TÜBİTAK UME ULUSAL METROLOJİ ENSTİTÜSÜ EMI/EMC (Elektromanyetik Girişim ve Uyumluluk) Fatih ÜSTÜNER Tel: 0 262 679 5031 e-posta: fatih.ustuner@ume.tubitak.gov.tr Aralık 2011
Elektromanyetik Girişim 1935 RFI : Radio Frequency Interference 2000
Elektromanyetik Girişim Işıma yoluyla (Radiated) I n, V n 220 VAC İletkenlik yoluyla (Conducted)
Elektromanyetik Girişim (Electromagnetic Interference EMI) Girişim, elektrik ve elektronik cihazların performansında bozulmaya, istenmeyen tepkiler vermesine veya hatalı işlemesine yol açan radyo frekanslarında doğal veya insan kaynaklı her türlü bozucu etki, işaret ve emisyondur.
Elektromanyetik Uyumluluk (Electromagnetic Compatibility - EMC) Bir cihaz, Kendi içinde girişime yol açmıyorsa (öz uyumluluk self compatibility) Diğer cihazlara girişimde bulunmuyorsa Diğer cihazlardan kaynaklanan girişime bağışıksa elektromanyetik uyumlu demektir.
Cihazda Elektromanyetik Girişim Portları RS RE RS RE RS RE CE Güç Hattı Anten Terminali CE CS CS İşaret Hatları RE - Radiated Emission: Işıma yoluyla Emisyon RS - Radiated Susceptibility: Işıma yoluyla Alınganlık CE - Conducted Emission: İletkenlik yoluyla Emisyon CS - Conducted Susceptibility : İletkenlik yoluyla Alınganlık RS RE
Cihazın Platforma Yerleştirilmesi Uçak Elektromanyetik Ortamı Sistem-içi EMI Yıldırım RF Verici EMP
Elektromanyetik Ortam Elektromanyetik girişim, etkilenen cihazın bulunduğu elektromanyetik ortamın bir sonucudur. Belirli bir bölgede meydana gelen tüm elektromanyetik olaylar, elektromanyetik ortamı oluştururlar. Elektromanyetik çevreyi karakterize eden iki unsur sözkonusudur: Frekans / Zaman Genlik; elektromanyetik enerjinin elektrik alan şiddeti, manyetik alan şiddeti, gerilim akım güç gibi herhangi bir formudur
Elektromanyetik Spektrum
Elektromanyetik Ortam Etkileri (E3) Etkileri EMI/EMC : Elektromanyetik girişim / uyumluluk (ElectroMagnetic Interference / Compatibility) Yıldırım EMP : Elektromanyetik darbe (ElectroMagnetic Pulse) ESD RADHAZ : Elektrostatik deşarj (ElectroStatic Discharge) : Elektromanyetik ışımanın insan,mühimmat ve yakıt üzerinde oluşturduğu tehlikeler (Electromagnetic RADiation HAZards) TEMPEST : Elektromanyetik emisyonun bilgi içeriğinin düşman tarafından kullanılması
Yıldırım Etkiler Doğrudan Dolaylı
Elektrostatik Boşalma - ESD Elektronik devrelerde performans düşmesi Yarı iletkenlerin fiziksel zarar görmesi Yakıt ve mühimmata karşı etkisi
Elektromanyetik Darbe - EMP Elektromanyetik Darbe (EMP); nükleer bir patlama sonucu meydana gelen, çok büyük genlikli ve ani yükselen geçici elektromanyetik alandır. γ Nükleer patlama γ Gamma/hava etkileşim bölgesi Yeryüzü
Elektromanyetik Işıma Zararları - RADHAZ Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance
TEMPEST PC Cihazlardan yayılan elektromanyetik emisyonunun düşman tarafından algılanarak ve uygun işaret işleme teknikleri kullanılarak emisyon içindeki bilgi içeriğinin elde edilebilmesi tehdidi TEMPEST olarak bilinmektedir. CE Güç Hattı Emisyonları RE Saat ve/veya harmoniklerin AM (Genlik Modüleli) Emisyonları Anten Veri Kaydı, Görsel ve İşitsel Sinyal Analizi AM / FM Çıkış Akım Probu RF alıcı ve Demod. Eşzamanlama Sinyalleri
EMI Problemi Üç Ana Unsur Kaynak Kuplaj yolu Etkilenen sistem Kaynak : Girişim enerjisini yayan Kuplaj yolu : Girişim enerjisinin iletimi Etkilenen sistem : Girişim enerjisinden etkilenme
Kuplaj Mekanizmaları KUPLAJ Uzaysal IşıI şıma (Radiated) Elektriksel İletkenlik (Conducted)
İletkenlik Yoluyla Kuplaj Mekanizmaları Yük #1 (gürültü kaynağı) Besleme Kaynağı R1 R3 1kΩ V2 1 V 1kHz 0Deg R4 1kΩ Yük #2 R2 Direnci Gerilimi V1 28 V 60 Hz 0Deg 1kΩ R2 1kΩ Yük #2 Doğrudan iletim kuplajı 4 0 V2 0 V 28 V 50usec 100usec V1 0.1 Vrms 1kHz 0Deg L=5 cm, w=4 mm R2 1mO 2 L1 12nH 1 3 R3 100kO R1 5O V1 Gerilimi R3 Direnci Üzerinde Gerilim Ortak empedans kuplajı
Kuplaj Modları I D Cihaz #1 Cihaz #2 I D Fark Modu (Differential Mode) I C I C Cihaz #1 Cihaz #2 Ortak Mod (Common Mode) : I C
Fark Modu Işıması E φ = ηπ IA sinθ λ 2 R İŞARET HATTI I D FARK MODU IŞIMASI İŞARET TOPRAĞI Örnek: R = 10 m A = 10 cm 2 f = 50 MHz E=36dBuV/m > I = 20 ma
Ortak Mod Işıması (Dipol Anten Yapısı) E θ ηi(2 l) = sin θ 2λR DIŞ BAĞLANTI KABLOLARI I C I V C N İŞARET TOPRAĞI ORTAK MOD IŞIMASI TOPRAK Örnek: r = 10 m l= 0.5m f = 50 MHz E=36dBuV/m > I = 20 ua!!!
Işımayla Emisyon Deneyi Deney düzeneği Değişken Parametre -> Layout TB_A TB_B TB_C TB_D 4-7.10.2011 22
Işımayla Emisyon Deneysel Sonuçlar Işımayla Emisyon Deneyi RE [dbuv/m] 80 70 60 50 40 30 20 10 TB_A TB_A_kab TB_B TB_B_kab TB_C TB_C_kab TB_D TB_D_kab 0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Frekans [MHz]
EMI Önlemleri Topraklama (Grounding) Ekranlama (Shielding) Bağlama (Bonding) Filtreleme (Filtering) Kablolama (Cabling)
Topraklama Baskı Devre Kartları Filtreler Güç Hattı Cihaz Kasası (Ekranı) İşaret Hatları Topraklamanın amacı elektromanyetik girişime yol açabilecek RF gerilimlerinin oluşumunu azaltmaktır.
Akım Dönüş Yolu Kavramı via A B Baskı Devre Akım daima düşük empedanslı yolu tercih eder. Akımın gidişte A yolunu mu B yolunu mu seçeceği bu hatların göstereceği empedansa bağlıdır.
Düşük Empedans Yolu Port #1 Port #2 Frekans : 1 MHz FR4 boyutları : 100 x 100 x1 mm Normal hat kalınlığı : 1 mm Kısa devre hat kalınlığı : 10 mm
Dekuplaj Kondansatörü Dekuplaj kondansatörü olmasaydı, sayısal devre gerekli akımı doğrudan beslemeden çekmeye çalışacak ve besleme noktasına uzaklığına bağlı olarak besleme geriliminde düşme olacaktı. Dekuplaj kondansatörleri güç ve dönüş hatları üzerindeki endüktif gerilim düşmelerinden kaçınmak için kullanılır. Dekuplaj kapasitesi anahtarlama sırasında sayısal devrenin çekeceği ani akımın deposu olarak görülebilir. Anahtarlama esnasında çekilen anlık akımların verilmesinde iki unsur önemlidir: Kondansatörün değeri Kondansatörün yerleştirilişi 4-7.10.2011 28
Ekranlama Ekranlama belirli bir bölgeyi dış elektromanyetik ortamdan izole etmek veya iç elektromanyetik ortamın dışarıya sızmasını engellemek amacıyla kullanılır. Gürültü Kaynağı Alan Yok EKRAN Alan Yok EKRAN Gürültü Kaynağı
Yarık Analizi Geometrisi #1 (Yatay) 50 cm 40 cm Dipol RX 20 cm Dipol TX Yarık GxY = 20x1 cm 16 cm Not : Dipol RX kutunun tam ortasına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık hizasında Dipol RX den 1 m uzağa yerleştirilmiştir.
Yarık Analizi Geometrisi #2 (Dikey) 50 cm 40 cm Dipol RX 20 cm Dipol TX 16 cm Yarık GxY = 20x1 cm Not : Dipol RX kutunun tam ortasına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık hizasında Dipol RX den 1 m uzağa yerleştirilmiştir.
60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00-10.00-20.00 Yarık Açıklık Sonuçları MoM Analizi Kutu Ekranlama Etkinliği Refdik - Dikey Refyat - Yatay 50.00 150.00 250.00 350.00 450.00 550.00 650.00 750.00 850.00 950.00 Frekans [MHz] Ekranlama Etkinliği [db]
Ekranlama 4-7.10.2011 33
Bağlama Bağ (Bond) iki iletken arasındaki elektriksel bağlantıdır. Referans noktasının cihazın her noktasında aynı seviyede olması ancak bağlantıların mükemmel yani çok düşük empedanslı yapılması ile mümkün olur.
Kısa Devre Edilmiş Bir Telin Frekansa Bağlı Davranışı PORT P= 1 Z= 50 Ohm MLIN ID= TL1 W= 0.5 mm L= 415 mm MSUB Er= 4.6 H= 0.5 mm T= 0.035 mm Rho= 1 Tand= 0.024 ErNom= 2.2 Name= SUB1 10000 Graph 1 1000 Z[1,1] tline λ g 4 100 10 1 λ g.001.01.1 1 Frequency (GHz) 20
Filtreleme Filtreler iletkenler üzerinden yayılan elektromanyetik girişimi engellemek için kullanılırlar.
Kablolama Şasi konektörü Konektör kabuğu Cihaz #1 Cihaz #2 Ekranlı Kablo Konektör Kablo elektromanyetik enerjiye ulaşacağı yüke kadar kılavuzluk yapan bir devre elemanıdır. Sistemin en uzun parçalarını oluştururlar ve bu yüzden EMI gürültüsünün ortamdan alınmasında veya ortama verilmesinde etkin birer anten gibi davranabilirler.
Elektromanyetik Alan Kablo Etkileşimi Ekransız Tek taraf 360 0 Tek pigtail Çift pigtail Çift taraf 360 0 2 m
EM Alan Kablo Kuplajı Deney Düzeneği x İç iletken E - alan Test Altında Kablo y GTEM RF Girişi İşaret Üreteci PA z
Koaksiyel Kabloya EM Alan Kuplajı 80 Koaksiyel Kabloya Elektromanyetik Alan Kuplaji 70 60 50 Esik Her iki taraf 360 Tek taraf 360 Ekransiz Tek pigtail Cift pigtail Ekransiz(teorik) Gürültü Akimi (dbua) 40 30 20 10 0-10 -20-30 10 6 10 7 10 8 10 9 Frekans (MHz)
Rezonans Kaynak : 600 kw AM Radyo Vericisi Frekans f = 702 khz, λ=c/f=427 m Mesafe : 8 km Etkilenen : Rüzgar Türbini Montaj Personeli Şubat 2008 de, İstanbul Çatalca da 80 metrelik rüzgâr türbini kulelerinin montajında 110 metre yüksekliğinde bir vinç kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinin parçalarının montajında çalışan personelin vincin kancasıyla teması sırasında ellerinde yanma hissi meydana gelir. Ölümcül bir kaza ihtimaline karşı montaj faaliyetleri durdurulur.
EMI Problem ve Çözümleri Problemi çözmek için seçenekler Çözümün maliyeti Tasarım Prototip Tamamlanmış ürün Zaman
EMI/EMC Doğrulama Test Tipleri/Aşamaları Cihaz seviyesinde 789A 4 56 B 123C # 0* D Platform/Sistem seviyesinde
EMI/EMC Standartları Standartlar ürünlerin kalitesini belirleyen temel unsurlardır. Standartlarda iki önemli unsur yer alır: Test sınır değerleri Test yöntemleri Askeri cihazlar için ayrı standartlar, ticari cihazlar için ayrı EMI/EMC standartları vardır.
EMI/EMC Testi EMI/EMC testinin iki yönü vardır: Emisyon (Emission) Alınganlık (Susceptibility) veya Bağışıklık (Immunity) Kuplaj yöntemi açısından da iki farklı kategori mevcuttur: Işıma yoluyla (Radiated) İletkenlik yoluyla (Conducted)
Testlerin Ana Temelleri Emisyon Alınganlık Cihaz Sensör Cihaz Transduser EMI Alıcısı Anten - RE İşaret Üreteci Anten - RS Akım Probu - CE Akım Probu - CS LISN - CE Trafo - CS
Bazı Örnek Sınır Seviyeler Elektrik Alan Manyetik Alan Gerilim
Desibel (db) Desibel (db) iki değer arasındaki logaritmik oranı temsil eder. Birimsizdir. Eğer herhangi bir büyüklük belirli bir taban olarak alınırsa o büyüklüğe ait birim desibel teriminin arkasına eklenir. Sembol Büyüklük Taban Seviyesi Birimi E Elektrik Alan Şiddeti 1 uv/m dbuv/m I Akım 1 ua dbua P Güç 1 mw dbm H Manyetik Alan Şiddeti 1 ua/m dbua/m B Manyetik Akı Yoğunluğu 1 pt dbpt V Gerilim 1 uv dbuv Not : 1 Tesla = 1 Wb/m 2 = 10 4 Gauss
Desibel (db) Kavram olarak Desibel güç seviyeleri arasındaki oranı gösterir. Bu durumda: db = 10 log P1 10 P2 P1 I R = P I R = 10 Eğer gerilim veya akım seviyesinde ifade edilmek isteniyorsa aşağıdaki formül kullanılır: V db = 1 20 log 10 V 2 10 log 10 log 2 1 2 2 10 10 P P P P 1 2 1 2 = log 20 log 10 10 2 I I I I 1 2 1 2 2
Desibel (db) Basit Hesaplar Güç seviyesinde 3 db lik bir değişiklik güç miktarında iki kat bir değişimi gösterir. 10 dbm = 10 mw 13 dbm = 20 mw 7 dbm = 5 mw Gerilimde iki kat değişim 6 db ye tekabül eder. 20 dbuv = 10 uv 26 dbuv = 20 uv 14 dbuv = 5 uv Güç seviyesinde 10 db lik bir değişiklik güç miktarında 10 kat bir değişimi gösterir. 10 dbm = 10 mw 20 dbm = 100 mw 0 dbm = 1 mw Gerilimde 10 kat değişim 20 db ye tekabül eder. 20 dbuv = 10 uv 40 dbuv = 100 uv 0 dbuv = 1 uv
İletkenlik Yoluyla Emisyon Testleri İki parametre ölçülür: Akım Gerilim Ölçüm yöntemleri: Akım probu (akım) LISN (gerilim)
Akım Probu TAC Güç Kablosu 50 ohm koaks V out Akım probu I in Z I T in = dbua V I out in = V out Transfer empedansı dbuv Z T dbω Akım probu esas itibariyle bir trafo işlevi görür.
LISN Besleme Şebekesi L1 L2 8 uf LISN 5 ohm 50 uh DC/50 Hz/400 Hz Besleme Gnd 0.25 uf EMI Alıcı 1 kohm EMI Gürültü 10 khz 30 MHz TAC Önemli Not: EMI gürültü için işaret referans noktası toprak düzlemidir (Gnd). Besleme için referans diğer besleme hattıdır (L2). Gnd Gnd Gnd
Işıma Yoluyla Emisyon Ölçüm büyüklükleri Elektrik alan Manyetik alan Ölçüm yöntemi Elektrik alan antenleri Halka antenler
Antenler Bikonik Anten (30 300 MHz) Log-periyodik Anten (300 2000 MHz) Huni Anten (2000 18000 MHz)
Anten Faktörü (AF) E V Koaksiyel 50 ohm 50 Ω E = V + dbuv / m dbuv AF db EMI Alıcı Önemli not: Kablonun araya giriş kaybı mutlaka gözönüne alınmalıdır. V = V + x IL kablo
Halka Anten B dbpt V V B = V + Koaksiyel 50 ohm dbuv CF db 50 Ω EMI Alıcı V = 2 π f B A V A B f = Çıkış gerilimi = Halka alanı = Manyetik akı yoğunluğu = frekans
EMI Alıcı Tipik bir EMI alıcı temel olarak bir superheterodin alıcıdır.
Elektrik Alan Probu Elektrik alan probu EMI alıcının tersine genişbandlı bir cihazdır. Elektrik alan ölçüm aralığı 0.3 300 V/m (110 170 dbuv/m) Yüksek alanların ölçümü yapılır. Schottky diyot Rezistif hatlar OPAMP X - + A/D dipol Y - + A/D up Ekran Z - + A/D
Alınganlık Test Cihazları (Devamlı Etki) İşaret Kaynakları RF Güç yükselteçleri 30 Hz 40 GHz 10000 W 10 khz 80 MHz 3000 W 80 MHz 1000 MHz 250 W 1 4 GHz 250 W 4 8 GHz 250 W 8 18 GHz
Alınganlık Test Cihazları (Geçici Etki) Geçici etki (transient) kaynakları ESD EFT/Burst Surge Voltage Dips/Interruptions
Test Ortamları Ekranlı oda (Shielded room - Faraday cage) Yarı yansımasız oda (Semi-anechoic room) Tam yansımasız oda (Anechoic room) Açık saha test alanı (Open Area Test Site)
Açık Saha Test Alanı
Işıma Yoluyla Emisyon Şartı Test Düzeneği 10 9 1000 MHz 300 MHz 8 7 6 h2 [m] 5 4 E d 3 Er 2 1 0-4 -2 0 2 4 ED/Ei [db] 10 m Açık Saha Test Alanı (ASTA) 10.10.2011 64
Ekranlı ve Yansımasız Odalar Ekranlı oda dış elektromanyetik ortamdan yalıtılmış odadır. Faraday kafesi olarak da bilinir. Tipik ekranlama etkinliği değerleri : 60 db (orta), 80 db (iyi), 100 db (çok iyi) Yansımasız oda, duvarlarında elektromanyetik dalgayı soğurucu malzeme bulunan odadır. RF soğurucu malzemelerin tipik değerleri: Ferrit karo (30 1000 MHz, >15 db) Piramit sünger absorber, 60 cm lik (150 300 MHz, >20 db, 300 MHz 500 MHz, >30 db, 500 MHz 40 GHz, >40 db)
Yarı Yansımasız Oda
Kaynaklar Clayton Paul, Introduction to EMC, Wiley, 2006 Henry Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2009 Michel Mardiguian, Controlling Radiated Emissions By Design, Kluwer, 2001