Interferencja urządzeń elektronicznych - jak współpracują ze sobą w samochodzie?

Mówiąc fachowo, rozmawiamy o EMC lub EMV, czyli o anglo- lub niemieckojęzycznych skrótach, które w polskiej nomenklaturze przekładają się na zdolność pracy układu lub danego urządzenia w danym środowisku elektromagnetycznym i niewytwarzanie przez niego takich zakłóceń, które by przeszkadzały w funkcjonowaniu innych urządzeń wewnątrz samochodu.

A co może wzajemnie w samochodzie oddziaływać? Przyczyn interferencji może być naprawdę wiele. Im nowszy i bardziej luksusowy samochód, tym więcej pracy przed konstruktorami. Sprawy nie ułatwia fakt, że konkretny model oferowany jest zazwyczaj w kilku wersjach wyposażenia, z możliwością doposażenia w opcje.

Zakłócenia możemy podzielić na zewnętrzne i wewnętrzne. Do tych pierwszych należą źródła poza samochodem, takie jak nadajniki, np. obecne na naszych drogach radary, linie elektroenergetyczne oraz używane przez nas telefony komórkowe łączące się z nadajnikami sieciowymi.

Niekiedy zaburzenia słyszalne są w kabinie pojazdu. Słychać to w głośnikach systemu audio, które reagują na zaburzenia np. przy obecności telefonów. Jednak taka interferencja jest niegroźna, odczuwalna jedynie jako coś niepożądanego.

Znacznie więcej uwagi konstruktorzy poświęcają wpływowi zakłóceń na działanie podstawowych komponentów pojazdu. W obecnie produkowanych autach mogłoby to zaburzyć np. pracę zapłonu lub wtrysku. Nagła utrata mocy lub dziwne zachowanie silnika mogłoby go uszkodzić lub nawet zagrozić bezpieczeństwu jazdy.

Jeszcze gorzej byłoby z zakłóceniem działania systemów bezpieczeństwa takich jak ABS czy ESP. Dlatego koncerny samochodowe traktują badania zakłóceń pracy poszczególnych systemów jako obowiązkowy i bardzo ważny etap w konstruowaniu nowego pojazdu.

Co ważne, dopuszczalne poziomy zakłóceń regulują odpowiednie normy, w tym Polska Norma i europejska norma ISO. Są w nich podane metody pomiarowe, przebiegi oraz wartości maksymalne.

W jaki sposób samochody są badane? Testy przeprowadzane są w warunkach laboratoryjnych, ale także podczas odwzorowywania warunków podczas jazdy. Badana jest wtedy kompatybilność całego pojazdu.

Jednak są to jedynie badania potwierdzające poprawność lub homologujące zgodność z normami. Konstrukcja samochodu jest wtedy gotowa i każda zmiana skutkowałaby przesunięciem wdrożenia do produkcji i ogromnymi kosztami przeprojektowania wielu elementów konstrukcji.

Dlatego koncerny motoryzacyjne najpierw badają wzajemne oddziaływania za pomocą symulacji komputerowych. Z pomocą przychodzą symulacje znane z mechaniki płynów oraz symulacje metodą elementów skończonych, która okazuje się przydatna także w innych zastosowaniach niż badania naprężeń i odkształceń elementów mechanicznych.

Jest to o tyle mniej kosztowna symulacja, że producent zazwyczaj i tak posiada zbudowany model nowego samochodu, zrealizowany z użyciem elementów skończonych.

W ten sposób można symulować najkorzystniejsze rozmieszczenie odbiorników, sterowników czy anten. Wiele pracy jest z instalacją radiową, nawigacyjną, ale również z układami sterowania, np. sterowaniem elektrycznymi szybami czy centralnym zamkiem.

Symulacje nie oznaczają jednak braku rzeczywistych testów. Te wykonywane są w specjalnych komorach do badania zakłóceń. Taka komora ma znaczną kubaturę – często jest to nawet kilkanaście tysięcy m3. Niezwykle istotna jest zewnętrzna izolacja – są to idealnie skonstruowane klatki Faradaya. Reszta zależy już wyłącznie od budżetu i chęci dokładnego zbadania pojazdu.

Pomocne bywają rolki do symulacji warunków jezdnych. To pozwala na badanie wpływu interferencji na systemy bezpieczeństwa, takie jak ABS, ASR czy ESP. Dodatkowo warunki jezdne umożliwiają sprawdzenie układów: hamulcowego i napędowego.

Ale to dopiero początek – najważniejsze jest sprawdzenie oddziaływań pola elektromagnetycznego. Takie pole należy najpierw wytworzyć – generacja następuje zazwyczaj poprzez kilka anten nadawczych o zmiennych częstotliwościach roboczych, współpracujących ze wzmacniaczami.

Odpowiednio naszpikowane czujnikami stanowisko badawcze pozwala na uzyskanie widma i wizualizację np. widma zaburzeń przy pracy poszczególnych układów samochodu, np. anteny radiowej.

Co ciekawe, zwłaszcza przy pomiarach odizolowanego samochodu, które dają wiedzę o tym, jakie zaburzenia on sam wytwarza, sterowanie odbywa się zdalnie, z oddalonego i odizolowanego pomieszczenia. Jakie są koszta? Kilkanaście milionów euro nie robi na nikim wrażenia. Dodajmy, że w badaniach uczestniczy zazwyczaj kilkudziesięciu specjalistów. Taka jest cena za zwiększenie możliwości nowych aut.

Gdy samochód utrzymywany jest w seryjnej konfiguracji, to mamy pewność poprawnego funkcjonowania. Problem zaczyna się przy modyfikacjach. Sam spotkałem się z przykładem interferencji kierunkowskazów z przebudowanym systemem audio. Znalezienie przyczyny dublowania dźwięku kierunkowskazów w głośnikach samochodowych potrafi zająć długie godziny.

Co może zatem być źródłem zakłóceń? Przede wszystkim prądy, i to o szerokim zakresie napięciowym. Te powodowane przez sygnały antenowe są rzędu kilkudziesięciu mikrowoltów, a te największe, jak np. w układzie zapłonowym silnika benzynowego, wynoszą nawet kilkadziesiąt kilowoltów.

Do tego dochodzi system audio, cyklicznie włączane urządzenia oraz napięcie w alternatorze. Rozważając to głębiej, dochodzimy do powstawania drgań wysokiej częstotliwości od wszelkich silników elektrycznych (np. wycieraczek).

Poza tym nie wszystko konstruktorzy mogą przewidzieć, bo część zakłóceń możemy powodować sami, prowokując wyładowania elektrostatyczne powstające od ubrań.