Gündelik Yaşamda Elektromanyetik Uyumluluk (EMC)
Transkript
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