EMI/EMC

TÜBİTAK UME
ULUSAL METROLOJİ ENSTİTÜSÜ
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 Frequency
Interference
Elektromanyetik Girişim
Işıma yoluyla (Radiated)
In , Vn
220 VAC
14.12.2011
İletkenlik yoluyla (Conducted)
Elektromanyetik Girişim
(Electromagnetic Interference – EMI)
ƒ 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.
14.12.2011
Elektromanyetik Uyumluluk
(Electromagnetic Compatibility - EMC)
Bir cihaz,
ƒ Kendi içinde girişime yol açmıyorsa (öz
uyumluluk – self compatibility)
ƒ Diğer cihazlara girişimde bulunmuyorsa
ƒ Diğer cihazlardan kaynaklanan girişime
bağışıksa
elektromanyetik uyumlu demektir.
14.12.2011
Cihazda Elektromanyetik Girişim Portları
RS
RE
RS
RS
RE
CE
CE
RE
Güç Hattı
CS
Anten Terminali
İşaret Hatları
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 Ortamı
Sistem-içi EMI
RF
Verici
14.12.2011
Yıldırım
EMP
Elektromanyetik Ortam
ƒ Elektromanyetik girişim, etkilenen cihazın bulunduğu
elektromanyetik ortamın bir sonucudur.
ƒ Belirli bir bölgede meydana gelen tüm elektromanyetik
olaylar, elektromanyetik ortamı oluştururlar.
ƒ Elektromanyetik çevreyi karakterize eden iki unsur
sözkonusudur:
ƒ Frekans / Zaman
ƒ Genlik; elektromanyetik enerjinin
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
14.12.2011
elektrik alan şiddeti,
manyetik alan şiddeti,
gerilim
akım
güç gibi herhangi bir formudur
Elektromanyetik Spektrum
14.12.2011
Elektromanyetik Ortam Etkileri (E3) Etkileri
ƒ EMI/EMC : Elektromanyetik girişim / uyumluluk
(ElectroMagnetic Interference / Compatibility)
ƒ Yıldırım
ƒ EMP
: Elektromanyetik darbe (ElectroMagnetic Pulse)
ƒ ESD
: Elektrostatik deşarj (ElectroStatic Discharge)
ƒ RADHAZ : Elektromanyetik ışımanın insan,mühimmat ve
yakıt üzerinde oluşturduğu tehlikeler
(Electromagnetic RADiation HAZards)
ƒ TEMPEST : Elektromanyetik emisyonun bilgi içeriğinin
düşman tarafından kullanılması
14.12.2011
Yıldırım
ƒ Etkiler
ƒ Doğrudan
ƒ Dolaylı
14.12.2011
Elektrostatik Boşalma - ESD
ƒ Elektronik devrelerde performans düşmesi
ƒ Yarı iletkenlerin fiziksel zarar görmesi
ƒ Yakıt ve mühimmata karşı 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 Zararları - RADHAZ
ƒ Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel
ƒ Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel
ƒ Hazards of Electromagnetic Radiation to Ordnance
14.12.2011
TEMPEST
Cihazlardan yayılan elektromanyetik emisyonunun
düşman tarafından algılanarak ve uygun işaret işleme
teknikleri kullanılarak emisyon içindeki bilgi içeriğinin
elde edilebilmesi tehdidi TEMPEST olarak bilinmektedir.
PC
RE
CE
Güç Hattı
Emisyonları
Akım
Probu
14.12.2011
Saat ve/veya
harmoniklerin AM
(Genlik Modüleli)
Emisyonları
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
Girişim enerjisinin iletimi
Girişim enerjisinden etkilenme
Kuplaj Mekanizmaları
KUPLAJ
Uzaysal Işıma
(Radiated)
14.12.2011
Elektriksel İletkenlik
(Conducted)
İletkenlik Yoluyla Kuplaj Mekanizmaları
R3
R4
1kΩ
1kΩ
Yük #2
R2 Direnci Gerilimi
Yük #1
(gürültü kaynağı)
V2
1V
1kHz
0Deg
Besleme Kaynağı
R1
V1
1kΩ
R2
1kΩ
28 V
60 Hz
0Deg
Yük #2
ƒ Doğrudan iletim kuplajı
V2
0 V 28 V
50usec 100usec
R2
V1
1mO
2
L1
3
12nH
R3
100kO
0.1 Vrms
1kHz
0Deg
1
ƒ Ortak empedans kuplajı
V1 Gerilimi
L=5 cm, w=4 mm
0
14.12.2011
R1
5O
R3 Direnci Üzerinde Gerilim
4
Kuplaj Modları
ID
Cihaz #1
ID
Cihaz #2
ƒ Fark Modu (Differential Mode)
IC
Cihaz #1
Cihaz #2
IC
IC
ƒ Ortak Mod (Common Mode) :
14.12.2011
Fark Modu Işıması
ηπ IA
Eφ = 2 sin θ
λ R
İŞARET HATTI
ID
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)
η I (2 ⋅ l )
Eθ =
sin θ
2λ R
IC
VN
DIŞ BAĞLANTI
KABLOLARI
IC
İŞARET TOPRAĞI
ORTAK MOD IŞIMASI
TOPRAK
14.12.2011
Örnek:
r = 10 m
l = 0.5 m
f = 50 MHz
E = 36 dBuV/m
> I = 20 uA !!!
Işımayla Emisyon Deneyi
ƒ Deney düzeneği
TB_A
4-7.10.2011
TB_B
Değişken Parametre -> Layout
TB_C
TB_D
22
Işımayla Emisyon – Deneysel Sonuçlar
Işımayla Emisyon Deneyi
80
70
TB_A
RE [dBuV/m]
60
TB_A_kab
TB_B
50
TB_B_kab
40
TB_C
30
TB_C_kab
20
TB_D
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
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Topraklama (Grounding)
Ekranlama (Shielding)
Bağlama (Bonding)
Filtreleme (Filtering)
Kablolama (Cabling)
14.12.2011
Topraklama
Baskı Devre
Kartları
Cihaz Kasası
(Ekranı)
Filtreler
Güç Hattı
İşaret Hatları
ƒ 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 seçeceği bu hatların
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
Kısa devre hat kalınlığı : 10 mm
Dekuplaj Kondansatörü
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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:
ƒ Kondansatörün değeri
ƒ Kondansatörün yerleştirilişi
4-7.10.2011
28
Ekranlama
ƒ Ekranlama belirli bir
bölgeyi dış
Gürültü
Kaynağı
elektromanyetik
ortamdan izole
etmek veya iç
elektromanyetik
ortamın dışarıya
sızmasını
Alan Yok
engellemek
amacıyla kullanılır.
14.12.2011
EKRAN
Alan Yok
EKRAN
Gürültü
Kaynağı
Yarık 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 ortasına yerleştirilmiş olup, Dipol TX, yarık
hizasında Dipol RX’den 1 m uzağa yerleştirilmiştir.
14.12.2011
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.
14.12.2011
Yarık Açıklık Sonuçları – MoM Analizi
Kutu Ekranlama Etkinliği
60.00
40.00
30.00
Refdik - Dikey
20.00
Refyat - Yatay
10.00
-20.00
Frekans [MHz]
14.12.2011
85
0.
00
95
0.
00
75
0.
00
55
0.
00
65
0.
00
45
0.
00
25
0.
00
35
0.
00
-10.00
15
0.
00
0.00
50
.0
0
Ekranlama Etkinliği [dB]
50.00
Ekranlama
4-7.10.2011
33
Bağlama
ƒ Bağ (Bond) iki iletken arasındaki elektriksel
bağlantıdır.
ƒ Referans noktasının cihazın her noktasında aynı
seviyede olması ancak bağlantıların mükemmel
yani çok düşük empedanslı yapılması ile mümkün
olur.
14.12.2011
Kısa Devre Edilmiş Bir Telin Frekansa Bağlı Davranışı
PORT
P=1
Z=50 Ohm
MLIN
ID=TL1
W=0.5 mm
L=415 mm
Graph 1
10000
λg
|Z[1,1]|
tline
1000
4
100
10
λg
1
.001
20
.01
.1
Frequency (GHz)
14.12.2011
1
MSUB
Er=4.6
H=0.5 mm
T=0.035 mm
Rho=1
Tand=0.024
ErNom=2.2
Name=SUB1
Filtreleme
ƒ Filtreler iletkenler üzerinden yayılan
elektromanyetik girişimi engellemek için
kullanılırlar.
14.12.2011
Kablolama
Şasi
konektörü
Konektör
kabuğu
Cihaz #2
Cihaz #1
Ekranlı Kablo
Konektör
ƒ Kablo elektromanyetik enerjiye ulaşacağı yüke
kadar kılavuzluk yapan bir devre elemanıdır.
ƒ Sistemin en uzun parçalarını 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 Kuplajı
Koaksiyel Kabloya Elektromanyetik Alan Kuplaji
80
70
60
Gürültü Akimi (dBuA)
50
Esik
Her iki taraf 360
Tek taraf 360
Ekransiz
Tek pigtail
Cift pigtail
Ekransiz(teorik)
40
30
20
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
Tasarım
14.12.2011
Prototip
Tamamlanmış
ürün
EMI/EMC Doğrulama Test Tipleri/Aşamaları
ƒ Cihaz seviyesinde
78 9 A
4 56 B
123C
#0 * D
ƒ Platform/Sistem seviyesinde
14.12.2011
EMI/EMC Standartları
ƒ Standartlar ürünlerin kalitesini belirleyen
temel unsurlardır.
ƒ Standartlarda iki önemli unsur yer alır:
ƒ Test sınır değerleri
ƒ Test yöntemleri
ƒ Askeri cihazlar için ayrı standartlar, ticari
cihazlar için ayrı EMI/EMC standartları vardır.
14.12.2011
EMI/EMC Testi
ƒ EMI/EMC testinin iki yönü vardır:
ƒ Emisyon (Emission)
ƒ Alınganlık (Susceptibility) veya Bağışıklık
(Immunity)
ƒ Kuplaj yöntemi açısından da iki farklı kategori
mevcuttur:
ƒ Işıma yoluyla (Radiated)
ƒ İletkenlik yoluyla (Conducted)
14.12.2011
Testlerin Ana Temelleri
Alınganlık
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)
ƒ Desibel (dB) iki değer arasındaki logaritmik oranı temsil
eder. Birimsizdir.
ƒ Eğer herhangi bir büyüklük belirli bir taban olarak alınırsa o
büyüklüğe ait birim desibel teriminin arkasına eklenir.
Sembol
E
I
P
H
B
V
Büyüklük
Elektrik Alan Şiddeti
Akım
Güç
Manyetik Alan Şiddeti
Manyetik Akı 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)
ƒ Kavram olarak Desibel güç seviyeleri arasındaki oranı gösterir. Bu
durumda:
dB = 10 ⋅ log 10 ⎛⎜ P1 ⎞⎟
⎝ P2 ⎠
P1
I 12 R
= 2
P2
I2 R
⎛ I1 ⎞
⎛ P1 ⎞
⎟
⎜
10 ⋅ log 10 ⎜ ⎟ = 10 ⋅ log 10 ⎜⎜ ⎟⎟
⎝ I2 ⎠
⎝ P2 ⎠
2
⎛I ⎞
⎛P ⎞
10 ⋅ log 10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟ = 20 ⋅ log 10 ⎜⎜ 1 ⎟⎟
⎝ I2 ⎠
⎝ P2 ⎠
ƒ Eğer gerilim veya akım seviyesinde ifade edilmek isteniyorsa
aşağıdaki formül kullanılır:
⎛V
⎞
d B = 2 0 ⋅ lo g 1 0 ⎜⎝ 1 V ⎟⎠
2
14.12.2011
Desibel (dB) – Basit Hesaplar
ƒ 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
ƒ 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
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
ƒ İki parametre ölçülür:
• Akım
• Gerilim
ƒ Ölçüm yöntemleri:
• Akım probu (akım)
• LISN (gerilim)
14.12.2011
Akım Probu
Vout
50 o h
m koa
TAC Güç Kablosu
ks
Iin
Vout
ZT =
I in
Akım probu
Transfer empedansı
I indBuA = VoutdBuV − Z TdBΩ
ƒ Akım probu esas itibariyle bir trafo işlevi görür.
14.12.2011
LISN
Besleme Şebekesi
L1
L2
LISN
8 uF
5 ohm
50 uH
DC/50 Hz/400 Hz Besleme
Gnd
0.25 uF
EMI Alıcı
Gnd
1 kohm
Gnd
EMI Gürültü 10 kHz – 30 MHz
TAC
Gnd
ƒ Önemli Not:
ƒ EMI gürültü için işaret referans noktası toprak düzlemidir (Gnd).
ƒ Besleme için referans diğer besleme hattıdır (L2).
14.12.2011
Işıma Yoluyla Emisyon
ƒ Ölçüm büyüklükleri
ƒ Elektrik alan
ƒ Manyetik alan
ƒ Ölçüm yöntemi
ƒ Elektrik alan antenleri
ƒ Halka antenler
14.12.2011
Antenler
ƒ Bikonik Anten
(30 – 300 MHz)
ƒ Log-periyodik Anten
(300 – 2000 MHz)
ƒ Huni Anten
(2000 – 18000 MHz)
14.12.2011
Anten Faktörü (AF)
E
V
Koaksiyel 50 ohm
EdBuV / m = VdBuV + AFdB
50 Ω
EMI Alıcı
ƒ Önemli not: Kablonun araya giriş kaybı mutlaka gözönüne
alınmalıdır.
Vx = V + ILkablo
14.12.2011
Halka Anten
V
B
V
50 Ω
Koaksiyel 50 ohm
EMI Alıcı
BdBpT = VdBuV + CFdB
V = 2 ⋅π ⋅ f ⋅ B ⋅ A
14.12.2011
V
A
B
f
= Çıkış gerilimi
= Halka alanı
= Manyetik akı yoğunluğu
= frekans
EMI Alıcı
ƒ Tipik bir EMI alıcı temel olarak bir
superheterodin alıcıdır.
14.12.2011
Elektrik Alan Probu
ƒ Elektrik alan probu EMI alıcının tersine genişbandlı bir cihazdır.
ƒ Elektrik alan ölçüm aralığı 0.3 – 300 V/m (110 – 170 dBuV/m)
ƒ Yüksek alanların ölçümü yapılır.
Schottky diyot
X
Rezistif hatlar
+
OPAMP
A/D
dipol
Y
Z
14.12.2011
+
+
A/D
A/D
uP
Ekran
Alınganlık Test Cihazları (Devamlı Etki)
ƒ İşaret Kaynakları
ƒ 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 Cihazları (Geçici Etki)
ƒ Geçici etki (transient) kaynakları
ƒ ESD
ƒ EFT/Burst
ƒ Surge
ƒ Voltage Dips/Interruptions
14.12.2011
Test Ortamları
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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)
14.12.2011
Açık Saha Test Alanı
14.12.2011
Işıma Yoluyla Emisyon Şartı
Test Düzeneği
10
1000 MHz
300 MHz
9
8
7
h2 [m]
6
Ed
5
4
Er
3
2
1
0
-4
-2
0
ED/Ei [dB]
2
4
10 m
Açık Saha Test Alanı
(ASTA)
10.10.2011
64
Ekranlı ve Yansımasız Odalar
ƒ Ekranlı oda dış elektromanyetik ortamdan yalıtılmış
odadır. Faraday kafesi olarak da bilinir. Tipik
ekranlama etkinliği değerleri :
ƒ 60 dB (orta),
ƒ 80 dB (iyi),
ƒ 100 dB (çok iyi)
ƒ Yansımasız oda, duvarlarında elektromanyetik
dalgayı soğurucu malzeme bulunan odadır. RF
soğurucu malzemelerin tipik değerleri:
ƒ Ferrit karo (30 – 1000 MHz, >15 dB)
ƒ 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
Yarı Yansımasız Oda
14.12.2011
Kaynaklar
ƒ Clayton Paul, Introduction to EMC, Wiley, 2006
ƒ Henry Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering,
Wiley, 2009
ƒ Michel Mardiguian, Controlling Radiated Emissions By
Design, Kluwer, 2001
14.12.2011