TÜBİTAK UME
ULUSAL METROLOJİ METROLOJİ ENST ENSTİİTÜSÜ
EMI/EMC (Elektromanyetik Girişim ve Uyumluluk) Fatih ÜSTÜNER Tel: 0 262 679 5031 e-Posta:
[email protected]
Aralık 2011
Elektromanyetik Girişim
1935
2000
14.12.2011
RFI : Radio Radio Frequ Frequenc encyy Interference
Elektromanyetik Girişim
Işıma yoluyla (Radiated) In , Vn
220 VAC
İletkenlik yoluyla (Conducted) 14.12.2011
Elektromanyetik Girişim (Electromagnetic Interference – EMI)
Girişim, elektrik ve elektronik cihazlar ın performansında bozulmaya, istenmeyen tepkiler vermesine veya hatalı işlemesine yol açan radyo frekanslar ında doğal veya insan kaynaklı her türlü bozucu etki, işaret ve emisyondur.
14.12.2011
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.
14.12.2011
Cihazda Elektromanyetik Girişim Portlar ı RS
RE RS
RS
RE
CE CE
RE
Güç Hattı
CS
Anten Terminali
İşaret Hatlar ı
CS
RE - Radiated Emission: Işıma yoluyla Emisyon RS - Radiated Susceptibility: Işıma yoluyla Alınganlık CE - Conducted Emission: İletkenlik yoluyla Emisyon CS - Conducted Susceptibility : İletkenlik yoluyla Alınganlık
14.12.2011
RS
RE
Cihazın Platforma Yerleştirilmesi Uçak Elektromanyetik Ortam ı ı
Sistem-içi EMI
Yıldırım
RF Verici
EMP 14.12.2011
Elektromanyetik Ortam
Elektromanyetik giri şim, etkilenen cihaz ın bulunduğu elektromanyetik ortamın bir sonucudur. Belirli bir bölgede meydana gelen tüm elektromanyetik olaylar, elektromanyetik ortam ı oluştururlar. Elektromanyetik çevreyi karakterize eden iki unsur sözkonusudur: Frekans / Zaman Genlik; elektromanyetik enerjinin
14.12.2011
elektrik alan şiddeti, manyetik alan şiddeti, gerilim akım güç gibi herh herhangi angi bir formud formudur ur
Elektromanyetik Spektrum
14.12.2011
Elektromanyetik Ortam Etkileri (E3) Etkileri
EMI/EMC : Elektromanyetik girişim / uyumluluk (ElectroMagnetic Interference / Compatibility) Yıldır ım EMP : Elektromanyetik darbe (ElectroMagnetic Pulse) ESD : Elektrostatik deşarj (ElectroStatic Discharge) RADHAZ : Elektromanyetik ışımanın insan,mühimmat ve yakıt üzerinde oluşturduğu tehlikeler (Electromagnetic RADiation HAZards) TEMPEST : Elektromanyetik emisyonun bilgi içeri ğinin düşman taraf ından kullanılması
14.12.2011
Yıldır ım
Etkiler
14.12.2011
Doğrudan Dolaylı
Elektrostatik Boşalma - ESD
Elektronik devrelerde performans dü şmesi Yar ı iletkenlerin fiziksel zarar görmesi Yakıt ve mühimmata kar şı etkisi
14.12.2011
Elektromanyetik Darbe - EMP Elektromanyetik Darbe (EMP); nükleer bir patlama sonucu meydana gelen, çok büyük genlikli ve ani yükselen geçici elektromanyetik alandır.
Nükleer patlama
γ
γ Gamma/hava etkileşim bölgesi
Yeryüzü 14.12.2011
Elektromanyetik Işıma Zararlar ı - RADHAZ
Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel
Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel
Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance
14.12.2011
TEMPEST Cihazlardan yayılan elektromanyetik emisyonunun düşman taraf ından algılanarak ve uygun işaret işleme teknikleri kullanılarak emisyon içindeki bilgi içeriğinin elde edilebilmesi tehdidi TEMPEST olarak bilinmektedir.
PC RE CE Güç Hattı Emisyonlar ı Akım Probu
14.12.2011
Saat ve/veya harmoniklerin AM (Genlik Modüleli) Emisyonlar ı
Veri Kaydı , Görsel ve İşitsel Sinyal Analizi
Anten
AM / FM Çıkış RF alıcı ve Demod.
Eşzamanlama Sinyalleri
EMI Problemi
Üç Ana Unsur Kaynak
Kaynak : Kuplaj yolu : Etkilenen sistem :
14.12.2011
Kuplaj yolu
Etkilenen sistem
Girişim enerjisini yayan Giri şim enerjisinin iletimi Girişim enerjisinden etkilenme
Kuplaj Mekanizmalar ı
KUPLAJ
Uzaysal Işıma (Radiated)
14.12.2011
Elektriksel İletkenlik (Conducted)
İletkenlik Yoluyla Kuplaj Mekanizmalar ı Yük #1 (gürültü kaynağı)
R3
R4
1k Ω
1k Ω
Yük #2
i m i l i r e G i c n e r i D 2 R
V2 1V 1kHz 0Deg
Besleme Kaynağı R1 V1
1kΩ R2 1kΩ
28 V 60 Hz 0Deg
Yük #2
Doğrudan iletim kuplajı 4
V2 0 V 28 V 50usec 100usec L=5 cm, w=4 mm R2 L1 2 3
0
V1
1mO
12nH R3 100kO
0.1 Vrms 1kHz 0Deg 1
Ortak empedans kuplajı
14.12.2011
R1 5O
i m i l i r e G 1 V
m i l i r e G e d n i r e z Ü i c n e r i D 3 R
Kuplaj Modlar ı I D
Cihaz #1
I D
Cihaz #2
Fark Modu (Differential Mode) I C
Cihaz #1
Cihaz #2
I C I C
Ortak Mod (Common Mode) :
14.12.2011
Fark Modu Işıması
E φ
=
ηπ IA 2
λ R
sin θ
İŞARET HATTI
I D
İŞARET TOPRAĞI
FARK MODU IŞIMASI
14.12.2011
Örnek: R = 10 m A = 10 cm2 f = 50 MHz E = 36 dBuV/m > I = 20 mA
Ortak Mod Işıması (Dipol Anten Yapısı) E θ
I C
V N DIŞ BAĞLANTI KABLOLARI
I C
İŞARET TOPRAĞI
ORTAK MOD IŞIMASI TOPRAK
14.12.2011
=
η I (2 ⋅ l ) 2λ R
sin θ
Örnek: r = 10 m l = 0.5 m f = 50 MHz E = 36 dBuV/m > I = 20 uA !!!
Işımayla Emisyon Deneyi
Deney düzeneği
TB_A
4-7.10.2011
TB_B
en Parametre -> Layout De ği şk
TB_C
TB_D
22
Işımayla Emisyon – Deneysel Sonuçlar Işımayla Emisyon Deneyi 80 70 TB_A 60
TB_A_kab
] 50 m / V u 40 B d [ E 30 R
TB_B TB_B_kab TB_C TB_C_kab TB_D
20
TB_D_kab 10 0 40
60
80
100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 Frekans [MHz]
14.12.2011
EMI Önlemleri
Topraklama (Grounding) Ekranlama (Shielding) Bağlama (Bonding) Filtreleme (Filtering) Kablolama (Cabling)
14.12.2011
Topraklama Baskı Devre Kartlar ı
Cihaz Kasası (Ekranı)
Filtreler
Güç Hattı
İşaret Hatlar ı
Topraklamanın amacı elektromanyetik girişime yol açabilecek RF gerilimlerinin oluşumunu azaltmaktır.
14.12.2011
Akım Dönüş Yolu Kavramı via
A
B Baskı Devre
•Akım daima düşük empedanslı yolu tercih eder. •Akımın gidişte A yolunu mu B yolunu mu seçece ği bu hatlar ın göstereceği empedansa bağlıdır. 14.12.2011
Düşük Empedans Yolu
Port #1 14.12.2011
Port #2
Frekans : 1 MHz FR4 boyutları : 100 x 100 x1 mm Normal hat kalınlığı : 1 mm K ısa 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 hatlar ı üzerindeki endüktif gerilim düşmelerinden kaçınmak için kullanılır. Dekuplaj kapasitesi anahtarlama sırasında sayısal devrenin çekeceği ani akımın deposu olarak görülebilir.
Anahtarlama esnasında çekilen anlık akımlar ın verilmesinde iki unsur önemlidir: Kondansatörün değeri Kondansatörün yerleştirilişi
4-7.10.2011
28
Ekranlama
Ekranlama belirli bir bölgeyi dış Gürültü elektromanyetik Kaynağ ortamdan izole etmek veya iç elektromanyetik ortamın dışar ıya sızmasını Alan Yok engellemek amacıyla kullanılır. ı
14.12.2011
EKRAN Alan Yok
EKRAN
Gürültü Kaynağı
Yar ık Analizi Geometrisi #1 (Yatay) 50 cm 40 cm Dipol RX 20 cm
Yarık GxY = 20x1 cm
Dipol TX 16 cm
Not : Dipol RX kutunun tam ortas ına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık hizasında Dipol RX’den 1 m uzağa yerleştirilmiştir. 14.12.2011
Yar ık 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 ortas ına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık hizasında Dipol RX’den 1 m uzağa yerleştirilmiştir. 14.12.2011
Yar ık Açıklık Sonuçlar ı – MoM Analizi Kutu Ekranlama Etkinliği 60.00 50.00 ] B d [ i ğ i l n i k t E a m a l n a r k E
40.00 30.00 Refdik - Dikey
20.00
Refyat - Yatay
10.00 0.00 0 0
. -10.00 0 5
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 0 . 5 5 5 5 5 5 5 5 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9
-20.00 Frekans [MHz]
14.12.2011
Ekranlama
4-7.10.2011
33
Bağlama
Bağ (Bond) iki iletken arasındaki elektriksel bağlantıdır. Referans noktasının cihazın her noktasında aynı seviyede olması ancak bağlantılar ın mükemmel yani çok düşük empedanslı yapılması ile mümkün olur.
14.12.2011
Kısa Devre Edilmiş Bir Telin Frekansa Bağlı Davranışı PORT P=1
MLIN ID=TL1 W=0.5 mm L=415 mm
Z=50 Ohm
MSUB Er=4.6 H=0.5 mm T=0.035 mm Rho=1 Tand=0.024 ErNom=2.2 Name=SUB1
Graph 1
10000
λ g
|Z[1,1]| tline
4
1000
100
10
λ g 20
1 .001
.01
.1 Frequency (GHz)
14.12.2011
1
Filtreleme
Filtreler iletkenler üzerinden yayılan elektromanyetik girişimi engellemek için kullanılırlar.
14.12.2011
Kablolama Şasi
konektörü
Konektör kabuğu
Cihaz #2
Cihaz #1 Ekranlı Kablo Konektör
Kablo elektromanyetik enerjiye ulaşacağı yüke kadar kılavuzluk yapan bir devre elemanıdır. Sistemin en uzun parçalar ını oluştururlar ve bu yüzden EMI gürültüsünün ortamdan alınmasında veya ortama verilmesinde etkin birer anten gibi davranabilirler.
14.12.2011
Elektromanyetik Alan – Kablo Etkileşimi Ekransız
Tek taraf 3600
Tek pigtail
Çift pigtail
Çift taraf 3600 14.12.2011
2m
EM Alan Kablo Kuplajı Deney Düzeneği x
İç iletken
E - alan Test Altında Kablo
GTEM RF Girişi
y
İşaret Üreteci 14.12.2011
PA
z
Koaksiyel Kabloya EM Alan Kuplaj ı Koaksiyel Kabloya Elektromanyetik Alan Kuplaji
80
70
60
50
Esik Her iki taraf 360 Tek taraf 360 Ekransiz Tek pigtail Cift pigtail Ekransiz(teorik)
) 40 A u B d ( 30 i m i k A ü t 20 l ü r ü G
10
0
-10
-20
-30 6 10
7
8
10
10
Frekans (MHz)
14.12.2011
9
10
Rezonans
Mesafe : 8 km Kaynak : 600 kW AM Radyo Vericisi Frekans f = 702 kHz, λ=c/f=427 m
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. 14.12.2011
EMI Problem ve Çözümleri Problemi çözmek için seçenekler
Çözümün maliyeti
Zaman Tasar ım
14.12.2011
Prototip
Tamamlanm ış ürün
EMI/EMC Doğrulama Test Tipleri/Aşamalar ı
Cihaz seviyesinde
78 9 A 4 56 B 12 3C #0 * D
Platform/Sistem seviyesinde
14.12.2011
EMI/EMC Standartlar ı
Standartlar ürünlerin kalitesini belirleyen temel unsurlardır. Standartlarda iki önemli unsur yer al ır:
Test sınır değerleri Test yöntemleri
Askeri cihazlar için ayr ı standartlar, ticari cihazlar için ayr ı EMI/EMC standartlar ı vardır.
14.12.2011
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)
14.12.2011
Testlerin Ana Temelleri Al ın ganl ı k
Emisyon Cihaz EMI Alıcısı
Sensör
Anten - RE
Akım Probu - CE
LISN - CE
14.12.2011
Cihaz
İşaret Üreteci
Transduser
Anten - RS
Akım Probu - CS
Trafo - CS
Bazı Örnek Sınır Seviyeler
Elektrik Alan
Manyetik Alan
Gerilim 14.12.2011
Desibel (dB)
Desibel (dB) iki değer arasındaki logaritmik oran ı temsil eder. Birimsizdir. Eğer herhangi bir büyüklük belirli bir taban olarak al ınırsa o büyüklüğe ait birim desibel teriminin arkas ına eklenir. Sembol E I P H B V
Büyüklük Elektrik Alan Şiddeti Ak ım Güç Manyetik Alan Şiddeti Manyetik Ak ı Yoğunluğu Gerilim
Not : 1 Tesla = 1 Wb/m2 = 104 Gauss 14.12.2011
Taban Seviyesi 1 uV/m 1 uA 1 mW 1 uA/m 1 pT 1 uV
Birimi dBuV/m dBuA dBm dBuA/m dBpT dBuV
Desibel (dB)
Kavram olarak Desibel güç seviyeleri arasındaki oranı gösterir. Bu durumda: P dB = 10 ⋅ log 10 ⎛ ⎜ 1 P ⎞⎟ ⎝ 2 ⎠ P1 P2
=
2
I 1 R 2
I 2 R 2
⎛ P1 ⎞ ⎛ I 1 ⎞ ⎜ ⎟ = 10 ⋅ log 10 ⎜⎜ ⎟⎟ 10 ⋅ log 10 ⎜ ⎟ ⎝ P2 ⎠ ⎝ I 2 ⎠ ⎛ P ⎞ ⎛ I ⎞ 10 ⋅ log 10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = 20 ⋅ log 10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠ ⎝ I 2 ⎠ Eğer gerilim veya akım seviyesinde ifade edilmek isteniyorsa aşağıdaki formül kullanılır: dB
=
⎛ V ⎞ 2 0 ⋅ lo g 1 0 ⎜⎝ 1 V ⎠⎟ 2
14.12.2011
Desibel (dB) – Basit Hesaplar
Güç seviyesinde 3 dB’lik bir değişiklik güç miktar ında 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
14.12.2011
• Güç seviyesinde 10 dB’lik bir değişiklik güç miktar ında 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)
14.12.2011
Akım Probu TAC Güç Kablosu 5 0 o h m k oa ks
Vout Akım probu
Iin
Z T
=
I indBuA
V out
Transfer empedansı
I in
= V out
dBuV
− Z T Ω dB
Akım probu esas itibariyle bir trafo işlevi görür.
14.12.2011
LISN Besleme Şebekesi
L1
L2
LISN
8 uF 5 ohm
DC/50 Hz/400 Hz Besleme 50 uH Gnd
0.25 uF
EMI Alıcı Gnd
1 kohm Gnd
TAC EMI Gürültü 10 kHz – 30 MHz Gnd
Önemli Not:
14.12.2011
EMI gürültü için işaret referans noktası toprak düzlemidir (Gnd). Besleme için referans diğer besleme hattıdır (L2).
Işıma Yoluyla Emisyon
Ölçüm büyüklükleri
Elektrik alan Manyetik alan
Ölçüm yöntemi
Elektrik alan antenleri Halka antenler
14.12.2011
Antenler Bikonik Anten (30 – 300 MHz)
Log-periyodik Anten (300 – 2000 MHz)
Huni Anten (2000 – 18000 MHz)
14.12.2011
Anten Faktörü (AF) E
V
50 Ω
Koaksiyel 50 ohm
E dBuV / m
= V dBuV + AF dB
EMI Alıcı
Önemli not: Kablonun araya giri ş kaybı mutlaka gözönüne alınmalıdır.
V x 14.12.2011
= V + ILkablo
Halka Anten
V B
BdBpT
V
50 Ω
Koaksiyel 50 ohm
= V dBuV + CF dB
V = 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ B ⋅ A 14.12.2011
EMI Alıcı V A B f
= Çık ış gerilimi = Halka alanı = Manyetik ak ı yoğunluğu = frekans
EMI Alıcı
Tipik bir EMI alıcı temel olarak bir superheterodin alıcıdır.
14.12.2011
Elektrik Alan Probu
Elektrik alan probu EMI al ıcının tersine genişbandlı bir cihazdır. Elektrik alan ölçüm aralığı 0.3 – 300 V/m (110 – 170 dBuV/m) Yüksek alanlar ın ölçümü yapılır. Rezistif hatlar
OPAMP
Schottky diyot
X
+
A/D
dipol
Y
Z 14.12.2011
+
+
A/D
A/D
uP
Ekran
Alınganlık Test Cihazlar ı (Devamlı Etki)
İşaret Kaynaklar ı
RF Güç yükselteçleri
30 Hz – 40 GHz
250 W 1 – 4 GHz
10000 W 10 kHz – 80 MHz 14.12.2011
3000 W 80 MHz – 1000 MHz
250 W 4 – 8 GHz 250 W 8 – 18 GHz
Alınganlık Test Cihazlar ı (Geçici Etki)
Geçici etki (transient) kaynaklar ı ESD
EFT/Burst
Surge
Voltage Dips/Interruptions
14.12.2011
Test Ortamlar ı
Ekranlı oda (Shielded room - Faraday cage) Yar ı yansımasız oda (Semi-anechoic room) Tam yansımasız oda (Anechoic room) Açık saha test alanı (Open Area Test Site)
14.12.2011
Açık Saha Test Alanı
14.12.2011
Işıma Yoluyla Emisyon Şartı Test Düzeneği 10 1000 MHz 300 MHz
9
8
7
6 ] m [ 2 h
E d
5
4
E r
3
2
1
0 -4
-2
0 ED/Ei [dB]
2
4
10 m
Aç ık Saha Test Alan ı (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, duvarlar ında 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)
14.12.2011
Yar ı Yansımasız Oda
14.12.2011
