Gündelik Yaşamda Elektromanyetik Uyumluluk (EMC)

Gündelik Yaşamda
Elektromanyetik Uyumluluk (EMC)
KAYNAK ELEKTRİK 2012 /HAZİRAN
Dr. Aysam AKSES (Elektrik Yüksek Mühendisi - ENTES Elektronik A.Ş. Kalite ve Test Müdürü)
Gelişen teknoloji hayatımıza
birçok yenilik ve kolaylık getirse de, daha önce tanışmadığımız
birçok yeni sorunu da hayatımıza
sokmuştur. Teknolojideki ilerlemeler, özellikle elektrikli-elektronik
cihazların artık yaşantımızın her
alanında yer almasını sağlamıştır.
İletişim sistemleri, elektronik
alanındaki ilerlemelerden en büyük payı alan sistemlerdir. Yakın
geçmişe kadar enerji, işaret ve veri
iletimi kablolu iletkenlerle yapılıyorken günümüzde kablosuz iletim yöntemlerinin yaygınlığı hızla
artmaktadır.
Teknoloji ile birlikte hayatımızda yaygınlaşan yeni sistemlerin insan sağlığına, çevreye ve de
birbirlerine etkileri de incelenmesi
zorunlu bir konu haline gelmiştir.
Bütün elektrikli, elektronik ve
elektromekanik cihazlar çalışırken
doğaları gereği çevreye bir miktar
elektromanyetik enerji çıkarırlar.
Ortaya çıkan veya ortamda var
olan bu enerjiden cihazların veya
sistemlerin etkilenmesine “Elektromanyetik Girişim” (Electromagnetic Interference, EMI) denir.
Elektromanyetik girişim, cihazların havaya yaydığı uzaysal ışıma
ile gerçekleşebileceği gibi cihazın
içinden çıkan kablolardan iletkenlik yoluyla da oluşabilir.
Bir elektromanyetik girişim
probleminde üç temel unsur;
kaynak, kuplaj yolu ve etkilenen
sistemdir. “Kaynak”, girişim problemini oluşturan enerjiyi üreten
sistemdir. “Etkilenen sistem” (kurban), kaynaktan yayılan enerjinin
ulaştığı ve bu enerji nedeniyle
normal çalışma şeklinin dışında
çalışmaya başlayan veya çalışama-
yan sistemdir. “Kuplaj” (bağlaşım)
yolu, kaynak ile etkilenen sistem
arasında enerjinin izlediği yolu ifade eder. Uzaysal ışıma ile oluşan
elektromanyetik girişimde hava,
iletkenlik yoluyla girişimde ise
kaynak ile etkilenen sistem arasındaki kablolar veya genel olarak
iletkenler kuplaj yolu olarak işlev
yapar.
“Elektromanyetik Uyumluluk”
(Electromagnetic
Compatibility,
EMC) ise, bir cihaz veya sistemin
elektromanyetik ortamda, bir girişime neden olmadan ve bir girişimden etkilenmeden çalışmaya
devam etmesidir. Başka bir ifadeyle cihaz veya sistemin çalışıyorken
diğer cihaz veya sistemleri etkilememesi ve onların çalışmasından
etkilenmemesi olarak tanımlanabilir. Elektromanyetik girişim problemini bir örnek üzerinde açıklamak
gerekirse; bir cep telefonunun görevini yapıyorken yani ses veya
veri iletişimini sağlıyorken aynı
ortamda bulunan bir uçağın sefer
sistemini etkilemesi, diğer taraftan
bakıldığında ise sefer sisteminin
cep telefonundan etkilenmesi bir
elektromanyetik girişim sorunudur. Bu problemde kaynak cep telefonu, kuplaj yolu hava, etkilenen
sistem ise uçağa ait sefer sistemidir. Enerji hava ortamında iletildiği
için uzaysal ışıma söz konusudur.
Aynı enerji şebeke hattına bağlı bir
televizyon ile bir matkabın çalışması, iletkenlik yoluyla oluşan girişime örnek olarak verilebilir. Bu
problemde kaynak durumundaki
matkap, çalışırken ürettiği bozucu
girişim enerjisini, içinden çıkan
enerji şebeke hattı vasıtasıyla şebekeye yayar. Matkabın güç kablosu,
kuplaj yolu olarak görev yapmakta, etkilenen sistem durumundaki
televizyon ekranında parazitlenme, bozulma meydana getirmektedir. Bu iki girişim örneğindeki
cihazların çalışıyorken birbirlerini
etkilememiş olması durumunda,
elektromanyetik uyumluluktan söz
edilebilir.
Elektromanyetik girişim problemini gündelik hayatımızda her yerde görebilmek mümkün. Cep telefonlarının gelen çağrılarda cihaz
hoparlörlerinde gürültüye neden
olması, televizyonlarda parazitlenmelere yol açması, ortak şebeke
enerji hattı kullanımı durumunda
gürültü üreten motorların diğer
duyarlı sistemleri etkilemesi ve
benzeri durumlar sıkça karşımıza
çıkmaktadır.
Ê
62
entes.makale.indd 1
26.06.2012 09:35
Elektromanyetik girişimin sonuçları çok çeşitli olabilir. Cep
telefonundan dolayı televizyonda
görülecek parazitlenmeler veya
müzik sisteminin hoparlöründen
duyulacak bozuk sesler gibi basit
rahatsızlıkların yanında bir uçağın
sefer sistemini bozarak uçağın düşmesine neden olma veya bir patlayıcı sisteminin ateşleme tertibatını
yanlış komutla tetikleme gibi çok
ciddi can ve mal kaybına yol açacak sonuçlar ile karşılaşılabilir.
Bu konuda verilebilecek çarpıcı
örneklerden biri 1967 yılında Birleşik Devletler silahlı kuvvetlerine
ait USS Forrestal uçak gemisindeki
kazadır. Sonradan gemi radarından
kaynaklandığı belirlenen anormal
bir gürültünün uçaklardan birine
takılı MK-32 roketini elektromanyetik girişim ile ateşlemesi sonucu
büyük bir yangın ve durdurulamayan patlamalar meydana gelmiştir.
Bu EMI problemi 134 kişinin ölümüne, 21 uçağın tamamen kullanılamaz hale gelmesine ve günümüz
rakamlarına göre toplamda 500
milyon dolardan fazla maddi hasara neden olmuştur. (Fotoğraf 1)
Günümüzde EMC, çok daha
hassas şekilde üzerinde durulan
bir konu haline gelmiştir. Askeri
alanlardan uzay teknolojilerine,
tıptan endüstriyel uygulamalara
veya otomotiv sektörüne kadar
her kesim EMC gereklerine uymak
durumundadır. EMC sağlamak için
ulusal ve uluslararası birçok sivil
ve askeri standart vardır. Bu standartlar temel olarak sistemin (veya
cihazın) çevresine yaydığı elektromanyetik enerjinin veya çevreden
etkilenerek alınganlık gösterdiği
enerjinin düzeyini sınırlar. Buna
göre standartlarda verilen test düzenekleri ile, açıklanan yöntemlerle EMC testleri uygulanır. En genel
ve yaygın kullanılan EMC test standardı IEC 61000 serisi standartlardır. Bunların Türkçe karşılıkları,
seri numarası aynı kalmak üzere
standart adının önüne TS kısaltması eklenerek yayımlanmıştır. Bu seriden özellikle 61000-4 serisi, EMC
gereği olan alınganlık-bağışıklık
testlerini tanımlar. Askeri standartlardan en yaygın kullanılanı ise
MIL STD 461/462 standartlarıdır.
Bu standartlar, Birleşik Devletler
Savunma Departmanı tarafından
hazırlanmış, ancak sonrasında tüm
dünyada kullanılmaya başlanmış
ve uluslararası geçerli bir standart
haline gelmiştir.
EMC testleri iki temel probleme
KAYNAK ELEKTRİK 2012 /HAZİRAN
Fotoğraf 1 - USS Forrestal uçak gemisindeki patlama sonrası yanan uçakları söndürme
çalışması (29 Temmuz 1967)
göre toplam dört ana başlık altında
gerçekleştirilir.
1- Test edilecek cihazın etkilenme miktarını gözlemlemek için
“alınganlık” (susceptibility) testleri
uygulanır. Aynı testler cihazın pozitif anlamda “bağışıklığını” (immunity) göstermektedir. Bağışıklık
(veya alınganlık) testlerinde temel
mantık, cihazın çevresinden maruz
kalabileceği enerji tipini benzeşim
metoduyla üretmek ve kontrollü
ortamda uygulamaktır. Bu amaçla
test altındaki cihaza, bir işaret üreteci kullanılarak standartların belirlediği genlik ve frekansa sahip işaret uygulanır. Uygulanan işaretin
cihazın kendisine veya kablolarına
direkt verilmesi prensibi ile yapılan deneysel çalışma “iletkenlik
yoluyla alınganlık” adı ile bilinir.
Bu gibi testler, her türlü çevresel
durumu yapay olarak oluşturarak
uygulanabilir. Şebekede meydana
gelebilecek anormal durumların
benzeşimleri de bu test tanımı dahilindedir. Örneğin test altındaki
cihazı besleyecek olan enerji şebekesinde meydana gelebilecek olan
kesinti, kabarma, dalgalanma gibi
farklı durumlar, ilgili standardın
belirlediği sınırlamalar ile cihaza
doğrudan uygulanır.
İletkenlik yoluyla alınganlık
testleri, havadan gelebilecek bozucu enerjinin cihaz iletkenlerine
binmesi (kuple olması) ile oluşabilecek problemleri gözlemlemek
için de uygulanır. Alınganlık (bağışıklık) testlerinin cihazın iletkenlerinden değil, doğrudan havadan
ışıma yoluyla gelmesi gibi durumları gösteren deneysel çalışmaya
“uzaysal ışıma yoluyla alınganlık”
testleri denir. İletkenlik yoluyla
bağışıklık testlerinde bozucu enerji cihaz iletkenlerine doğrudan
veya bir prob vasıtasıyla elektromanyetik olarak uygulanıyorken
ışıma yoluyla bağışıklık testlerinde
bir verici anten vasıtasıyla havadan uygulanır. Doğaldır ki bu ve
benzeri EMC testlerinin uygu- Ê
63
entes.makale.indd 2
26.06.2012 09:35
KAYNAK ELEKTRİK 2012 /HAZİRAN
lanması, bazı özel tasarlanmış test
ortamlarını gerektirir. Bu testlerin
uygulanması sonucunda test altındaki cihazda meydana gelen bozulmalar ilgili standarda göre değerlendirilir.
2- Test altındaki cihazın EMC
kapsamında
değerlendirilmesi
için uygulanması gereken diğer
grup testler, “emisyon” yani yayınım testleridir. Bu test grubu genel
olarak test edilmekte olan cihazın
çalışıyorken çevresindeki cihazları bozacak kadar yayınımının
olup olmadığını gözlemlemek için
yapılır. İlgili standartlar, test edilmekte olan cihazın emisyonunu sınırlayıcı değerler verir. Buna göre
emisyon testleri de bağışıklık testlerinde olduğu gibi iki farklı şekilde uygulanır. “İletkenlik yoluyla
emisyon” testleri, test edilmekte
olan cihazın kabloları vasıtasıyla
çevreye yaymış olduğu bozucu
enerjiyi inceler. Bunun için cihazın ilgili kabloları (güç, işaret, haberleşme vb.) doğrudan bir kuplaj
devresi ile veya bir izleme probu
kullanılarak alıcı sisteme bağlanır
ve standardın öngördüğü frekanslarda sağlanması gereken genlik
değerleri incelenir. “Uzaysal ışıma
yoluyla emisyon” testlerinde ise
benzer düzenek yardımıyla test
altındaki cihazdan uzaya yayılan
emisyonlar bu kez bir anten veya
sensör vasıtasıyla toplanarak alıcıya iletilir.
EMC problemlerinin çözümü
iyi bir teorik bilgi ve doğru mühendislik uygulaması gerektirir.
Her problemde olduğu gibi bir
EMC problemini çözerken, süreç
çok önemlidir. Bir cihaz veya sistemin tasarım aşamasından başlayarak her aşamada EMC kriterlerinin
gözetilmesi, süreç boyunca gerekli
aşamalarda doğrulama testlerinin
yapılması, olası problemlerin daha
erken farkedilmesini sağlar. Problemin çözülmesi geçen zamanla
birlikte zorlaşacaktır, çözüm seçeneklerinin sayısı da azalacaktır.
Bunun yanında olası çözüm için
uygulanması gerekenlerin maliyeti de üstel olarak artacaktır. Tasarımın başında yapılan bir müdahale ile üretim aşamasına gelmiş
bir sisteme yapılacak müdahale
arasındaki zaman kaybı, çözüme
ulaşabilme olasılığı ve de maliyet,
kıyaslanmayacak düzeydedir.
EMI problemlerine karşı alınacak tedbirler veya karşılaşılmış
olan sorunların çözümü çok çeşitlilik göstermektedir. Uygulanacak çözümler, cihaz veya sistemin
aşamasına göre de değişiklik gösterir. EMC’ye sahip bir cihaz veya
sistem tasarlarken izlenecek süreç,
öncelikle kullanılacak malzemelerin (komponent, devre elemanları)
EMC uyumlu seçilmesini gerektirir.
Malzemelerin devre kartı üzerinde
yerleşimleri ikinci adımda dikkat
edilecek konudur. Devrenin tasarımı, PCB çizimlerinin EMC kriterleri göz önüne alınarak yapılmasını
gerektirmektedir. Hazırlanmış olan
devre kartları, kendi içlerinde uygun yerlere yerleştirilmelidir. Burada öncelikli konu, farklı amaçlar
için kullanılan kartların birbirlerini
etkilememesini sağlamak ve sonrasında ortak gürültü üretmesine
engel olmaktır. Kartlardan oluşan
cihazların da EMC açısından değerlendirilmesi gerekir. Sistem tabanlı EMC uygulaması ise sistemi
oluşturan cihazların kendi aralarindaki uyumunu ve bu cihazların
beraber çalışıyorken çevreyle oluşturdukları uyumu inceler.
Bitirilmiş bir üründe EMC problemi ile karşılaşıldığında problemin
çözümü için yapılacak uygulamaları dört ana konu başlığı altında
birleştirebiliriz. Buna göre uzaysal
ışıma yoluyla oluşan problemlerde
temel çözüm uygun mesafe aralıklarını kullanma ve “ekranlama”
yapma (shielding) olarak kısaca
özetlenebilir. Elektriksel iletkenlik
yoluyla oluşan girişimlerde ise öncelikli tedbir, istenmeyen işaretleri
süzecek yapıda tasarlanmış olan
“EMI filtreler” kullanmaktır. Parazitik işaretleri sistem veya cihazın
işleyişini bozmayacak şekilde yönlendirmek için verimli ve doğru
“topraklama” yapmak gereklidir.
Son olarak da bütün iletkenlerin
doğru “bağlama” (bonding) ile birleştirilmesi konusuna dikkat edilmelidir.
Ülkemizde EMC konusunda
kamu kurumları ve büyük özel
kuruluşların münferit çalışmaları
vardır. EMC için üniversitelerde
ve özellikle TÜBİTAK bünyesinde,
tasarım, danışmanlık, test konularında uzun yıllardır faaliyetler yürütülmekte ve ülkemizin teknolojik ilerlemesine ulusal imkanlar ile
l
katkıda bulunulmaktadır.
64
entes.makale.indd 3
26.06.2012 09:35