153 - ursi.org.tr

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
RF Empedans Ölçümüne Dayanan Alternatif İletimle Yayınım Testleri
Soydan Çakır, Osman Şen, Mehmet Çınar, Mustafa Çetintaş
TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü
Gebze, Kocaeli
[email protected]
Özet: İletimle yayınım testleri; laboratuvarlar tarafından her zaman LISN kullanılarak CISPR22, CISPR11 ve
diğer benzer standartlara göre yapılmaktadır. Ancak bazı durumlarda Test Altındaki Cihaz (TAC)’ın yüksek
akım ve boyutları gibi bazı kısıtlamalardan dolayı EMC laboratuvarlarında Hat Empedans Dengeleyici (LISN)
kullanılarak testler yapılması mümkün olamamaktadır. Bunun sonucu olarak endüstri ortamı için alternatif test
metotlarının geliştirilmesi kaçınılmaz duruma gelmektedir. Bu çalışmada; TAC, kaynak ve kullanılan
kablolarının empedans ölçümüne dayanan alternatif iletimle yayınım testlerinin temelleri oluşturulmuş, LISN’ lı
referans ölçüm yöntemi ve empedans ölçüm yöntemine dayanan alternatif yöntem arasında korelasyon
kurulmuştur.
Abstract: Conducted emission tests are always performed by the use of LISNs in laboratories in accordance
with CISPR22, CISPR11 and other similar standards. However, it is not always possible to use LISNs because of
some limitations. If the EUT (Equipment Under Test) has large dimensions or high currents, it is not, most of the
time, possible to send it to an EMC laboratory or to use LISNs during the test. As a consequence, usage or
development of alternative conducted emission test methods are inevitable in industry. In this paper, we
establish the fundamentals of alternative conducted emission tests based on the impedance measurements of the
EUT, supply and used cables.
1. Giriş
Avrupa piyasasında satışa sunulan tüm ürünler temel EMC Direktifi gereklerini sağlamakla yükümlüdür. Genel
yöntem, piyasaya satışa sunulmadan önce elektronik ve elektriksel ürünlere EMC testleri uygulanmasıdır. EMC
laboratuvarlarının bakımı ve idamesi üretici firmalar açısından oldukça ağır bir yüktür. Dış EMC
laboratuvarlarının kullanımı ise genellikle pahalı ve ciddi zaman alıcı bir işlemdir. Ayrıca, dış bir EMC
laboratuvarının kullanımı çoğu kez büyük boyutlu ve yüksek akım çeken cihazlar için oldukça zordur. İletimle
yayınım testi özellikle endüstri için oldukça önemli EMC testlerinden biri olup 150 kHz – 30 MHz frekans
aralığında LISN kullanımı ile CISPR22 [1], CISPR 11 [2] ve benzeri standartlar uyarınca gerçekleştirilmektedir.
Fakat bazı sınırlamalar nedeniyle LISN kullanmak her zaman mümkün olmamaktadır, bu nedenle özellikle
endüstride standart olmayan alternatif metotların kullanılması kaçınılmazdır. LISN kullanılamadığı durumlarda
akım kelepçesi, kapasitif folyo probu ve EFT (Electrical Fast Transients) kelepçeleri gibi alternatif
komponentleri içeren bazı metotlar daha önce literatürde incelenmiştir [3]. Bu çalışmada; TAC, kaynak ve
kullanılan kabloların empedans ölçümlerine dayanan alternatif bir iletimle yayınım ölçümünün temelleri
atılmıştır.
2. Test Düzeneği, Teori ve Ölçüm Sonuçları
Bu araştırmada, 220 VAC ile çalışan Comtest marka 1415 model numaralı bir iletimle yayınım kaynağı TAC
olarak kullanılmıştır. Diğer yandan, bilinmeyen kaynak simülasyonları diğer adıyla şebeke simülasyonları ise
LISN’ ların farklı sayıda paralel bağlanması ile elde edilmiştir. Şebeke simülasyonlarının farklı sayıda LISN’
ların paralel bağlanarak elde edilmesinin amacı, şebeke simülasyonu için rezonansları olmayan araştırma için
uygun ancak referans iletimle yayınım düzeneğinden oldukça farklı bir kaynak empedansı oluşturmaktır.
Yapılan çalışmada, referans düzenek olarak 2 LISN’ lı standart düzenek kullanılırken, şebeke simülasyonu
olarak ise sırasıyla 4 ve 6 LISN’ lı sistemler kullanılmıştır. 4 LISN’ lı sistemde 2 LISN faz için paralel olarak
kullanılırken, diğer 2 LISN paralel olarak nötr için kullanılmıştır. 6 LISN’ lı simülasyon sisteminde ise benzer
şekilde 3 LISN paralel olarak faz için kullanılırken, diğer 3 LISN paralel olarak nötr için kullanılmıştır. Şebeke
simülasyonlarının kurulması sonrası, hem Ortak Mod (OM) hemde Farksal Mod (FM) için devre modelleri
kurulmuştur. Nihai olarak ise referans düzenek ile şebeke simülasyonları arasında teorik korelasyon değerleri
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
bulunmuş hemen ardından, bulunan teorik değerler deneysel değerlerle karşılaştırılarak bu araştırmada tanıtılan
alternatif test metodu detaylı bir şekilde incelenmiştir. Deneysel ölçümlerde, akım ölçümü akım probu
yardımıyla yapılırken, gerilim ölçümleri kapasitif gerilim probu ile gerçekleştirilmiştir. Teorik çalışmalarda OM
ve FM birlikte incelenirken, deneysel ölçümlerde sadece OM mod incelenmiştir çünkü testi yapılan referans
kaynak sadece OM yayın yapmaktadır. TAC’ ın, referans düzeneğin ve şebeke simülasyonların görünümleri
Şekil 1’ de sunulmuştur.
a)
b)
c)
d)
Şekil 1. a) TAC, b) referans 2 LISN’ lı düzenek, c) 4 LISN’ lı şebeke simülasyonu, d) 6 LISN’ lı şebeke
simülasyonu
Bu araştırmada tanıtılan alternatif iletimle yayınım ölçümü tamamen TAC, şebeke ve kullanılan kabloların ayrı
ayrı empedans ölçümlerinin yapılması işlemine dayanmaktadır. Kullanılan empedans ölçme yöntemi [4]’ te
detaylı olarak tanıtılmaktadır. Bu empedans ölçme yöntemi network analizör, 2 adet akım probu ve hassas değeri
bilinen bir empedansın kullanımını içermektedir.
(a)
(b)
Şekil 2. a) Empedans ölçüm düzeneği, b) TAC’ ın ölçülen OM empedansı
Empedans ölçme yöntemi Şekil 2 (a)’ de sunulmuş olup, (1)’ de verilen hesaplamalara dayanmaktadır.
;
;
;
(1)
Burada K bir katsayıdır. Vp1/Vp2 ise a-b portlarına takılan kısa, açık devre ve bilinen empedans olmak üzere
sırasıyla 3 durum için S11 and S12 parametrelerinden hesaplanan bir değerdir. Rstd bilinen referans empedans, Zx
değeri aranan, Zsetup ise kullanılan kabloların empedansıdır. (1)’ de verilen hesaplamalar zinciri sonuç olarak
değeri aranan empedansla birlikte kullanılan kablo empedanslarını da vermektedir. Şekil 2(b)’ de TAC’ ın bu
yöntemle ölçülen OM giriş empedans değeri verilmiştir. Ölçülen empedans değerleri kullanılarak kurulan OM ve
FM devre modelleri laboratuar ortamı için Şekil 3’ te, endüstri ortamı için ise Şekil 4’ te gösterilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 3. Laboratuvar ortamı iletimle yayınım devre modelleri, (a) OM model, (b) FM model
(a)
(b)
Şekil 4. Endüstri ortamı iletimle yayınım devre modelleri, (a) OM model, (b) FM model
Nihai olarak Şekil 3 ve Şekil 4’ te verilen devre şemalarından elde edilen endüstri ve laboratuarlar arasında ilişki
kurması beklenen K doğrulama faktörleri hem akım hem gerilim için OM ve FM olarak eşitlik (2) – (5)’ te
verilmiştir.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
(2)
(3)
(4)
(5)
Kullanılan referans düzeneğin ve şebeke simülasyonlarının ölçülen empedans sonuçları hem OM hemde FM için
Şekil 5’ te sunulmuştur. Şekillerde aynı grafik üzerinde hem referans düzeneğin hem de şebeke simülasyonların
empedansı aynı anda verilerek aralarındaki fark net olarak vurgulanmıştır.
a)
b)
c)
d)
Şekil 5. Kaynak empedansı eğrileri a) OM 4 LISN’ lı, b) FM 4 LISN’ lı, c) OM 6 LISN’ lı, d) FM 6 LISN’ lı,
Şekil 5’ te verilen empedans grafiklerinin ve Şekil 2(b)’ de verilen TAC empedans eğrisinin kullanımı ile elde
edilen teorik K doğrulama faktörleri ile birlikte deneysel elde edilen K faktörlerinin değerleri Şekil 6’ da
sunulmuştur. Şekil 6’ dan görüldüğü üzere laboratuar ve endüstri arasında bağ kurması beklenen teorik K
doğrulama faktörleri ile K deneysel faktörleri arasında ciddi uyumluluk gözükmektedir. Böylece endüstride akım
probları veya kapasitif gerilim kelepçeleri ile yapılan iletimle yayınım ölçüm sonuçları empedansa dayanan
doğrulama faktörleri kullanılarak LISN ile yapılan laboratuar ölçümlerine bağlanabilecektir.
a)
b)
c)
d)
Şekil 6. K faktör sonuçları a) akım (4 LISN), b) gerilim (4 LISN), c) akım (6 LISN), d) gerilim (6 LISN)
3. Sonuç
IND60 Avrupa Birliği projesi kapsamında yapılan ve EMRP tarafından desteklenen bu araştırmada, laboratuar
ortamlarına uymayan cihazların alternatif iletimle yayınım testleri için ilk adım atılmıştır.
Kaynaklar
[1]. CISPR22, Information technology equipment –Radio disturbance characteristics – Limits and methods of
measurement.
[2]. CISPR11, Industrial, scientific and medical equipment – Radio-frequency disturbance characteristics –
Limits and methods of measurement
[3]. Catrysse J., Vanhee F. , Knockaert J., Hendrickx I., Beauvois, V, “In situ testing of large machines:
Alternative methods for conducted emission measurements”, Electromagnetic Compatibility, IEEE International
Symposium on Electromagnetic Compatibility, Detroit, MI, pp. 1 - 6, 18-22 Aug. 2008
[4]. Tarateeraseth V., Bo Hu ; Kye Yak See, Canavero F.G., “Accurate Extraction of Noise Source Impedance of
an SMPS Under Operating Conditions”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 21, No.1,pp. 111-117,
Jan 2010