Czym jest kompatybilność elektromagnetyczna

Kompatybilność Elektromagnetyczna (EMC – z ang. ElectroMagnetic Compatibility) to zdolność elektronicznych urządzeń i systemów do niezawodnego działania w ich określonym środowisku elektromagnetycznym, bez generowania niepożądanych zakłóceń elektromagnetycznych. Z kolei elektromagnetyczna wrażliwość (EMS – z ang. electromagnetic susceptibility) jest istotnym aspektem EMC. Odnosi się ona do stopnia, w jakim dane urządzenie, system lub obiekt może być podatny na zakłócenia generowane przez zewnętrzne pole elektromagnetyczne. Elektromagnetyczna wrażliwość określa, jak czuły jest dany obiekt na zakłócenia elektromagnetyczne (EMI – z ang. electromagnetic interference). Zakłócenia elektromagnetyczne mogą pochodzić z różnych źródeł, takich jak sygnały radiowe, urządzenia elektroniczne, linie zasilające, a także z  innych źródeł promieniowania elektromagnetycznego. 

EMS jest kluczowym aspektem podczas projektowania i testowania systemów elektronicznych, szczególnie w aplikacjach, gdzie niezawodność działania jest konieczna. Obecnie inżynierowie stosują różne techniki oraz strategie, aby poprawić odporność EMC urządzeń i zapewnić, że mogą one efektywnie działać w środowiskach, w których mogą pojawić się zakłócenia elektromagnetycznych. 

Testy dla EMS obejmują wystawianie urządzeń lub systemów na kontrolowane oddziaływań pola elektromagnetyczne, aby ocenić jego wydajność. Normy i przepisy mogą określać dopuszczalne poziomy wrażliwości elektromagnetycznej, jakie urządzenia muszą wytrzymać, aby zapewnić poprawne działanie i bezpieczeństwo. 

Elektromagnetyczna wrażliwość kabli samochodowych - badania z wykorzystaniem CST Studio Suite 

W niniejszym artykule, Autor analizuje wrażliwość elektromagnetyczną kabli, które są znajdują się w samochodzie począwszy od akumulatora do danego urządzenia elektrycznego. Jako źródło zakłóceń wykorzystano promieniowanie elektromagnetyczne pochodzące od anteny radiowej samochodu. Ponadto przedstawione zostaną rozwiązania mające na celu poprawę elektromagnetycznej wrażliwości z wykorzystaniem trójwymiarowej symulacji elektromagnetycznej dla kabli znajdujących się w aucie. 

Budowa modelu CAD

Rysunek 1 przedstawia Humvee'a wyposażonego w antenę będącą źródłem promieniowania EM w paśmie częstotliwości radiowym (FM).  

Rys. 1: Model Humvee'a z anteną umieszczoną na dachu 

Karoseria samochodu została zamodelowana jako doskonały przewodnik (PEC), materiał okien przyjęto jako szkło typu Pyrex, a opony wykonano z gumy. Wszystkie materiały zaimportowano z biblioteki materiałów programu CST Studio Suite. Następnie, na dachu pojazdu typu Humvee zamontowano antenę, która emituje sygnał w paśmie częstotliwości radiowych (FM). W Europie, Afryce, Australii i Nowej Zelandii pasmo FM obejmuje częstotliwości od 87.5 do 108 MHz. Pole elektromagnetyczne emitowane przez antenę jest zatem źródłem zakłóceń elektromagnetycznych dla wiązki kablowej znajdującej się w pojeździe. Wiązka ta biegnie od akumulatora w komorze silnika do urządzenia elektronicznego znajdującej się tylnej części samochodu, tj. silnika wycieraczek. Na rysunku 2 ukazano natomiast wiązkę kablową zaznaczoną na niebiesko. 

Rys. 2: Sposób rozmieszczenia linii zasilającej silnik wycieraczki tylnej 

W celu przeprowadzenia analizy wrażliwości elektromagnetycznej, przyjęto, że w wiązce znajdują się trzy przewody o różnym rodzaju osłony i sposobie połączenia. Jak pokazuje przekrój wiązki na rysunku 3, pierwszy przewód jest nieosłonięty. Przewód ten składa się wyłącznie z przewodnika wewnętrznego (kolor czerwony) i dielektryka jako izolacji przewodu (kolor zielony). Drugi przewód ma dodatkowo osłonę miedzianą (oplot) w kolorze niebieskim. Przewód z oplotem posiada również izolację elektryczną (kolor zielony). Osłona (oplot) przewodu jest połączona z podwoziem samochodu przez rezystor o wartości 30Ω, co imituje przypadek, w którym osłona nie jest optymalnie zabezpieczona. Trzeci przewód jest geometrycznie identyczny jak drugi przewód. Jedyna różnica polega na sposobie połączenia oplotu. Jego oplot jest bezpośrednio połączony do podwoziem auta. 

Rys. 3: Przekrój wiązki trójżyłowej linii zasilającej silnik wycieraczki tylnej. 

Model symulacyjny

Jedną z interesujących i potężnych funkcji CST Studio Suite jest możliwość realizacji analizy obwodów elektrycznych w połączeniu z symulacją trójwymiarową (3D). Jak ukazuje widok układu przedstawiony na rysunku 4, antena jest połączona z zewnętrznym złączem, które stymuluje antenę sygnałem Gaussa. Ten sygnał obejmuje całe pożądane pasmo symulowanych częstotliwości. W tym przypadku symulacja obejmuje pasmo od 50 MHz do 150 MHz. Jak wcześniej wspomniano, oplot jednego z przewodów jest zakończona rezystorem o wartości 30Ω, a drugiego jest bezpośrednio połączony do podwozia. W tym obrazie widoczne są trzy sondy: „P_Ungeschirmt,” „P_geschirmtmitResist” i „P_geschirmtId”, które reprezentują przewody nieosłonięte, optymalnie nie osłonięte oraz przewód w pełni osłonięty. 

Rys. 4: Widok modelu polowo-polowy układu anteny i zakończeniami przewodów. 

Wyniki symulacji

W pierwszej kolejności przeprowadzono 3D symulacja. Obliczano S - parametry złącza anteny oraz rozkład pola elektromagnetyczne. Rozkład S- parametru ukazano na rysunku 5.

Rys. 5: Rozkład S – parametru określony dla anteny pojazdu 

Z kolei rysunku 6 i 7 przedstawiają rozkład prądów powierzchniowych generowanych na powierzchni karoserii Humvee'a przy 102,5 MHz oraz 70 MHz. Ponieważ rezonans anteny występuje dla 102 MHz, a 70 MHz jest arbitralną częstotliwością, przy której nie pojawia się rezonans i nie jest to jedna z dominujących harmonicznych anteny. Z tych dwóch obrazów rozkładów wyraźnie można zauważyć, że promieniowanie anteny przy 102,5 MHz jest dużo silniejsze. 

Wyniki wrażliwości elektromagnetycznej

Po przeprowadzeniu symulacji 3D możliwa jest analiza obwodu za pomocą schematycznego interfejsu użytkownika. Wyniki przedstawiono na rysunku 8. Pokazują one wartości napięć na poszczególnych przewodach w funkcji częstotliwości. 

Rys. 8: Wartości napięć indukowanych dla trzech różnych przewodów znajdujących się
w wiązce kablowej. 

 Wnioski końcowe

Kompatybilność Elektromagnetyczna koncentruje się na ochronie systemów elektronicznych poprzez różnorodne metody zapewniające bezpieczne i prawidłowe funkcjonowanie urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Opracowanie systemu, który posiada wszystkie pożądane cechy i spełnia wymagane normy EMC, wymaga znacznych nakładów pracy. Proces rozwoju obejmuje wiele rund pomiarów laboratoryjnych i ustawienie różnych układów pomiarowych, co zajmuje dużo czasu i wiąże się z znaczącymi kosztami finansowymi. CST Studio Suite oferuje doskonałą możliwość optymalizacji zarówno czasu, jak i kosztów podczas opracowywania wydajnego systemu. W niniejszym artykule przeprowadzono symulacje przy użyciu CST Studio Suite. Obliczono rozkład pola elektromagnetycznego oraz prądów indukowanych na powierzchni pojazdu typu Humvee'a. Wyniki symulacji pokazują, że promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez antenę samochodu może istotnie wpływać na działanie urządzeń podłączonych do wszelkiego okablowania w samochodzie. Jednak odpowiednio zaprojektowana osłona z odpowiednim uziemieniem może zmniejszyć problemy z tym związane. 

Tekst oryginalny Elektromagnetische Verträglichkeit und Empfindlichkeit mit der CST Studio Suite (technia.de)