close

Вход

Log in using OpenID

araç emc bağışıklık testleri, standartların geliştirilmeye açık

embedDownload
OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
ARAÇ EMC BAĞIŞIKLIK TESTLERİ, STANDARTLARIN
GELİŞTİRİLMEYE AÇIK NOKTALARI
İbrahim Türer*, Sinan Başer*, Hulusi Açıkgöz**, Melih Celal Akmehmet*, Murat Uysal*,
Erdal Usta*
Otokar Otomotiv ve Savunma Sanayi A.Ş., Sakarya
KTO Karatay Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Konya
*
**
ÖZET
Araçların üzerinde kullanılan elektronik ekipmanların sayısı ve önemi her geçen gün artmaktadır. Bu paralelde araçlar
için zorunlu olan elektromanyetik uyumluluk (EMC) testleri daha da önemli hale gelmekte ve karmaşıklaşmaktadır. Bu
çalışmada bu testlerden bağışıklık testleri incelenecektir. Avrupa Birliği ve Birleşmiş Milletler gibi organizasyonların
önerdiği standartlardaki geliştirilmesi gereken noktalara vurgu yapılacak, standartlar ile gerçek dünya arasındaki
uyuşmazlıklar belirtilecektir. Daha sonra araçların boyutlarının ve şekillerinin araç içerisinde oluşacak elektrik alan
dağılımlarına etkisi incelenecek, hassas elektronik ekipmanların ve kabloların yerleştirilmesi ile ilgili öneriler
sunulacaktır.
Anahtar kelimeler: EMC, bağışıklık, test, araç
ABSTRACT
The number and importance of electronic equipments is increasing day by day. In parallel, compulsary EMC tests for
vehicles get more important and complicated. In this work, immunity tests are studied. Some aspects in standards
(suggested by organizations such as European Union and United Nations) needed to be improved are emphasized. The
mismatch between standards and real world is given. Afterwards, electric field distribution in a vehicle is studied
depending on dimensions and shapes of vehicles. Finally, some recommendation on placement of sensitive electronic
equipments and cable harnesses is given.
Keywords: EMC, immunity, test, vehicle
sunulamamaktadır.
Testler genel hatlarıyla, emisyon ve bağışıklık testleri
olmak üzere 2 ana test grubundan oluşmaktadır. Emisyon
testlerinde araçın motorunun ve elektrik/elektronik
sistemlerinin oluşturduğu gürültülerin çevredeki hassas
alıcılarda performans azalmasına ve hatta alıcının
tamamen devre dışı bırakmasına sebep verip
vermeyeceğine bakılmaktadır. Bağışıklık testlerinde ise,
araç yüksek güçlü vericilerin, elektrik iletim hatlarının,
insan yapımı elektromanyetik gürültü üreten cihazların
bulunduğu yerlerden geçerken veya aracın içinde yüksek
elektrik alan üreten cihaz varken sürücüyü ya da yolcuları
etkileyebilecek performans değişimi olup olmadığı
kontrol edilmektedir. Bununla beraber araç, standartlara
1. GİRİŞ
Otomobiller kullanılmaya başlandığı tarihten 1970’li
yıllara kadar elektromanyetik kelimesi ile çok fazla
anılmamıştır. O zamanlardaki araçların üzerindeki
elektrik/elektronik sistemler son derece sınırlıydı.
Araçların çevresinde hassas alıcıların ve kuvvetli
vericilerin artması ile birlikte araçlardaki elektromanyetik
uyumluluk konusu önem kazanmış ve hatta zorunluluk
haline gelmiştir. Bu nedenle çeşitli ülkeler ve hatta
Avrupa Birliği, Birleşmiş Milletler gibi uluslararası
kurumlar çeşitli standartlar yayınlamışlardır [1-2]. Bu
standartlara uygun testlerin yapılmaması ya da aracın
testten geçmemesi halinde araç ticari olarak satışa
1
uygun testlerden geçse dahi, aracın gerçek hayatta
etkilenmeyeceği ya da çevresini etkilemeyeceği garanti
edilemez. Bunun başlıca sebebi, elektromanyetik
uyumluluk testlerinin (EMC) doğası gereği oluşan yapıcı
ya da zayıflatıcı girişimler ile olası her durumun testinin
imkansız olması olarak sınıflandırılabilir. Bu çalışmada
otomotiv bağışıklık testlerinden bahsedilecek olup daha
çok dikkate alınması gereken frekanslar ve önlemlerden
bahsedilecektir.
Şekil 2. Ticari araçlarda referans çizgisi
2. OTOMOTİV BAĞIŞIKLIK TESTLERİ
Gerçekten de GSM baz istasyonları başta olmak üzere
TV/Radyo vericileri, askeri radar vericileri, havalimanı
yakınlarındaki yön bulma radar vericileri, uçakların
üzerindeki vericiler, cep telefonları vb. bu frekanslarda
çalışmaktadır. Bu frekanslar aslında bu bant ile sınırlı
görülse de sinyalin modülasyonlu olması testi biraz daha
zorlaştırmaktadır.
Bunun
nedeni
modülasyonlu
sinyallerin yarıiletken komponentlerin üzerinde demodüle
olup yüksek frekanslı modüle sinyallerden daha düşük
frekanslı demodüle sinyal üretilebilmesidir. Bu durum
Şekil 3’ten de görülebilir.
Günümüz araçlarında çok sayıda elektrikli ve elektronik
sistemler ve artan harici vericiler nedeniyle EMC konusu
eskiye nazaran çok daha kritik hale gelmiştir. Yapılan
araştırmalarda harici vericilerin aracın yakınında
oluşturduğu elektrik alanlar 20-30 V/m civarında
çıkmaktadır [3]. Bu nedenle kabul gören standartlarda 30
V/m’lik bir alanın aracın motor bölgesine ve/veya
kablolamanın yoğun olduğu bölgelere uygulanması
tavsiye edilmektedir.
Bağışıklık testlerinde elektrik alan uygulanırken aracın
her yerinde aracın metal kafes yapısına bağlı olarak farklı
alanlar gözlemlenir. Bu durumda araç bir saçıcı olarak
gelen elektromanyetik dalgaları karıştıracak ve faz
önlerini bozacaktır. Testin sağlıklı yapılabilmesi için
uygulanması istenen sinyal seviyesi, araç ve başka
herhangi bir saçıcı yokken belirli referans noktaları için
kalibre edilir. Referans noktaları aracın cinsine ve
boyutuna göre farklılık göstermektedir. Örneğin, bir
otomobilde ön akstan 20 cm geride ve YYO’nun
zemininden 1 m yukarıdayken (Şekil 1), tavanı 3 m’den
yüksek araçlar içinse ön cam sileceğinden 1 m geride ve
YYO zemininden 1.2, 1.5, 1.8 ve 2.1 m olacak şekilde 4
adettir. Şekil 2’de referans noktasının bulunduğu eksen
görülmekte olup antenden en az 2 m uzakta olacaktır.
Şekil 3. Genlik modülasyonlu sinyal
Modülasyon tipi ise 20 MHz’ten 800 MHz’e kadar genlik
modülasyonlu (AM), 800 MHz’ten 2 GHz’e kadar ise
GSM
sinyallerine
benzemesi
açısından
darbe
modülasyonludur (PM). Standardın istememesine rağmen
belli frekans bölgelerinde frekans modülasyonlu (FM)
vericileri simüle etmesi açısından FM sinyal uygulanması
standarda eklenebilecek bir durum olarak görülmektedir.
Teknoloji çok hızlı bir şekilde geliştiği için standartlar
günden güne değişmektedir. Örneğin Avrupa Birliği’nin
yayınlamış olduğu bazı talimatlar araçlar üzerinde yol
güvenliği açısından 24 GHz ve 79 GHz’te kısa menzil
radarların kullanımı ile ilgili olup gelecekte bu
frekanslarda da testlerin yapılması gerekecektir [4].
Şekil 1. Otomobillerde referans noktası
Referans eksenlerinde 30 V/m oluşturulduktan sonra araç
YYO’ya alınarak modüle edilmiş sinyal verilir. Frekans
bandı olarak da 20 MHz–2 GHz bandı seçilir. Bu bandın
seçilmesinin amacı araçların ticari ve askeri,
istemli/istemsiz bu frekans bandında birçok sinyale
maruz kalma ihtimalidir.
Uygulanacak elektrik alandan bahsetmek gerekirse,
Birleşmiş Milletler ve Avrupa Birliği’nin yayınladığı
talimatlara göre, frekans aralığının en az %90’ında 30
V/m, bandın tümünde ise en az 25 V/m uygulanması şart
koşulmuştur. Bu değerler gerçek dünyada aracın
çevresinde oluştuğu gözlemlenen değerlere yakın olduğu
2
için seçilmiştir. Bununla beraber gerçek durumlar
farklılık gösterebilir. Örnek olarak Türkiye’den bir örnek
seçilmiştir (Şekil 4). Şehirlerde baz istasyonlarının çıkış
güçleri 20 W civarı olabilmekteyken, şehirlere uzak
yerlerde 40 W’lık çıkış güçlerine sahip baz istasyonları
bulunmaktadır. PV , GV ve R , sırasıyla baz istasyonu
göstermesine neden olacaktır.
çıkış gücü, verici antenin lineer kazancı ve baz
istasyonuna olan uzaklık olarak tanımlanmış olup 40 W,
63 ve 5 m alınmıştır.. Araçların üzerinde oluşacak
elektrik alan E ise, (1)’deki gibi hesaplanır.
E=
30 PV GV
R
(1)
Şekil 5. Dikdörtgen bir oyuk
Bu çalışmada araçlar mükemmel bir oyuk gibi
düşünülecektir. Oluşacak rezonans frekansları tek bir
frekansta olmayıp değişik modlarda oluşacaktır [6].
Oluşacak modların frekansı (2)’de verilmiştir.
f mnl =
c
2π µ r ε r
k mnl
(2)
Şekil 4. Otoyol kenarındaki bir GSM baz istasyonu
c , µ r , ε r ve k mnl sırasıyla ışığın boşluktaki hızı,
(1) no’lu formüle göre araçlarda oluşabilecek elektrik
alan değerleri 60 V/m’yi bulabilecektir. Bu değer
standartta belirlenen değerin 2 katıdır. İlaveten,
standartlar aracın önünden ya da arkasından sinyal
uygulanmasını belirtirken örnekte bozucu sinyaller
araçlara yandan gelmektedir. Bu ve bunun gibi nedenlerle
gerçek dünya ile standartların simüle ettiği testler fazla
değişkenlikler gösterecektir. Bir diğer deyişle, yapılan
testlerden geçen araçlar belirtilen yerden geçerken
performanslarında bozulma gözlemlenebilir, hatta hava
yastıkları açılabilir, ABS’lerde problem oluşabilir, hız
kontrol sistemi devre girebilir veya devreden çıkabilir. Bu
durum özellikle kriterlere uygun yerleştirilmemiş baz
istasyonları için daha çok söz konusudur.
Bir diğer dikkat edilmesi gereken konu ise, araçların
kafes yapılarının bazı frekanslarda oyuk (cavity)
rezonanslarında araca gelen düzlem dalganın aracın
içinde, özellikle kenarlarda 3 katına çıkmasına sebep
olmasıdır [5]. Ticari araçlar, özellikle minibüs ve
otobüsler geometrileri gereği RF ve mikrodalga
frekanslarında birer dikdörtgen oyuk(umsu) gibi
davranırlar. Mükemmel oyuk özelliği göstermemesinin
nedeni araçlardaki camlar ve diğer açıklıklardır. Bu
çalışmada rezonansın oluşabileceği frekanslar araçlar
mükemmel dikdörtgen oyukmuş gibi düşünülüp
hesaplanacaktır. Mükemmel bir dikdörtgen oyuk Şekil
5’te gösterilmiştir.
Oyuklar çalışma frekanslarında düşük kayıplı rezonans
devreleri şeklinde çalışır. Genellikle içi boş metal
kafeslerden oluşmasına rağmen araçlarda içi kısmen
dielektrik malzeme ile doludur. Hem aracın açıklık
yerleri hem de içerisindeki dielektrik ve metal
malzemeler oyuğun ideal çalışmasından sapma
relatif manyetik geçirgenlik katsayısı, relatif dielektrik
geçirgenlik katsayısı ve mnl modundaki dalga sayısıdır.
Dalga sayısı ise, (3) ile verilmektedir.
 mπ   nπ   lπ 
= 
 +
 + 
 a   b   c 
2
k mnl
2
2
(3)
(2) no’lu formüle göre bir oyukta oluşabilecek en düşük
frekanslı mod a>b>c ise 100 modu olmaktadır. Bu
durumda
oluşacak
rezonans
frekansı
(4)’te
gösterilmektedir. Daha yüksek modlar daha yüksek
frekanslarda oluşacaktır.
f100 =
c
2a µ r ε r
(4)
Araçların metal kafeslerinin en uzun kenarı ile en düşük
rezonans frekansı arasında (4)’te belirtildiği üzere yakın
bir ilişki söz konusudur. Basitlik açısından µ r ve ε r , 1
olarak alınmıştır. Bir otobüste uzunluk 12 m olabilirken
küçük kokpitli ticari araçlarda bu uzunluk 2 m’ye kadar
düşebilmektedir. Aracın uzunluğuna bağlı olarak
rezonans frekansları Tablo 1’de verilmiştir.
3
Tablo 1. Araç uzunluğu–rezonans frekansı ilişkisi
Rezonans
Aracın uzunluğu [m]
frekansı
[MHz]
12
12.5
10
15
8
18.75
6
25
4
37.5
2
75
ve kabloların yerleştirileceği yer üzerinde öneride
bulunulmuştur.
KAYNAKLAR
1. COMMISSION DIRECTIVE 2004/104/EC,
Official Journal of European Union, 13-11-2004.
2. ECE R10-04 Uniform provisions concerning the
approval of vehicles with regard to
electromagnetic compatibility, United Nations, 6
March 2012.
3. R. De Leo et al., “Cars: Modeling the
Electromagnetic Field for Radiated Immunity
Tests,” Compliance Engineering, www.cemag.com, March-April 2001.
4. COMMISSION DIRECTIVE 2005/49/EC,
Official Journal of European Union, 26-7-2005.
5. J. Dansou et al., “Electromagnetic Effects of
Cellular Radiotelephone on Motor Vehicles and
Their Standards,” in Proceedings of the 12th
International Symposium on EMC (Zurich:
Swiss Electrotechnical Association, 1997), 1318.
6. D. Pozar, “Microwave Engineering, 2nd Edition,
Wiley, New York, NY, 1998.
Aracın içerisindeki koltuklar ve diğer yapılar µ r ve ε r
katsayılarını arttırabileceğinden rezonans frekanslarını
azaltacaktır. Ayrıca, daha önce de belirtildiği üzere
araçtaki camlar da oyuk özelliğini bozup bu rezonans
frekanslarını bir miktar kaydıracaktır. Her durumda
rezonans frekansları standardın belirlediği 20 MHz–2
GHz frekans bandına düşecektir.
Dikkate diğer bir diğer husus da araç içerisindeki elektrik
alan dağılımıdır. Özellikle rezonans frekanslarında metal
kafes ile camların kesiştiği yerlerde alan değerleri çok
yüksekken aracın ortasına doğru elektrik ve manyetik
alanlar düşmektedir. Bu sebeple, yüksek frekanslarda
hassas elektronik cihazların yerleştirilmesinde bu hususa
dikkat etmek, mümkünse bu ekipmanları bu bölgelere
yerleştirmekten kaçınılmalıdır. Alçak frekanslarda ise,
kablolar çok iyi alıcı antenler gibi davranabilir. Örneğin,
kablo boyları gelen sinyalin dalga boyunun yarısı ya da
dörtte biri kadar olduğunda bozucu sinyallerin sisteme
kuplajı daha da kolaylaşmaktadır. Kabloları da
yerleştirirken alçak frekanslarda yüksek alan oluşan
yerlere konulmamasına özen gösterilmelidir.
3. YAPILACAK İŞLER
Bu çalışmanın ışığında bir otomobilin veya ticari bir
aracın elektromanyetik bir analiz programı yardımıyla
rezonans frekansları analitik yaklaşımda bulunacak
frekanslar ile karşılaştırılarak doğrulanacaktır. Analitik
yaklaşım ve simülasyonun doğrulanmasından sonra araç
YYO’ya alınarak gerçek sinyaller altında elektrik alan
dağılımı çıkarılacaktır.
4. SONUÇ
Bu çalışmada, araçlar için zorunlu olan EMC testlerinden
bağışıklık testi üzerinde durulmuştur. Standartlardaki
geliştirilmesi gereken noktalar incelenmiş, gerçek dünya
ile standardın uyuşmadığı noktalar belirlenmiştir. Daha
sonra Türkiye’den bir baz istasyonu seçilmiş olup
araçlarda oluşacak elektrik alan değerleri hesaplanmış,
standardın önerdiği değerlerden farklılık gösterdiği
saptanmıştır. Bunlara ek olarak, araçlar oyuk şeklinde
modellenip elektrik alan artışının hangi frekanslarda
olacağı tahmin edilmiştir. Son olarak da hassas cihazların
4
Author
Документ
Category
Без категории
Views
0
File Size
261 Кб
Tags
1/--pages
Пожаловаться на содержимое документа