela normalização técnica é a Associação
Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) possuindo normas que dizem respeito a EMC,
tanto para equipamentos elétricos e eletrônicos em geral, quanto para segmentos
específicos
como
o
de
equipamentos
eletromédicos,
redes
internas
de
telecomunicações em edificações e máquinas rodoviárias [6].
A regulamentação tornou a EMC um aspecto crítico na comercialização de
produtos eletrônicos. Se o produto não obedecer às normas de um país em particular,
ele não pode ser comercializado naquele país.
36
6 EMC/EMI NA INDÚSTRIA AUTOMOBILÍSTICA
A indústria automobilística também aproveitou o desenvolvimento da
eletrônica. A Motorola em 1930 lançou o primeiro rádio de uso em automóveis. Na
época, este rádio era vendido separadamente como um kit de instalação, mostrado
na Figura 21 [49].
Anos depois, a empresa inglesa Lucas Industries desenvolveu a primeira
ignição elétrica, usada em 1962 na Fórmula 1 e 1963 em um modelo da empresa
americana Pontiac [49].
Figura 21: Primeiro rádio lançado para automóveis [49].
Depois de 50 anos de desenvolvimento da eletrônica e da engenharia
automobilística, nota-se que a utilização de módulos eletrônicos tornou-se essencial
para o melhor funcionamento e nos quesitos que tangem a segurança do condutor e
passageiros [49].
Atualmente, um veículo pode conter mais de 90 microprocessadores, atuando
em funções como acionamento e controle de freios, controle de abertura e fechamento
das portas, acionamento das bolsas de airbag, etc. Este fato contribuiu para o
aumento da importância do estudo da compatibilidade eletromagnética na indústria
automobilística, conforme apresentado na Figura 22 [50].
37
Figura 22: Crescimento da aplicação de sistemas elétricos e eletrônicos embarcados [50].
No Reino Unido, os automóveis foram os primeiros produtos de mercado
submetidos a uma legislação específica de EMC [51]. O ruído impulsivo gerado pelo
sistema de ignição possuía amplitude suficiente para causar interferência em
aparelhos de televisão.
A redução do nível de emissões irradiadas para um nível aceitável foi
implementada, usando apenas alguns elementos resistivos no circuito de alta tensão
dos sistemas de ignição para aumentar o tempo de subida da tensão e limitar a
corrente máxima [51].
Os testes de imunidade irradiada dos automóveis constituem uma etapa
importante no processo de desenvolvimento de um veículo, pois as funções dos
sistemas de controle, diretamente ligadas na segurança pessoal, devem funcionar
perfeitamente, mesmo em ambientes poluídos eletromagneticamente [6].
38
Os fenômenos de EMC em veículos automotivos são basicamente os mesmos
observados em qualquer sistema eletroeletrônico (emissão e suscetibilidade
conduzidas e irradiadas), embora o meio eletromagnético automotivo seja bastante
diferente do ambiente doméstico ou industrial [52].
Como não há conexões externas com o veículo, as interferências conduzidas
são causadas apenas pelos componentes e sistemas do mesmo, em contrapartida,
tais componentes e sistemas são os únicos afetados por tais interferências. As
emissões conduzidas são geradas pela comutação de motores elétricos e
chaveamento de bobinas e relés [52].
Estas emissões são de natureza transitória e são conduzidas ao longo do
cabeamento automotivo e nos terminais das fontes de tensão dos vários sistemas
eletrônicos. Os transitórios também podem ser acoplados, indutivamente ou
capacitivamente, nos terminais de controle ou de sinal de vários sistemas. A solução
adotada pelos fabricantes é limitar a amplitude dos transitórios gerados pelos vários
componentes indutivos e assegurar que os sistemas eletrônicos tenham suficiente
imunidade conduzida mantendo-se certo nível de sinal transitório [6].
As emissões irradiadas por um veículo surgem das seguintes fontes [52]:
a. Cabeamento automotivo funciona como uma antena, irradiando os
transitórios conduzidos;
b. sistemas eletrônicos que incorporam sinal lógico digital de alta velocidade,
como microprocessadores e seus componentes associados;
c. conversores CC/CC (choppers) eletrônicos, usados para controle de
velocidade de motores ou controle de luminosidade de lâmpadas (dimmers).
Visto que a intensidade de campo elétrico destas emissões irradiadas é da
ordem de µV/m ou mV/m, na maioria dos casos, o único problema provocado é
interferência no rádio do veículo [6]. Como a sensibilidade do rádio e a distância entre
39
a antena e a fonte de interferência é praticamente fixa, a única forma de prevenir a
interferência é limitar o nível das emissões irradiadas.
Os veículos automotivos estão sujeitos a um ambiente eletromagnético
bastante severo criado por vários transmissores fixos (como antenas de transmissão
de rádio) e móveis (telefones celulares, por exemplo). Embora transmissores fixos
geralmente irradiem com uma potência elevada (da ordem de megawatts), eles não
submetem o veículo a campos eletromagnéticos muito intensos, visto que a separação
entre a antena transmissora e o automóvel é relativamente grande.
Por outro lado, transmissores móveis geralmente irradiam níveis relativamente
baixos de potência, mas podem gerar campos localizados elevados no interior do
veículo, ou mesmo em um veículo adjacente.
Assim, os sistemas eletrônicos instalados no veículo devem ter um nível de
imunidade aos campos eletromagnéticos irradiados, visto que os consumidores
esperam que seu automóvel trabalhe corretamente, mesmo em ambientes
eletromagneticamente severos [52].
Os campos eletromagnéticos podem se acoplar aos sistemas eletrônicos do
veículo diretamente, nas trilhas das placas de circuitos impressos ou no cabeamento
interno, ou ainda através do chicote de fios na carroceria do veículo. O processo de
acoplamento é altamente dependente da frequência de interesse. Abaixo de 20 MHz
o cabeamento da carroceria e os sistemas eletrônicos não agem como antenas
eficientes, porque eles são relativamente pequenos comparados com o comprimento
de onda da interferência [52].
Consequentemente, nenhum problema de suscetibilidade irradiada geralmente
ocorre nas frequências de radiodifusão (LW – Long Wave, MW – Medium Wave e SW
– Short Wave) ou até mesmo na frequência de transmissão da rede elétrica, apesar
dos campos irradiados intensos [52].
40
Na faixa de frequência de 20 MHz a 200 MHz o cabeamento da carroceria age
como uma antena razoavelmente eficiente, e correntes, em média da ordem de 1 mA
podem ser induzidas para cada volt/metro de intensidade de campo, sendo o
acoplamento dependente dos efeitos de ressonância e de blindagem oferecidos pela
carroceria do veículo. Acima de 200 MHz, as perdas elétricas do cabeamento
automotivo tornam-se consideráveis, fazendo com que estes deixem de funcionar
como antenas eficientes [52].
Contudo, o acoplamento direto nas placas de circuito impresso dos sistemas
eletrônicos pode acontecer, visto que suas dimensões são comparáveis a um quarto
do comprimento de onda do sinal interferente. Porém, como os circuitos eletrônicos
geralmente possuem altas perdas para frequências elevadas, dificilmente ocorrem
problemas práticos [51].
Estas características impulsionaram para criação de normas específicas de
teste e validação de componentes e subsistemas eletrônicos como a CISPR-12 e
CISPR-25 [53]. Atualmente, há um conjunto de normais que são observadas nos
projetos da indústria automobilística. O INPE, localizado na cidade de São José dos
Campos no interior de São Paulo, oferece testes de certificação nas seguintes normas
[54]:
a. CISPR 12 – Vehicles, motorboats and spark-ignited engine-driven devices
– Radio disturbance characteristics – Limits and methods of measurement:
aplicada a veículos, refere-se a emissões e imunidade irradiada;
b. CISPR 25 – Radio disturbance characteristics for the protection of receivers
used on board vehicles, boats, and on devices – Limits and methods of
measurement: aplicada a componentes, refere-se a imunidade irradiada;
c. ISO 11452 – Road vehicles – Component test methods for electrical
disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy: aplicada a
componentes, refere-se a imunidade irradiada;
41
d. ISO 11451 – Road vehicles – Vehicle test methods for electrical
disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy: aplicada a
veículos, refere-se a imunidade irradiada;
e. ISO 10605 – Test methods for electrical disturbances from electrostatic
discharge: aplicada a veículos e componentes, refere-se a descarga
eletrostática;
f. ISO 7637 – Road vehicles - Electrical disturbances from conduction and
coupling: aplicada a componentes, refere-se a imunidade conduzida;
g. SAE J551 – Performance Levels and Methods of Measurement of
Electromagnetic Radiation from Vehicles and Devices (30 to 1000 MHz):
aplicada a veículos, refere-se a emissões e imunidade irradiada;
h. SAE J1113 – Electromagnetic Susceptibility Measurement Procedures for
Vehicle Components (Except Aircraft): aplicada a componentes, refere-se a
emissões e imunidade irradiada.
No Brasil, a Comissão de Estudo em Eletrônica, em conjunto com o Grupo de
Trabalho de Interferência Eletromagnética do Comitê Brasileiro de Automotivo da
ABNT estão desenvolvendo normas referentes aos métodos de ensaios veiculares
tendo como referência a norma ISO-11451.
Assim, no processo de desenvolvimento de um automóvel, existe uma etapa
específica para testes de validação do produto conforme mostrado na Figura 23.
Durante essa etapa, são realizados ensaios nos laboratórios internos da empresa e
em institutos especializados [55].
Em casos onde há a obrigatoriedade legal do cumprimento de um requisito de
um mercado consumidor específico, tendo em vista que os projetos de engenharia
automotiva atuais possuem uma abrangência global, institutos internacionais são
acionados e veículos são exportados para realização dos ensaios [55].
42
Fase 0
Fase 1
Fase 2
Fase 3
Fase 4
Fase 5
• Planejamento
• Conceito e Desenvolvimento
• Definição dos sistemas
• Detalhamento do Design dos Sistemas
• Testes e Refinamento
• Início da produção
Figura 23: Processo de desenvolvimento de produto [55].
Os ensaios de EMC realizados nesses institutos representam uma parcela
significativa dos custos da etapa de validação. É necessária a disposição de pelo
menos um veículo exclusivamente para estes testes além dos custos associados de
transporte.
De forma geral, conforme a Figura 24, caso algum problema de
desenvolvimento seja encontrado durante a fase de testes de validação do produto e
produção, os custos para solução final, respectivos teste e validação podem chegar a
patamares até vinte vezes superior em comparação a uma mudança na etapa de
conceito e desenvolvimento além do risco de atraso no lançamento do veículo [4], [5]
e [56].
43
Figura 24: Curvas de custo durante o processo de desenvolvimento de um produto [56].
Fatores como custo de desenvolvimento e atrasos no cronograma do projeto
são suficientes para que a indústria automobilística busque alternativas para minimizar
as falhas durante a etapa de definições. Neste contexto, as formas de análises
computacionais e simulação de EMC/EMI podem ser alternativas atrativas a serem
adotadas durante a etapa de engenharia de produto [56].
44
7 PROBLEMA ESTUDADO, ENSAIOS E SIMULAÇÕES
7.1
Definição do problema
Durante a fase inicial do projeto de um veículo, torna-se difícil a determinação
de uma região susceptível aos efeitos de EMC/EMI. Isso ocorre devido à falta de
informação para a elaboração de diagramas elétricos. Há incertezas sobre as
interfaces entre conexões elétricas de peças mecânicas que apenas são definidas em
uma etapa posterior durante o processo de desenvolvimento.
Ademais, qualquer iniciativa de ensaio para estudos de EMC/EMI são
realizados em veículos que são montados em etapas avançadas de desenvolvimento
e validação do produto. Este fato indica que qualquer tipo de alteração de
posicionamento, fixação e/ou até mesmo de sistemas eletrônicos, em função de algum
problema de interferência eletromagnética pode levar a um aumento tanto do custo
quanto do tempo disponível [4], [5].
O problema em estudo nessa dissertação considerou um projeto de um novo
veículo durante uma etapa inicial de desenvolvimento.
A empresa contratada e responsável pelo desenvolvimento do módulo,
fabricação e testes de validação de um módulo de comunicação Bluetooth, detectou
um risco de mal funcionamento e possível perda de operação devido a interferências
causadas por campos eletromagnéticos produzidos no interior do veículo na faixa de
frequência de 2,0 à 2,45 GHz, isto é, faixa de operação do módulo de Bluetooth.
Conforme a Figura 25, nas proximidades onde o módulo será fixado, há
instalado o cabeamento (também chamado de chicote elétrico) que permite o tráfego
de sinais elétricos e alimentação de circuitos de potência elétrica.
45
Figura 25: Região de instalação do módulo de Bluetooth.
Caso essa região de instalação do módulo Bluetooth seja considerada crítica
em termos de incidência de campos e ruídos eletromagnéticos que podem ocasionar
interferências, uma estratégia para a solução do problema precisa ser elaborada. Isto
pode envolver investimentos no hardware eletrônico do módulo (alguma estratégia de
blindagem eletromagnética, por exemplo) ou a procura de uma outra região para
instalação.
Uma proposta de solução para esse problema seria desenvolver um
procedimento de análise computacional capaz de avaliar o campo emitido na região
em determinadas situações de funcionamento do veículo. Desta forma, tanto o módulo
de Bluetooth como as outras peças que estão instaladas nas proximidades poderiam
ser dimensionadas para serem robustas aos limites estabelecidos nas normas como
a CISPR-25 e a ISO 11452-2.
46
7.2
Estratégia para abordagem do problema.
Inicialmente, os procedimentos de simulação dependem de características e
condições de contorno bem definidas e de uma modelagem computacional avançada,
isto é, que considere o funcionamento do sistema elétrico em um determinado instante
de tempo. Assim, foi proposta e realizada uma estratégia de medição dos campos
eletromagnéticos no interior do veículo atualmente em produção.
Essa estratégia foi adotada pois, o sistema multimídia instalado no veículo
disponível para teste é o mesmo que será utilizado no projeto que está no escopo
desse estudo. Inclusive, as características elétricas e funcionais dos veículos são as
mesmas.
Sem dúvidas, esta foi uma importante consideração para se estudar o
problema. Devido ao fato de que, no veículo medido, todas as informações de
diagrama elétrico já são conhecidas e estão disponíveis. Assim, uma vez que o
processo de medição torna-se confiável e com resultados expressivos, a mesma
metodologia pode ser aplicada em outros veículos.
Ademais, esses ensaios serão muito importantes para a elaboração de
procedimentos e definição das condições de contorno para análises computacionais
além de fornecer uma resposta confiável ao fornecedor do módulo Bluetooth.
Desta forma, nesse trabalho serão mostrados os resultados obtidos pelo
processo de medição de campo na faixa frequência de 2,4 GHz à 2,45 GHz no interior
do veículo e medições realizadas no compartimento do motor na faixa de frequência
de 0 KHz à 110 MHz.
Esses resultados serão utilizados para se determinar uma região onde poderá
haver incidência de campos eletromagnéticos que possam afetar o funcionamento do
módulo de Bluetooth. Serão apresentados os primeiros passos para se elaborar um
processo de análise computacional capaz de gerar resultados confiáveis na etapa
inicial do projeto do veículo.
47
7.3
Estratégia para Medição de Campo Elétrico Irradiado no interior
de um veículo
Os ensaios realizados nos projetos automotivos com foco em EMC/EMI
buscam principalmente analisar a questão de imunidade a campos eletromagnéticos
em dispositivos eletrônicos. Em geral, para a realização desses ensaios há
necessidade da utilização de uma câmara anecóica, a definição de pontos de
interesse onde será medido o campo elétrico e o estabelecimento dos limites para
determinação dos valores aceitáveis [57].
Referenciando um procedimento de medição realizado pelo CEFET-MG,
UFMG, PUC e FIAT SA [57] e levando em consideração a falta de uma câmara
anecóica com capacidade de acomodar um veículo, foi necessário escolher um
ambiente para a realização dos ensaios que estivesse isento de interferências, como
antenas de redes de comunicação sem fio e sinais de telefones celulares.
Analisando os possíveis lugares com essa característica, chegou-se ao subsolo
do Bloco A do campus da UFABC Santo André, apresentado na Figura 26. Esse
espaço está situado entre dois grandes prédios do campus, praticamente não há sinal
da rede de telefonia móvel e a baixa movimentação de pedestres.
Figura 26: Subsolo do Bloco A – Campus UFABC Santo André.
48
O veículo utilizado nos ensaios, Chevrolet Prisma LTZ, estava equipado com
um sistema multimídia com comunicação Bluetooth fornecido pela LG – BYOM Versão
1. Esse sistema é compatível com os aparelhos celulares comercializados atualmente,
ou seja, que operam com sistemas operacionais IOs® e Android®.
Com essas informações, estabeleceu-se duas fases de ensaios como
mostrado na Figura 27.
A primeira fase consistiu em medições de campo no interior do veículo e
compartimento do motor em funcionamento e durante a partida.
A segunda fase consistiu em um ensaio de agressão com a finalidade de
descobrir em quais condições se poderia detectar uma falha na comunicação
Bluetooth entre o telefone celular e o sistema multimídia.
Contudo, vale ressaltar que a segunda etapa seria realizada caso nenhuma
incidência de interferência eletromagnética fosse encontrada na primeira etapa.
Em ambas as fases, as maiores dificuldades encontradas para a realização dos
ensaios foi a obtenção dos equipamentos necessários e, consequentemente, as
configurações adequadas para obtenção dos resultados.
49
Figura 27: Fases das medições.
7.4
Fase 1: Medições, preparação e equipamentos
Na preparação da Fase 1, foram consideradas duas regiões onde possíveis
fontes de interferências eletromagnéticas poderiam ocorrer: no interior do veículo e no
compartimento do motor, conforme apresentado na Figura 28. No interior do veículo,
há
dispositivos
instalados
que
podem
funcionar
como
fontes
de
ruídos
eletromagnéticos, como microprocessadores e módulos eletrônicos. O compartimento
do motor, como já é de conhecimento da engenharia automotiva, emite ruídos na faixa
de FM, isto é, entre 86,6 MHz à 109,1 MHz [58], principalmente durante a partida do
veículo.
Desta forma, as medições de campo na Fase 1 foram divididas em 3 Etapas:
50
a. Etapa 1: medições do campo gerado no interior do veículo;
b. Etapa 2: medições do campo gerado no compartimento do motor;
c. Etapa 3: medições de campo gerado na partida no compartimento do motor;
Figura 28: Região de medições.
Historicamente, o compartimento do motor com o veículo em funcionamento é
uma região importante a ser analisada em termos de emissões. Isto acontece devido
a corrente elétrica necessária para gerar a faísca para o explosão da mistura
carburada (ar e combustível) no cilindro do motor.
Assim, em ambas as Etapas, foram realizadas as medições para cada modo
de funcionamento do veículo, como mostrado na Tabela 3. Mantendo-se as mesmas
condições de configuração de ensaio, isto é, a preparação dos equipamentos de
medição e realizando três medições para cada modo de funcionamento, assegurouse a eliminação de erros de leitura e procedimentos. Em todas as medições, as
configurações necessárias para a realização do ensaio eram devidamente verificadas.
51
Tabela 3: Sequência das medidas.
Sequência
Qtde. de
Modo de Funcionamento do Veículo
Fase 1
de medição
Medidas
Descrição do ensaio
1
3
Veículo desligado
2
3
Acionar Ignição
3
3
Veículo ligado (motor em funcionamento +/- 800 rpm)
4
3
Veículo ligado e Ligar Farol
5
3
Veículo e Farol Ligados + acionar Bluetooth
6
3
Veículo, Farol, Bluetooth ligados +acionar vidros elétricos
7
3
Desligar o veículo
8
3
Veículo, Farol e Bluetooth ligados (motor @ +/- 800 rpm)
9
3
Veículo, Farol e Bluetooth ligados (motor @ +/- 2500 rpm)
10
3
Veículo, Farol e Bluetooth ligados (motor @ +/- 4000 rpm)
1
3
Veículo desligado
2
3
Acionar Ignição (motor em funcionamento +/- 800 rpm)
3
3
Veículo ligado (motor em funcionamento +/- 2500 rpm)
4
3
Veículo ligado (motor em funcionamento +/- 4000 rpm)
1
8
Medição de campo produzido na partida do veículo
1
Motor
Compartimento do
Interior do Veículo
Etapas
2
3
Na etapa 3 foram realizadas oito medições. O objetivo foi conseguir avaliar e
capturar as interferências que poderiam existir no instante de partido do veículo.
Os modos de funcionamento foram determinados com um estudo detalhado
sobre a arquitetura elétrica do veículo submetido ao ensaio, conforme a Figura 29.
Cada módulo eletrônico entra em funcionamento sob determinadas condições.
Contudo, o instante de partida do motor, acionamento dos vidros elétricos e faróis
podem ser classificados como o principais eventos em termos de emissões com o
veículo em repouso, com motor em funcionamento ou desligado. Isso porquê alguns
módulos entram em funcionamento justamente na ignição do motor, como ECM
52
(Engine Control Module). A BCM (Body Control Module), por sua vez, entra em
funcionamento na abertura dos vidros e acionamento dos faróis.
Figura 29: Esquema simplificado da Arquitetura Elétrica do veículo usado nos ensaios [15].
Tendo em vista a definição da sequência das medições e do detalhamento de
cada etapa, elaborou-se uma lista de equipamentos a serem utilizados.
Parte desses equipamentos pertencem a UFABC, as pontas de prova usadas
na medição foram obtidos por empréstimo pela empresa Rohde & Schwarz e o
computador é de uso pessoal (todos os equipamentos estão relacionados no apêndice
D):
53
a. 1 computador com sistema operacional Microsoft Windows® instalado;
b. 1 Analisador de Espectro Rohde & Schwarz modelo FSL;
c. Conjunto de pontas de prova para medição de campo elétricos da Rohde
& Schwarz, sendo:
i. 1 ponta de prova para frequência de 2 kHz até 200 MHz – faixa de
frequência de FM;
ii. 1 ponta de prova para frequência de 200 MHz à 6 GHz – faixa de
operação do Bluetooth (2,45 GHz);
Ambos as pontas de provas utilizadas nesse ensaio fazem parte de um
conjunto de medição que funcionam com o Analisador de Espectro FSL e um software
para interpretação, captura de dados e organização de medições chamado R&S
RFEX® [59].
Na Etapa 1, o Analisador de Espectro FSL foi acomodado no banco traseiro do
veículo. Com a localização aproximada de instalação do módulo de Bluetooth, Figura
30, a ponta de prova de medição que opera até a frequência de 6 GHz foi posicionado
no console do veículo, Figura 31.
Figura 30: Instalação do módulo de Bluetooth.
54
Figura 31: Ponta de prova instalada no interior do veículo.
Na Etapa 2 e 3, o Analisador de Espectro foi instalado em uma bancada na
frente do veículo, conforme mostrado na Figura 32.
Para se determinar qual a ponta de prova indicada para a captura dos dados,
inicialmente foram realizadas algumas medições com a ponta de prova capaz de
captar um campo na frequência de 6 GHz.
A solução foi refazer as medições utilizando a ponta de prova capaz de medir
campos de 2 KHz à 200 MHz, conforme mostrado na Figura 33.
55
Figura 32: Equipamentos montados para medição na Etapa 2 e Etapa 3.
Figura 33: Segunda tentativa de medição na Etapa 2 e Etapa 3.
Utilizando o software RFEX, configurou-se a faixa de frequência onde as
medições das Etapas 1 e 2 foram realizadas, conforme as Figuras 34 e 35. O RFEX
foi configurado para salvar os histórico das medidas em arquivos de planilha no
computador pessoal usado nos ensaios.
56
Figura 34: Configurações do RFEX para medição na Etapa 1 (200MHz à 6GHz).
Figura 35: Configurações do RFEX para medição na Etapa 2 (2KHz à 200MHz).
Cada medição levou 30 segundos para ser finalizada. Durante esse período de
30 segundos, uma sequência de operação era realizada conforme detalhado na
Tabela 3 e um arquivo em formato de planilha eletrônica foi gerado. Por exemplo:
a. Etapa 1 (200MHz à 6GHz) → Sequência de Medição 1 → Modo de
funcionamento: medição veículo desligado → 3 Medições de 30 segundos
realizadas → 3 arquivos de planilha gerados;
57
b. Etapa 1 (200MHz à 6GHz) → Sequência de Medição 2 → Modo de
funcionamento: Acionar Ignição → 3 Medições de 30 segundos realizadas
→ 3 arquivos gerados;
Assim, todos os modos discriminados nas Etapas 1 e 2 e descritos na Tabela
3 foram executados 3 vezes. Em toda a sequência de medição, foram priorizados a
transição de cada evento descrito nos modos de funcionamento, isto é, objetivando
detectar alguma interferência eletromagnética no instante da ignição do veículo ou
acionamento do Bluetooth ou no acionamento dos faróis, etc.
O procedimento de medição da Fase 1 pode ser resumido em um fluxograma,
Figura 36:
Figura 36: Sequência das Etapas de medição.
58
7.5
Resultados obtidos e observações durante a Fase 1
A norma ISO 11452-2 estabelece os limites que os módulos eletrônicos
aplicados na indústria automobilística, militar e aeroespacial devem ser imunes. Em
função do tipo de aplicação, os limites são classificados em Níveis de Severidade,
Tabela 4. Aplica-se para todas as fontes de radiações eletromagnéticas emitidas na
faixa de frequência de 200 MHz a 18 GHz [60]. Estes limites podem variar conforme
acordos entre montadora e fornecedor do módulo.
Tabela 4: Tabela de com os limites máximos para imunidade – ISO 11452-2 [60].
Conforme as especificações internas da montadora do veículo usado nos
ensaios, o módulo de Bluetooth é classificado com o Nível de Severidade II. Contudo,
em função da faixa de frequência que será analisada, 2.45 GHz, o módulo deve ser
submetido a um campo igual ou superior à 600 V/m para completar os testes de
validação [61].
De acordo a CISPR-25, o valor máximo de distúrbios radiados pelos módulos
podem ser acordados entre a montadora de veículos e o fornecedor do módulo
eletrônico. Isso acontece em função de existir 5 classes de classificação que variam
conforme um acordo entre as partes [62]. Muito embora alguns valores de referência
são especificados na CISPR-25, Tabela 5.
59
Tabela 5: Tabela de com os limites máximos para distúrbios radiados – CISPR-25
[62].
Portanto, o módulo instalado nesse veículo deve atender os seguintes limites:
a. Imunidade a campos de até 600 V/m, isto é, manter-se em
funcionamento quando submetido a campos dessa magnitude;
b. Não emitir distúrbios radiados que excedam 68 dB (uV/m);
Desta forma, as medições discriminadas para e Etapa 1 e Etapa 2 foram
realizadas. Os resultados dos valores máximos e em RMS foram compilados nas
Tabelas 6, 7 e 8.
Foi adicionado, para melhor visualização, a tabela de resultados sem edições
no Apêndice C.
60
Tabela 6: Resultados das medições realizadas – Parte 1.
Tabela 7: Resultados das medições realizadas – Parte 2.
61
Tabela 8: Resultados das medições realizadas – Parte 3.
Os valores máximos encontrados nessas medições (0,0612 V/m e 95,7368 dB
µV/m) indicam que o não há indícios de geração de picos e campos eletromagnéticos
pelo sistema do veículo com intensidade de interferir o funcionamento do módulo
Bluetooth. Entende-se como “sistema do veículo” o cabeamento e outros módulos
eletrônicos que estão instalados e em funcionamento no interior do veículo.
A maior variação de campo (Field Level em dB µV/m) ocorreu quando se
acionou o módulo Bluetooth, configurando-o para procurar novos dispositivos para
conexão (Δ Field Level = 9,6160 dB µV/m).
Adicionalmente, consegue-se estudar os perfis dos campos medidos nos
gráficos apresentados nas Figuras 37 à Figura 64. Os resultados apresentados na
Etapa 1 correspondem a medição de frequência na faixa de frequência de 2,4 GHz à
2,5 GHz.
62
Figura 37: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Strenght [V/m].
Figura 38: Resultados dos testes da Sequência 2 – Field Strenght [V/m].
63
Figura 39: Resultados dos testes da Sequência 3 – Field Strenght [V/m].
Figura 40: Resultados dos testes da Sequência 4 – Field Strenght [V/m].
64
Figura 41: Resultados dos testes da Sequência 5 – Field Strenght [V/m].
Figura 42: Resultados dos testes da Sequência 6 – Field Strenght [V/m].
65
Figura 43: Resultados dos testes da Sequência 7 – Field Strenght [V/m].
Figura 44: Resultados dos testes da Sequência 8 – Field Strenght [V/m].
66
Figura 45: Resultados dos testes da Sequência 9 – Field Strenght [V/m].
Figura 46: Resultados dos testes da Sequência 10 – Field Strenght [V/m].
67
Figura 47: Resultados dos testes da Sequência 1 – Field Level [dB µV/m].
Figura 48: Resultados dos testes da Sequência 2 – Field Level [dB µV/m].
68
Figura 49: Resultados dos testes da Sequência 3 – Field Level [dB µV/m].
Figura 50: Resultados dos testes da Sequência 4 – Field Level [dB µV/m].
69
Figura 51: Resultados dos testes da Sequência 5 – Field Level [dB µV/m].
Figura 52: Resultados dos testes da Sequência 6 – Field Level [dB µV/m].
70
Figura 53: Resultados dos testes da Sequência 7 – Field Level [dB µV/m].
Figura 54: Resultados dos testes da Sequência 8 – Field Level [dB µV/m].
71
Figura 55: Resultados dos testes da Sequência 9 – Field Level [dB µV/m].
Figura 56: Resultados dos testes da Sequência 10 – Field Level [dB µV/m].
72
Nos resultados apresentados nas figuras 37 à 56, constata-se a ausência de
sinais que possam ser considerados como interferências eletromagnéticas. Isso
significa que o sistema eletrônico do veículo, conforme as condições avaliadas, não
gerou
nenhum
campo
eletromagnético
com
intensidade
para
intervir
no
funcionamento do veículo. Esse fato foi constatado durante o experimento.
Após a realização da Etapa 1, isto é, medições que ocorreram no interior do
veículo,
estudaram-se
as interferências que
poderiam ser produzidas no
compartimento do motor.
Em decorrência aos problemas apresentados em alguns rádios que eram
utilizados em aplicações automotivas na década de 80, onde era possível verificar
uma interferência no sinal de FM/AM em função da rotação do motor, o equipamento
de medição de campo foi configurado para realizar medidas na faixa de 86 MHz à 110
MHz. Os resultados mostram que, na faixa de frequência estudada, não houve
nenhuma incidência de picos, Figura 57 à Figura 70. Durante esse período, o rádio do
veículo medido não apresentou nenhuma perturbação em seu funcionamento.
Figura 57: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Strength [V/m].
73
Figura 58: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 2 – Field Strength [V/m].
Figura 59: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field Strength [V/m].
74
Figura 60: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 1 – Field Level [dB µV/m].
Figura 61: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 2 – Field Level [dB µV/m].
75
Figura 62: Resultados dos testes da Etapa 2 - > Sequência 3 e Sequência 4 – Field Level [dB µV/m].
Muito embora os resultados obtidos na Etapa 2 não apresentaram evidencias
de interferências eletromagnéticas, nos resultados da Etapa 3 conseguiu-se verificar
a existência de picos de campo durante a partida do veículo.
Os resultados apresentados na Figura 63 mostram que há uma discreta
perturbação em uma das medidas realizadas. Este mesmo resultado foi refinado e
apresentado na Figura 64.
76
Figura 63: Resultados dos testes da Etapa 3 – Field Level [dB µV/m].
Figura 64: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m].
77
Contudo, durante a execução dos ensaios notou-se que havia outros picos de
interferência que não foram capturados. Isso aconteceu devido ao equipamento
utilizado nas medições não ser capaz de capturar e armazenar a variação do campo
em função do tempo. Assim, as medidas apresentadas nas Figuras 63 e 64
representam um instante específico no tempo.
As variações de campo vistas durante a partida do veículo puderam ser
capturadas em um vídeo. Algumas imagens foram geradas a partir desse vídeo e
mostradas na Figura 65. Nota-se que, a cada partida dada, havia uma perturbação de
campo na faixa de frequência de 10 MHz até 40 MHz.
Devido a frequência e a intensidade de campo medida, concluiu-se que essa
perturbação de campo não gera alterações no funcionamento do módulo de Bluetooth
e no funcionamento do rádio em geral.
Figura 65: Resultados dos testes da Etapa 3 (refinado) – Field Level [dB µV/m].
Em todos os procedimentos de medida constatou-se que o sistema elétrico do
veículo é capaz de gerar ruídos eletromagnéticos. Contudo, esses ruídos não foram
78
suficientes para provocar um mau funcionamento no módulo de Bluetooth, por
situarem-se em faixas de frequência fora da área de operação do Bluetooth.
Desta forma, constata-se que as especificações de projeto e os ensaios de
validação dos componentes e sistemas eletrônicos que são robustos e foram
devidamente determinadas com a finalidade evitar problemas de EMC e EMI.
7.6
Fase 2: Configurações de equipamentos e medições
Após a realização da Fase 1, onde não foram encontrados picos de campo
capazes de gerar interferências eletromagnéticas, notou-se que havia uma baixa
probabilidade de encontrar alguma falha no funcionamento do veículo. Assim, a Fase
2 foi elaborada para que uma falha de comunicação pudesse ser observada.
Conforme especificações do módulo de Bluetooth, a comunicação deve ser
consistente e não apresentar falhas com dispositivos compatíveis presentes no interior
do veículo na faixa de frequência de 2,4 GHz até 2,485 GHz [61].
Utilizando-se de duas antenas tipo Yagi (10 dB de ganho) que operam na
frequência de 2,45 GHz e dois geradores de sinal Agilent N9310A, ambos
equipamentos mostrados no apêndice D, configurou-se um cenário para a realização
dos ensaios de agressão.
O veículo submetido aos ensaios da Etapa 1 foi utilizado na Etapa 2. A Etapa
2 também foi realizada no subsolo do Bloco A do campus Santo André da UFABC.
Primeiramente, realizou-se um teste de conectividade dos aparelhos celulares
ao sistema multimídia do veículo. Dois aparelhos foram usados no ensaio, um com o
sistema operacional IOs® e outro com Android®.
79
Ambos aparelhos se conectaram ao sistema multimídia e nenhuma falha de
comunicação foi constatada. Foram realizadas tentativas de chamadas telefônicas e
a reprodução de arquivos de música.
Constatou-se que, mesmo a uma distância de aproximadamente 50 metros do
veículo, a comunicação entre os aparelhos telefônicos e sistema multimídia
mantinham-se integras, isto é, sem apresentar falhas de qualquer natureza.
Após a verificação de funcionamento dos aparelhos telefônicos usando
Bluetooth, as duas antenas foram posicionadas no interior do veículo, conforme a
Figura 66.
Figura 66: Antenas posicionadas no interior do veículo.
Um analisador de espectro R&S FS315, mostrado no apêndice D, foi utilizado
para se verificar os pulsos gerados pelo gerador de sina. Esse equipamento foi
posicionado no banco do passageiro, à direita do banco do condutor.
Os ensaios de agressão consistiram em emitir 10 pulsos por segundo (5 pulsos
por segundo para cada antena), não sincronizados, na faixa de frequência de 2.40
80
GHz à 2.48 GHz e uma potência inserida nos geradores de 20 dBm, conforme
mostrado nas Figuras 67 e 68.
Esses pulsos foram gerados de forma escalonada, isto é, primeiramente um
gerador foi utilizado para gerar 5 pulsos e foram direcionados para a região de
instalação do módulo de Bluetooth, conforme a Figura 66.
Assim, com apenas um gerador ligado, realizou-se as operações de conexão e
reprodução de arquivos musicais.
Figura 67: Pulso gerado por um gerador.
As mesmas operações foram repetidas posteriormente utilizando os dois
geradores ligados, gerando os 10 pulsos por segundo, conforme mostrado na Figura
68.
81
Figura 68: Pulsos gerados pelos dois geradores.
7.7
Resultados obtidos e observações durante a Fase 2
Realizando os testes de conectividade, constatou-se que a conexão ao sistema
multimídia e reprodução de arquivos de música, no interior do veículo, mantiveram-se
normais. Nenhum efeito de interferência eletromagnética foi detectado e as operações
foram realizadas com sucesso em um raio de 20 metros.
Com a utilização de um gerador emitindo 5 pulsos por segundo, uma vez
estabelecida a conexão entre os celulares e o sistema multimídia, constatou-se que a
integridade da conexão externa foi prejudicada, pois, a 10 metros de distância do
veículo era possível verificar falhas na reprodução de arquivos de música.
Com o acionamento dos dois geradores de sinal, dobrou-se a quantidade de
pulsos não sincronizados emitidos diretamente ao módulo de Bluetooth.
82
Realizando os mesmos testes de conectividade feitos anteriormente,
constatou-se que as operações de ligação telefônica, conexão ao sistema multimídia
e reprodução de arquivos de música, no interior do veículo, manteve-se normal.
A comunicação externa dos celulares com o sistema multimídia foi também
prejudicada neste ensaio. A uma distância de aproximadamente 1 metro do veículo,
verificou-se falhas na reprodução de arquivos de música e a perda da comunicação
entre os dispositivos.
Este fato não caracteriza uma falha no sistema de comunicação Bluetooth do
ponto de vista de aplicação e especificação. Isto porquê, mesmo com as duas antenas
gerando pulsos, os celulares conseguiram ser detectados e todas as operações
conseguiram ser realizadas no interior do veículo, conforme especificação da
montadora [61].
7.8
Proposta de modelagem e simulação dos ensaios realizados
Os ensaios realizados para medição dos campos gerados no interior do
veículo, no compartimento do motor e os testes de agressão dependem de um
ambiente adequado para a realização dos mesmos [63].
A utilização de câmaras anecóicas e/ou semi-anecóicas são fundamentais para
a minimização de ruídos que podem ser medidos e ser interpretados dos resultados
[63].
Assim, quando se estudam as condições de contorno necessárias para a
modelagem numérica desses ensaios, um fator importante é o conhecimento da
arquitetura elétrica do veículo e, evidentemente, o funcionamento detalhado do
sistema elétrico em diferentes instantes do tempo.
83
Analisando o cabeamento (chicote elétrico) instalado na região do painel de
instrumentos do carro, nota-se a complexidade encontrada para a determinação das
condições de contorno que representem um determinado instante de funcionamento
do veículo.
Outro fator que deve ser considerado é o desconhecimento das características
de sinal elétrico e potência elétrica que trafegam por esse cabeamento.
De fato, há uma variedade de circuitos que estão agrupados de forma aleatória
no cabeamento e que transportam correntes elétricas de intensidade diferentes,
dificultando a modelagem.
As especificações de módulos eletrônicos não determinam, por exemplo, a
impedância de entrada. Estas especificações restringem apenas a corrente elétrica
de consumo durante o funcionamento, características do pulsos PWM (quando há) e
a corrente elétrica consumida quando o módulo está em repouso (standby) devido ao
veículo estar desligado, chamado de corrente parasita. [19].
Contudo, com o objetivo de propor um início para essa modelagem, foi adotado
um conjunto de condições de contorno baseado no cabeamento e arquitetura elétrica
do veículo usado nos ensaios. Verificou-se que, os circuitos que aparecem em maior
quantidade são os pares trançados (Figura 69 – (a)).
(a)
(b)
Figura 69: (a) Exemplos de circuitos compostos por pares trançados; (b) Exemplo cabo RG58
84
Contudo, é comum a utilização de cabos como o RG58, mostrado na Figura 69
– (b), para a conexão da antena utilizada pelo rádio.
Desta forma, realizou-se um comparativo entre os resultados de campo elétrico
utilizando um par trançado e um RG58 na mesma rota. Assim, foi possível identificar
o comportamento de diferentes cabos sob as mesmas condições de contorno e de
sinal de entrada.
Inicialmente, o suporte metálico utilizado para a fixação do cabeamento foi
modelado para ser usado no software CST Cable Studio, conforme a Figura 70.
Este processo consiste em particionar o componente em estudo em partes
menores, chamadas de elementos. O conjunto desses elementos formará um malha.
O software utiliza esta malha como dado de entrada para a realização dos cálculos.
Figura 70: Suporte do painel de instrumentos preparado para simulação.
85
Após a inclusão do suporte metálico, foi escolhido um circuito composto por um
par trançado. Esse circuito foi modelado de acordo com a sua fixação no suporte
metálico, apresentado na Figura 71.
De acordo com a especificação obtidas no diagrama elétrico, atribuiu-se a bitola
de 0,75 mm2 e o comprimento de 1,4 m, de acordo com a Figura 72.
Figura 71: Modelamento do circuito par trançado.
Figura 72: Especificação do cabo utilizado.
86
Para esse par trançado, foi atribuído sinal de excitação em forma de uma curva
gaussiana, mostrado na Figura 73. Este sinal poderia ser especificado conforme
necessidade do estudo em questão.
Figura 73: Sinal de excitação do cabo.
A faixa de frequência estipulada foi de 0 Hz à 200 MHz. Este limite foi escolhido
pela capacidade de processamento do computador utilizado nas simulações e pelo
fato da frequência utilizada nos rádios FM estar contida no intervalo de 86,6 MHz à
109,1 MHz [58].
Para a realização da simulação, foi atribuído uma ponta de medição de campo
elétrico justamente onde o módulo de Bluetooth será instalado.
Conforme as medições realizadas nos ensaios, a localização do ponto exato
para a coleta de medições, isto é, posicionamento da ponta de medição de campo, foi
extraída do desenho do veículo modelado, mostrado na Figura 74.
87
Figura 74: Detalhe da ponta de medição de campo.
Após a finalização da preparação necessária para a simulação, os primeiros
resultados foram obtidos, conforme pode ser visto na Figura 75.
Figura 75: Distribuição de valores de Campo Elétrico obtidos da simulação.
O campo elétrico observado na ponta de prova pode ser analisado na Figura
76. Verifica-se que há alguns picos faz frequências de 43 MHz e 135 MHz.
88
Figura 76: Campo Elétrico simulado.
Com o objetivo de verificar a influência da parte metálica externa do veículo,
isto é, da carroceria do veículo, foi realizada a modelagem geométrica do veículo
completo. Este objeto foi inserido na análise, conforme mostrado na Figura 77.
Figura 77: Modelo geométrico já discretizado da parte externa do veículo.
A ponta de prova foi mantida, como mostrada na Figura 78 e uma nova
simulação foi realizada, conforme mostrado nas Figura 79 e Figura 80.
89
Figura 78: Configuração simulada, considerando a parte externa do veículo e a ponta de prova.
Figura 79: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz.
90
Figura 80: Resultados da simulação, campo elétrico na frequência de 200 MHz.
Comparando os resultados obtidos com os da modelagem anterior, onde
apenas se considerou o suporte metálico para fixação do cabeamento, verifica-se que
o campo elétrico na ponta de prova permaneceu o mesmo, conforme a Figura 81.
Figura 81: Campo Elétrico simulado – após inserção da parte externa do veículo
91
Os resultados mostram que, no interior do veículo, o campo gerado e percebido
em um determinado ponto não se altera em termos da geometria metálica externa do
veículo.
Utilizando o um cabo RG58, configurou-se a mesma rota, isto é, comprimento
e posição espacial do par trançado analisado anteriormente, conforme a Figura 82, e
realizou-se os mesmos procedimentos de simulação utilizados para o cabo par
trançado.
Figura 82: Configuração do cabo RG58.
Mantendo-se a estrutura metálica para fixação do cabeamento, obteve-se os
resultados mostrados nas Figura 83 à Figura 86.
Nota-se que o campo elétrico medido na ponta de medição, mostrado na Figura
86, possui um pico de emissão (ponto de máximo), em 110 MHz.
92
Esse resultado é diferente ao encontrado na mesma simulação feita com o par
trançado. As diferenças podem ser associadas a geometria e composição dos cabos.
Figura 83: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200 MHz.
Figura 84: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200 MHz.
93
Figura 85: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200 MHz.
O resultado apresentado na Figura 86 não se altera com a presença da
carroceria metálica do veículo. Fato que foi constatado com a simulação realizada
anteriormente com o par trançado.
Figura 86: Resultados da simulação com RG58, campo elétrico na frequência de 200 MHz na ponta
de medição.
Ademais, novos resultados poderiam ser obtidos variando o sinal de entrada.
Essa característica torna a ferramenta de simulação muito atrativa.
94
A devida utilização, ou seja, com condições de contorno determinadas em
termos do funcionamento do veículo, pode fornecer de forma rápida resultados que
podem ser utilizados durante a fase de desenvolvimento do veículo, evitando a
utilização de ensaios em câmeras específicas.
Em todas simulações foi utilizando uma estação de trabalho HPZ800, com 12
Giga bytes de memória RAM e com processar Intel Xeon E5620 com 8 núcleos de
processamento. O tempo médio de processamento para cada cabo na frequência de
200 MHz foi de 7 minutos.
95
96
8 CONCLUSÕES
O presente trabalho foi desenvolvido com o objetivo de se avaliar os efeitos de
possíveis interferências eletromagnéticas ocasionadas pelo cabeamento ou por algum
modulo eletrônico instalado no compartimento do motorista em sistemas multimídia
que utilizam Bluetooth.
Com mais de 70 ensaios realizados e utilizando uma ferramenta computacional
de simulação e modelagem, CST, conseguiu-se medir (via ensaios) e simular (via
software) o campo elétrico irradiado pelo cabeamento interno em diferentes regiões e
situações de funcionamento do veículo.
Vale ressaltar que ocorreram situações que dificultaram a realização dos
ensaios, como um local perfeitamente adequado para as medições, a disponibilidade,
treinamento e o acesso a materiais de apoio para a utilização dos equipamentos
utilizados. Contudo, essas dificuldades foram superadas e os ensaios foram
devidamente documentados.
Verificou-se que a ferramenta computacional, CST, é capaz de realizar
simulações para obtenção dos valores de um campo irradiado por uma corrente
atravessando um condutor na região interna do veículo.
Conseguiu-se comparar a emissão de dois tipos de cabos mais utilizados na
indústria automobilística. Verificou-se que, para as medições de campo no interior do
veículo, a presença de carroceria no modelo computacional foi irrelevante.
Esse fato implica que, em termos de análise numérica, essa carroceria poderia
ser suprimida do modelo. Tal implicação leva a um ganho no tempo de processamento
da simulação em função da redução de trabalho computacional.
É necessário um estudo detalhado dos sinais de entrada a serem utilizadas
para o cálculo do campo irradiado. Isso significa que deve-se conhecer em detalhes
97
as características elétricas do sinais e corrente elétrica que trafegam no cabeamento
do veículo sob as condições de funcionamento do veículo.
Essa informação é fundamental para a determinação das condições de
contorno a serem consideradas para a obtenção de resultados. Ademais, conforme
pode ser visto nos resultados obtidos com o CST e detalhados no Capítulo 7.8, a
determinação da radiação depende da localização e das características eletrônicas
dos módulos instalados. Lembrando que esses módulos podem ser comportar como
fontes de emissão de ruídos eletromagnéticos.
Na
indústria
automobilística
há
uma
preocupação
em
relação
ao
comportamento dos sistemas eletrônicos mediante aos efeitos de EMC/EMI. Muito
embora ensaios sejam realizados isoladamente nos componentes eletrônicos que
compõe a arquitetura elétrica dos veículos, ensaios devem ser realizados para
averiguação desses sistemas montados, objetivando a identificação de algum mau
funcionamento.
Portanto, a relevância desse trabalho para o desenvolvimento automotivo é
claramente constatada pela oportunidade de se aprimorar as técnicas de modelagem
para uma redução na utilização de ensaios de medição de campos eletromagnéticos.
Constata-se também, a robustez das especificações técnicas adotadas para os
componentes eletrônicos que foram testados de forma isolada.
Outra implicação dos resultados obtidos é a constatação da real possibilidade
da utilização de simulações computacionais para a determinação de regiões nos
veículos que possam se comportar como uma fonte de emissão eletromagnética.
Esses resultados podem ser utilizados na identificação de regiões que
necessitem da instalação de blindagens eletromagnéticas, como por exemplo, a
utilização de cabos blindados.
98
Mesmo não se podendo realizar as medições em condições ideais (em uma
câmera semi-anecóica e a pela falta de conhecimento das características dos sinais
elétricos que trafegam pelo cabeamento, por exemplo) constatou-se que seria
possível comparar os resultados experimentais e de simulação, mostrando a
viabilidade da abordagem descrita.
Algumas ressalvas precisam ser consideradas na obtenção dos resultados dos
ensaios e das simulações mostrados nesse trabalho:
i. O ambiente utilizado para as medições não estava totalmente livre de ruídos
de fundo. Isso implicou em um ruído nos valores medidos;
ii. É necessário identificar as piores condições de funcionamento em termos
de intensidade de campo irradiado e propor condições de contorno
adequadas para obtenção dos resultados. Nos ensaios, foram escolhidas
condições consideradas críticas de acionamento de módulos e transitórios
de corrente, como na ignição;
iii. Conforme o objetivo inicial do trabalho, constatou-se que a região escolhida
para a instalação do módulo de Bluetooth está em conformidade com as
condições necessárias para o bom funcionamento do mesmo.
Como sugestões para trabalhos futuros ou continuidade desse trabalho,
poderiam ser citados:
a. Estudar a forma de irradiação de campos em um cabeamento automotivo;
b. Estudar as características de sinais e intensidade de corrente elétrica em
determinados instantes de funcionamento do veículo;
c. Desenvolver uma ferramenta para extração de informações sobre o
cabeamento, como bitolas de cabos, conexões e tipos de circuitos para o
ambiente de simulação CST;
99
d. Elaborar especificações técnicas que permitam a modelagem dos módulos
eletrônicos utilizados como fontes emissoras de ruídos eletromagnéticos;
e. Realizar ensaios controlados e confrontar os resultados obtidos com os
resultados obtidos pela simulação;
f. Aperfeiçoar a abordagem descrita nesse trabalho, aumentando a
quantidade de simulações e medições, promovendo discussões dos
resultados em fóruns especializados;
g. Elaborar comparativos para determinação das regiões que devem ser
consideradas no modelamento. Esse passo ajudaria na identificação das
regiões desnecessárias para o modelo, tornando-o mais eficiente em
termos de tempo de processamento.
100
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107
108
APÊNDICE A
LISTA DE FREQUÊNCIAS
Banda de Transmissão de Rádio
Frequência
(~ denota não contínuo ou aproximado)
Transmissão em AM
530 kHz – 1.75 MHz
Transmissão de TV
54 ~ 88.1, 174 – 216, 470 ~ 890 MHz
Transmissão em FM
86.6 – 109.1 MHz
Telefones celulares
~ 750, ~850, ~1700, ~1950, ~2100 MHz
Global Positioning System (GPS)
(não militar)
1567 – 1583 MHz
Rádio Digital via Satélite
2320 – 2345 MHz
Redes de computador wireless
2400 – 2500 MHz
(Bluetooth)
~ 5.8 GHz
TV via Satélite
~ 12 GHz
Links fixos ponto a ponto
~ 1, ~ 90 GHz
Tabela A.1 - Diferentes bandas de radiofrequência [58].
Banda de Frequência
Designação
Abreviação
3 – 30 kHz
Very Low Frequency
VLF
30 – 300 kHz
Low Frequency
LF
300 – 3,000 kHz
Medium Frequency
MF
3 – 30 MHz
High Frequency
HF
30 – 300 MHz
Very High Frequency
VHF
300 – 3,000 MHz
Ultra High Frequency
UHF
3 – 30 GHz
Super High Frequency
SHF
30 – 300 GHz
Extremely High
Frequency
EHF
Tabela A.2 – Designação das diferentes bandas de radiofrequência [58].
109
110
APÊNDICE B
CAMPO PRÓXIMO E DISTANTE (NEARFIELD AND FARFIELD)
Basicamente, três fatores determinam as características de um campo [64]:
i.
Fonte;
ii.
Meio que envolve a fonte;
iii.
Distância entre a fonte e o ponto de observação.
Em um ponto próximo da fonte, as propriedades de campo são determinadas
pelas características da fonte. Distante da fonte, as propriedades do campo dependem
do meio através do qual o campo está propagando.
Portanto, o espaço em torno da fonte de radiação pode ser dividido em duas
regiões, o campo próximo e o distante (nearfield e farfield).
Uma aproximação comum é considerar as pequenas e grandes distâncias da
fonte em comparação com os comprimentos de onda da radiação. Desta forma, o
ponto importante é ser capaz de identificar a região de transição onde o campo
próximo (nearfield) passa a ser considerado como um campo distância (farfield).
Esta região de transição pode ser encontrada pela impedância da onda, que é
a razão entre o Campo Elétrico, E, e o Campo Magnético, H.
Assim, no campo distante a razão E/H é igual à impedância característica do
meio selecionado (por exemplo, E/H = 377 Ω para o ar ou o espaço livre). A região de
transição é então encontrada a uma distância da fonte de radiação:
r≈
λ
2 .π
Uma vez que esta região é de transição, campos próximos e campos distantes
(nearfield e farfield) devem estar a alguma distância a partir deste. Logo, define-se
que as regiões próximas e distantes devem ser da ordem de magnitude maior ou
menor do que esta distância de transição, isto é:
111
λ
r𝑛𝑒𝑎𝑟 ≤ 0.1 ∙ (
)
2∙π
λ
r𝑓𝑎𝑟 ≤ 10 ∙ (
)
2∙π
{
Alguns autores utilizam uma linha direta com base no valor de r:
{
r ≤
λ
→ 𝑛𝑒𝑎𝑟 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑
2∙π
r ≥
λ
→ 𝑓𝑎𝑟 𝑓𝑖𝑒𝑙𝑑
2∙π
Uma vez que esta definição envolve o comprimento de onda da radiação, esta
torna-se dependente da frequência, Tabela A.1.
Frequência
𝛌
𝟐∙𝛑
30 kHz
1590 m
3 MHz
15.9 m
30 MHz
1.59 m
300 MHz
0.159 m
3 GHz
0.0159 m
Tabela B.1. Distâncias de transição de nearfield e farfield.
Na região de nearfield os campos elétricos e magnéticos devem ser
considerados separadamente uma vez que a razão entre estes não é constante. A
razão é determinada pelas características da fonte e a distância a partir da fonte até
onde o campo é observado.
Se a fonte possui alta corrente e baixa tensão, o nearfield é predominantemente
magnético, isto é, E/H < 377 Ω. Por outro lado, se a fonte possui alta tensão e baixa
corrente, o nearfield é principalmente elétrico, isto é, E/H > 377 Ω.
Para uma antena de cabo linear, a impedância da fonte é alta. Este tipo de
antena gera principalmente campo elétrico, o que implica que a impedância de onda
próxima da antena é alta.
112
À medida que a distância a partir da antena é aumentada, o campo elétrico
perde parte de sua intensidade, uma vez que gera um campo magnético
complementar.
A geração de um campo magnético implica que a impedância da onda a partir
de uma antena de cabo linear diminui com a distância e assintoticamente aproximase da impedância de espaço livre no campo distante.
Este é um efeito a partir do fato que o campo elétrico de um dipolo elétrico
atenua a uma taxa de (1/r)3 (r = distância da fonte de radiação até o ponto onde o
campo é observado), enquanto que o campo magnético atenua a uma taxa de (1/r) 2.
Quando um dipolo magnético, como uma antena em loop, é utilizado, o campo
produzido é principalmente magnético e a impedância de onda próxima à antena é
baixa. À medida que a distância da fonte aumenta, o campo magnético atenua a uma
taxa de (1/r)3 e o campo elétrico a uma taxa de (1/r)2. Isto implica que a impedância
da onda aumenta com a distância e aproxima-se da impedância do espaço livre.
No farfield, a impedância de onda é constante. Isso significa que ambos os
campos, elétrico e magnético, atenuam à mesma taxa, (1/r). Os campos elétricos e
magnéticos são ortogonais no farfield, formando, assim, uma onda plana. A potência
irradiada no farfield é fortemente dependente da impedância de entrada da antena.
113
114
APÊNDICE C
RESULTADOS DOS ENSAIOS REALIZADOS
Tabela C.1 – Resultados dos ensaios
115
116
APÊNDICE D
EQUIPAMENTOS USADOS NAS MEDIÇÕES
Figura D.187: Analisador de Espectro R&S FSL.
Figura D.288: Ponta de prova para medição na frequência de 2 KHz à 200 MHz.
117
Figura D.3: Ponta de prova para medição na frequência de 200 MHz à 6 GHz.
Figura D.4: Conjunto de Pontas de Prova para medição Rohde & Schwarz [59].
118
Figura D.5: Antenas usadas no ensaio.
Figura D.6: Antenas montadas para o ensaio.
119
Figura D.7: Geradores de sinal N9310.
Figura D.8: FS315 Analisador de Espectro.
120