ELEKTROMANYETĠK UYUMLULUK ve GĠRĠġĠM Temel Tanımlar Doç. Dr. Şükrü ÖZEN Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Akdeniz Üniversitesi, 07058-Antalya sukruozen@akdeniz.edu.tr http://www.akdeniz.edu.tr/muhfak/elekt/ozen_web/ozen.html 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 1
GiriĢ Elektromanyetik uyumluluk (EMU), (Electromagnetic Compatibility, EMC), Uluslararası standartlarca: Bir aygıt, donanım veya sistemin, bulunduğu elektromanyetik çevre içinde, bu çevreyi veya diğer donanımları rahatsız edecek düzeylerde elektromanyetik gürültü oluşturmadan ve ortamdaki diğer sistemlerin oluşturduğu girişimden etkilenmeden, kendisinden beklenen işlevlerini yerine getirme yeteneği" Ģeklinde tanımlanmaktadır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 2
GiriĢ Bir sistem açısından elektromanyetik uyumluluğu iki aşamada düşünebiliriz. Sistemin kendi donanımları arasında EMU sağlanmalıdır. Sistemin kendi bileşenleri, bu sistem tarafından üretilen EM çevrede işlevlerini sağlıklı olarak yerine getirebilmelidirler. Bir ortamda birlikte bulunan tüm sistemlerin birbirleri ile elektromanyetik uyumluluğu sağlanmalıdır. Aynı ortamda dış kaynaklarca üretilen EM çevre içerisinde bulunan tüm sistem işlevlerini problemsiz olarak yapabilmelidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 3
GiriĢ TĠPĠK EM ÇEVRE Yıldırım DeĢarjı Gemi HaberleĢmesi ve Navigasyon Ekipmanı Radyo ve TV Verici Hava HaberleĢmesi ve Navigasyon Ekipmanı HaberleĢme Sistemleri Nükleer EM Darbe Radar Enerji Nakil ve Ġletim Hatları Trenler ve Enerji Hatları 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 4
EM ÇEVRE-IġIMA ÖRNEĞĠ Ana-IĢın Yana/Geriye IĢıma MD Röle Vericisi Ana-IĢın HaberleĢme AteĢleme/kontak Gürültüsü MD Röle Alıcısı Yana/Geriye GiriĢim IĢıması S=İlgili Sinyal Ic=Haberleşme kaynaklı girişim Ir=Radar kaynaklı girişim Inc=Haberleşme kaynaklı olmayan gürültü 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 5
EMG KAYNAKLARI EMG KAYNAKLARI Doğal Ġnsan Yapımı 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 6
Doğal Kaynaklar DOĞAL KAYNAKLAR Yerküre Kaynaklı Gökyüzü Kaynaklı Atmosferik GüneĢ Meteor hareketlerine bağlı statik giriģim Kozmik Radyo star 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 7
Ġnsan Yapımı Kaynaklar ĠNSAN YAPIMI KAYNAKLAR Elektrik HaberleĢme Endüstri + KiĢisel Üretim Yayın Kaynak &Isıtma DönüĢüm Telekom. Temizleyici Ġletim Navigasyon Medikal Dağıtım Radar Bilgisayar Kablosuz Aydınlatma Makina 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 8
EMG ALICI KAYNAKLAR EMU ALICI (KURBAN) KAYNAKLAR DOĞAL ĠNSAN YAPIMI KAYNAKLAR Ġnsan HaberleĢme Kuvvetlendiriciler Endüstri + KiĢisel Hayvanlar Yayın IF Kontrol elemanları Bitkiler Navigasyon Video Tıbbi aletler Radar Audio Telefonlar Bilgisayar Sensörler 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 9
Ġletim Yollu GiriĢim Kaynakları ve Frekans Spektrumu EMU Kaynağı Frekans Spektrumu Genlik Isıtıcı devreleri 50 khz--25 MHz Flüoresan lambaları 0.1--3 MHz (Max. at 1 MHz) 20.. 300 μv/khz Cıva buharlı lambalar 0.1--0.1 MHz 8000 μv/khz Bilgisayar mantık kutusu 50 khz--20 MHz Sinyal hatları 0.1--25 MHz Güç hatları 1--25 MHz Çoklayıcılar 1--10 MHz Mandallı kontaktör 1--25 MHz / 50 khz--25 MHz Transfer anahtarı 0.1--25 MHz Güç kaynağı 0.5--25 MHz Vakum temizleyici 0.1 1MHz 300 μv/khz Güç kontrol elemanı 2--15 khz 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 10
IĢıma Yayan GiriĢim Kaynakları EMU Kaynağı Frekans Spektrumu Genlik Dengesiz devre Harmonik üreteci Isıtıcı termal anahtarı ve kontak arkı Motor Anahtar arkı Çoklayıcı katı hal anahtarlama Transfer anahtar bobin gecikmesi Transfer anahtar kontak arkı DC güç kaynağı anahtarlama devresi 15 khz--400 MHz 30 MHz--1 GHz 30 khz--300 khz/ 20 MHz--200MHz 10 khz--400 khz 30 MHz--200 MHz 300kHz 500kHz 15 khz--150 khz 20 MHz--400 MHz 100 khz--30 MHz Yazma magnetleri 1.0MHz 3.0MHz 100 μv/m/khz Güç kontrol elemanı 30 MHz 1 GHz 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 11
Tipik EM kaynak örnekleri 1.Yıldırım (Lightning) 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 12
Tipik EM kaynak örnekleri 2.Elektrostatik DeĢarj (ESD) ESD Modeli EĢdeğer Devre Model parametreleri Tipik ESD sinyali 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 13
Tipik EM kaynak örnekleri ESD ve Yıldırım darbelerine bağlı indüklenen Gerilim Model: Ġndüklenen Gerilim Ui: i(t) di(t)/dt Ui = M di/dt V s Ui a b Karşılıklı Endüktans M: M = 0.2 a ln(1+b/s) μh 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 14
ESD ve Yıldırım darbelerine bağlı indüklenen Gerilim Örneker: 1-Yıldırım Akımı Kabul: s = 1 m a = 10 m b = 2 m di/dt = 100 ka/μs M ve Ui yi bulmak için: M = 0.2 *10 *ln(1+2/1) = 2.2 μh Ui = 2.2 * 100 = 220 kv 2-ESD-Akımı Kabul: s = 10 cm a = 1 cm b = 1 cm di/dt = 35 A/ns M ve Ui yi bulmak için: M = 0.2 *10ln(1+1/10) = 0.19 nh Ui = 0.19 *35 100 = 6.7 V 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 15
ELEKTROMANYETĠK GĠRĠġĠM(EMG) EMG MODELĠ Gürültü Kaynağı kuplaj kanalı Alıcı Bir gürültü probleminin oluģması için 3 eleman gereklidir. 1.Gürültü kaynağı 2.Gürültüye duyarlı alıcı devre 3.Gürültüyü kaynaktan alıcıya iletecek kuplaj kanalı Ġletim ıģıma 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 16
Kuplaj Kanalları 220V/50Hz güç hattı İletim Yoluyla giriģim Ġletilen giriģim sinyali EM Kaynak Kurban I II EM ışıma yoluyla giriģim EM Radyasyon Kaynağı Alıcı Sistem 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 17
EMG/EMI EMG biçimleri Elektromanyetik Uyumluluk (EMU) EM IĢıma EM Hassasiyet Ġletilen IĢıma Yayılan IĢıma Ġletim Hassasiyeti IĢıma Hassasiyeti 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 18
EMG OLUġUMUNUN TEMEL ESASLARI EMG oluģumunun temel esasları Ġletilen (Ġletim hatları) EMG Kaynağı Elektrik Kuplaj (E-Alan) Manyetik Kublaj (H-Alan) Kurban IĢıma (E/H-Alanlar) 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 19
Frekans Etkisi Seviye Ör. db V/m Limit Fark Seviye Ör. db V/m Gerçek seviye bu sınırları aģabilir. Ġletilen Yayılan Ġletilen Yayılan Frekans Frekans Maksimum IĢıma Seviyeleri Maksimum Elınganlık EĢiği Kurbanlar Işıma Alınganlık İletilen Kablo akımları Kablo akımları CE CE Yayılan Alanlar RE Alanlar RE 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 20
Sistem seviyelerinde EMG modeli EM Çevre Sistem 1 Sistem 2 Sistem 3 Sistem A Sistem B Sistem C Ekipman 1 Sistemler arası EMG Devre 1 Sistem içi EMG Sistem içi girişim problemleri: Radar vericisinden radar alıcısına giren kaçak enerji Otomobilin ateģleme sisteminden, otomobilin içindeki radyo alıcısına olan giriģim Bir radyo alıcı ya da verici devresinin geri besleme yollarının etkisiyle kendiliğinden osilasyonu YanlıĢ yapılan ara devre bağlantıları ve toprak çevrim akımları Bilgisayar sistemi içindeki düģük seviyeli sayısal devrelere disk-disket sürücüsünün manyetik alanının sebep olduğu giriģimdir. Ekipman 2 Devre 2 Sistemler arası girişim problemleri: Radar ile hava taģıtlarının navigasyon sistemlerinin giriģimi Güç hatlarıyla telekomünikasyon sistemleri arasındaki giriģim Taksi telsizlerinin polis radyo sistemleriyle giriģim Hava taģıtlarının gemi sistemleriyle giriģimi Akım hatlarındaki geçici olayların bilgisayar sistemlerine giriģimidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 21
EM radyasyon kaynağına göre giriģim alanlarının tanımı EM kaynak Ġletilen Alanlar YAKIN ALAN GeçiĢ Bölgesi / 2 Yayılan Alanlar UZAK ALAN E H Yayılma yönü Düzlemsel Dalga Elektrik alanın E manyetik alana H oranı dalga empedansı olarak tanımlanır. Uzak alan bölgesinde bu oran, ortamın karakteristik empedansı adını alır. Z E 120 377 H 0 Yakın alan bölgesinde E/H oranı kaynağın özelliklerine bağlı olarak değiģim gösterir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 22
Yakın alan bölgesinde E/H oranı kaynağın özelliklerine bağlı olarak değiģim gösterir: Kaynak yüksek akım, düģük gerilim karakterli ise yakın alan bölgesinde manyetik alan H baskındır ve E/H<377Ω olur. Bu bölgede kaynaktan uzaklaģtıkça H ~ 1/r 3 ve E ~ 1/r 2 ile azalır. Kaynak yüksek gerilim, düģük akım karakterli ise yakın alan bölgesinde elektrik alan E baskındır ve E/H>377Ω olur. Bu bölgede kaynaktan uzaklaģtıkça H ~ 1/r 2 ve E ~ 1/r 3 ile azalır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 23
Yüksek Empedanslı EA Kaynağı: Alan dağılımı ve empedans değiģimi UZAK ALAN YAKIN ALAN UZAK ALAN H E Alan Dağılımı Yüksek empedanslı Elektrik Alan Kaynağı 3000 Ohm Dalga Empedansı Z W 377 Ohm d 0 Mesafeye göre dalga empedansının değiģimi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 24
DüĢük Empedanslı MA Kaynağı: Alan dağılımı ve empedans değiģimi UZAK ALAN YAKIN ALAN UZAK ALAN H E Alan Dağılımı 377 Ohm Dalga Empedansı Z W DüĢük empedanslı Manyetik Alan Kaynağı 30 Ohm d 0 Mesafeye göre dalga empedansının değiģimi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 25
EMG Örnekleri 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 26
1-Ekranlı DC Motor Motor kontrol devresi Ġletilen Gürültü D.C Motor Alt Devreler Yayılan Gürültü Ekran Bu örnekte gürültü kaynağı bir motordur ve alıcı düģük seviyeli devredir. Kuplaj kanalı motor güç kaynağı bağlantı kabloları üzerindeki iletim ve kablolar üzerindeki radyasyondan ibarettir. Motor gürültüsü aynı ekipmanda düģük seviyeli devre ile giriģim yapmaktadır. Motordan kaynaklanan komütatör gürültüsü bağlantılar üzerinden ekran dıģında devre kesicisine iletilir. Kablolardan gürültü düģük seviyeli devreye yayılarak ulaģır. Bu örnekteki gürültü kaynağı komütatör ve fırçalar arasındaki arklardır. Kuplaj kanalının iki bileģeni mevcuttur. Bu, motor kablolarındaki iletim ve kablolardan yayılımdır. Alıcı düģük seviyeli devredir. Burada gürültü kuplaj kanalında kesilerek yok edilebilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 27
2- Ortak Empedans Yoluyla Kuplaj i 1 +i 2 i 1 Güç kaynağı Ortak hat empedansı Devre1 Kaynak empedansı i 2 Devre2 ġayet iki devre aynı güç kaynağından besleniyorsa, bir devrenin çektiği akım diğer devre gerilimini etkiler. Örneğin Devre 2 nin kaynaktan çektiği akımdaki herhangi bir artıģ, Devre-1 uçlarındaki gerilimi etkileyecektir. Bu etkileģim her iki devre tarafından ortak kullanılan kaynak empedansı ve hat empedansına bağlıdır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 28
3- Ġletim ve Kontak IĢıma Gürültü GiriĢimi 220V/50Hz ġebeke ARABA ATEġLEMESĠNE BAĞLI IġIMA KONTROL DEVRESĠ MOTOR ALICI (RECEIVER) iletim yolu IĢıma yolu 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 29
ELEKTROMANYETĠK KUBLAJ 1.İletim Yollu Ortak Mod Girişimi Z : Ortak Empedans Girişim, I ve II çevrimlerindeki akımların ortak Z empedansı üzerinden akması sonucunda oluşur. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 30
Ġletim Yollu Ortak Mod GiriĢimi Ortak Mod Empedans Kublajı Rg1 I1 Rg2 I2 Uc = U 1 Z/(Z+R g1 +R L1 ) U1 U2 Uc Ui RL2 RL1 Z << R g1 + R g2 Uc = U 1 Z/(R g1 +R L1 ) I1+I2 Z Ui = Uc R L2 / (R g2 +R L2 ) = U1 Z R L2 /([(R g1 +R L1 )(R g2 +R L2 )] Cross-Talk CT = 20 log(ui) 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 31
Sayısal Örnek Uc = U1 Z/(Z+Rg1+RL1) Z << Rg1 + Rg2 Uc = U1 Z/(Rg1+RL1) Ui = Uc RL2 / (Rg2+RL2) = U1 Z RL2/([(Rg1+RL1)(Rg2+RL2)] Cross-Talk CT = 20 log(ui) Sayısal Örnek: Kabul: Rg1=Rg2=50 Ohm RL1=50 Ohm RL2=10 MOhm Z=0.2 Ohm U1=5 V Ui ve CT değerleri: Ui = 5 * 0.2*107/100*107) = 0.1 V CT = 20 log(10-1 ) = -20 db 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 32
Elektromanyetik Kublaj 2.Elektrik Alana Bağlı (Capacitively) Vi: dv(t)/dt C Z Elektrik-Alan Modeli Devre Modeli 1 Et V1 C 12 2 1 2 V1 Z 2 Ġki devre (devre) arasında zamanla değiģen E-alan mevcutsa, bu durum iki iletkeni birbirine bağlayan bir kapasite olarak modellenebilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 33
Elektromanyetik Kublaj 3.Manyetik alana bağlı(inductively) Vi: di(t)/dt M Manyetik-Alan Modeli Devre Modeli 1 2 I s M 12 Vn=jwM 12 I s Ġki iletken bir manyetik alana kuple iken, kuplaj karģılıklı endüktansla temsil edilebilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 34
EMG de MOD TANIMLARI 1-Diferansiyel Mod (DM) 2-Ortak Mod (CM) 3-Anten Modu 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 35
1-Diferansiyel Mod (DM) Kuplajı DEVRE 1 I DM I DM DEVRE 2 z 1 I DM z 2 GiriĢim sonucu indüklenen akımlar ters yönde akar. Bu durumda hassas bölge iletkenler arası bölge ile sınırlıdır. Z 1 ve Z 2 sırası ile Devre-1 ve Devre-2 ile toprak arası empedanslardır. Empedanslar, gerçek empedanslar olabilecekleri gibi, toprağa göre saçılmıģ kapasitelerin eģdeğer empedansları veya toprak bağlantı iletkenlerinin eģdeğer empedansları olabilir. I DM akımları üzerinde herhangi bir etkileri yoktur. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 36
2-Ortak Mod (CM) Kuplajı I CM DEVRE 1 DEVRE 2 I CM z 1 z 2 2I CM GiriĢim sonucu indüklenen akımlar (I CM ) aynı yönde akar (dönüģ akımı hariç). Bu durumda hassas alan toprak düzlemini de içerir (ġekilde koyu bölge). Z 1 ve Z 2 empedansları I CM akımları üzerinde hem genlik hem de spektrum açısından etkilidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 37
3-Anten Modu I AM DEVRE 1 DEVRE 2 I AM z 1 z 2 I AM Bu durumda Devre-1 ve Devre-2 bağlantı iletkenleri ile toprak düzleminin hepsi birden giriģim alanlarına karģı bir alıcı anten gibi davranır. Bağlantı iletkenleri ve toprak düzlemi tarafında taģınan akımların hepsi aynı yöndedir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 38
DM ve CM Akımlarının Ölçümü Akım Probu CM Akım ölçümü (I CM /2 + I CM /2) = I CM DM Akım ölçümü (I DM + I DM ) = 2I DM 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 39
Özet Gürültü kaynakları 3 grupta incelenebilir Gerçek gürültü kaynakları Ġnsan-yapımı kaynaklar Çevresel Gürültü kaynakları Elektromanyetik giriģim kaynaktan kurbana 2 yolla ulaģır Ġletim IĢıma (radyasyon) EMG de 3 temel kuplaj modu tanımlıdır. Diferansiyel mod (DM)-Fark Modu Ortak Mod (CM) Anten Modu (AM) IĢımaya bağlı gürültü kurbana 3 temel yolla ulaģır. Kapasitif kuplaj (Elektrik-alan E) Manyetik kuplaj (Manyetik alan H) Elektromanyetik Alan kuplajı (EMA) 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 40
EKRANLAMA 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 41
EMG in önlenebilmesi için temel yöntemler Ekranlama Topraklama Dengeleme Filtreleme Ġzolasyon Ayırma ve Devre Uyumu Devre Empedans Seviyesi Kontrolü Kablolar Frekans veya Zaman Domeni Teknikleri 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 42
EKRANLAMA Elektromanyetik enerjinin tanımlanmıģ bir bölgeye giriģini tamamen veya kısmen engellemek ya da tanımlanmıģ bir kaynak bölgesi sınırları içerisinde kontrol altında tutmak amacıyla yapılan iģlem ekranlama adını alır. Bir baģka ifade ile Ekranlama: kart, devre ya da cihaz düzeyinde iki ortamı birbirinden elektromanyetik anlamda izole etmek anlamına gelir. Ekranlama malzemesi olarak genellikle mükemmel iletken malzeme kullanılır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 43
EKRANLAMA EKRAN Gürültü Kaynagi Gürültü Kaynagi EKRAN İÇ ALAN YOK DıĢ Alan Yok Ekranın dıģında bulunan ortamın giriģimden korunması için kullanılan ekran modeli Ekranın içinde bulunan ortamın giriģimden korunması için kullanılan ekran modeli 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 44
EKRANLAMA Gelen Dalga Soğurulan Dalga Ekrana gelen EM dalgalar üç temel aşamada zayıflar. Yansıyan Dalga Çoklu Yansımalar Ġletilen Dalga 1-Ġlk olarak, gelen EM dalganın bir kısmı hava-ekran sınırında yansır. 2-Daha sonra bir kısmı ekran içerisinde yutulur Metal d 3-Ayrıca ekran içerisinde çoklu yansımalara uğrar. Ekran Modeli 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 45
Ekranlama Etkinliği (S E ) SR=Yansıma kaybı [db] SA=Soğurulma kaybı [db] SMR=Malzeme içerisindeki tekrarlı yansıma kaybı [db] Olmak üzere ekranlama etkinliği bu üç kaybın toplamı olarak yazılır. S E S R S A S MR 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 46
Ekran Etkinliği Ġçin Seviye Tanımları Ekran Zayıflatma Seviyesi (db) Düzey Tanımı 0-10dB 10-30dB 30-60dB 60-90dB >90dB Kötü Zayıf Orta Ġyi Mükemmel 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 47
Kaynağa olan mesafeye göre ekranlama etkinliği ifadeleri[1] Bu ifadelerde f(hz), r(m) ve d(m) olarak alınmıģtır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 48
Bazı metallerin bakıra göre bağıl sabitleri Malzeme r r GümüĢ 1,05 1 Bakır 1 1 Altın 0,7 1 Alüminyum 0,61 1 Pirinç 0,26 1 Bronz 0,18 1 Teneke 0,15 1 KurĢun 0,08 1 Nikel 0,2 100 Paslanmaz Çelik (430) 0,02 500 Çelik (SAE 1045) 0,1 1000 r : bağıl iletkenlik, r :bağıl manyetik sabit 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 49
Ekranlama Malzemelerinin Sınıflandırılması 1- Ekranlama Etkinliği Yüksek Malzemeler: Çelik, bakır, paslanmaz çelik gibi malzemelerden yapılmıģ ve tamamen metal kaplı kutu (80-120 db ekranlama etkinliği) 2- Ekranlama Etkinliği Standart Malzemeler: Ġletken metal tabakalar ya da Metal parçacıklı plastikler (20-40 db ekranlama etkinliği) 3- Ekranlama Etkinliği Zayıf Malzemeler: MetalleĢtirilmiĢ kumaģ yapılar Ġletken kağıt malzemeler (iletken polimerler) (15-30 db ekranlama etkinliği) 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 50
Ekran Etkinlik Seviyeleri (SE-dB) Ekranlama Etkinliği (S E ) EdıĢ/Eiç Ekran Seviyesi 10dB %32 Kötü 20dB %10 Alt Sınır 30dB %3.6 Ortalama 60dB %0.1 Ġyi 90dB %0.0031 Çok Ġyi 120dB %0.0001 Mükemmel SE=20log Kaynak tarafındaki alan Ģiddeti (EdıĢ) Ölçülen taraftaki alan Ģiddeti (Eiç) [db] 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 51
Ekranlama Etkinliğinin Frekans, Malzeme ve Kanyak özelliğine göre (MA, EA, DD) Değerlendirilmesi Ekran Malzemesi Frekans f (khz) Soğurma Kaybı (SA)* (Tüm Alanlar için) Manyetik Alan** Yansıma Kaybı Elektrik Alan Düzlemsel Dalga f<1 Kötü-zayıf Kötü Mükemmel Mükemmel Manyetik Malzeme ( r =1000, r =0.1) 1<f<10 Orta-iyi Kötü-zayıf Mükemmel Mükemmel 10<f<100 Mükemmel Zayıf Mükemmel İyi 100<f Çok Mükemmel Zayıf-orta İyi Orta-iyi f<1 Kötü Zayıf Mükemmel Mükemmel Manyetik Olmayan Malzeme ( r =1, r =1) 1<f<10 Kötü Orta Mükemmel Mükemmel 10<f<100 Zayıf Orta Mükemmel Mükemmel 100<f Orta-iyi İyi Mükemmel Mükemmel *0.08 mm kalınlığına sahip ekran için Soğurma Kaybı ** Kaynaktan 1m mesafe için Manyetik Alan yansıma Kaybı 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 52
Ekranlamada Genel YaklaĢımlar 1-Sadece kritik devreler ekranlanmalıdır. Önemli bir performans iyileģtirmesi olmaksızın gereksiz yere maliyet artıģına neden olur. Pratikte hem ıģıma yapan kaynak hem de kurban ekranlanmalıdır. Ekranlama etkinliği ekranlamanın mekanik donanımına bağlıdır. Paslanma, yüksek kontak direnci, EM sızıntılar ve ekran açıklıkları 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 53
Ekranlamada Genel YaklaĢımlar Ekran, içerisine yerleģtirilen devrenin toprağına elektriksel olarak bağlanmalıdır. Yani korunan devrenin sinyal toprağı ile ekran bağlanmalıdır. Ekranın fiziki boyutu /20 den küçükse, tek bir bağlantı noktası yeterli olur, değilse birkaç noktadan daha belli aralıklarla bağlantı yapılmalıdır 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 54
Ekran Üzerindeki EM Kaçaklar Pratik uygulamalarda ekranlar üzerinde: bağlantı noktaları, anahtarlar, ölçü aletleri, havalandırma, kablo bağlantıları vb. nedenlere bağlı olarak açıklıklar ve delikler bulunabilmektedir. Bu açıklık ve delikler ekranda süreksizliğe neden olmakta ve ekranlama etkinliğini azaltmaktadır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 55
Ekran Üzerindeki EM Kaçaklar Özellikle manyetik alanın ekranlanmasında bu açıklıklar nedeniyle kaçaklar meydana gelir. Bir ekran üzerindeki süreksizlik noktaları nedeniyle oluģan kaçak miktarı temel olarak üç ana faktöre bağlıdır. 1-Açıklık boyutu, 2-Dalga empedansı ve 3-Kaynak frekansı 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 56
Ekrandaki Açıklıklar H I I Ekran üzerinden indüklenmiģ ekran akımlarının dağılımı Üzerinde bir açıklık bulunan ekranda manyetik alan kaçağının oluģumu 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 57
Ekrandaki Açıklıklar I h d Frekans [MHz], W ve d [mm] olmak üzere ekranlama etkinliği: W S E 100 20logW 20log f 27. 3 d W [db] Ekran üzerinde dikdörtgen yapıda bir açıklık olması durumunda akım dağılımı 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 58
Ekrandaki Açıklıklar I D s D D d Ekran üzerindeki delikler ve ekran akım dağılımı s Havalandırma amaçlı çok sayıda açıklığa sahip ekran d Arı peteği şeklinde açıklık modeli h Genel olarak en büyük geniģliği D olan herhangi bir açıklık için ekran zayıflatması Ģu ifade ile verilir. ( f<f c, f c kesim frekansı) d S A 30 D [db] 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 59
S E [db] Örnek: h d W W=150mm, d=h=0.1mm Bir bakır ekran üzerinde bulunan açıklık için ekran etkinliğindeki zayıflamanın frekansa göre değişimi 120 100 80 60 40 20 0 10-3 10-2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 f [MHz] Kesim frekansı f=1ghz 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 60
ÖZET EKRANLAMA Manyetik Alanın Ekranlaması Daha çok düşük frekanslarda (f<30 MHz) önem arz eder. Ekran Zayıflaması frekansla artar. Ekran direnci mümkün olduğunca düşük tutulmalıdır. Delikler ve açıklıklar daha az önemlidir. Elektrik Alanın Alanın Ekranlaması Daha çok yüksek frekanslarda (f > 30MHz) önem arz eder. Değişik parçalar arasındaki kontak direncinin kalitesi önemlidir (izole edilmiş parçalar anten gibi davranır). Delikler ve açıklıkların etkisi frekansa bağımlıdır. Kablo bağlantısı ya da havalandırma nedeniyle bırakılan açıklıklar ekranlamayı etkiler. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 61
ÖZET Ekranlı bir yapıya giren tüm kablolar filtrelenmelidir. Ekranlı kabloların ekranlı bir yapıya giriģ noktasında ekranları gövdeye bağlanmalıdır. Yansıma kaybı elektrik alanlar ve düzlemsel dalgalar için oldukça büyüktür. Yansıma kaybı düģük frekanslı manyetik alanlar için küçük değerlerde kalır. Manyetik alanların ekranlanması elektrik alana nazaran daha zordur. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 62
ÖZET DüĢük frekanslı manyetik alanların ekranlanması için manyetik malzemeler kullanılmalıdır. E-alan, Düzlem dalga ve yüksek-frekanslı manyetik alanların ekranlanmasında iyi iletken malzemeler kullanılmalıdır. Ekrandaki açıklıkların neden olduğu kaçak miktarı açıklığın en büyük boyutuna bağlıdır. Ekran üzerinde aynı toplam alandaki çok sayıdaki deliğin neden olduğu kaçak miktarı, aynı alandaki daha büyük boyutlu açıklığın neden olduğu kaçak miktarından azdır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 63
Kablolar ve Ekranlama 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 64
Kablolar Kablolar, EMU kalitesi bakımından en önemli sistem parçalarıdır. Sistemde istenmeyen gürültü sinyalleri kablolar aracılığı ile taģınırlar. Kablolar, Ġletim yolu olarak Anten gibi davranarak ıģıma kaynağı olarak iģlev görürler. Sistem içerisinde ve sistemler arasında kapalı çevrim alanlarına neden olurlar, ve halka anten etkisi yaratabilirler. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 65
Kablolar EMU da kablo kalitesini belirleyen en temel unsurlar: Kablo ekran malzemesi ve kalitesi Kablo ekranının topraklanmasıdır. GiriĢim riskinin yüksek olduğu ortamlarda ekranlı kablolar kullanılmalıdır. Koaksiyel kablolar ekranlı kablolardır. Tek ve çift ekranlı kablo tipleri mevcuttur Elektrik alan ve manyetik alanın ekranlanması için ekran yapıları farklıdır. Burgulu kablolar da manyetik alan giriģiminde ektin kablo tipidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 66
KOAKSĠYEL KABLO Sadece Elektrik alana karşı etkin ekranlı koaksiyel kablo Elektrik ve manyetik alana karşı ekranlanmış koaksiyel kablo 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 67
Akım taģıyan iletkenlerde E ve H alan değiģimi Ġletken Elektrik Alan Ekran Elektrik Alan Manyetik Alan Manyetik Alan Akım taşıyan bir iletken çevresinde E ve H alanlar Ekranlı bir iletken çevresinde E ve H alanlar; ekran tek noktadan topraklı Ekran Elektrik Alan Manyetik Alan Ekranlı iletken çevresindeki alanlar;ekran topraklı ve ekran akımı iletken akımına eşit fakat ters yönlü Ġletkenler arası giriģim Ģekilleri: 1-Ġletkenler arası kapasitif kuplaj 2-Ġletkenler arası manyetik kuplaj 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 68
KABLOLARIN EKRANLANMASI VE KUPLAJ ETKĠSĠ Kablo ekranlamalarında temel amaç kapasitif ve endüktif yolla gerçekleşen EMG in azaltılmasıdır. L 1 R direnci sıfıra eģit alınabilir. Rg ise sonsuz değerde kabul edilir. V g R R 1 E I e Kablo ekranlaması Ekran L 1 M e1 L e I e R e V 1 V e R g V g R g L : Kablo boyu Ie : Ekran akımı V1 : Ġç iletken gerilimi Ve : Ekran gerilimi L1 : Ġç iletken endüktansı Le : Ekran endüktansı Me1 : Ekran ile iletken arası karģılıklı endüktans Vg : GiriĢ gerilimi (Fark gerilimi) Ortak Mod akımına bağlı transfer empedansı: Eşdeğer devre e 1 T LIe 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 69 Z V V
EKRANLI ĠLTKEN MANYETĠK KUPLAJ MODELĠ I 1 R 1 E I 1 R 1 E M 1e M 1e 1 M 12 M e2 R 2 1 M 12 R 2 V 1g 2 R V 1g 2 R a) Topraklanmamış kablo ekranı ve manyetik kuplaj modeli A) Ekranı iki ucundan topraklı kablo manyetik kuplaj modeli 2 R 2 2 R 2 1 I 1 M 12 V N R 1 I 1 M 12 V N R M e2 V 1g V 1g R 1 M 1e E I e R 1 M 1e E V e B) Eşdeğer devresi b) Eşdeğer devresi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 70
Ekranlı kablo manyetik kuplaj modeli V 1g 1 E L e I 1 M 12 2 M e2 R R 1 R e - V C M 1e + V e + + - - V N R 2 N Ekran kesim frekansı: c V C R L e e f c Re 2 L iç iletken üzerindeki gürültü gerilimi: V j M I 12 1 e c j c Burada V C, ekran akımı I e nedeniyle iç iletkende (2) indüklenen gerilimi V N ise I 1 gürültü akımının iç iletkende indüklediği gerilimi V N - V C iç iletken üzerindeki gerilimi temsil etmektedir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 71
Gürültü Gerilimi EKRANLI ve EKRANLANMAMIġ ĠLETKEN ÜZERĠNDEKĠ GÜRÜLTÜ GERĠLĠMĠNĠN FREKANSLA DEĞĠġĠMĠ (db V) V N -V C Re V N VC M12I1 Le 3dB Ekran kesim frekansı V N EkranlanmamıĢ Ġletken Re c L e j M 12 I 1 Ekranlama Etkinliği 5Re L Ekranlı Ġletken e EMU da kullanılacak ekranlı kabloların kesim frekansları f c bilinmelidir. f<fc iken akranlama etkili olmaz. f>fc durumunda etkin ekranlama sağlanır. Frekans Ekran üzerinden akım akmaya devam ettikçe, kesim frekansının yaklaģık 5 katı bir frekans değerinden büyük frekanslar için mükemmel ekran etkinliği sağlanır ve bu bölgede manyetik alana karģı etkili ekranlama elde edilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 72
KABLO EKRANLARININ TOPRAKLANMASI Ekranın tek noktadan topraklanması elektrik alan kuplajı için etkili olurken, Manyetik gürültü kuplajı üzerinde çok az bir etkiye sahiptir. Manyetik kuplajda ekran ve toprak dönüģündeki akımlar önemlidir. 1 Ekran I 1 Toprak üzerinden akan akımlar ekran etkinliğini azaltacaktır (I CM ). V 1g I e ICM R 1 Ekran kesim frekansı üst bölgesinde ekran akımı merkez iletken akımına yaklaģır. Etkin bir ekranlama elde edebilmek için dönüģ akımının ekran üzerinden akmasının sağlanması gerekir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 73
KABLO EKRANLARININ TOPRAKLANMASI DönüĢ akımının tamamının ekran üzerinden akması sağlanır. Bu yöntem düģük frekanslar için etkin bir ekranlama sağlar. Ġki ucundan topraklı bir iletkeni manyetik alan giriģiminden korumak için, iletken ekranlanmalıdır ve ekran iki ucundan topraklanmalıdır. Bu, (f > f c ) ekran kesim frekansından büyük frekanslarda iyi manyetik alan erkanlaması sağlar. Frekans < 5f c olduğu zaman; dönüģ akımının çoğunluğu toprak düzlemi kullanacağından, kablonun manyetik alan erkanlama etkinliği azalacaktır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 74
KABLO EKRANLARININ TOPRAKLANMASI ġekilde görüldüğü gibi kablo sonundaki toprak bağlantısı iptal edilirse; dönüģ akımının tamamı ekran üzerinden akar. Bu, genellikle f<fc için uygun bir yöntemdir. Ekranın 2 ucundan topraklanması, toprak dönüģ yolu üzerinden bir miktar akım akacağı için ekranlamayı azaltır. 1 Ekran I 1 V 1g I 1 I e =I 1 R 1 Toprak bağlantısı yok 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 75
KABLO EKRANLARININ TOPRAKLANMASI Kablo ekranı iki ucundan topraklandığı zaman, oluģan toprak çevrimindeki gürültü akımları nedeniyle manyetik alana karģı sınırlı bir ekranlama sağlanır. Kablo ekranı sadece bir uçta topraklanmıģ olsa bile, gürültü akımları ekrana olan kapasitif kuplaj yoluyla hala ekran üzerinden akabilir. Bu nedenle düģük frekanslarda çok iyi bir ekranlama elde edebilmek için, ekran sadece sinyal dönüģ iletkeni olmamalı aynı zamanda bir ucu da mutlaka topraktan izole olmalıdır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 76
EkranlanmıĢ Burgulu Çift Ġletken Elektrik alan etkili biçimde ekranlanır Manyetik alan etkili biçimde zayıflatılır 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 77
Ekranı Yük Tarafından Topraklı Kablo Elektrik alan etkili biçimde ekranlanır Manyetik alan için ekranlama sağlamaz. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 78
Ekran Konnektör Bağlantısı EMU uygulamalarında kablo konnektör bağlantıları da çok dikkatli yapılmalıdır. Koaksiyel kablonun dıģ iletkeni ekrana bağlanmıģtır. Bu kolay ve pratik bir çözümdür, ancak yüksek frekanslarda anten etkisi oluģarak EM ıģıma meydana gelir. 360 o derece bağlantı sağlayan ekranlı D-Tipi bağlantı konnektörü 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 79
Ekran Konnektör Bağlantısı Kötü Yüksek frekanslarda bir anten gibi davranarak ışıma yapacaktır. Uygun bir Ekran Sonlandırması için: 1-Toprak bağlantı empedansı çok küçük olmalıdır. İyi 2-360 o de çok net bir Ekran teması sağlanmalıdır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 80
Kablo Ekranlarının Toprak Bağlantı Örnekleri 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 81
Kablo Ekranlarının Toprak Bağlantı Örnekleri 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 82
Ekranlı Kablo Bağlantı Elemanları 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 83
Ekranlı Sistemler Arasında Kablo Bağlantıları 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 84
Ferrit Bilezik Ġstenmeyen yüksek frekanslı iģaretleri süzmek için ferrit bilezik içersinde iģaret kabloları sargı Ģeklinde dolaģtırılabilir. Yüksek frekanslarda saçılı kapasitesi minimuma çekmek ve zayıflamayı artırmak için Ferrit bilezikler (Ģok) kullanılır. Sargı sayısı ferrit bileziğin empedans etkisini arttırır ancak ferromanyetik rezonans frekansını düģürür. Pratikte, sargılar arası kaçak kapasitif etki oluģtuğundan, ikiden fazla sarım kullanılmaz. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 85
EMU Contaları Örgülü contalar Elastomer contalar Tekstil contalar Spiral yay contalar Karbon Katkılı Elastomer contalar 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 86
Ekranda EM GiriĢimin önlenmesi Doğru YanlıĢ Ekranlı kutularda doğru Conta bağlantıları 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 87
KABLO BAĞLANTILARI Kabloları birbirine, belli bir panele ya da yüzeye bağlarken sıkı temas çok önemlidir. Sıkı geçme yanında geniģ Ģeritlerle topraklama sağlanması da önemlidir. Çevre yüzeylerin iyi teması açısından iletken katkılı plastikler, contalar ya da yaylar kullanılır. Ġletken katkılı plastikler ve contalar ucuz ve kolay monte edilebilir olmalarına karģın izolasyonu düģük ve ömürleri kısadır. Uygulamada plastik, örgülü, tekstil, karbon katkılı conta tipleri kullanılır. Yaylar sıkı geçme sağladığından iyi izolasyon sağlarlar, kendi kendilerini aģınmaya karģı korurlar, ancak pahalı ve montajı zordur. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 88
KABLO BAĞLANTILARI Yüzey montajlarında iletkenlerin kontak yüzeyleri temiz olmalı ve tam temas sağlanmalıdır. Yüzeyler arasında yağ, toz ve pas gibi maddeler bulunmamalıdır. Yüzey montajlarında zamanla paslanma önemli bir EMU sorunu oluģturur. Paslanmanın iki temel nedeni Ģunlardır: Galvanik Etki: Farklı türden iki metalin oluģturduğu kontak yüzeyindeki rutubetten kaynaklanır. Zamanla bir pil gibi yüzeyi aģındırır. Elektrolitik Etki: Nem ve bağlantılar üzerinden akan akım bağlantı üzerinde elektrolitik etkiler oluģturur. Bu etki kullanılan metallerden bağımsızdır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 89
TOPRAKLAMA 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 90
TOPRAKLAMA IEEE topraklama tanımını Bir elektrik devresi yada cihazın, iletken bir ara bağlantı ile, istemli ya da istem dışı olarak, yeryüzü (toprak potansiyeline) yada toprak yerine geçebilecek büyüklükte referans olan bir yüzeye bağlanması şeklinde vermiştir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 91
TOPRAKLAMA EMG problemlerinin azaltılmasında uygun yapılmıģ bir topraklama çok önemlidir. Özellikle EMG sinyallerinin topraklanmasında frekans faktörü belirleyici rol oynar. Bundan dolayı EMG sinyal topraklamaları, 50Hz DC ve AC hatlar için yapılan topraklamaya göre bazı farklılıklar içerir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 92
TOPRAKLAMA Tüm iletkenler belli bir Z empedansına sahiptirler. Empedans genellikle Z=R+jX L yapısındadır. X L =2 fl f Z EMU da sinyal topraklaması yanında 50 Hz güç topraklaması çok daha az öneme sahiptir. Güç toprağı üzerinde ölçülen gerilim değeri genellikle 100-200mV lar mertebesinde veya V mertebesindedir. Güç topraklamasında tek noktadan topraklama güvenlik için gereklidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 93
Pratikte toprak yerine geçebilecek yapılardan bazıları: Çelik kafes binalar Araç gövdesi (otomobil, uçak, gemi, uzay gemisi) Su boruları Toprak elektrotlu sistemler Topraklama plakası ve kafesi vb. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 94
TOPRAKLAMA Farklı birimlerin veya elemanların bağlantı yapılarına göre, farklı topraklama biçimleri mevcuttur. EMG açısından öne çıkan ve yaygın kullanılan Temel Yöntemler: Tek-nokta topraklaması Çok-nokta topraklaması Hibrit Topraklama Bu topraklama yöntemlerinden hangisinin kullanılacağı topraklanacak sistemin çalıģma frekans sınırları ile ilgilidir. Sinyal frekansı 300kHz e kadar olan analog devreler tek-nokta topraklaması için uygundur. Buna karģın sinyal frekansı MHz lerde olan analog/dijital devreler için çok-nokta topraklaması tercih edilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 95
Toprak Empedansı Ġyi bir EMU topraklaması, sinyal referans gerilimleri için sıfır empedans düzlem olarak düģünülebilir. Pratik uygulamalarda, iki toprak noktası arasındaki ortak empedans üzerindeki toprak akımına bağlı olarak, iletim yollu giriģim meydana gelir. Devre-1 Devre-2 V=Z t I Toprak yüzeyi I Z t >0 Sıfır olmayan toprak empedansı nedeniyle ortak empedans girişimi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 96
Tek-Nokta Topraklaması Her alt sistem referans toprağa ayrı ayrı bağlanır. Pratikte basit yapısı nedeniyle Seri-Bağlı sistem yapısı kullanılır. Küçük sistemler için oldukça kullanıģlıdır. Farklı güç seviyeleri içeren büyük yapılı sistemlerde kullanılmamalıdır. Yüksek seviyeli devre yapıları daha büyük toprak akımına neden olur, bu diğer alt seviyeli devrelere zarar verebilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 97
Tek-Nokta Topraklaması (f<<) Seri Bağlı Sistem: Kaynak Devre-1 Devre-2 Devre-3 Z 1 Z 2 Z 3 V A V B V C I 1 +I 2 +I 3 I 2 +I 3 I 3 V A < V B < V C Farklı sistem noktaları arasında gerilim farklarına neden olabilir 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 98
Tek-Nokta Topraklaması (f<<) Paralel Bağlı Sistem: Kaynak Devre-1 Devre-2 Devre-3 Z 1 I 1 Z 2 I 2 Z 3 I 3 Paralel bağlı toprak sistemi f<< için çok tercih edilir. Tesis bakımından sağlıklı fakat kablo uzunluğu bakımından ekonomik değildir. f>> için Z artar. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 99
Tek-Nokta Topraklama Sisteminde: f XL=2 fl ve buna bağlı olarak toprak empedansı Z artar. Yüksek Frekanslarda iletken boyutu /4 ün tek katlarında bir uzunluğa eriģirse; Toprak iletken empedansı daha yüksek değerlere ulaģabilir. Bu durumda sadece Z artmayacak, aynı zamanda iletken bir anten gibi davranarak IŞIMA ya neden olacaktır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 100
Tek-Nokta Topraklama Sisteminde: Toprak iletkeni boyu L, L /20 olması gerekir. Böylece Toprak iletkeni ANTEN davranıģı gösteremez. Toprak empedansı Z T düģük tutulur. Yüksek Frekanslarda Tek-nokta topraklaması tercih edilmez. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 101
Tek-nokta topraklama sistemi, sistem ve alt sistem uygulaması Sistem-Y Sistem-X X1 X2 X3 Sistem-Z Topraklama Barası Sistem-X topraklama noktası Alt sistem X3 topraklama noktası Yıldırım koruma Toprak elektrot sistemi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 102
Çok-nokta Topraklaması Sinyal topraklamasında yüksek frekanslar (f >10MHz) için çok nokta topraklaması öne çıkar. Bu sistemde her bir eleman en kısa yoldan toprağa bağlanır. Kaynak Devre-1 Devre-3 Devre-3 Toprak Düzlem Z 1 Z 2 Z 3 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 103
Çok-nokta Topraklaması YF larda ve dijital devrelerde toprak empedansını minimuma indirmek için kullanılır. Yüksek frekanslarda iç sistemler arasında farklı notalarda farklı gerilimler oluģabilir. Bu potansiyel farklarını sıfır toprak potansiyeline getirebilmek için çok noktadan yapılan topraklama iyi sonuç verir. Çünkü her bir devre elemanı ortak toprak empedansı üzerinden akar. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 104
Frekansa Göre Topraklama Tipi Seçimi f 1 MHz Tek-Nokta Topraklaması f> 10 MHz Çok-Nokta Topraklaması 1 f < 10MHz Aralığında Tek-Nokta Topraklaması kullanılabilir. Ancak; topraklama iletken boyutu L < /20 olmalıdır. ġayet L > /20 Çok-Nokta Topraklaması uygulanabilir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 105
Sistem ve alt sistem içeren çok-nokta topraklama örneği Sistem-Y Sistem-Z Sistem-X X1 X2 X3 Bina çelik bağlantıları Toprak elektrot sistemi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 106
Hibrit Topraklama Farklı frekanslarda topraklama yapısı değiģebilen toprak sistemidir. 1 2 f<< için Tek-nokta topraklaması (C açık devre) Harici koaksiyel kablosunun her iki ucunun Ģase üzerinden topraklanması AF Topraklama YF Topraklama f>> için Çok-nokta topraklaması (C Kısa devre) Hibrit topraklama tasarımında, toprak düģük frekanslarda tek nokta, yüksek frekanslarda çok noktalı toprak gibi iģlev görür. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 107
Hibrit Topraklama Güç Kaynağı CPU Bilgisayar Bilgisayar terminali ve klavye Güç ve yüksek frekansa karģın düģük empedanslı güvenlik topraklaması Topraklama kablosu f<< için Çok-nokta topraklaması olarak iģlev görür (L kısa-devre) f>> için Tek-nokta topraklaması olarak iģlev görür (L açık-devre) 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 108
YAPISINDA ÇELĠK ĠÇEREN BĠNA Hibrit Topraklama YÜKSEK FREKANS EKĠPMANLARI ALÇAK FREKANS EKĠPMANLARI TOPRAK ELEKTROT SĠSTEMĠ YILDIRIM KORUMA SĠSTEMĠ TOPRAK ELEKTROT SĠSTEMĠ HĠBRĠT TOPRAKLAMA SĠSTEMĠ 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 109
YÜK FREKANLARDA KABLO EKRANI TOPRAKLAMASI f<1mhz için: Ekran normal olarak tek-uçtan topraklanır Aksi halde büyük değerli 50Hz gürültü akımları ekran üzerinde dolaģabilir ve sinyal iletkenine giriģim yapar. Tek uçtan yapılan topraklama, ekran-toprak çevrimini ortadan kaldırır ve manyetik giriģimi yok eder 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 110
YÜK FREKANLARDA KABLO EKRANI TOPRAKLAMASI f>1mhz ise veya L> /20 ise: Bu durumda kablo ekranı 1 den fazla noktadan topraklanmalıdır ki ekran potansiyeli toprak potansiyelinde kalsın. f>> olduğu zaman ekran ile toprak arasında oluģan saçılı kapasite problemi ortaya çıkar. Bu durumda ekran-toprak arasında kapalı çevrim oluģur. V s C s Yüksek frekanslarda saçılı C s ile oluģan ekran-toprak çevrimi 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 111
YÜK FREKANLARDA KABLO EKRANI TOPRAKLAMASI f>1mhz de skin effect kuplaj etkisin azaltır. Gürültü akımları ekran yüzeyinden akmaya baģlar. Sinyal ekranın iç yüzeyinden akmaya devam eder. Çoklu noktadan topraklama; koaksiyel kablo kullanılması durumunda yüksek frekanslarda manyetik alana karģı ekranlama etkinliğini artırır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 112
YÜK FREKANLARDA KABLO EKRANI TOPRAKLAMASI ġekilde görüldüğü gibi, C s saçılı kapasite eģdeğeri yerine gerçek değerli bir kapasite bağlanırsa Hibrit Topraklama sağlanmıģ olur. Bu yapı düģük frekanslarda tek-nokta topraklama sı olacaktır. Yüksek frekanslarda C s kısa devre olur ve sistem çoknokta topraklamaya dönüģür. Bu konfigürasyon sistemin geniģ bir frekans aralığında çalıģmasını sağlar 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 113
ÖZET Alçak frekanslarda Tek-nokta topraklaması kullanılmalıdır. YF da ve dijital devre topraklamalarında Çok-nokta topraklama sistemi kullanılabilir. 2 yada daha fazla noktada toprağa bağlı hatlarda, bağlantı noktaları arasında ortak mod için gerilim düşümü oluşabilir. Topraklama hattının en uzun boyutu, en yüksek frekanstaki en küçük dalga boyu ile kıyaslanır. Pratikte; Topraklama Boyu< /10 kuralı yeterli bir yaklaģım sağlar. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 114
ÖZET YF da, sinyal kabloları etrafındaki ekranlar, genellikle bir noktadan daha fazla noktada topraklanmalıdır. Düşük frekanslı sistem en az üç ayrı toprak dönüşüne sahip olmalıdır. Sinyal toprağı Gürültü Toprağı Donanım toprağı Sinyal devresi 2 ucundan topraklanmış ise, oluşan toprak çevrimindeki Manyetik alanlar Toprak Fark gerilimlerinin neden olduğu gürültülere hassas hale gelir. Toprak çevrimlerini yok etme yöntemleri: Ġzolasyon trafosu CM ġok Bobini Optik kuplör Diferansiyel Amplifikatörler 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 115
BASKI DEVRELERDE (PCB) PRATĠK EMG KONTROL YÖNTEMLERĠ 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 116
PCB tasarımında özellikle ESD etkisine karģı temel önlemler Basit PCB devresi için sinyal ve toprak hattı arasında oluşan kapalı çevrim örneği: +5V IC IC GND Sinyal-toprak hattı arasındaki ÇEVRİM ALANININ küçültülmesi gerekir. Bunun için Sinyal ve Toprak iletkenleri birbirlerine yakın yerleştirilmelidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 117
Sinyal ve Toprak iletkenleri birbirlerine yakın yerleģtirilmelidir. IC ZAYIF GND +5V +5V GND İYİ +5V GND ÇOK İYİ 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 118
Paralel iletken yollar azaltılmalıdır. YANLIŞ İYİ Dairesel (Loop) anten olarak iģlev görürler. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 119
Sinyal yolları toprağa yakın olmalıdır. +5V IC IC GND ZAYIF +5V GND IC İYİ IC +5V GND IC TOPRAK DÜZLEMİ IC MÜKEMMEL 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 120
Özellikle hassas elemanlarda, uzun sinyal ve güç hatları için belli ararlıklarla iletkenlerin toprak hattı ile yerleri değiģtirilebilir (transpose). IC IC IC IC Böylece çok küçük alana sahip kapalı çevrimlerin oluģması sağlanır. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 121
Mümkünse Sinyal Beslemelerinin PCB KöĢeleri Yerine Merkezden Yapılması 20cm 10cm 10cm 10cm 10cm 15cm Sinyal Beslemesi Köşeden Sinyal Beslemesi Merkezden 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 122
ÖZET Sistemde endüktans etkisi azaltılmalıdır. Bunun için L ya da akımın değiģim hızı (di/dt) minimuma çekilmelidir. Endüktansın azaltılmasında devre yerleģimi en önemli faktördür. Çevrim kapatan devre yollarının alanları olabildiğinde küçültülmelidir. Eleman bacakları kısa tutulmalıdır. ĠĢaretin gidiģ ve dönüģ yolları birbirine yakın tutulmalıdır. Mümkün ise burgulu (twisted pair) hatlar kullanılmalıdır. Ana iģaret hatları referansın yakınında olmalıdır. Yüzey montajlı elemanların kullanımı tercih edilmelidir. 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 123
Kaynaklar ġükrü Özen, Niyazi Arı, Elektromanyetik Uyumluluk, Palme Yayınevi 2008 Leven Sevgi, Tasarımdan Üretime Elektromanyetik Uyumluluk, Eksen Yayıncılık,2006 IEEE, IEE, URSI yayınları C.R. Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, John Wiley Interscience, NY, 1992. David Morgan, IEE A Handbook for EMC testing and Measurement, Peter Peregrinus Ltd., 1996 Don White, The EMC, Telecom and Computer Encyclopedia Handbook, emfemi control inc. Viginia, USA Marshman Ch. Guide to the EMC DIRECTIVE 89/336/EEC 1995 ICNIRP, International Non-Ionizing Radiation Committee of the IRPA Guidelines on limits of Exposure to Radio Frequency EM Fields in the Frequency Mardigiuan M. Electrostatic Discharge, Inc. Gainesville 1986 Sten Benda, Interference-free electronics, Design and applications, Studentlitteratu, Sweden, 1991 Jasper J. Goedbloed, Electromagnetic Compatibility, Prentice Hall, 1990 Michel Mardiguian, Controlling Radiated Emissions by Design, Second Edition, Kluwer Academic Publisher, 2001 V.Prasad Kodali, Engineering Electromagnetic Compatibility, IEEE Pres, 1996 Rocco F. Ficchi, Practical Design for Electromagnetic Compatibility, Hayden Book Company, INC, 1971 Henry W. Ott, Noise Reduction Techniques in Electronic Systems, 2nd Edition, John Wiley & Sons, 1988 01.01.2016 Doç.Dr.ġükrü ÖZEN 124