interferÊncia eletromagnÉtica aplicada a...
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UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA APLICADA A ELETRÔNICA EMBARCADA DE VEÍCULOS
Área de Engenharia Elétrica
por
Elder Eduardo de Ávila
Geraldo Peres Caixeta, Doutor Orientador
Campinas (SP), Dezembro de 2010
i
UNIVERSIDADE SÃO FRANCISCO
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA APLICADA A ELETRÔNICA EMBARCADA DE VEÍCULOS
Área de Engenharia Elétrica
por
Elder Eduardo de Ávila
Relatório apresentado à Banca Examinadora do
Trabalho de Conclusão do Curso de Engenharia
Elétrica para análise e aprovação.
Orientador: Geraldo Peres Caixeta, Doutor
Campinas (SP), Dezembro de 2010
ii
DEDICATÓRIA
Dedico este trabalho a minha esposa Renata e aos
meus pais, que sempre me apoiaram durante a
minha vida e ainda mais durante o período de
graduação.
iii
AGRADECIMENTOS
A Deus, autor da vida, por sempre me amar e me
capacitar a tornar-me tudo aquilo que sou. A minha
esposa, meus pais e meus irmãos que me apoiaram e
entenderam a minha ausência durante o período de
graduação. Ao professor D.r Geraldo Peres Caixeta
pelo incentivo e orientação deste trabalho.
Por último, agradeço aos professores do curso de
graduação em engenharia elétrica da Universidade São
Francisco e aos meus colegas de graduação pelos anos
de convivência e amizade.
iv
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS ....................................................................................................... vi
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................... vii
LISTA DE TABELAS ................................................................................................................... viii
RESUMO ......................................................................................................................................... ix
ABSTRACT ...................................................................................................................................... x
1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................ 1
1.1. EMC no contexto automotivo ..................................................................................................... 1
1.2. Objetivo geral .............................................................................................................................. 2
1.3. Objetivo específico ...................................................................................................................... 2
1.4. Metodologia ................................................................................................................................. 3
1.5. Estrutura do trabalho ................................................................................................................... 3
2. MOTIVAÇÃO PARA O ESTUDO DE EMC............................................................................. 4
2.1. História da EMC........................................................................................................................... 4
2.2. Definição de EMC........................................................................................................................ 6
2.3. Casos Práticos de EMI.................................................................................................................. 8
2.4. EMC na Indústria automotiva ..................................................................................................... 9
3. CONCEITOS IMPORTANTES NO ESTUDO DE EMC....................................................... 12
3.1. As equações de Maxwell............................................................................................................ 12
3.2. Regiões ao redor da fonte........................................................................................................... 14
3.2.1. Campo distante ....................................................................................................................... 15
3.2.2. Zona de transição .................................................................................................................... 15
3.2.3. Campo próximo....................................................................................................................... 15
3.3. Modelo de estudo para minimização de EMI ............................................................................ 15
3.4. Definição de componente e sistema .......................................................................................... 19
3.5. Relevância para EMC ................................................................................................................ 20
4. SISTEMA ELETRÔNICO AUTOMOTIVO .................. ........................................................ 22
4.1. As emissões radiadas por veículos: conceito ............................................................................. 22
4.2. O ruído Broadband .................................................................................................................... 23
4.2.1. O ruído do motor .................................................................................................................... 23
4.2.2. O ruído da ignição .................................................................................................................. 24
4.3. O ruído Narrowband ................................................................................................................. 26
v
4.3.1. Os microprocessadores e o ruído narrowband ....................................................................... 26
5. DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS ELETRÔNICOS AUTOMOTI VOS COM FOCO
EM EMC ......................................................................................................................................... 28
5.1. Minimização de EMI através da introdução de componentes ................................................... 28
5.2. Seleção de componentes ............................................................................................................ 29
5.3. Famílias lógicas e a relação dV/dt ............................................................................................. 31
5.4. Famílias lógicas e a relação dI/dt .............................................................................................. 32
5.5. Limiar de Imunidade ................................................................................................................. 33
5.6. Boas Práticas na Indústria Automotiva ..................................................................................... 34
5.7. Sistemas de Ignição .................................................................................................................. 35
5.7.1. Velas de Ignição ..................................................................................................................... 35
5.7.2. Cabeamento de Ignição .......................................................................................................... 38
6. CONSIDERAÇÕES FINAIS ..................................................................................................... 40
6.1.Conclusão ................................................................................................................................... 40
6.2. Trabalhos futuros ....................................................................................................................... 41
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFIAS ............................................................................................ 42
GLOSSÁRIO .................................................................................................................................. 43
vi
LISTA DE ABREVIATURAS
AC Alternating current
BB Broadband
CC Continuous current
CI Circuito Integrado
CISPR Comité International Spécial des Perturbations Radioeléctriques
DUT Device under test
EMC Electromagnetic Compatibility
EMI Electromagnetic Interference
FCC Federal Communications Commission
IEC International Electrotechnical Commission
NB Narrowband
PCB Printed circuit board
PCI Placa de circuito impresso
PWM Pulse width modulation
VLSI Very large scale of integration
vii
LISTA DE FIGURAS
Fig. 3.1 – Modelo de Compatibilidade Eletromagnética ................................................................... 7
Fig. 3.2 – Conceito de Imunidade e Susceptibilidade ....................................................................... 7
Fig. 3.3 – O sinal de onda quadrada e o seu espectro de frequência ................................................ 10
Fig. 4.1 – Fluxo Elétrico de uma carga ............................................................................................ 13
Fig. 4.2 – O fluxo magnético fora de um espaço fechado ................................................................ 13
Fig. 4.3 – Terceira equação de Maxwell .......................................................................................... 14
Fig. 4.4 – Quarta equação de Maxwell ............................................................................................. 15
Fig. 4.5 – Módulos envolvidos em compatibilidade eletromagnética .............................................. 16
Fig. 4.6 – Grupos de transferência de energia eletromagnética: ...................................................... 18
Fig. 4.7 – Definição de componente e sistema ................................................................................. 20
Fig. 5.1 – Ruído do tipo Narrowband e Broadband ........................................................................ 23
Fig. 5.2 – Sistema de Ignição ........................................................................................................... 24
Fig. 5.3 – Espectro de frequência de um ruído de ignição ............................................................... 25
Fig. 5.4 – Espectro de frequência genérico ...................................................................................... 27
Fig. 6.1 – Indutância mútua entre sistemas ...................................................................................... 30
Fig. 6.2 – Capacitância mútua entre sistemas .................................................................................. 31
Fig. 6.3 – Estágios de potência das famílias TTL e CMOS ............................................................. 32
Fig. 6.4 – Montagem de capacitor de desacoplamentos ................................................................... 33
Fig. 6.5 – Comparativo de potência e consumo específico de combustível com diversos valores de
resistor de supressão ......................................................................................................................... 35
Fig. 6.6 – Comparativo de tempo de partida em um motor com diversos valores de resistor de
supressão ........................................................................................................................................... 36
Fig. 6.7 – Resistor de supressão integrado a vela de ignição ........................................................... 37
Fig. 6.8 – Resistor de supressão integrado ao cabo de vela ............................................................. 38
Fig. 6.9 – Cabo blindado .................................................................................................................. 39
viii
LISTA DE TABELAS
Tab. 1.1 – Venda de veículos acumulada até setembro de 2010.........................................................1
Tab. 6.1 – Características das famílias lógicas ................................................................................ 31
Tab. 6.2 – Boas Práticas na Indústria Automotiva .......................................................................... 34
ix
RESUMO
DE AVILA, Elder Eduardo. Interferência Eletromagnética Aplicada a Eletrônica Embarcada
de Veículos. Campinas: Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas,
2010.
O aumento da utilização de sistemas eletrônicos cada vez mais complexos em veículos
gerou vários problemas ligados a compatibilidade eletromagnética que, conseqüentemente,
despertou na indústria automotiva a necessidade de um desenvolvimento de produtos e sistemas que
esteja alinhado a esta nova demanda. O assunto de compatibilidade eletromagnética vem ganhando
destaque à medida que casos de interferência eletromagnética tornam-se cada vez mais comuns.
Este trabalho aborda o histórico de problemas de compatibilidade eletromagnética na área
automotiva, a teoria na qual o assunto se fundamenta e aspectos práticos que devem ser
considerados durante a fase do desenvolvimento de produtos e sistemas para que se atinja um nível
de compatibilidade eletromagnética desejável com o menor custo.
PALAVRAS-CHAVE: Compatibilidade Eletromagnética, Interferência Eletromagnética,
Eletromagnetismo, Indústria Automotiva.
x
ABSTRACT
DE AVILA, Elder Eduardo. Interferência Eletromagnética Aplicada a Eletrônica Embarcada
de Veículos. Campinas: Trabalho de Conclusão de Curso, Universidade São Francisco, Campinas,
2010.
The expansion of complex electronic systems usage for vehicles has brought a great number
of electromagnetic compatibility problems and thus, raised for the automotive industry the necessity
of a system and product development which must be aligned to this new demand. The
electromagnetic compatibility issue has been getting attention as soon as the electromagnetic
interference cases become common.
This work deals with the history of electromagnetic compatibility problems in the
automotive industry, the theory in which the subject is based on and practical aspects that should
be considered during system and products development phase in order to achieve a desirable level
of electromagnetic compatibility with the lowest cost.
KEYWORDS: Electromagnetic Compatibility, Electromagnetic Interference, Electromagnetism,
Automotive Industry.
1
1 INTRODUÇÃO
1.1 EMC no contexto automotivo
Sistemas de entretenimento interativos, comodidade, conforto, segurança e
emissões de poluentes cada vez menores, são os principais parâmetros que impulsionam
a indústria automotiva na atualidade. Estes mesmos parâmetros foram responsáveis por
uma revolução no mercado automotivo nos últimos anos, tornando a engenharia elétrica
uma área imprescindível no desenvolvimento de automóveis. Tudo isto trouxe um
grande aumento no número de veículos vendidos, dando a indústria automotiva ainda
mais destaque. Abaixo, apresenta-se um balanço dos quinze modelos de veículos mais
vendidos no Brasil até setembro de 2010.
Total: 1326540
Fonte: <http:// http://quatrorodas.abril.com.br/QR2/autoservico/top50/2010.shtml>
Tab. 1.1 – Venda de veículos acumulada até setembro de 2010.
2
A complexidade dos sistemas de eletrônica embarcada em veículos e a
interoperabilidade entre estes sistemas trouxeram alguns desafios consideráveis a
engenharia elétrica a fim de garantir a continuidade desta evolução. Dentre estes
desafios, destaca-se a compatibilidade eletromagnética.
Sistemas passaram a interferir no funcionamento de outros sistemas de maneira não
proposital através do seu próprio funcionamento. Além disso, com a difusão da
utilização de telefones celulares e da transmissão de dados por rádio frequência,
sistemas passaram a ter o seu funcionamento prejudicado pela interferência externa
indesejada. Estudos aprofundados passaram a existir voltados à área de compatibilidade
eletromagnética.
Mesmo com o desenvolvimento do estudo de compatibilidade eletromagnética,
muitos problemas nesta área ainda ocorrem devido à falta de implementação de
contramedidas efetivas ainda na fase de desenvolvimento. Medidas acabam sendo
consideradas de maneira corretiva, aumentando custo e efetividade na contenção de
problemas.
1.2 Objetivo Geral
Este trabalho tem por objetivo geral a conceituação de EMC e algumas
metodologias que vem sendo empregadas na indústria automotiva visando EMC.
1.3 Objetivos Específicos
Os objetivos específicos deste trabalho são:
Conceituar EMC e EMI, dando uma visão geral dos fenômenos
eletromagnéticos que se relacionam ao assunto;
Demonstrar a importância da mitigação ou minimização da interferência
eletromagnética na indústria automotiva através de exemplos práticos;
Fornecer um histórico sobre a normatização na área de EMC;
3
Apresentar algumas metodologias atualmente empregadas na indústria
automotiva visando EMC.
1.4 Metodologia
A metodologia deste trabalho está baseada nas seguintes etapas:
a. Levantamento bibliográfico sobre a conceituação de EMC;
b. Levantamento bibliográfico sobre EMC na indústria automotiva, tendências e
desafios;
c. Levantamento das normas referentes a EMC na indústria automotiva;
d. Levantamento bibliográfico de metodologias empregadas na indústria
automotiva visando EMC.
1.5. Estrutura do trabalho
No primeiro capítulo é feita a introdução do trabalho e apresentado o objetivo
geral, específico e a metodologia utilizada para a conclusão.
No segundo capítulo são apresentados dados históricos de assuntos relacionados
a EMC, casos práticos cuja causa dos problemas estão relacionados a EMC, bem como
a definição do tema.
No terceiro capítulo são apresentados alguns conceitos de eletromagnetismo
relevantes ao estudo de EMC, além do modelo fonte-meio de transmissão-receptor
utilizado para o estudo do tema.
No quarto capítulo são apresentados os principais tipos de ruído gerados por um
veículo automotor.
No quinto capítulo são apresentadas algumas metodologias para mitigação ou
minimização de EMI na indústria automotiva.
No sexto capítulo o trabalho é concluído e apresentado algumas possibilidades
de trabalhos futuros relacionados ao tema.
4
2 MOTIVAÇÃO PARA O ESTUDO DE EMC
2.1 História da EMC
É possível se dizer que problemas relacionados a interferências eletromagnéticas
e a introdução de métodos visando a sua mitigação surgiram com o primeiro
experimento de Marconi sobre centelhamento no final dos anos 1800. Em 1901 Marconi
realizou a primeira transmissão transatlântica utilizando fios de cobre. Os únicos
receptores de relevância naquela época eram os receptores a rádio. Estes eram poucos e
muito distantes, o que tornava os problemas de interferência relativamente fáceis de
serem resolvidos. No entanto, artigos técnicos sobre rádio-interferência começaram a
aparecer em vários jornais científicos por volta do ano de 1920. Os receptores de rádio e
antenas eram bastante simples e propensos a interferência, fosse ela externa,
proveniente do ambiente, ou interna, como oscilações internas que eram auto-induzidas.
Melhorias no design dos equipamentos resolveram muitos desses problemas. No
entanto, rádio-interferência proveniente de equipamentos elétricos, como motores
elétricos e ferrovias, logo se tornaram as maiores fontes de problemas por volta de 1930.
Durante a 2ª Guerra Mundial, o uso de equipamentos eletrônicos, principalmente
rádios, equipamentos para navegação e radares aumentaram significativamente.
Interferências entre rádios e equipamentos de navegação a bordo dos aviões começaram
a aumentar na mesma proporção. Estes eram facilmente corrigidos trocando-se a
frequência de transmissão por uma faixa menos carregada, ou fisicamente movendo os
cabos das fontes de ruído, para evitar que os cabos captassem os mesmos. Como a
densidade de componentes eletrônicos naquela época era consideravelmente menor do
que aquilo que se tem atualmente, era possível minimizar os problemas de EMI caso a
caso, através da utilização desses métodos. No entanto houve um aumento significativo
nos problemas de EMI com a invenção dos componentes eletrônicos de alta densidade,
como o surgimento do transistor bipolar em meados de 1950, do circuito integrado em
1960 e do microprocessador em 1970. O espectro de frequência também passou a ser
mais denso com o aumento da demanda de transmissão de voz e dados. Estes fatores
fizeram com que houvesse um planejamento considerável com relação à utilização do
5
espectro de frequência, o que continua até os dias de hoje (RYBACK ; STEFFKA,
2004).
Talvez o primeiro evento que tenha dado ênfase a EMC foi a introdução do
processamento digital de sinais e da computação. No início de 1960, computadores
digitais utilizavam válvulas como elementos de chaveamento. Estes eram bastante
lentos se comparados aos atuais e requeriam um alto consumo de potência. Durante os
anos de 1970 os circuitos integrados permitiram a construção de computadores que
consumiam uma quantidade bem menor de potência e requeriam um espaço físico bem
menor. No fim dos anos 70 houve uma tendência em se substituir o processamento de
sinais analógicos pelo processamento digital de sinais. Quase todas as funções
eletrônicas passaram a ser implementadas utilizando processamento digital, uma vez
que a velocidade de processamento dos circuitos integrados, além do seu tamanho,
favorecia esta tecnologia. Em conseqüência disso, a ocorrência de EMI passou a
aumentar.
Devido ao aumento de ocorrências relacionadas a interferência de sinais digitais
com/sem fio, a Comissão de Comunicação Federal (FCC) dos Estados Unidos
estabeleceu limites máximos para as emissões eletromagnéticas. A intenção dessa
regulamentação era tentar limitar a “poluição eletromagnética” no ambiente para, desta
forma, prevenir ou ao menos reduzir o numero de ocorrências de EMI. Uma vez que
nenhum equipamento que não atendesse os limites estabelecidos por essa lei da FCC
poderiam ser vendidos nos Estados Unidos, o assunto de EMC passou a gerar um maior
interesse dos fabricantes de equipamentos eletrônicos. Isto não significa que os Estados
Unidos foram os únicos responsáveis pelo entrave por um ambiente livre de ondas
eletromagnéticas indesejáveis. Outros países na Europa também propuseram leis
semelhantes às aplicadas nos EUA para equipamentos eletrônicos. Em 1933 uma
reunião da IEC em Paris recomendou a formação do International Special Committee
on Radio Interference (CISPR) para lidar com os problemas emergentes de EMI. Este
comitê elaborou um documento detalhando equipamentos de medição para a
determinação de emissões EMI em potencial. Encontros subseqüentes da CISPR
renderam várias publicações técnicas que incluíam técnicas de medição e definia limites
aceitáveis. Alguns países da Europa adotaram os limites propostos pela CISPR. A
norma proposta pela FCC foi a primeira a regulamentar a emissão eletromagnética para
equipamentos eletrônicos e, por sua vez, seguiam as regulamentações propostas pela
CISPR.
6
A comunidade militar nos EUA também propôs limites de emissões
eletromagnéticas através da regulamentação MIL-STD-461 antes da regulamentação
feita pelo FCC com o intuito de garantir o sucesso de suas missões. Um aspecto
interessante da legislação militar foi a imposição do requisito de susceptibilidade. Sinais
de interferência eram propositadamente injetados no equipamento e o mesmo precisava
manter a sua operação normalmente. Mesmo que um produto eletrônico estivesse em
conformidade com os requisitos legais de emissões eletromagnéticas, o mesmo poderia
ainda causar interferência ou estar susceptível as emissões de outro equipamento que
estivesse próximo. Os limites de emissões estabelecidos se destinavam simplesmente a
manter um ambiente mais limpo em termos de ondas eletromagnéticas.
Todas estas regulamentações fizeram de EMC um aspecto crítico no
desenvolvimento de equipamentos eletrônicos. Se os equipamentos produzidos não
estivessem em conformidade com as legislações vigentes, os mesmos não poderiam ser
vendidos no país, o que o tornou um assunto de grande relevância.
2.2 Definição de EMC
EMC pode ser definida como a capacidade de um sistema eletrônico de
funcionar adequadamente em um ambiente eletromagnético e não interferir em outros
sistemas imersos neste mesmo ambiente (RYBACK; STEFFKA, 2004). Isto implica
que o sistema seja imune às emissões eletromagnéticas de outros sistemas e
simultaneamente seja capaz de não interferir no funcionamento de outros sistemas, bem
como no seu próprio funcionamento.
O modelo básico que é usado para a definição de EMC consiste no fato de que
dois dispositivos A e B sejam capazes de operar um na presença do outro, bem como na
presença do ambiente externo, o que é chamado também de interoperabilidade. Não é
desejável que A interfira em B e nem que B interfira em A, tão pouco é desejável que o
ambiente externo interfira no funcionamento de A ou B, conforme fig. 3.1.
7
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 3.1 - Modelo de Compatibilidade Eletromagnética
Outra definição importante com relação aos receptores de energia é o conceito
de imunidade e susceptibilidade. Na indústria automotiva o termo imunidade é mais
usado enquanto para outras áreas que estudam EMC o termo mais usado é
susceptibilidade. A fig. 3.2 ilustra a relação entre ambos.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 3.2 – Conceito de susceptibilidade e imunidade
8
Desta forma, um componente ou sistema que tem baixa susceptibilidade possui
baixa imunidade e vice-versa (RYBACK ; STEFFKA, 2004).
2.3 Casos Práticos de EMI
Existem inúmeros casos práticos de EMI, desde casos comuns sem
consequências graves até casos de proporções catastróficas.
Talvez um dos casos mais comuns seja o aparecimento de uma “listra” em
algumas televisões mais antigas, sempre que se liga um liquidificador, um aspirador de
pó, um misturador ou algum outro eletrodoméstico que contém um motor universal.
Estas “listras” são resultado dos pequenos arcos nas escovas do motor universal. Como
o comutador interrompe o seu contato com as escovas em uma alta frequência (não há
um contato ideal), a corrente nos enrolamentos do motor (um indutor) é interrompida na
mesma frequência, causando uma grande tensão ao longo dos contatos, uma vez que a
tensão no indutor é definida por:
(3.1)
onde,
V= Tensão (V)
L= Indutância (H)
i= corrente (A)
Esta tensão gerada é rica em conteúdo espectral de alta frequência, que é radiada
através do cabo de alimentação do equipamento, que, por sua vez, irradia todo o sinal
para a rede elétrica da residência. A rede elétrica da residência constitui-se em um
conjunto de fios que acabam se tornando uma eficiente antena. Esta eficiente antena
transmite este sinal para a antena da TV, causando interferência (RYBACK ;
STEFFKA, 2004).
Outro caso é de uma versão de automóvel com sistema de injeção eletrônica. A
concessionária recebeu uma reclamação de um cliente que dizia que quando o veículo
)(dt
diLV Volts−=
9
era dirigido em uma determinada rua da cidade o motor morria. Medições de ondas
eletromagnéticas no ambiente detectaram a presença de um sinal ilegal proveniente de
um transmissor de rádio FM. O sinal do transmissor FM era conduzido até o
microprocessador através de fios, o que fazia com o que o microprocessador entrasse
em colapso (RYBACK ; STEFFKA, 2004).
Outro acontecimento é que alguns caminhões possuíam sistema de freios do tipo
Anti-Block System (ABS) instalados. Alguns caminhoneiros costumavam instalar um
transmissor de rádio para a comunicação com outros caminhoneiros, que, dependendo
da instalação, causava o travamento involuntário dos freios. O problema foi detectado
como sendo o acoplamento eletromagnético entre o sistema de freios e o transmissor. A
colocação de uma blindagem no circuito do transmissor eliminou o problema
(RYBACK ; STEFFKA, 2004).
Em 1982, o Reino Unido perdeu um navio militar, o HMS Sheffield, destruído
por um míssil durante a batalha contra a Argentina nas ilhas Falkland. O sistema de
rádio para a comunicação com o Reino Unido não funcionava adequadamente quando o
detector de mísseis no navio estava funcionando. Por este motivo, resolveu-se desligar o
sistema detector de mísseis durante uma comunicação. Infelizmente, neste momento o
inimigo disparou o míssil, destruindo o HMS Sheffield (RYBACK ; STEFFKA, 2004).
Estes são alguns dos inúmeros casos acontecidos dentro no universo da
eletrônica. Os resultados de EMI claramente apontam para a necessidade de um estudo
apurado da EMC.
2.4 EMC na Indústria Automotiva
O conceito de EMC vem sendo levado em consideração na indústria automotiva
nos últimos anos uma vez que o número de componentes elétricos e eletrônicos contidos
em um veículo vem aumentando muito.
Desta forma, levar em consideração a EMC é extremamente necessário, visto
que vários países já possuem normas relacionadas à EMC e, desta forma, estas devem
ser contempladas nos projetos de novos veículos. Além disso, levar em consideração
EMC é necessário para que se tenha o correto funcionamento de alguns componentes,
10
sob risco da necessidade de um “recall” caso estes componentes tenham seu
funcionamento prejudicado pela EMI.
Embora atualmente ainda haja a utilização de vários componentes que eram
usados há alguns anos atrás (bobina de alta tensão, por exemplo), vários outros
componentes digitais vêm sendo amplamente utilizados. Algo conhecido da tecnologia
digital é que o seu chaveamento através de ondas quadradas contem muitas harmônicas,
com frequências de ordens muito maiores que a frequência fundamental nos momentos
de troca de estado (de zero para um e de um para zero) e frequência igual a zero no
momento em que o sinal está estável, conforme fig. 3.3.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig.3.3 – O sinal de onda quadrada e o seu espectro de frequência.
11
Conforme mostrado na fig. 3.3, há uma frequência contida no instante de subida
e descida do sinal que, por sua vez, é muito maior que a frequência fundamental e, uma
frequência igual a zero para os instantes onde o sinal é estável em nível lógico alto ou
baixo. Na indústria automotiva, esta é uma das maiores fontes de EMC.
No que diz respeito à indústria automotiva, o assunto de EMC continuará
ganhando importância no futuro, uma vez que o desenvolvimento da tecnologia digital
vem favorecendo a ocorrência de caso de EMI, tais como:
A velocidade do clock de sistemas digitais está se tornando cada vez maior. O
problema é que, à medida que isto ocorre, estruturas metálicas como caixas,
paredes e tampas passam a ter um poder de blindagem cada vez menor, podendo
atuar até mesmo como eficientes antenas;
Na área de comunicação sem fio, frequências elevadas (na ordem de GHz) são
cada vez mais utilizadas. Os aspectos de EMC relacionados a isto têm de ser
caracterizados.
Combinado a esta evolução de tecnologia, a medição de EMC também tende a
se tornar algo que continuará ganhando relevância no futuro, principalmente pelas
seguintes razões:
O ruído de fundo em analisadores de espectro e receptores tende a aumentar,
fazendo com que a medição de EMC de baixo nível seja dificultada;
Em alta frequência, as emissões radiadas dos produtos são mais estreitas e
direcionais, o que as torna mais difícil de serem detectadas;
As antenas que devem ser usadas para a medição da emissão eletromagnética de
um produto tendem ter um feixe de recepção mais estreito, o que dificulta a
detecção das emissões eletromagnéticas do objeto de ensaio.
Devido à evolução contínua e as premissas identificadas acima, o assunto de
EMC tende a ser algo que gerará grandes discussões ao longo dos anos.
12
3 CONCEITOS IMPORTANTES NO ESTUDO DE EMC
3.1 As equações de Maxwell
Para um bom entendimento do conceito de EMC, é necessário primeiramente
entender-se os conceitos físicos que estão por trás deste tema. Existem quatro relações
matemáticas que são importantes no estudo de EMC, que são conhecidas como
equações de Maxwell. Apesar de aparentemente confusas e de difícil utilização, as
equações de Maxwell basicamente estabelecem a relação matemática entre campo
elétrico, campo magnético e ondas.
A primeira equação de Maxwell é baseada nos estudos de Gauss e diz que existe
um campo elétrico ao redor de uma determinada carga. Isto significa que se existe uma
carga em um espaço livre, existirá um campo elétrico potencial ao redor desta carga,
que será proporcional a carga total que está gerando este campo. Este conceito está
ilustrado na equação 4.1 e fig. 4.1
0ε
qE.dA =∂ (4.1)
onde,
E= Campo Elétrico (V/m);
A= Área (m2);
q= carga elétrica (C);
0ε = Constante de permissividade elétrica no vácuo.
13
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 4.1 – Fluxo elétrico de uma carga
A segunda equação também se baseia nos estudos de Gauss e fala sobre a
existência de dipolos. Isto implica no fato de que se existe um polo norte,
necessariamente existirá um polo sul que, juntos, formarão um dipolo magnético. Para
qualquer superfície fechada, o fluxo magnético para dentro direcionado ao polo sul será
igual ao fluxo para fora do polo norte. Esta lei também implica no fato de que não existe
monopolos magnéticos. A equação 4.2 e fig. 4.2 ilustram a segunda equação de
Maxwell.
0B.dA=∂ (4.2)
onde,
B= Campo magnético (T);
A= área (m2).
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 4.2 – O fluxo magnético fora de um espaço fechado
14
A terceira equação de Maxwell é baseada nos estudos de Faraday e diz que a
variação do fluxo magnético gera um campo elétrico. Este fenômeno é a base da
construção de geradores elétricos e transformadores. A equação 4.3 e a fig. 4.3 ilustram
a terceira equação de Maxwell.
dt
B.dA)d(E.ds
∂−=∂ (4.3)
onde,
E= Campo Elétrico (V/m);
B= Campo Magnético (T);
A= área (m2).
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 4.3 – Terceira equação de Maxwell
A quarta equação de Maxwell, também baseada nos estudos de Faraday, diz que
a densidade de fluxo magnético é proporcional a taxa de variação do campo elétrico. A
equação 4.4 e a fig. 4.4 demonstram este conceito.
( )
∂+=∂ E.dAεdt
dImB.dS 00 (4.4)
onde,
B= Campo magnético (T);
m0= constante de permissividade magnética;
E= Campo elétrico (V/m);
A= área (m2).
15
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 4.4 – Quarta equação de Maxwell
A chave para o entendimento de EMC é encontrar, entender e aplicar estas
quatro equações para todos os casos de EMC. Isto permitirá a identificação da causa
raiz do problema e tornará possível compreendê-lo e resolvê-lo.
3.2 Regiões ao redor da fonte
Há dois conceitos ainda importantes que estão relacionados à descrição das
regiões de um campo em torno de uma antena que irradia potência. São estes o campo
próximo e o campo distante. É importante ter o conhecimento destes tipos de campo no
estudo de EMC pois existem formas de medição diferentes dependendo do campo ao
qual determinado sistema ou componente está inserido.
3.2.1 Campo distante
Seja o comprimento de onda λ de uma fonte. A região que se estende por mais
de dois comprimentos de onda da fonte é chamada de campo distante. O campo distante
é definido como sendo a região a partir de λ/2π ou 2D2/λ, o que for maior.
16
3.2.2 Zona de transição
A região entre o campo distante e o campo próximo é chamada de zona de
transição. Esta região contempla algumas características do campo próximo e do campo
distante.
3.2.2 Campo próximo
A região localizada a menos de um comprimento de onda da fonte é chamada de
campo próximo.
3.3 Modelo de estudo para minimização de EMI
Um conceito chave no estudo de EMC é a relação entre fonte-meio de
transmissão-receptor, que são os três elementos básicos compreendidos no estudo de
EMC, conforme fig. 4.5. Os receptores podem ser de dois tipos, intencionais e não
intencionais. Como exemplo de um receptor intencional, tem-se o receptor de um rádio
ou de uma televisão e, como exemplo de um receptor não intencional, tem-se a fonte de
um microcomputador. Este é o modelo básico que é usado para a determinação dos
problemas de EMC e, desta forma, para que se estruture um sistema robusto que seja
operacional nestas condições.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 4.5 - Módulos envolvidos em compatibilidade eletromagnética
17
Com base no conhecimento destes conceitos, é possível garantir EMC das
seguintes formas:
Diminuindo ou suprimindo a energia da fonte (desta forma pode-se diminuir a
quantidade de energia irradiada);
Modificar a trajetória de condução (meio de transmissão), por exemplo,
conduzindo-a por um fio ou radiando-a através do ambiente;
Modificar as características do receptor, transformando-o em um receptor
imune.
Com relação aos problemas de EMC, deve-se ter em mente esses três parâmetros
citados. O primeiro deles fala sobre a supressão ou diminuição da energia diretamente
na fonte. Por exemplo, observa-se que as mudanças de nível lógico alto para baixo e
vice-versa em circuitos digitais são os principais contribuintes para o espectro de alta-
frequência desses sinais (mudanças de estado rápidas, ou curtas), conforme já discutido
anteriormente. Em geral, quanto maior a frequência do sinal que passará pela trajetória
de condução, mais eficiente será o caminho de condução. Sendo assim, deve-se tornar
mais lenta as mudanças do estado alto para baixo e vice-versa. No entanto, para que isto
seja eficaz é necessário que o tempo de subida e descida do sinal seja levado a um nível
onde o circuito eletrônico funcione adequadamente. Por exemplo, não é justificável que
as transições de alto para baixo e vice-versa precisem ser levados a 100 ps quando os
circuitos funcionariam bem a partir de 1 ns. Em casos onde esta redução é possível sem
comprometer o funcionamento do circuito, é possível reduzir-se o conteúdo de alta
frequência espectral da emissão, o que tornará o caminho de condução mais ineficiente
e, portanto, reduzirá o nível do sinal no receptor.
Há também maneiras mais radicais para se tornar o caminho de condução
ineficiente, como, por exemplo, colocar o emissor enclausurado em uma proteção de
metal (shield). Esta alternativa, porém, é mais cara que reduzir o tempo de subida e
descida do sinal digital, nos casos onde isto é possível, além do que o desempenho desta
proteção está bem aquém daquilo que é considerado ideal. Reduzir a susceptibilidade às
emissões do receptor é também algo difícil de ser implementado, além de manter com
essa redução o correto funcionamento do circuito. Minimizar o custo adicional de um
sistema a fim de torná-lo compatível eletromagneticamente é algo de bastante
relevância. Um equipamento pode ser desenvolvido colocando-se todos os componentes
em uma blindagem, utilizando baterias de alta potência como fontes, entre outros,
18
porém, a aparência do produto, utilidade e custo serão inaceitáveis do ponto de vista do
consumidor. Pode-se ainda impedir a transferência de energia eletromagnética (no que
diz respeito à prevenção da interferência) em quatro subgrupos: emissões radiadas,
susceptibilidade radiada, emissões conduzidas, susceptibilidade conduzida, conforme a
fig. 4.6.
Fonte: PAUL, 2004.
Fig. 4.6 - Grupos de Interferência Eletromagnética
Um típico sistema eletrônico consiste em um ou mais subsistemas que se
comunicam entre si por meio de cabos. Estes cabos podem ser responsáveis por
conduzir sinais que serão utilizados por circuitos digitais (5 V, por exemplo) ou mesmo
para alimentação dos sistemas, seja ela AC ou CC. Todos estes cabos têm um potencial
para emitir ou receber energia eletromagnética e, em geral, são bem eficientes neste
processo. De maneira geral, quanto maior o cabo, maior é a sua capacidade de emitir ou
receber energia eletromagnética.
Sinais de interferência podem também ser transmitidos entre os subsistemas
diretamente através das suas ligações de condução (entre os cabos). Se os subsistemas
estiverem protegidos por blindagens metálicas, correntes podem ser induzidas por sinais
19
internos ou externos. Estas correntes podem ser radiadas para o meio externo ou mesmo
para o próprio sistema que está sob esta blindagem. Este problema vem se tornando algo
cada vez mais comum, principalmente em equipamentos de baixo custo que utilizam
blindagens não condutoras, usualmente plásticas. Os circuitos eletrônicos que são
envolvidos por estas blindagens plásticas estão, em sua maioria, completamente
expostos as emissões eletromagnéticas, e, como tal, podem irradiar diretamente estas
emissões ou serem susceptíveis a ela, conforme mostrado na fig. 4.6.
Emissões eletromagnéticas podem ocorrer da alimentação AC de um
equipamento, de uma blindagem metálica que contém um subsistema, dos cabos que
conectam os subsistemas ou de um componente eletrônico envolvido por uma
blindagem não metálica. É importante que se tenha claro que a corrente pode ser
irradiada. Este é o fundamento essencial que faz com que as emissões radiadas, sejam
elas intencionais ou não intencionais, sejam produzidas. Uma corrente variando no
tempo é uma aceleração de carga. Desta forma, o processo fundamental que produz
emissões radiadas é a aceleração de cargas.
Como já citado anteriormente, emissões e imunidade à energia eletromagnética
ocorrem não somente pela propagação de ondas eletromagnéticas pelo ar, mas também
pela condução direta através de condutores metálicos, conforme ilustrado na fig. 4.6.
Usualmente este caminho de ligação físico é mais eficiente que o caminho de ligação
feito através do ar. Desenvolvedores de sistemas eletrônicos têm ciência disso e,
intencionalmente, colocam barreiras como filtros pelo caminho de ligação físico para
poder impedir a transmissão indesejada de energia. É importante observarmos que o
problema de interferência pode se estender além das barreiras mostradas na fig. 4.6. Por
exemplo, correntes que são conduzidas fora do cabo (irradiadas) serão inseridas na rede
de distribuição de energia da instalação. Esta rede de distribuição de energia é um
extenso emaranhado de fios que estão diretamente conectados de certa forma que
radiem estes sinais com certa eficiência. Neste caso, a emissão conduzida produzirá
emissão radiada. Conseqüentemente, a restrição das emissões conduzidas pelos cabos
que conectam os subsistemas de um determinado produto tem também a intenção de
evitar a propagação de emissões radiadas para o sistema de alimentação geral.
O primeiro passo no desenvolvimento de sistemas eletrônicos será o foco em
atender as normas legais impostas pelas agências governamentais.
20
3.4 Definição de Componente e Sistema
O estudo de EMC é necessário somente quando há o envolvimento de sistemas.
Não existe problema de EMC associadas intrinsecamente a uma chave, vela de ignição
ou mesmo a um microprocessador. Estes são componentes e as questões de EMC
surgem quando estes componentes estão funcionando e interagindo com o meio externo.
Desta forma, é importante termos claro o conceito do que é um componente e do que é
um sistema.
Um componente pode ser definido como algo que possui uma dimensão física e
massa, como um transistor ou um motor (SHIMITT. 2002). É possível tocar estes
componentes e até mesmo descrevê-los. É importante também entendermos que
conjunto é um agrupamento de materiais para a confecção de um determinado
componente. Por exemplo, um transistor é feito de material semicondutor, plásticos e
fios. Desta forma, os conjuntos de componentes são elementos de um sistema, conforme
ilustra a fig. 4.7.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 4.7 – Definição de Componente e Sistema
21
Desta forma, podemos definir um sistema como a interação de componentes
entre si e com o meio externo.
3.5 Relevância para EMC
A razão pela qual esta conceituação é importante é que se percebe que as
maiores questões de EMC estão relacionadas às características de sistemas ao invés de
deficiências inerentes de componentes. Isto se torna especialmente real na área
automotiva, mais que em outras áreas industriais, devido ao tamanho dos componentes
e a função dos sistemas automotivos.
Umas das questões chave de EMC é o entendimento de que o processo de
introdução de fios e condutores aos componentes elétricos pode gerar características
diferentes daquelas inerentes ao próprio componente. Isto é resultado da energia que
pode ser transferida como resultado desta fiação. Muitos profissionais que trabalham
com EMC perdem a noção deste fato e, muitas vezes, tentam elevar o desempenho dos
componentes, porém, em nível de sistema, isto não é nada simples.
22
4 SISTEMA ELETRÔNICO AUTOMOTIVO
4.1 A geração de Emissões Radiadas por veículos: Conceito
Sistemas automotivos podem ser fontes de emissões radiadas que podem
interferir tanto em equipamentos e subsistemas internos como podem ser fonte para a
interferência em outros veículos e sistemas que estejam próximos a ele, como rádios e
televisores. Componentes eletrônicos ativos geram emissões radiadas durante sua
operação normal causada pelos estados de chaveamento, portas lógicas, sinais de
controle do tipo PWM (pulse-width-modulated), entre outros. Mesmo aqueles
componentes que não são de estado sólido, como solenóides, buzinas, relés, velas de
ignição e outros componentes indutivos, geram emissões radiadas. Muitos desses
componentes têm sido usados desde os primórdios da indústria automotiva e ainda
requerem atenção especial quanto a garantia de medidas que são tomadas para evitar
que problemas sejam prevenidos.
A indústria automotiva classifica as emissões provenientes de sistemas elétricos
e eletrônicos em duas partes. Elas são classificadas em BB(Broadband) e
NB(Narrowband). Há vários métodos que podem ser usados para classificar as
emissões em BB e NB. A classificação das emissões, também chamada de ruído, é feita
de maneira simples, nos sistemas elétricos e eletrônicos automotivos. Se o ruído é
criado por um “arco” ou “faísca”, este é classificado como sendo do tipo BB. Isto
implica que todos os ruídos gerados por outros componentes sejam classificados como
sendo do tipo NB. Apesar de ser um método simples de classificação, este é bastante
prático e tem sido bastante eficaz ao longo dos anos de desenvolvimento de EMC
(RYBACK ; STEFFKA, 2004).
O ruído do tipo BB é aquele que ocupa um espectro de frequência mais amplo
que aquele utilizado pelo receptor. Isto significa que não é possível a sintonização de
uma frequência para o receptor que esteja livre de ruído. No entanto, quando tratamos
de ruído do tipo NB é possível que o receptor seja sintonizado a uma frequência onde
não haja ruídos presentes.
23
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 5.1 - Ruído do tipo Narrowband e Broadband
Como exemplo, supõe-se que uma janela de frequência deslizante defina o que
será ouvido pelo receptor. Pela fig. 5.1, pode-se perceber que o movimento desta janela
pelo ruído do tipo BB, sempre haverá uma quantidade de ruído considerável ao longo
do espectro, já que este ruído muda em função do tempo. Porém, se esta janela é
movimentada sobre o espectro com ruído do tipo NB, haverá uma faixa do espectro
onde o receptor estaria livre dos ruídos.
4.2 O ruído Broadband
4.2.1 O ruído do Motor
É simples observarmos os efeitos de um ruído do tipo BB causado por um motor
elétrico no dia a dia. Exemplos comuns são liquidificadores ou aspiradores de pó de uso
comum. Não é necessário que os mesmos sejam muito potentes para a geração de ruído.
Vários equipamentos a bateria são capazes de emitir energia suficiente para gerar um
ruído do tipo BB. Há muitas aplicações de motores em ambientes diferentes, e
obviamente, na indústria automotiva isto não é diferente. Motores são utilizados para
ajuste elétrico dos retrovisores, regulagem de altura de banco, limpadores de pára-
brisas, abertura dos vidros, entre outros. Outro ponto importante com relação ao ruído
gerado pelos motores é que adicionalmente a energia radiada do próprio motor, há ainda
24
a emissão conduzida da bateria até o motor através do chicote elétrico. Este é um ponto
de grande relevância na área automotiva, uma vez que o chicote elétrico constitui-se em
um caminho de baixa resistência elétrica para a passagem da corrente de ruído, que, por
sua vez, sempre buscará o caminho de menor impedância. Quando um motor é
conectado a uma alimentação através de um chicote elétrico, além de ser uma fonte e
um retorno para a fonte de alimentação, o chicote pode também atuar como um caminho
de baixa impedância para a passagem de ruído e, dependendo do tamanho do chicote e
de suas características, pode atuar também como uma ótima antena.
4.2.2 O ruído da Ignição
A fig. 5.2 mostra um sistema básico de ignição utilizado na indústria automotiva.
Ao longo dos anos e do desenvolvimento dos sistemas de injeção/ignição eletrônica,
este sistema varia de veículo para veículo, porém o seu conceito continua inalterado.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 5.2 - Sistema de Ignição
No sistema de ignição, a bobina de ignição é o componente responsável por
armazenar energia e liberá-la em determinado momento para as velas de modo que
ocorra a ignição. O tempo para liberar esta energia é fornecido por um sensor indutivo
que verifica a posição do motor e informa qual deve ser o momento da ignição. Como a
25
bobina de ignição trata-se de um componente indutivo, a mesma segue a expressão
mostrada na equação (3.1).
No caso das bobinas de ignição, a indutância típica está na faixa de mH, a
variação de corrente está entre 5 A e 10 A, em uma variação de tempo na faixa de ms.
Esta combinação resulta em algumas dezenas de kV fornecidos a vela de ignição através
do distribuidor, ou simplesmente dos cabos de vela, que são conduzidos até o pequeno
gap da vela, causando uma faísca e iniciando o processo de combustão. Esta é a fonte de
ruído. Estas são as particularidades que todo o sistema de ignição tem em comum, não
importa a maneira como foram construídas. Todos possuem uma bobina, velas de
ignição e um método para controle da corrente no primário. A fig. 5.3 ilustra o espectro
de frequência do ruído proveniente de um sistema de ignição.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 5.3 – Espectro de frequência de um ruído de ignição
26
Pela fig. 5.3. podemos observar um espectro muito similar aquele do ruído do
tipo BB. Na primeira parte da fig. 5.3 tem-se o ruído em função do tempo. A segunda
parte mostra o ruído acumulado depois de certo tempo. Este resultado é possível
utilizando-se o analisador de espectro no modo de peak hold (detecção de pico)
mantendo uma determinada janela de frequência na tela e memorizando os picos ao
longo do tempo. O resultado é uma medição associada de picos ao longo do tempo.
4.3 O ruído Narrowband
Conforme já discutido anteriormente, o ruído classificado como sendo do tipo
NB é aquele cuja largura de banda é diferente da largura de banda do receptor. Isto
significa que existem apenas algumas frequências emitidas que podem interferir em um
receptor a rádio. A característica principal de um ruído do tipo NB é que a sua
frequência e amplitude tendem a ser estáveis ao longo do tempo.
4.3.1 Os microprocessadores e o ruído Narrowband
A fig. 5.4 é um exemplo de como as emissões vindas de um típico
microprocessador podem ocorrer como resultado das harmônicas provenientes de uma
frequência fundamental de operação do microprocessador. Olhando com cuidado para
este fenômeno, é possível observar que existe um padrão que se repete. Este padrão
ocorre em múltiplos da frequência do clock do microprocessador. O que é importante
com relação a este padrão é que as emissões permanecem constantes em relação a
frequência e relativamente constantes em relação a amplitude ao longo do tempo, com
exceção do ruído BB, onde frequência e amplitude variam ao longo do tempo.
27
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 5.4 – Espectro de frequências genérico
Uma das maiores fontes de ruído NB na indústria automotiva atual são os
microprocessadores. Para poder operar sinais digitais através de um microprocessador, é
necessário que se tenham sinais digitais de amplitude suficiente. Em segundo lugar, os
microprocessadores vêm sendo cada vez mais utilizados em diferentes módulos de um
veículo. Por último, engenheiros de desenvolvimento de hardware preferem trabalhar
com rápidas subidas e descidas de sinal para minimizar a banda de incerteza de sinal e
para evitar a dissipação de calor dos equipamentos. A fig.5.4 mostra o espectro de
frequência típico do funcionamento de um microprocessador, com sua frequência
fundamental (Fo) e suas harmônicas. A teoria diz que em uma onda quadrada só
aparecerão harmônicas ímpares, no entanto, este conceito só é válido para um duty cycle
de 50%, que raramente ocorre na natureza.
Além dos microprocessadores, existem outros componentes que geram ruído
NB, como transistores de potências, controladores de velocidade do tipo PWM,
transistores chaveamento, entre outros.
Espectro de Harmônicas
0102030405060708090
1 2 3 4 5 6 7 8
Frequência (xFo)
Am
plitu
de (d
B)
Fo 2Fo 3Fo 4Fo 5Fo 6Fo 7Fo 8Fo
28
5 DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS ELETRÔNICOS
AUTOMOTIVOS COM FOCO EM EMC
5.1 Minimização de EMI através da introdução de componentes
Uma vez que já foram abordados os conceitos relacionados a EMC e EMI na
indústria automotiva e o tipo de ruído que são gerados por seus componentes, pode-se
pensar em como desenvolver sistemas visando a minimização da interferência
eletromagnética.
Uma vez que a densidade de componentes eletrônicos presentes nos veículos
aumentou bastante, muitas vezes são necessárias a utilização de técnicas de simulação
para a identificação de problemas de EMI, como a FDTD- Finite difference time-
domain, FEM- finite-element method, entre outras, que tem sido aplicadas aos
problemas de EMI/EMC (ARCHAMBEAULT; BRENCH; CONNOR, 2009).
Existem algumas abordagens relacionadas ao desenvolvimento de circuitos que
tendem a aumentar as características de imunidade de sistemas eletrônicos automotivos
e seus componentes. Muitas dessas abordagens têm um impacto pequeno no
funcionamento e desempenho de seus componentes e sistemas, no entanto, visando o
menor custo possível e a maior eficiência, é necessário que estas abordagens sejam
realizadas durante a fase de desenvolvimento. Uma vantagem destas abordagens é que
algumas delas podem ser implementadas em estágios avançados do processo do
desenvolvimento de produto, se casos de EMI forem descobertos. Estas abordagens são
resumidas a seguir.
Adicionar indutâncias em série a barramentos I/O sensíveis.
Razão: Adicionar indutâncias pode produzir uma boa atenuação da energia de
RF para prevenir a ocorrência de problemas de imunidade. Além disso, se uma
quantidade mínima de indutâncias for adicionada, não é esperado que se tenha
um impacto sobre a funcionalidade dos componentes.
Adicionar capacitâncias paralelas para desviar sinais de RF de linhas sensíveis
Razão: Adicionar capacitâncias paralelas irá estabelecer um caminho de menor
impedância para energia, o que evitará que a mesma cause um distúrbio em
29
circuitos eletrônicos sensíveis. Muitas vezes isto é viável de ser incorporado,
uma vez que eles estão em paralelo com as linhas.
Isolar os circuitos uns dos outros ou utilizar um buffer.
Razão: Isto ajudará a eliminar qualquer looping de corrente que possa existir
devido à passagem de RF de um circuito para outro.
Utilizar como critério de desenvolvimento o menor ganho e largura de bandas
possíveis para processar os dados de maneira eficiente.
Razão: No caso de ter-se alto ganho e alta frequência, a propensão a ruídos de
entrarem no sistema e causarem falhas de funcionamento é maior. É importante
ter-se em mente o conceito de que esta abordagem só é viável durante a fase de
desenvolvimento de produtos.
Adicionar shields localizados aos circuitos
Razão: Evitar através dos shields que a energia entre ao circuito, embora esta
abordagem seja bem cara e nem sempre totalmente efetiva.
5.2 Seleção de Componentes
Uma das premissas básicas de todo e qualquer projeto elétrico é a seleção de
componentes. Selecionar componentes visando EMC é tão importante quanto selecionar
componentes visando a performance de um sistema. Exceto para circuitos de vídeo de
banda-larga e circuitos que se utilizam de osciladores, circuitos analógicos são
geralmente mais imunes que circuitos digitais. Como circuitos digitais são ruidosos,
cabe aqui enfatizar um pouco a seleção de componentes para a supressão de EMI.
Ao longo dos anos, é notável que o tamanho físico dos componentes eletrônicos
vêm diminuindo bastante. Os capacitores, indutores e CIs possuíam terminais
relativamente longos. Nos dias de hoje, capacitores e resistores são geralmente muito
pequenos até mesmo para manipulação manual e soldagem na PCI. Circuitos que
antigamente ocupavam um espaço considerável na PCI, agora estão agrupados em
dispositivos VLSI e muitas vezes funcionam mais rápido. Esta diminuição de tamanho
nos componentes trouxe um enorme benefício ao controle de EMI e à manutenção da
integridade dos sinais na PCI de circuitos que operam em altas frequências.
30
A questão mais relevante na seleção dos componentes digitais com
características de baixo ruído é a taxa de variação de energia. A tensão induzida por um
ruído de um circuito fonte em outro circuito é dada por:
dt
diMV −= (Volts) (6.1)
onde M é a indutância mútua entre os dois circuitos. Ou também, podemos ter:
dt
dvCV = (Volts) (6.2)
onde C é a capacitância entre os dois circuitos.
A indutância mútua, M, depende da área da corrente de loop entre o circuito
fonte e o circuito vítima do ruído, direção, distância de separação e a altura dos circuitos
em relação a referência terra. As correntes de loop do circuito fonte e do circuito vítima
podem ser comparadas as correntes do enrolamento primário e secundário de um
transformador. A capacitância C depende da distância entre os condutores associada à
área dos condutores e a impedância Z é a impedância entre terra e o circuito vítima. O
circuito vítima e o circuito fonte atuam como um capacitor de placas paralelas,
conforme ilustrado pela fig. 6.1 e 6.2.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.1 – Indutância Mútua entre dois sistemas
31
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.2 – Capacitância Mútua entre dois sistemas
5.3 Famílias lógicas e a relação dV/dt
A tabela 6.1 a mostra diversas famílias lógicas e seus respectivos tempos de
subida, bem como suas taxas de variação de tensão. Quanto mais rápido o tempo de
subida e a tensão de trabalho, maior é a relação dV/dt. Usar o menor tempo de subida
que ainda permita o funcionamento desejável do circuito diminui a quantidade de ruído
gerado. Outra razão para se usar componentes com o menor tempo de subida possível é
limitar as harmônicas de alta frequência do sinal digital. Devido ao caminho das trilhas
de uma PCI agirem como uma antena e irradiar ruídos de alta frequência, limitar as
harmônicas desnecessárias de alta frequência previne essa irradiação desnecessária.
Família Lógica Tempo de subida (ns) Tensão de trabalho (V) dV/dt (V/ns)CMOS 5 V 100 5 0,50CMOS 12 V 25 12 0,48CMOS 15 V 50 15 0,30
HCMOS 10 5 0,50TTL 10 3 0,30
ECL 10K 2 0,8 0,40ECL 100K 0,75 0,8 1,10
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Tab. 6.1 – Características das Famílias Lógicas
32
5.4 Famílias lógicas e a relação dI/dt
Como resultado do empilhamento dos estágios de saída dos circuitos lógicos
dentro do CI, quando o nível lógico é alterado, os transistores se desligam geralmente
mais rápido do que se ligam e, conseqüentemente, drenam uma grande corrente
transitória de Vcc durante esta transição. Isto induz correntes transitórias no Vcc e no
GND.
O estágio de saída da família TTL possui um resistor limitador de corrente. A
família CMOS não possui esse resistor e, por esse motivo, drenam uma corrente no
transitório (chegando a valores maiores que 5 A/s) se comparado a família TTL.
Uma maneira de minimizar este fenômeno é a utilização de capacitores de
desacoplamento. O capacitor de desacoplamento, que irá suprir a necessidade de
corrente durante a fase de transição lógica, é um capacitor conectado entre Vcc e GND,
conforme ilustrado fig. 6.3 e 6.4. É importante, porém, que se considere manter o
terminal do capacitor de desacoplamento com o menor tamanho possível a fim de evitar
o aparecimento de indutâncias parasitas, além de montar o capacitor o mais próximo
possível aos terminais do CI, diminuindo assim a área de retorno de uma possível
corrente parasita.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.3 – Estágios de saída família TTL e CMOS
33
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.4 – Montagem de capacitor de desacoplamento
5.5 Limiar de Imunidade
A utilização de um transmissor manual é uma boa maneira de se determinar as
características de imunidade dos equipamentos eletrônicos e, através da utilização deste
transmissor, é possível calcular-se a intensidade aproximada do campo ao qual este
transmissor está imerso. Com este dado, é possível a determinação dos valores
absolutos de imunidade dos equipamentos e também as melhorias necessárias que
devem ser feitas, ou mesmo o resultado destas melhorias, no caso de uma verificação.
Para se calcular o valor aproximado do campo ao qual um transmissor está
submerso, pode-se utilizar a seguinte fórmula.
DP5,5.E = (6.3)
onde,
E= Campo Elétrico (V/m);
P= Potência (W);
D= distância do transmissor (m).
34
É importante estar claro que, nessas condições, o equipamento sob teste está
imerso a um ambiente de campo próximo (near-field). Através da medição do campo
elétrico no qual o DUT está submerso, é necessário determinar-se qual a intensidade do
mesmo que causa uma falha no DUT, em termos da distância do transmissor. Desta
forma, melhorias podem ser feitas ou mesmo verificação posterior destas melhorias.
5.6 Boas Práticas na Indústria Automotiva
Com relação aos chicotes elétricos na indústria automotiva e a interação entre as
diversas instalações elétricas em um veículo, criou-se uma lista de “melhores práticas” a
fim de auxiliar os engenheiros no desenvolvimento dos sistemas automotivos. Como se
trata de uma lista de “melhores práticas” faz-se necessário o entendimento de que nem
todas as práticas são aplicáveis a todos os equipamentos a todo o tempo. É necessário
entender-se a lógica que existe por trás de cada “boa prática” para avaliar se esta prática
é necessária para determinada aplicação. A lista de “melhores práticas” a seguir não
inclui todos os casos de problemas com fiação na indústria automotiva e tem apenas a
idéia de trazer uma possível solução para os casos que vivenciem o mesmo problema.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Tab. 6.2 – Boas Práticas na Indústria Automotiva
Boa Prática Razão
Organizar os fios de modo a estarem longe dos sistemas de ignição, chicotes de sistemas
secundários e velas de ignição
Podem ocorrer ruídos devido ao campo elétrico presente
Não misturar fios da antena, auto falantes e potência do rádio com fios do chicote elétrico
de outros sitemas
Podem ocorrer ruídos devido ao campo magnético presente
35
5.7 Sistemas de Ignição
5.7.1 Velas de Ignição
Embora a inserção de um resistor em série com a vela de ignição fosse um bom
método para a supressão de oscilações indesejadas, houve uma apreensão considerável
por parte dos engenheiros de desenvolvimento quanto à possibilidade deste método
prejudicar a eficiência do sistema de ignição devido a diminuição da energia de pico no
momento da faísca que é dada pela vela de ignição. Exaustivos testes foram realizados e
mostraram que a utilização de resistores de até 150 kΩ, muitas vezes superiores aos
utilizados como resistores de supressão, praticamente não representavam nenhuma
influência com relação ao torque, potência e consumo específico de combustível
(RYBACK; STEFFKA, 2004). A fig. 6.5 mostra a relação entre consumo específico de
combustível e potência do motor para três diferentes velas de ignição: Uma sem resistor
de supressão, outra com resistor de supressão de 10 kΩ e outra com resistor de
supressão de 20 kΩ.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.5 – Comparativo de potência e consumo específico com diversos valores de resistor de supressão
36
Outro ponto de estudo com relação à utilização dos chamados resistores de
supressão é que a utilização dos mesmos poderia intensificar os problemas de partida a
frio. Resultados de testes altamente controlados realizados pelo laboratório americano
da U.S Signal Corps Engineering demonstraram que para temperaturas inferiores a -30
F, o equivalente a aproximadamente -34,5 ºC, resistores de supressão não trazem
nenhum impedimento a partida do motor e, surpreendentemente, em alguns casos até
permitem a partida quase imediata no motor que, nas mesmas características de partida
levariam muito mais tempo sem o resistor de supressão (RYBACK; STEFFKA, 2004).
Aparentemente, o componente indutivo presente no momento da descarga elétrica na
ignição está mais propensa a afetar a ignição em partidas com temperaturas
extremamente baixas que a componente capacitiva. A componente indutiva aparecendo
no momento da faísca no formato de uma corrente contínua que flui através de um
resistor de supressão, com sua energia total liberada em um menor tempo mostra-se
mais efetiva no processo de ignição de gasolina fria se comparado ao mesmo valor de
energia mais distribuído ao longo do tempo. Os resultados destes testes de laboratório
são mostrados na fig. 6.6 e 6.7.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.6 – Comparativo de tempo de partida em um motor com diversos valores de resistor de supressão
Outro benefício inesperado com a utilização de resistores de supressão é que a
falha da vela de ignição por onde se dá a faísca, também conhecida como gap, é muito
menor ao longo do tempo se comparada como velas de ignição sem resistor de
Tempo de partida a frio
0
30
60
90
120
150
180
210
240
2 4 6 8 10
Temperatura (F)
Tem
po d
e pa
rtida
(seg
)
Sem resistor de supressão
Com resistor de 10 kOhm
- 10 - 20 - 30 - 35 - 40
37
supressão. Um estudo feito com diferentes motores de combustão operando em
diferentes faixas de rotação e plena carga mostrou que o aumento do gap nas velas com
resistores de supressão chega a ser 50% menor que em velas sem resistores de
supressão.
Na prática, é desejável que os motores que utilizarão resistores de supressão visando
minimizar os problemas de interferência eletromagnética venham equipados com velas
que tenham resistores integrados. Algumas vantagens que podem ser citadas ao se
empregar os resistores dessa maneira são:
Resistores de supressão integrados são mais efetivos por não possuírem nenhum
cabo que esteja exposto a alta tensão, o que não acontece no caso da utilização
de supressores externos e que podem irradiar uma quantidade considerável de
interferência;
A questão do estoque e abastecimento dos fornecedores se torna mais simples,
uma vez que não são necessárias peças separadas;
A não utilização dos supressores por falta de conhecimento ou negligência é
resolvida quando estes estão integrados.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.7 – Resistor de supressão integrado a vela de ignição
Como já citado anteriormente, as velas de ignição com resistores integrados
devem ser preferencialmente usadas, no entanto, existem aplicações onde a montagem
da vela ao cabeçote restringe o tamanho da vela e, desta forma, torna-se necessária a
38
utilização de um resistor de supressão externo. Neste caso, a utilização de resistores no
conector do cabo de vela pode diminuir significativamente o problema com a irradiação
eletromagnética, conforme a fig. 6.7. De forma geral, quanto mais próxima o resistor de
supressão estiver da fonte de radiação (gap), mais eficiente será a supressão de ruído.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.8 – Resistor de supressão integrado ao cabo de vela
5.7.2 Cabeamento de Ignição
Chicotes elétricos ligados a parte de ignição não são fontes de interferências por
si só, porém, podem servir como fontes de irradiação de interferência de outras fontes.
Existem situações transitórias de tensão bruscas que se deve ao chaveamento da bobina
de ignição para a produção da faísca presentes na conexão entre cabos. Mesmo que
estas estejam bem blindadas, ainda assim podem irradiar interferência. Desta forma,
deve-se dar tanta atenção a interferência emanada tanto das conexões elétricas quanto
das fontes dos quais provêem esta interferência.
O chicote elétrico da parte de ignição pode ser dividido em duas partes: O
cabeamento de alta tensão e o cabeamento de baixa tensão. O cabeamento de alta tensão
resume-se na conexão entre as velas de ignição e a bobina de ignição. O cabeamento de
39
baixa tensão inclui a alimentação da bateria e a conexão à bobina de ignição. O
cabeamento de alta tensão é mais crítico devido à presença da própria alta tensão e dos
transitórios de tensão nas conexões elétricas. Estes transientes de tensão podem ser
reduzidos através da instalação de resistores de supressão ao longo do chicote elétrico,
no entanto, ainda assim faz-se necessário certo nível de blindagem para evitar a
irradiação da interferência. Blindagens para o cabeamento de alta tensão podem variar
em sua forma de construção desde formas básicas com baixa eficiência, como, por
exemplo, o fato de entrelaçar os cabos com uma capa que serve como blindagem, desde
o enlace dos fios com duas ou três camadas blindadas através de um conduto totalmente
blindado, o que eleva a eficiência a qualquer nível, desde que se aumente a espessura da
parede do conduto. O grau de blindagem vai depender da quantidade de energia
irradiada pelo conjunto que necessita ser suprimida.
Existem condutos blindados flexíveis que oferecem um grau de blindagem alta e
são efetivos na blindagem do chicote de ignição. São formados por fios enrolados em
forma de espiral que são colocados de modo a cobrir totalmente o cabo. Para aumentar o
nível de blindagem, podem ser acrescentadas ainda outras camadas destes fios,
conforme ilustrado pela fig. 6.9. A utilização destes condutos blindados flexíveis possui
algumas desvantagens e sua utilização deve ser reduzida a menor quantidade possível.
As principais desvantagens são:
Custo alto;
Sua construção requer quantidades consideráveis de cobre, latão e/ou bronze.
Fonte – RYBACK; STEFFKA, 2004.
Fig. 6.9 – Cabo blindado
40
6 CONSIDERAÇÕES FINAIS
6.1 Conclusão
Por toda a conceituação deste trabalho é notável que sistemas interativos, além
do aumento da eletrônica embarcada em veículos faz parte da realidade atual e o seu
aumento é um assunto indiscutível. A metodologia utilizada pela indústria automotiva
visando EMC tende a se desenvolver ainda mais, uma vez que com o aumento dos
sistemas eletrônicos incorporados aos veículos, novos desafios relacionados à EMC
virão e a indústria deverá estar preparada para superar tais desafios.
Conclui-se, além disso, que muitas vezes a mitigação da interferência
eletromagnética é um assunto de relativa baixa complexidade se tratado durante a fase
do desenvolvimento dos sistemas. Relacionado a esta relativa baixa complexidade está
o menor custo para que se atinja EMC nesta fase. Caso o assunto EMC seja tratado com
negligência pelos engenheiros de desenvolvimento de sistemas, as conseqüências
podem ser catastróficas, além de elevado custo e complexidade para que o sistema se
torne imune e/ou menos susceptível.
Na área automotiva, uma vez que o custo da utilização de combustíveis fósseis
vem aumentando, tanto financeiros quanto ambientais, a utilização de veículos híbridos
e elétricos vem ganhando espaço no mercado. Este tipo de veículo traz consigo um
grande desafio, uma vez que geram campos magnéticos e elétricos de alta intensidade e
baixa frequência. Estes campos eletromagnéticos de alta intensidade e baixa frequência
não devem causar interferências em muitos outros sistemas de eletrônica embarcada,
PCIs ou componentes de comunicação que estejam integrados aos veículos ou que
estejam sendo utilizados pelos passageiros. A maioria das ferramentas de análise de
EMC e suas técnicas focam tanto frequências baixas quanto altas. Muitos estudos já
vêm estão sendo realizados, porém, serão necessários muitos outros para que estes
problemas sejam resolvidos (ARCHAMBEAULT; BRENCH; CONNOR, 2009).
Por fim, conclui-se que o Brasil está demasiadamente atrasado com relação a
normatização de EMC. As normas que são utilizadas nacionalmente são normas
americanas e/ou européias, faltando um padrão nacional que possa normatizar valores
máximos, além de definir padrões para sua medição. Considerando o Brasil um país
41
emergente na produção de veículos, é necessário que haja um comitê para a criação de
uma norma brasileira (NBR), visando esta regulamentação.
6.2 Trabalhos Futuros
Visto que no Brasil não há uma norma que regulamente EMC, uma proposta de
trabalho é a realização de um comparativo entre as normas internacionais existentes,
destacando pontos fortes e fracos de cada uma delas, visando o início de um trabalho
para a proposta de uma norma nacional.
Outra proposta de trabalho é o estudo de algumas ferramentas de simulação que
visam o estudo de EMC/EMI, uma vez que ferramentas de simulação vem ganhando
cada vez mais espaço no desenvolvimento de sistemas.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
RYBACK, T.; STEFFKA, M. Automotive Electromagnetic Compatibility (EMC).
Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 2004.
SHIMITT , R. Electromagnetics explained: a handbook for wireless/RF, EMC, and
high-speed electronics. Massachusetts: Newnes Elsevier Science, 2002.
ARCHAMBEAULT, B.; BRENCH, C.; CONNOR, S. Review of Printed-Circuit-
Board Level EMI/EMC Issues and Tools. Invited Paper- IEEE, 2010.
PAUL, C. Introduction to Electromagnetic Compatibility. 2 ed. New Jersey: John
Wiley & Sons, Inc., 2004.
CHENG, D. Field and Wave Electromagnetics. USA: Addison-Wesley Publishing
company, 1983.
O’HARA, M.; COLEBROOK, J. Automotive EMC test harness: standard lengths
and their effect on radiated emissions. Istanbul. IEEE Symposium on
Electromagnetic Compatibility, 2003.
ROTHWELL, E.; CLOUDE, M.. Electromagnetics. USA: CRC Press LLC, 2001.
ADLER, U. Interference Suppression- Technical Instruction. Stuttgart: Robert
Bosch Ltda, 1979.
Revista Quatro Rodas- Auto Serviço- Mais vendidos. Disponível em <http://
http://quatrorodas.abril.com.br/QR2/autoservico/top50/2010.shtml>. Acesso em 25 out.
2010.
43
GLOSSÁRIO
Campo Distante A região que se estende por mais de dois
comprimentos de onda. O campo distante é
definido como sendo a região a partir de λ/2π ou
2D2/λ, o que for maior.
Campo Próximo A região localizada a menos de um comprimento
de onda da fonte é chamada de campo próximo.
Emissões Conduzidas Transmissão de interferência por um sistema
através de um meio físico
Emissões Radiadas Transmissão de interferência por um sistema
através do espaço livre.
Imunidade Conduzida Propriedade de um sistema a ser imune a
interferência causada através do meio físico.
Imunidade Radiada Propriedade de um sistema a ser imune a
interferência proveniente do espaço livre.
Zona de transição A região entre o campo distante e o campo
próximo. Esta região contempla algumas
características do campo próximo e do campo
distante.