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
© Copyright 2024 Paperzz
