Zakłócenia elektromagnetyczne

Udostępnij:

Systemy elektroniczne w samochodzie są bardzo wrażliwe na zakłócenia elektromagnetyczne. Ich skutkiem może być zarówno lekki szum odbiornika radiowego, jak i całkowita awaria sieci pokładowej. Dlatego producenci pojazdów starają się zabezpieczyć je na tę okoliczność. Wiedza o tym, jak przeciwdziałać tego typu zjawiskom, może okazać się przydatna także w warsztacie.

Zjawisko to spowodowane jest promieniowaniem elektromagnetycznym emitowanym przez urządzenia (w tym przypadku telefon komórkowy), które w kontakcie z elektroniką pojazdu wywiera negatywny wpływ na funkcjonowanie sieci pokładowej. Szumy i trzaski są oznaką niekompatybilności obu układów elektronicznych i jasnym sygnałem, że coś jest nie w porządku. Ale to raczej wyjątek: w większości przypadków sprzężenia tego typu nie dają żadnych objawów i zachodzą bez wiedzy kierowcy.

Niechciane promieniowanie

Jako że tego typu niekompatybilność jest zjawiskiem wielce niepożądanym, producenci pojazdów jeszcze w fazie koncepcyjnej starają się tak zaprojektować systemy pokładowe, aby nie wywierały one negatywnego wpływu na urządzenia znajdujące się w pobliżu oraz były niewrażliwe na oddziaływania z zewnątrz. Zdolność tę określa się mianem kompatybilności elektromagnetycznej (ang. ElectroMagnetic Compatibility, EMC).

Nabiera ona szczególnego znaczenia w nowych pojazdach, które – w przeciwieństwie do swoich poprzedników – sterowanie są nie mechanicznie, hydraulicznie czy elektromechanicznie, ale w dużej mierze elektronicznie, tj. za pośrednictwem mikroprocesorów. Niezbędne w tym procesie dane z czujników zbierane są i wysyłane do urządzeń wykonawczych za pomocą różnego typu magistrali przesyłowych, np. LI czy CAN. Co więcej, nowoczesne sieci pokładowe są wyposażone także w komunikację Bluetooth i Wi-Fi, która również jest podatna na zakłócenia. Wszystko to sprawia, że kwestia ciągłości ich funkcjonowania nabiera kluczowego znaczenia dla bezpieczeństwa użytkowników pojazdu. A to przekłada się na wzrost wymagań względem urządzeń elektronicznych, które powinny nie tylko być odporne na zakłócenia, ale również same ich nie emitować.


Typowe rodzaje zakłóceń

Głównym źródłem niekompatybilności elektromagnetycznej w pojeździe są tętnienia szczątkowe, impulsy i/lub wysokie częstotliwości generowane przez sieć pokładową. W pierwszym przypadku źródłem zakłóceń jest przede wszystkim alternator, który zasila sieć w prąd o stałym napięciu. Mimo prostowania przeważnie w sieci pozostaje prąd szczątkowy o napięciu zmiennym (prąd tętniący). Jego ilość zależy wprost od obciążenia sieci, rodzaju okablowania oraz prędkości obrotowej alternatora.

Jako że w samochodach z tego samego obiegu prądu korzysta zwykle wiele urządzeń, zakłócenia elektromagnetyczne mogą mieć negatywny wpływ na całą sieć pokładową. Tętnienie szczątkowe może pojawić się np. w efekcie montażu dodatkowego zestawu głośnomówiącego lub systemu audio. W rezultacie przy określonych prędkościach obrotowych alternatora mikrofon będzie wydawał z siebie nieprzyjemne piski. Są one przeważnie efektem oddziaływania częstotliwości prądu indukcyjnego alternatora. Aby rozwiązać ten problem, wystarczy w sieci zasilającej zamontować filtr przeciwzakłóceniowy (kondensator napięcia).

Już podczas projektowania komponentów elektronicznych inżynierowie sprawdzają,
czy poszczególne systemy wzajemnie na siebie nie oddziałują. Źródło: Opel

TOP w kategorii


#Elektryka i elektronika

elektronika systemy elektroniczne



Z kolei włączanie i wyłączanie odbiorników może prowadzić do powstawania w sieci impulsów, które negatywnie oddziałują na pracę innych systemów, łącznie z możliwością ich trwałego uszkodzenia. Źródła tego zjawiska można podzielić na trzy główne kategorie: sprzężenie galwaniczne, pojemnościowe i indukcyjne. W pierwszym przypadku zaburzenia generowane są przez tzw. obiekt zakłócający zasilany z tego samego obwodu. W obwodzie tym powstaje impedancja (opór) powodująca spadek napięcia w sieci, który zaburza pracę pracujących w niej urządzeń. Do sprzężenia galwanicznego może dojść zarówno w sieci zasilającej, jak i sygnałowej oraz w masie. W przeciwieństwie do niego w przypadku sprzężenia pojemnościowego źródłem zakłóceń jest pole elektromagnetyczne powstające np. między dwoma przewodami o dużej impedancji wyjściowej poprowadzonymi równolegle w jednym prowadniku kablowym. Zaś zjawisko sprzężenia indukcyjnego powstaje z reguły między dwoma przewodami o niskiej impedancji wyjściowej, w których dochodzi do indukcji wzajemnej.

Impulsy generowane przez poszczególne obwody elektryczne inaczej rozchodzą się w sieciach o napięciu 12 i 24 V. Wszystkie charakteryzują się jednak bardzo wysokim napięciem stanowiącym wielokrotność napięcia wyjściowego sieci.

Źródłem zakłóceń powstających w sieciach pokładowych mogą być także drgania o wysokiej częstotliwości, generowane w efekcie sprzężenia napięć i prądów układów elektromechanicznych i elektronicznych (m.in. w złączach cyfrowych, regulatorach położenia krańcowego lub na skutek skokowego wzrostu prądu obciążenia). Drgania te, przewodzone przez kable i złącza (zwłaszcza zasilające), trafiają w wytłumionej lub niewytłumionej postaci do sieci pokładowej. W zależności od tego, czy szerokość ich pasma jest mniejsza czy większa od danego odbiornika, dzielimy je odpowiednio na zakłócenia szeroko- i wąskopasmowe.

Źródłem tych pierwszych są przykładowo silniki elektryczne (wycieraczek, wentylatorów, pompy paliwowej), a także alternator. Z kolei interferencję wąskopasmową wywołują często elektroniczne urządzenia sterujące wyposażone w mikroprocesory. Generowane przez nie drgania wysokiej częstotliwości mogą w dłuższej perspektywie zaburzać pracę sąsiadujących z nimi systemów komunikacyjnych. Ich częstotliwość i amplituda są bowiem zgodne z zakresem sygnału wykorzystywanym przez anteny i złącza antenowe, a także bardzo podobne do sygnału odbiornika radiowego, przez co urządzenia interpretują drgania zakłócające jako sygnały użyteczne. Zakłócenia wąskopasmowe mogą objawiać się określonym dźwiękiem wysokiej częstotliwości (piskiem) pojawiającym się po włączeniu danego urządzenia. Ich przyczyną jest często uszkodzenie elementu jednostki sterującej (np. elektronicznego regulatora nawiewu w samochodach klasy premium), która na włączenie urządzenia reaguje poborem dużej ilości prądu. Z kolei mechanicy mogą spotkać się z tym zjawiskiem np. przy montażu radioodbiornika lub zestawu głośnomówiącego.

Jak przeciwdziałać zakłóceniom?

Producenci pojazdów są prawnie zobowiązani do określenia dopuszczalnego poziomu zakłóceń elektromagnetycznych dla każdego produkowanego modelu. Co prawda wartość ta dotyczy wyposażenia na pierwszy montaż, ale znajduje zastosowanie również w przypadku urządzeń montowanych wtórnie, w warsztatach.

Jeśli warsztat stwierdzi, że poziom zakłóceń elektromagnetycznych jest zbyt wysoki, powinien podjąć kroki zmierzające do ich ograniczenia. Niestety pole manewru jest tu niewielkie, ponieważ wysokie częstotliwości są często generowane bezpośrednio w komponentach pojazdu.

Jeśli źródło zakłóceń zasilane jest prądem ze złącza 15- lub 30-pinowego, można zastosować kondensator lub filtr przeciwzakłóceniowy. Urządzenia tego typu podłącza się za pomocą krótkiego przewodu masowego bezpośrednio do złącza zasilania urządzenia. Oplot ekranujący przewodu masowego zapobiega propagacji zakłóceń na inne kable.

Zakłócenia wąskopasmowe powstają często na skutek awarii komponentów elektronicznych. Tutaj: regulator nawiewu. Źródło: Denso

Dużo trudniej usunąć ów problem w przypadku, gdy źródła zakłóceń regulowane są za pomocą sterownika elektronicznego. Modyfikacja złącza w celu ograniczenia emisji zakłóceń jest tu praktycznie wykluczona, ponieważ miałoby to wpływ na pracę samego sterownika. Podobnie sprawa ma się także ze sterownikami, w których zakłócenia wąskopasmowe generowane są przez sygnały taktowania mikroprocesorów. Jeśli zakłócenia te dotyczą systemu antenowego (np. radioodbiornika), rozwiązaniem może być zmiana typu anteny oraz przebiegu przewodów.

Zakłócenia w sieciach przesyłowych

Sieci o dużych prędkościach przesyłu danych (USB, CAN, Ethernet, LVDS) pracują w wysokim zakresie częstotliwości, co czyni je bardzo podatnymi na zakłócenia z zewnątrz oraz zjawisko odbijania sygnału. Do tego ostatniego dochodzi w sytuacji, gdy rezystancja przejściowa między urządzeniem nadawczym a przewodem jest inna niż między przewodem a urządzeniem odbiorczym. Aby ograniczyć odbijanie sygnału, można zastosować dwa równoległe oporniki krańcowe, z których np. w przypadku szybkoprzesyłowej magistrali CAN napędu jeden montowany jest w sterowniku silnika, a drugi – w sterowniku ESP. O ile wcześniej opór na każdym wyjściu wynosił często 120 Ohmów, o tyle po równoległym połączeniu oporników został on ograniczony do 60 Ohmów. Wartość rezystancji wyjściowych należy sprawdzać w układzie przeniesienia napędu, ponieważ jednie tam są one rozdzielone na poszczególne komponenty. Tę metodę transmisji danych określa się jako asymetryczną lub różnicową.

Transmisja różnicowa sprzyja znacznemu ograniczeniu zakłóceń. Różnicowe linie sygnałowe mają bowiem przeciwne znaki: w jednym kablu napięcie jest zwiększane, w drugim – redukowane za pomocą opornika. Znajdujący się w odbiorniku komparator porównuje poziomy napięcia na obu kablach i podaje na wyjściu sygnał różnicowy zależny od tego, który z sygnałów wejściowych jest większy. Efekt ten można jeszcze zoptymalizować, stosując zamiast standardowego przewodu tzw. skrętkę, w której para żył transmitujących sygnały różnicowe jest ze sobą skręcona, co ogranicza zakłócenia elektromagnetyczne.

Zakłócenia z zewnątrz

Podczas projektowania pojazdów istotną kwestią jest zapewnienie im odpowiedniej ochrony przed polem elektromagnetycznym generowanym np. przez nadajniki radiowe. Może ono bowiem negatywnie oddziaływać na funkcjonowanie sieci pokładowej. Sygnały nadajników mogą zostać wychwycone np. przez wiązki kabli i tą drogą zostać przesłane na wejścia lub wyjścia urządzeń elektronicznych.

Skłonność ku temu wzrasta wraz z częstotliwością sygnałów: w przypadku częstotliwości rzędu gigaherców fale elektromagnetyczne mogą bezpośrednio sprzęgać się z konstrukcją urządzeń. Sygnały te – podobnie jak w przypadku złączy odbiorników radiowych – zostają przetworzone w układach półprzewodnikowych, co w efekcie wywołuje niepożądane wahania napięcia sieciowego.
Jeśli komponenty elektryczne pojazdu błędnie zinterpretują tego typu sygnały napięciowe jako sygnały użyteczne, może to zakłócić funkcjonowanie układów elektronicznych samochodu, np. spowodować wyłączenie systemów bezpieczeństwa, takich jak ABS, ASR czy ESP. Skutkiem może być także spadek mocy silnika czy błędne wskazania na desce rozdzielczej rozpraszające uwagę kierowcy.

Z tego względu wszystkie elektroniczne komponenty pojazdu są fabrycznie zabezpieczane przed oddziaływaniem pól elektromagnetycznych. Na etapie projektowania poddaje się je testom laboratoryjnym, np. z użyciem anten generujących sygnały wysokiej częstotliwości, aby sprawdzić, jak sprzężenie owych sygnałów wpływa na pracę komponentu. Podobną kontrolę przeprowadza się także na koniec, gdy układy elektroniczne są już zamontowane w pojeździe.

Zgodnie z prawem, aby uzyskać homologację typu, nowe pojazdy muszą spełniać określone minimalne wymagania odnośnie odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. W praktyce ich producenci nie tylko spełniają, ale znacznie przekraczają owe wymogi, starając się maksymalnie zabezpieczyć swoje pojazdy.

Samochód jako źródło zakłóceń

Właściwe zabezpieczenie urządzeń elektronicznych to jednak tylko połowa sukcesu: pojazd także emituje bowiem promieniowanie elektromagnetyczne, które należy ograniczyć, aby nie zakłócało pracy urządzeń w jego otoczeniu. Głównym generatorem tego typu fal jest układ zapłonowy.

Prawo przewiduje określone limity emisji promieniowania elektromagnetycznego zapewniające niezakłóconą pracę odbiorników radiowo-telewizyjnych. Limity te dotyczą także zakłóceń szeroko- i wąskopasmowych. Problem w tym, że aby zapewnić odpowiedni odbiór radiowy i zasięg telefonii komórkowej, konieczne jest przekroczenie owych wartości. I tu na scenę wkraczają oporniki tłumiące drgania w cewkach zapłonowych, złącza wysokonapięciowe i oporniki przeciwzakłóceniowe świec zapłonowych, które ograniczają emisję zakłóceń ze strony układu zapłonowego.

Udostępnij:

Drukuj



Maciej Blum



Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również