ELEKTROMANYETİK GİRİŞİM SÜZGEÇ TASARIMI Hasan Çağlar
advertisement
ELEKTROMANYETİK GİRİŞİM SÜZGEÇ TASARIMI Hasan Çağlar AKSOY YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ OCAK 2014 ANKARA Hasan Çağlar AKSOY tarafından hazırlanan ELEKTROMANYETİK GİRİŞİM SÜZGEÇ TASARIMI adlı bu tezin Yüksek Lisans olarak uygun olduğunu onaylarım. Doç. Dr. Erkan AFACAN ………………………………….. Tez Danışmanı, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Erdem YAZGAN ………………………………….. Elektrik-Elektronik Mühendisliği, Hacettepe Üniversitesi Doç. Dr. Erkan AFACAN ………………………………….. Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM ………………………………….. Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi Tez Savunma Tarihi: 06/01/2014 Bu tez ile Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Şeref SAĞIROĞLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü ………………………………….. TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Hasan Çağlar AKSOY iv ELEKTROMANYETİK GİRİŞİM SÜZGEÇ TASARIMI (Yüksek Lisans Tezi) Hasan Çağlar AKSOY GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2014 ÖZET Bu tez kapsamında DA/DA çeviricilerin sebep olduğu elektromanyetik girişim problemlerinin incelenmesi, MIL-STD-461E standardında yer alan CE102 testine ve MIL-STD-1275D standardına uygun EMG süzgeç tasarlanması amaçlanmıştır. Gürültü kaynağı olarak bir askeri cihaz alınmış olup, cihazın iletimsel yaydığı 10kHz-10MHz frekans bandındaki gürültüler incelenmiştir. Bu gürültünün süzülmesi için gerekli tasarım ve benzetimler yapılmıştır. Kart cihazla birlikte çalıştırılmış ve CE102 testinden başarıyla geçtiği görülmüştür. Ayrıca platformlardaki devre kesicilerden veya diğer cihazlardan kaynaklı yüksek genlikli işaretlerin, cihaza zarar vermemesi için uygun tasarım ve benzetimler de yapılmıştır. Gürültünün süzülmesi için gerekli tasarımlarla birlikte tasarım, baskı devre kartına dönüştürülmüştür. Bu baskı devre kartı cihazla birlikte test edilmiş olup MIL-STD-1275D standardı ile uyumlu hale geldiği görülmüştür. Bilim Kodu : 905.1.034 Anahtar Kelimeler : Elektromanyetik Girişim, Ortak Mod Gürültü, Fark Mod Gürültü, Geçici İşaret, Ani Yükselen İşaret, Dalgalanan İşaret, Elektromanyetik Girişim Süzgeci Sayfa Adedi : 160 Tez Yöneticisi : Doç. Dr. Erkan AFACAN v ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE FILTER DESIGN (M.Sc. Thesis) Hasan Çağlar AKSOY GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES January 2014 ABSTRACT The goal of this thesis is to investigate electromagnetic interference problems caused by DC/DC converters, design and application of EMI filter appropriate for CE102 of MIL-STD-461E and MIL-STD-1275D standards. Noise source used in the thesis is a military system and noise of the system produced in interval 10 kHz-10 MHz frequency by conducted emission is researched. For filtering the noise, the appropriate theoretical and practical design, simulations were done. The designed EMI filter operating with the system passed successfully from CE102 test. Also, the appropriate theoretical and practical design to protect the system from overvoltage signals originating from circuit breakers or other systems in the platforms, is realized. With the appropriate design for filtering the noise, the printed circuit board was produced. The overvoltage protection EMI filter is tested with the system and the EMI filter is proved compatible with the MIL-STD-1275D. Science Code : 905.1.034 Key Words : Electromagnetic Interference, Common Mode Noise, Differential Mode Noise, Transient Signal, Spike, Surge, Electromagnetic Interference Filter Page Number: 160 Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Erkan AFACAN vi TEŞEKKÜR Tez çalışmamda katkıları için, tez danışmanım Doç. Dr. Erkan AFACAN’a teşekkür ederim. Her zaman yanımda olduklarını bildiğim, sevgili eşim Tülay Ekici Aksoy’a ve aileme teşekkür ederim. Tez çalışmamda sağladıkları tüm olanaklar için ASELSAN’a teşekkür ederim. Son olarak; çalışmam süresince göstermiş oldukları yardım ve anlayış için başta Ali KARAALİ olmak üzere okul ve iş arkadaşlarıma teşekkür ederim. vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ......................................................................................................................... İV ABSTRACT ................................................................................................................ V TEŞEKKÜR ............................................................................................................... Vİ İÇİNDEKİLER ......................................................................................................... Vİİ ÇİZELGELERİN LİSTESİ ........................................................................................ Xİ ŞEKİLLERİN LİSTESİ ............................................................................................ Xİİ SİMGELER VE KISALTMALAR ......................................................................... XİX 1. GİRİŞ ................................................................................................................... 1 2. MIL-STD-1275D STANDARDI KORUMA DEVRESİNİN TASARIMI ......... 4 2.1. MIL-STD-1275D Standart İçeriği ............................................................... 4 2.1.1. Sadece jeneratör modu .................................................................... 6 2.1.2. Normal çalışma modu ..................................................................... 7 2.2. Ani Yükselen ve Dalgalanan İşaretlerden Sistemi Korumak İçin Tasarımda Kullanılacak Kritik Malzemelerin Tanımları ............................................. 10 2.2.1. Kısa süreli gerilim bastırıcı malzemenin özelliği ve seçimi ......... 10 2.2.2. Denetleyici seçimi ve özellikleri .................................................. 12 2.3. MIL-STD 1275D Standardına Uygun Devre Tasarımı .............................. 14 2.3.1. Ani yükselen işaretten koruma blok tasarımı ............................... 14 viii Sayfa 2.3.2. Dalgalanan işaretten koruma devre tasarımı ................................. 18 2.4. Tasarımın LTSPICE ile Benzetimi ............................................................ 26 2.4.1. +250V/70µs ani yükselen işaret koruma benzetim sonuçları ....... 26 2.4.2. -250V/70µs ani yükselen işaret koruma benzetim sonuçları ........ 30 2.4.3. Dalgalanan işaret koruma benzetim sonuçları .............................. 32 3. EMG SÜZGEÇ TASARIMI .............................................................................. 37 3.1. EMG Gürültüsünün Tanımı ....................................................................... 37 3.2. EMG Süzgeç Ve Önemi ............................................................................. 38 3.3. EMG Gürültü Tipleri ................................................................................. 41 3.3.1. Ortak mod EMG gürültüsü ........................................................... 41 3.3.2. Fark mod EMG gürültüsü ............................................................. 42 3.4. EMG Süzgeç Elemanları ............................................................................ 42 3.4.1. Kapasitörler................................................................................... 43 3.4.2. İndüktör......................................................................................... 57 3.4.3. Ortak mod bukağı ......................................................................... 59 3.5. EMG Süzgeç Topolojileri .......................................................................... 73 3.6. EMG Gürültü Zayıflaması ......................................................................... 78 3.6.1. Ortak mod EMG zayıflaması ........................................................ 78 3.6.2. Fark mod EMG zayıflaması .......................................................... 79 3.7. EMG Ölçümleri .......................................................................................... 80 ix Sayfa 3.7.1. EMG ölçümlerinde kullanılan sistemin güç kartı tanımı .............. 80 3.7.2. MIL-STD-461E standardı ............................................................. 80 3.7.3. CE102 iletkenlik yollu yayınım, güç hatları, 10kHz-10MHz....... 82 3.7.4. CE102, iletkenlik yollu yayınım ölçümleri .................................. 87 3.8. EMG Süzgeç Tasarımı ............................................................................. 105 3.8.1. Gerekli zayıflama hesabı ............................................................ 105 3.8.2. Süzgeç topolojileri ...................................................................... 107 3.8.3. Süzgeç elemanlarının belirlenmesi ............................................. 109 3.8.4. Filpro benzetim programı ........................................................... 114 3.8.5. Tasarlanan EMG süzgecin bilgisayar benzetimleri .................... 117 3.8.6. Tasarlanan EMG süzgeç ............................................................. 132 4. TASARLANAN DEVRELERİN TEST SONUÇLARI .................................. 136 4.1. Süzgeçleme Sonrası CE102 Gürültü Ölçüm Sonuçları............................ 136 4.2. Tasarımın MIL-STD-1275D’e Uyumluluğunun Test Edilmesi............... 138 4.2.1. MIL-STD-1275D standardı test sonuçları .................................. 139 5. SONUÇ VE ÖNERİLER ................................................................................. 144 KAYNAKLAR ........................................................................................................ 147 EKLER ..................................................................................................................... 149 EK-1. LT4356 HDE-2 TEKNİK ÖZELLİKLER .................................................... 150 EK-2. KSGB TEKNİK VERİLERİ ......................................................................... 153 x Sayfa EK-3. NMOS TEKNİK ÖZELLİKLERİ ................................................................. 155 EK-4. ORTAK MOD KAPASİTÖR VERİLERİ .................................................... 157 EK-5. ORTAK VE FARK MOD KAPASİTÖR VERİLERİ .................................. 157 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................. 160 xi ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. KSGB’lerin Elektriksel Özellikleri ........................................................ 16 Çizelge 3.1. Direkt besleme kapasitörlerinin AGK değerleri [11] ............................ 54 Çizelge 3.2. Manyetik malzemelerin manyetik özellikleri [17] ................................. 69 Çizelge 3.3. Ferit çekirdeklerin karşılaştırılması [16] ................................................ 71 Çizelge 3.4. MIL-STD-461standardında tanımlı testler ............................................ 82 Çizelge 3.5. Emisyon testleri için ölçüm almacı tarama sıklığı [2] ........................... 87 Çizelge 3.6. Fark mod ve ortak mod kapasitörlerin parazitik eleman değerleri ...... 123 xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1 MIL-STD-1275D’de tanımlı ani yükselen işaret örneği [2] ......................... 5 Şekil 2.2 MIL-STD-1275D’de tanımlı dalgalanan işaret örneği [2] ............................ 5 Şekil 2.3. Sadece jeneratör modunda tanımlı ani yükselen test işareti [2] ................... 6 Şekil 2.4. Sadece jeneratör modunda tanımlı +100V/50ms dalgalanan işaret [2] ....... 7 Şekil 2.5. Normal çalışma modunda tanımlı ±250V/70µs ani yükselen işaret [2] ...... 8 Şekil 2.6. Sadece jeneratör modunda tanımlı +40V/50ms dalgalanan işaret [2] ......... 9 Şekil 2.7. Doğru polariteli beslenen KSGB’nin çalışması [3] ................................... 10 Şekil 2.8. KSGB üzerindeki gerilim durumu [3] ....................................................... 11 Şekil 2.9. Ters polariteli beslenen KSGB’nin çalışması [3] ...................................... 11 Şekil 2.10. Tek yönlü KSGB’nin I-V eğrisi [3] ......................................................... 12 Şekil 2.11. Ani Yükselen İşaretin Genlik ve Süre Grafiği [2] ................................... 16 Şekil 2.12. KSGB Tepe Güç Değeri [4] ..................................................................... 17 Şekil 2.13. NMOS SOA Grafiği [5] ........................................................................... 20 Şekil 2.14. Hata periyodu sırasındaki ITMR – (VCC-VOUT) grafiği [6] ........................ 22 Şekil 2.15. Uyarı periyodu sırasındaki ITMR – (VCC-VOUT) grafiği [6] ....................... 23 Şekil 2.16. Teorik olarak hesaplanan tHATA, tUYARI ve tSOĞUMA&VTMR grafiği .......... 26 Şekil 2.17. +250V ani yükselen işaret üretecinin parametreleri ................................ 27 Şekil 2.18. +250V üretecinin 28V’tan 250V’a geçiş süresi (1ms) ............................ 27 Şekil 2.19. +250V üretecinin +250V/70µs göstergesi ............................................... 28 Şekil 2.20. +250V üretecinin 250V’tan 28V’a geçiş süresi (1ms) ............................ 28 Şekil 2.21. +250V ani yükselen işaret uygulandığında ksgb üzerindeki gerilim ....... 29 xiii Şekil Sayfa Şekil 2.22. +250V ani yükselen işaret uygulandığında çıkış gerilimi ....................... 29 Şekil 2.23. -250V/70µs üreteç parametreleri ............................................................. 30 Şekil 2.24. -250V/70µs üretecinin genliği ................................................................. 31 Şekil 2.25. -250V/70µs ani yükselen işaret uygulandığında çıkış gerilimi ............... 31 Şekil 2.26. Dalgalanan işaret üretecinin 28V’tan 100V’a çıkışı ................................ 32 Şekil 2.27. Dalgalanan işaret üretecinin 50ms boyunca 100V üretmesi .................... 33 Şekil 2.28. Dalgalanan işaret üretecinin 100V’tan 28V’a inişi .................................. 33 Şekil 2.29. Dalgalanan işaret üretecinin dalga formu ................................................ 34 Şekil 2.30. Çıkış gerilim çıktısı 1 ............................................................................... 34 Şekil 2.31. Çıkış gerilim çıktısı 2 ............................................................................... 35 Şekil 2.32. Çıkış gerilim çıktısı 3 ............................................................................... 36 Şekil 3.1. EMG gürültü örnekleri [7] ......................................................................... 37 Şekil 3.2. Çift yönlü EMG gürültünün EMG süzgeç ile bastırılması ........................ 38 Şekil 3.3. Yüksek frekansları bastıran aktif süzgeç örneği [8] .................................. 40 Şekil 3.4. Ortak mod EMG gürültüsü [3]................................................................... 41 Şekil 3.5. Fark mod EMG gürültüsü [3] .................................................................... 42 Şekil 3.6. Kapasitörün EMG gürültü süzmesi ............................................................ 43 Şekil 3.7. Kapasitörün parazitik elemanlarla modellenmesi ...................................... 44 Şekil 3.8. İdeal ve gerçek kapasitörün araya girme kaybı karşılaştırması [9]............ 46 Şekil 3.9. Kapasitörün frekans&empedans grafiği [7] ............................................... 47 Şekil 3.10. Kapasitans ile araya girme kaybı arasındaki ilişki [9] ............................. 48 Şekil 3.11. ESR empedans & frekans ilişkisi [9] ....................................................... 49 Şekil 3.12. Yitim oranı (tanδ) [7] ............................................................................... 50 xiv Şekil Sayfa Şekil 3.13. Tek katlı disksel kapasitör [10] ................................................................ 53 Şekil 3.14. Çok katmanlı disksel kapasitör [10] ........................................................ 53 Şekil 3.15. C ve pi devre yapılı direkt beslemeli kapasitör [7] .................................. 55 Şekil 3.16. Direkt besleme kapasitörlerin “iyileştirme” özelliği [11] ........................ 56 Şekil 3.17. Direkt beslemeli kapasitörlerin montajı [11] ........................................... 57 Şekil 3.18. İndüktörün parazitik elemanları ............................................................... 58 Şekil 3.19. İdeal ve gerçek indüktör empedanslarının frekansa bağlı değişimi [7] ... 58 Şekil 3.20. Ortak mod bukağı manyetik akı çizgileri [12] ......................................... 59 Şekil 3.21. İdeal ve gerçek ortak mod bukağı [13] .................................................... 60 Şekil 3.22. Ortak mod bukağının sızıntı indüktörünün ölçümü [14] ......................... 61 Şekil 3.23. Ortak mod bukağı sarım teknikleri [9] .................................................... 62 Şekil 3.24. Manyetik malzemenin kesit alanı ve manyetik yol uzunluğu [15] .......... 63 Şekil 3.25. Sarım sayısının empedansa etkisi [16] ..................................................... 64 Şekil 3.26. Manyetik geçirgenlik parametrelerinin frekansa bağlı değişimi [16] ...... 66 Şekil 3.27. Manyetik alan & empedans eğrisi [16] .................................................... 67 Şekil 3.28. Manyetizasyon eğrisi (histeresiz eğrisi) [17] ........................................... 68 Şekil 3.29. Toz çekirdek kayıpları & manyetik akı yoğunluğu eğrisi [19] ................ 72 Şekil 3.30. Ferit & toz çekirdek karşılaştırması [19] ................................................. 72 Şekil 3.31. Tek elemanlı alçak geçiren süzgeçler [7]................................................. 73 Şekil 3.32. Süzgeç topolojileri AGK (IL) & frekans eğrisi [7] .................................. 74 Şekil 3.33. Kaynak ve yük empedansına göre pasif malzeme kullanımı [7] ............. 75 Şekil 3.34. Farklı kaynak ve yük empedanslar & AGK (IL) eğrisi [7]...................... 76 Şekil 3.35. Basit süzgeçler yerine kullanılabilecek etkin süzgeç tipleri [7]............... 77 xv Şekil Sayfa Şekil 3.36. Süzgeç topolojilerinin teorik AGK formülleri [7] ................................... 78 Şekil 3.37. Ortak mod EMG zayıflaması [3] ............................................................. 79 Şekil 3.38. Fark modu EMG zayıflaması [3] ............................................................. 79 Şekil 3.39. CE102 test grafiği [2]............................................................................... 83 Şekil 3.40. HEDD devre şeması [2] ........................................................................... 84 Şekil 3.41. MIL-STD-461E genel test düzeneği [2] .................................................. 85 Şekil 3.42. CE102 test düzeneği [2] ........................................................................... 86 Şekil 3.43. TILE 4.1 yazılım başlangıç arayüzü ........................................................ 88 Şekil 3.44. TILE “measurement range” sembol ayarları-1 ........................................ 89 Şekil 3.45. TILE “measurement range” sembol ayarları-2 ........................................ 90 Şekil 3.46. TILE “measurement range” sembol ayarları-3 ........................................ 90 Şekil 3.47. TILE “measurement range” sembol ayarları-4 ........................................ 91 Şekil 3.48. TILE “measurement range” sembol ayarları-5 ........................................ 92 Şekil 3.49. TILE “math” sembol ayarları................................................................... 93 Şekil 3.50. Artı hat ortam gürültüsü ........................................................................... 94 Şekil 3.51. Eksi hat ortam gürültüsü .......................................................................... 94 Şekil 3.52. Laboratuar CE102 test düzeneği .............................................................. 95 Şekil 3.53. CE102 artı hat ölçüm sonucu ................................................................... 96 Şekil 3.54. CE102 eksi hat ölçüm sonucu .................................................................. 96 Şekil 3.55. Güç kartındaki çevirici modüllerin gürültüleri ........................................ 97 Şekil 3.56. Ortak mod gürültü ölçüm test düzeneği [12] ........................................... 99 Şekil 3.57. Ortak mod gürültü ölçüm laboratuar test düzeneği................................ 100 Şekil 3.58. Ortak mod akım ölçümü için akım probunun bağlanışı......................... 100 xvi Şekil Sayfa Şekil 3.59. Cihazın dBµA cinsinden ortak mod gürültüsü ...................................... 101 Şekil 3.60. Fark mod gürültü ölçüm test düzeneği [12] ........................................... 102 Şekil 3.61. Fark mod gürültü ölçüm laboratuar test düzeneği ................................. 103 Şekil 3.62. Fark mod akım ölçümü için akım probunun bağlanışı .......................... 103 Şekil 3.63. Cihazın dBµA cinsinden fark mod gürültüsü ........................................ 104 Şekil 3.64. Gereken bastırma eğrisi [7] .................................................................... 106 Şekil 3.65. Ortak mod gürültüyü bastırmak için gerekli zayıflama değerleri .......... 106 Şekil 3.66. Fark mod gürültüyü bastırmak için gerekli zayıflama değerleri ............ 107 Şekil 3.67. Genel EMG süzgeç topolojileri [7] ........................................................ 108 Şekil 3.68. Genel EMG süzgeç topolojisinin fark mod eşdeğer devresi .................. 108 Şekil 3.69. Genel EMG süzgeç topolojisinin ortak mod eşdeğer devresi ................ 109 Şekil 3.70. Ortak mod araya girme kayıp çizelgesi ................................................. 110 Şekil 3.71. Ortak mod eşdeğer devre ....................................................................... 111 Şekil 3.72. Fark mod araya girme kaybı .................................................................. 112 Şekil 3.73. Fark mod eşdeğer devresi ...................................................................... 113 Şekil 3.74. Teorik olarak tasarlanan EMG süzgeç devre şeması ............................. 113 Şekil 3.75. Filpro açılış arayüzü............................................................................... 114 Şekil 3.76. Filpro file sekmesi ................................................................................. 114 Şekil 3.77. Filpro “design” sekmesi ......................................................................... 115 Şekil 3.78. Filpro “terminations” sekmesi ............................................................... 115 Şekil 3.79. Filpro “edit” sekmesi ............................................................................. 116 Şekil 3.80. Filpro “lossless lumped elem.” kutucuk içeriği ..................................... 116 Şekil 3.81. Filpro “lossy lumped elem.” kutucuk içeriği ......................................... 117 xvii Şekil Sayfa Şekil 3.82. Filpro “plot” sekmesi ............................................................................. 117 Şekil 3.83. İndüktör yüksek frekans eşdeğer devre modeli ..................................... 118 Şekil 3.84. Kapasitör yüksek frekans eşdeğer devre modeli .................................... 118 Şekil 3.85. İdeal fark mod eşdeğer devre bilgisayar benzetim modeli .................... 119 Şekil 3.86. İdeal olmayan fark modu eşdeğer devre bilgisayar benzetim modeli.... 120 Şekil 3.87. 50Ω EMG kaynak için ideal fark modu eşdeğer devrenin kesim frekansı benzetim sonucu .................................................................................... 121 Şekil 3.88. 50Ω EMG kaynak için ideal fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu ................................................................................................... 122 Şekil 3.89. 50Ω EMG kaynak için ideal olmayan fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu .................................................................................... 123 Şekil 3.90. 0,1Ω EMG kaynak için ideal fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu ................................................................................................... 124 Şekil 3.91. 0,1Ω EMG kaynak için ideal olmayan fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu .................................................................................... 125 Şekil 3.92. İdeal ortak modu eşdeğer devre bilgisayar benzetimi ........................... 126 Şekil 3.93. İdeal olmayan ortak mod eşdeğer devre bilgisayar benzetimi ............... 127 Şekil 3.94. 50Ω EMG kaynak için ideal ortak mod eşdeğer devrenin kesim frekansı benzetim sonucu .................................................................................... 127 Şekil 3.95. 50Ω EMG kaynak için ideal ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu ................................................................................................... 128 Şekil 3.96. Ortak mod bukağının empedans & frekans eğrisi [20] .......................... 129 Şekil 3.97. 50Ω EMG kaynak için ideal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu .................................................................................... 130 Şekil 3.98. 0,1Ω EMG kaynak için ideal ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu ................................................................................................... 131 Şekil 3.99. 0,1Ω EMG kaynak için ideal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu .................................................................................... 132 xviii Şekil Sayfa Şekil 3.100. Tasarlanan ideal EMG süzgeç topolojisi ............................................. 133 Şekil 3.101. Tasarlanan ideal olmayan EMG süzgeç topolojisi............................... 133 Şekil 3.102. “Veeing” metodu [15] .......................................................................... 134 Şekil 3.103. EMG süzgeç serimi [7] ........................................................................ 135 Şekil 4.1. EMG süzgeçleme sonrası ortak mod gürültü ölçüm sonucu ................... 136 Şekil 4.2. EMG süzgeçleme sonrası fark mod gürültü ölçüm sonucu ..................... 137 Şekil 4.3. EMG süzgeçleme sonrası CE102 artı hat sistem gürültüsü ..................... 138 Şekil 4.4. EMG süzgeçleme sonrası CE102 eksi hat sistem gürültüsü .................... 138 Şekil 4.5. MIL-STD-1275D standardı test düzeneği ............................................... 139 Şekil 4.6. MIL-STD-1275D standardında tanımlı ani yükselen işaret (250V/70µs) süresi ........................................................................................................ 140 Şekil 4.7. MIL-STD-1275D standardında tanımlı ani yükselen işaret (250V/70µS) genliği ...................................................................................................... 140 Şekil 4.8. 250V/70µs İşareti Uygulandıktan Sonra Çıkış İşareti ............................. 141 Şekil 4.9. MIL-STD-1275D standardında tanımlı dalgalanan işaretin genlik ve süresi ........................................................................................................ 142 Şekil 4.10. Dalgalanan işaret uygulandıktan sonra çıkış işaret genliği ................... 142 Şekil 4.11. Dalgalanan işaret uygulandıktan sonra çıkış işaretinin süresi .............. 143 xix SİMGELER VE KISALTMALAR Bu tezde kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar açıklamalarıyla birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama c Kapasitans değeri ε Dielektrik sabiti l İndüktans değeri µ ΄ Manyetik geçirgenlik µ Gerçel manyetik geçirgenlik µ΄΄ Sanal manyetik geçirgenlik δ Yitim oranı q Kalite faktörü Kısaltmalar Açıklama AA Alternatif Akım CE İletim Yollu Yayınım CS İletim Yollu Alınganlık DA Doğru Akım EM Elektromanyetik EMG Elektromanyetik Girişim EMU Elektromanyetik Uyumluluk MnZn Mangan Çinko Alaşımı NiZn Nikel Çinko Alaşımı SMPS Anahtarlamalı Güç Kaynağı STD Standart TAC Test Altındaki Cihaz 1 1. GİRİŞ Elektromanyetik Uyumluluk (EMU, Electromagnetic Compatibility: EMC), cihazların veya sistemlerin içinde bulundukları elektronik kartların veya alt sistemlerin elektromanyetik (EM) ortamlarında, kendileri çok yüksek EM ışınımları yaratmamak koşuluyla, normal ve tatminkâr çalışmalarını yerine getirebilmeleri, birbirlerinin çalışma performanslarını etkilemeden uyum içinde yaşayabilmeleridir. Elektronik aletlerin ve özellikle sayısal sistemlerin hem sivil, hem de askeri ortamlarda günden güne çoğalması, çalışma frekans sıklıklarının yükselmesi, elektromanyetik girişimi (EMG, Electromagnetic Interference: EMI) günlük ve iş yaşantımızda karşımıza çıkarıyor ve EMG/EMU konularını daha önemli kılıyor. Aynı şehir şebekesinden beslenen elektronik cihazların bir arada bulunduğu bir EM ortamında, cihazların EMG gürültüleri birbirlerini iletkenlik veya ışıma yoluyla etkilemektedir. Traş makinasından çıkan motor gürültüsü iletkenlik ve ışıma yoluyla farklı fiziksel ortamlarda bulunan çamaşır makinasının çalışmasını etkilemekte ve televizyonun karıncalanmasına neden olmaktadır [1]. Sivil ortamlarda EMU problemleri bu kadar rahatsız edici olabiliyorken, askeri ortamlarda EMU problemleri can kaybına ve diğer önemli stratejik kayıplara yol açabiliyor. Can kaybına ve stratejik kayıplara neden olan fark, sistemlerin bulunduğu EM ortamlarının farklı olmasıdır. Elektronik sistemlerin farklı frekans bantlarında çalışmaları ve sistemlerin aynı EM ortamdayken, birbirlerinin çalıştıkları frekans bantlarına yaydıkları EM ışınımları sistemlerde fonksiyonel kayıplara neden olmaktadır. 1967 yılında Amerika’da bir jet uçağında EMU problemi yaşanmıştır. Savaş uçakları taşıyan Forrestral gemisi savaş tatbikatı yapmak üzere 25 Haziran 1967'de Yankee istasyonuna gelir. Roket atışları sırasında uçuş güvertesinde etkisiz halde bulunan F-4 Fantom uçağının roket ateşleme bölümünün ateş almasıyla güvertedeki 400 galonluk yakıt patlar. 29 Haziran 1967'de meydana gelen kazada 134 ölü, 161 yaralı vardır. Ayrıca 21 savaş uçağı da kullanılamaz hale gelir. Maddi kayıp 72 milyon dolardır. Yapılan araştırmalar neticesinde uçuş güvertesinde bulunan uzaktan kontrollü ateşleme ünitesinde bilinmeyen bir nedenden dolayı kontrol dışı bir ateşleme olduğu belirlenir. Kontrol dışı ateşleme ünitesinin verici 2 antenlerden yayılan ışınımlara maruz kalarak böyle bir ateşlemeye neden olabileceği belirtilmiştir [1]. Pek çok kayba neden olan EMU problemlerinin çözümü için en iyi yol, problemin daha ortaya çıkmadan önlenmesidir. Bunun için de, elektrikli ve elektronik sistemlerin tasarımlarında EM ışınımlarını azaltacak şekilde tasarım önlemlerinin alınması gerekmektedir. Özellikle sayısal sistemlerin bulunduğu EM alanlarda, tasarım aşamasında, henüz sistem üretilmeden, elektromanyetik çözümleme ve benzetim yoluyla önemli bilgiler elde edilebilir. Bu öngörüler sayesinde, zaman tasarrufu ve maddi tasarruf elde edilebilir. Örneğin, tüm işyerlerinde ve hemen hemen tüm evlerde bulunan bilgisayarların çalışma sıklıkları her geçen gün yükselirken bilgisayardaki devreler sadece fonksiyonel olarak çalışmasına bakılarak tasarlanmamalıdır. Bu nedenle baskı devre kartlarında sadece devre yerleşimi yapmak yeterli değildir. Çalışma frekans sıklığının yüksekliği nedeniyle, kartların fonksiyonel olarak doğru çalıştığına ve EMU koşullarını sağladığına emin olmak için devre tasarımının içine elektromanyetik çözümleme ve benzetimi de katmak şarttır [1]. Bu tez kapsamında, sistemlerin güç kartlarında kullanılan DA/DA çeviricilerin sebep olduğu 10kHz-10MHz frekans bandındaki gürültülerinin süzgeçlenmesi, sistemlerin güç hatlarına bağlaşması muhtemel yüksek genlikli işaretlerden sistemin korunmasına yönelik detaylı tasarım, benzetim ve ölçüm sonuçları anlatılmıştır. İkinci bölümde, askeri kara cihazlarının 28VDA elektriksel karakteristiğine yönelik standart olan MIL-STD-1275D standardı ve bu standart kapsamında tanımlı yüksek genlikli kısa süreli işaretlerden sistemleri korumak için tasarlanan devre anlatılmıştır. Tehdit işaretlerinden korunmak için tasarlanan devrenin kritik tasarımları, devre tasarımında kullanılan bazı kritik malzemelerin teknik özellikleri ile benzetim sonuçlarına yer verilmiştir. Üçüncü bölümde, MIL-STD-461E/F standardında tanımlı 10kHz-10MHz frekans bandında sistemin güç hatlarından iletkenlik yollu yayınım gürültülerinin ölçüldüğü 3 CE102 testi, iletkenlik yollu yayınıma neden olan gürültü çeşitleri, bu gürültülerden diğer sistemlerin zarar görmemesi için tasarlanan devre ve devrede kullanılan malzemelerin seçimi ile tasarlanan devrenin benzetim sonuçları anlatılmıştır. Dördüncü bölümde, MIL-STD-1275D ve MIL-STD-461E standardının CE102 testine uygun olarak tasarlanan devrenin test sonuçları paylaşılmıştır. Beşinci bölümde, tez kapsamında yapılan çalışma ile ilgili genel sonuçlar ve tartışmalara yer verilmiştir. 4 2. MIL-STD-1275D STANDARDI KORUMA DEVRESİNİN TASARIMI 2.1. MIL-STD-1275D Standart İçeriği MIL-STD-1275 standardının ilk revizyonu Temmuz 1966’da çıkarılmıştır. B revizyonu Kasım 1997’de, C revizyonu Haziran 2006’da son olarak D revizyonu Ağustos 2006’da çıkarılmıştır. Bu standardın amacı, 28VDA gerilimiyle çalışan askeri kara araçlarının güç girişlerine yüksek genlikli ve kısa süreli işaretler uygulanarak sistemlerin dayanıklılığını test etmektedir. Standartta, sistemlerin nominal güç giriş gerilimlerine göre yüksek genlikli, kısa süreli işaretlerin genel adı geçici (Gİ,“TRANSIENT”) işaret olarak adlandırılmaktadır. Geçici işaretler kendi içinde daha yüksek genlikli ve daha yüksek sönümlenme süresine sahip olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Yüksek genlikli ve kısa süreli işaretler ani yükselen (AYİ, “SPIKE”) işaretler, genliği AYİ işaretine göre daha az fakat sönümlenme süresi daha uzun olan işaretler dalgalanan (Dİ, “SURGE”) işaretler olarak adlandırılmaktadır. Ani yükselen işaretler, yüksek genlikli, yüksek frekanslardan oluşan, tepe genlik süresi genelde 100µs’den az olan ve sönümlenme süresi yaklaşık 1ms olan işaretlerdir. AYİ’nin ikinci tepe değeri ilk tepe değerine göre oldukça daha az olup sistem güç girişlerini zorlayamayacak genliktedir [2]. Standartta tanımlı AYİ dalga formu Şekil 2.1’de verilmiştir. 5 Şekil 2.1 MIL-STD-1275D’de tanımlı ani yükselen işaret örneği [2] Dalgalanan işaret, ani yükselen işarete göre daha az genlikte olup sistemi tehdit edebilecek genlik süresi ve işaretin kararlı durum limitine geçiş (sönümlenme) süresi daha uzundur. Standartta tanımlı dalgalanan işaret dalga formu Şekil 2.2’de verilmiştir. Şekil 2.2 MIL-STD-1275D’de tanımlı dalgalanan işaret örneği [2] 6 Standartta, sadece jeneratör modunda ve normal çalışma modunda olmak üzere iki tip sistem tanımlanmaktadır ve sistemin çalışma moduna göre uygulanan test işaretleri de farklıdır. 2.1.1. Sadece jeneratör modu Sadece jeneratör modunda, sistem sadece jeneratörle beslenmektedir. Uygulanan tehdit işaretlerinin kararlı duruma ulaştığı gerilim aralığı 23VDA-33VDA’dır. Bu modda çalışan sistemlere uygulanacak olan test işaret grafikleri Şekil 2.3’te ve Şekil 2.4’te verilmiştir. Şekil 2.3. Sadece jeneratör modunda tanımlı ani yükselen test işareti [2] Şekil 2.3’te görüldüğü üzere, ±250V/70µs’lik ani yükselen işaretin maksimum enerji içeriği 15mJ olup artı ve eksi polaritelidir. 7 Şekil 2.4. Sadece jeneratör modunda tanımlı +100V/50ms dalgalanan işaret [2] Şekil 2.4’te gösterildiği üzere, sadece jeneratör modunda, limit üstü dalgalanan işaret 100V/50ms, limit altı işaret ise 15V/250ms’dir. Dalgalanan işaretin 100V’tan 40V’a geçiş süresi 250ms’dir. 2.1.2. Normal çalışma modu Normal çalışma modunda, sistem hem jeneratörle hem de bataryayla beslenebilmektedir. Uygulanan test işaretlerinin kararlı duruma ulaştığı gerilim aralığı 25VDA-30VDA’dır. Diğer moddan farkı; ani yükselen işaretin sönümlenme süresi ile dalgalanan işaretin genlik değeridir. Bu modda çalışan sistemlere uygulanacak olan test işaret grafikleri Şekil 2.5’te ve Şekil 2.6’da verilmiştir. 8 Şekil 2.5. Normal çalışma modunda tanımlı ±250V/70µs ani yükselen işaret [2] Şekil 2.5’te gösterildiği üzere, ±250V/70µs’lik ani yükselen işaretin maksimum enerji içeriği 15mJ olup artı ve eksi polaritelidir. İşaretin 1ms sonraki genlik değeri ±40V’tur. 9 Şekil 2.6. Sadece jeneratör modunda tanımlı +40V/50ms dalgalanan işaret [2] Şekil 2.6’da gösterildiği üzere, normal çalışma modunda, limit üstü dalgalanan işaret 40V/50ms, limit altı tehdit işareti 18V/500ms’dir. Test işaretinin 40V’tan 32V’ta geçiş süresi 450ms’dir. İşaret 32V genlik değerine düştüğünde bile, işaret genliği kararlı durum gerilim limitinin (25VDA-30VDA) içinde olmadığından hala sistemler için tehdit unsuru olabilmektedir. MIL-STD-1275D standardına göre testten geçme kriteri; sistem girişine uygulanan ani yükselen veya dalgalanan işaretlerden, sistemin zarar görmemesi veya sistemin çalışma performansında herhangi bir azalma meydana gelmemesidir. Eğer sistemde bu işaretlerden korunmak için ek bir elektronik kartın olması istenmiyorsa, sistemdeki diğer elektronik kartlardaki malzemelerin güç ve gerilim değerleri bu işaretlere göre yüksek seçilmek zorundadır. Bu çözüm, malzemenin boyutunu ve maliyetini ciddi derecede artırmaktadır ve tasarım için uygun malzeme temin etmede sorunlar yaratabilmektedir. Dolayısıyla, malzeme boyutlarından, maliyetten ve malzeme temininde sorunlar yaşanmamak isteniyorsa, önce bu yüksek genliği sistemin çalışabileceği belli bir genlik seviyesine indirmek gerekmektedir. Ani 10 yükselen ve dalgalanan işaretlerden sistemi korumak için kullanılacak kritik malzemelerin tanımları bir sonraki bölümde anlatılmıştır. 2.2. Ani Yükselen ve Dalgalanan İşaretlerden Sistemi Korumak İçin Tasarımda Kullanılacak Kritik Malzemelerin Tanımları 2.2.1. Kısa süreli gerilim bastırıcı malzemenin özelliği ve seçimi Ani yükselen işaret genliklerini zararsız genlik seviyesine indirgemek için kullanılan malzeme “Kısa Süreli Gerilim Bastırıcı” (KSGB, Transient Voltage Suppressor (TVS)) malzemesidir. KSGB, bir zener diyot olup yarı iletken bir malzemedir. KSGB, doğru polariteli beslendiğinde, üzerindeki gerilim belli bir değere ulaştığında iletime geçen ve yüksek gerilimli kısa süreli işaretlerin gerilimlerini belli bir süre, belli bir gerilim değerine kırpan yarı iletken bir malzemedir. Şekil 2.7’de görüldüğü üzere; KSGB doğru polariteli ani yükselen işaret ile beslendiğinde, yani katot ucu (+), anot ucu (–) yük ile yüklendiğinde, KSGB düşük empedans göstererek iletime geçer, akım katot ucundan anoda doğru akmaya başlar ve üzerinde sabit bir gerilim oluşturur. Şekil 2.7. Doğru polariteli beslenen KSGB’nin çalışması [3] 11 Şekil 2.8’de görüldüğü üzere, KSGB girişine uygulanan ani yükselen işaretin genliği, belli bir gerilim değerine indirgenir. Böylece KSGB, sistemi ani yükselen tehdit işaretlerinden korumuş olur. Şekil 2.8. KSGB üzerindeki gerilim durumu [3] Şekil 2.9’da görüldüğü üzere KSGB, ters polariteli beslendiğinde yani katot ucu (–), anot ucu (+) yük ile yüklendiğinde ise diyot gibi davranır. Bu tip bir beslemede, KSGB düşük empedans göstererek iletime geçer ve akım anot ucundan katoda doğru akmaya başlar. Üzerinde diyot gibi düşük gerilim indüklenir ve gerilim sabit kalır. Şekil 2.9. Ters polariteli beslenen KSGB’nin çalışması [3] Şekil 2.10’da KSGB malzemesinin seçiminde kullanılan parametreler görülmektedir. Bu parametrelerin anlamları şunlardır: VRWM; KSGB’nin iletime geçmeden doğru polarite ile beslendiğinde malzemenin bozunma geriliminden önce sürekli üzerinde 12 tutabileceği maksimum gerilim değeridir. VBR (Bozunma Gerilimi); KSGB doğru polariteli beslendiğinde (üzerinden IT kadar akım geçerken), iletime gireceği ve üzerinde oluşan gerilimi kırpmaya başladığı gerilim değeridir. IR; KSGB doğru polariteli beslendiğinde malzemenin bozunma geriliminden önce dayanabileceği maksimum sürekli gerilim değerine ulaştığında KSGB’den sızan maksimum ters sızıntı akımıdır. IPP; KSGB doğru polariteli beslendiğinde üzerinden geçebilecek maksimum akım değeridir. VC; KSGB doğru polariteli beslendiğinde ve üzerinden IPP akımı geçerken ani yükselen işaretleri kırpabileceği maksimum gerilim değeridir. Şekil 2.10. Tek yönlü KSGB’nin I-V eğrisi [3] KSGB’nin akım-gerilim grafiğinde, parametrelerin yerleşimi görülmektedir. Sistem girişine gelen yüksek gerilimli ve kısa süreli işaretler, tek yönlü KSGB bozunma gerilimini geçtiğinde, malzemenin üzerinden akan akımla doğru orantılı olarak, giriş işaret genliğini VBR ile VC arasında bir gerilim değerine belli bir süre sabitlemektedir. 2.2.2. Denetleyici seçimi ve özellikleri Ani yükselen işaretlere oranla daha fazla enerjiye sahip olan dalgalanan işaretlerin genlikleri KSGB malzemesiyle kırpılamamaktadır. Bu nedenle dalgalanan işaretler 13 seçilen bir denetleyicinin yarı iletken bir malzemeyi anahtarlamasıyla istenen gerilim değerine kırpılacaktır. Yüksek genlik ve enerji değerine sahip işaretlerin sistemlere zarar vermesini engelemek üzere kullanılan denetleyici “Linear Technology” firmasının “LT4356 HDE-2” üretici parça numaralı denetleyicisidir. Denetleyici, denetleyiciye harici olarak bağlanan mosfetin, kapı (Gate) ucunu kontrol ederek dalgalanan işaret genliğini kırpmaktadır. Seçilen denetleyici, geniş bir gerilim ve sıcaklık çalışma aralığına (Gerilim Aralığı: 4V-80V ve Sıcaklık Aralığı: -40oC-125oC) ve ayarlanabilir çıkış gerilimine sahiptir. Genelde otomotiv ve aviyonik uygulamaların yüksek genlikli işaretlerden korunmak üzere kullanılmaktadır. Denetleyicinin içinde akım-gerilim yükselteçleri, dâhili akım pompası, yedek gerilim yükselteci, işlevsel yükselteçler (Operational Amplifier, op-amp) ve mantıksal denetleyici bulunmaktadır (EK-1 LT4356 HDE-2 Teknik Özellikler). Denetleyicinin çalışma prensibi Denetleyici, harici olarak bağlanan mosfeti sürerek sistemi yüksek genlikli dalgalanan işaretlerden koruyan bir regülatördür. Normal çalışma durumunda, denetleyici içindeki dâhili akım pompası, n-kanal mosfeti çok düşük güç kaybıyla sürmektedir. Harici bağlanan mosfet, lineer bölgede çalışır durumda iken çok düşük gerilim düşümleriyle gücü sisteme aktarmaktadır. Giriş gerilimi yüksek genlikteyken yani, istenen çıkış geriliminden daha büyük genlikteyken gerilim yükselteci (VA) akım pompasının mosfetin kapı ucuna akım basmasını kontrol etmekte ve FB pin gerilimini 1,25V referans gerilimiyle karşılaştırarak OUT pin gerilimini ayarlamaktadır. ITMR akım kaynağı, TMR pinine bağlı kapasitörleri doldurmaktadır. Yüksek giriş gerilim durumunda TMR pin gerilimi 0,5V-1,35V arasında değişmektedir. TMR pin gerilimi 0,5V’tan 1,25V’a arttığında FLT pini, yüksek gerilim uyarısını bildirmek için düşük empedans göstermektedir. Bu sırada MOSFET, TMR pin gerilimi 1,35V’a ulaşana kadar lineer bölgede çalışmaya ve sisteme güç aktarmaya devam etmektedir. 14 TMR pin gerilimi 1,35V’a ulaştığında GATE pini düşük empedans göstererek MOSFET’i kapatmaktadır. Yüksek giriş gerilim durumu kaybolmaya başladığında TMR pin gerilimi de 1,35V’tan 0,5V’a kadar azalmaya başlamaktadır. TMR pin gerilimi 0,5V’a ulaştığında ise GATE pin gerilimi tekrar yükselmeye başlar. FLT pini yüksek empedans gösterir ve MOSFET sisteme güç aktarmaya devam eder. TMR pin geriliminin 0,5V’tan 1,25V’a arttığı süre “Başlangıç Hata Süresi”, 1,25V’tan 1,35V’a arttığı süre “Uyarı Süresi” ve 0,5V’tan 1,35V’a çıktığı toplam süre ise “Toplam Hata Süresi” olarak isimlendirilmiştir. Bu isimlendirmeler ileri bölümlerdeki teorik hesaplamalar için kullanılacaktır. Toplam Hata Süresi, MOSFET’in VDS gerilimiyle değişmektedir. VDS gerilimi, giriş gerilimiyle istenen kırpma gerilimi arasındaki farktır. VDS gerilimi ne kadar fazla ise toplam hata süresi o kadar kısa olur. Anlaşıldığı üzere MOSFET anahtarlama olarak kullanılacak ve MOSFET üzerinde yüksek giriş gerilim durumu boyunca, giriş gerilimi ile çıkış gerilimi arasındaki potansiyel fark kalacaktır. MOSFET seçiminde bu özellik dikkate alınmalıdır. Bu özellik, MOSFET’in “Güvenli Çalışma Alanı” (Safe Operating Area, SOA) grafiğinde görülebilmektedir. 2.3. MIL-STD 1275D Standardına Uygun Devre Tasarımı 2.3.1. Ani yükselen işaretten koruma blok tasarımı Standartta tanımlı ±250V/70µs değerlerine sahip ani yükselen işaretin sisteme kalıcı zarar vermemesi için işaretin, tasarım girişinde sistemin çalışabileceği gerilim aralığına kırpılması gerekmektedir. KSGB malzemeleri tasarım girişinde artı ve eksi polariteli olmak üzere bulunacaktır. KSGB malzemeleri, ONSEMICONDUCTOR firmasından 1.5SMC39AT3G ve 1.5SMC51AT3G üretici parça numaralı malzemeler seçilmiştir. Seçilen malzemelerin özellikleri şu şekildedir: 15 1.5SMC39AT3G özellikleri Yüksek genlikli işaretlere karşı yüksek hassasiyeti olan, yüksek gerilime 1ns’nin altında hızlı karşılık verebilen, yani kısa sürede yüksek genlikli işareti kırpabilen ve sistemde sızıntı işaret oluşmasını engelleyen bir malzemedir. Dayanabileceği azami güç miktarı, 250C’de 1ms boyunca 1500W’tır. Bozunma gerilim değeri (VBR), KSGB üzerinden 1mA geçerken minimum 37,1V, nominal 39V ve azami 41V’tur. Kırpma gerilim değeri (VC), KSGB üzerinden 28A geçerken, ani yükselen işaretin genliğini 53,1V’a kırpmaktadır. KSGB üzerinde, yaklaşık 33,3V’luk ters gerilim değeri oluştuğunda ise maksimum 5μA’lik sızıntı akımı oluşturmaktadır (EK-2 KSGB Teknik Verileri). 1.5SMC51AT3G özellikleri Yüksek gerilime karşı yüksek hassasiyetli ve yüksek gerilime hızlı karşılık verebilen (<1ns) bir malzemedir. Dayanabileceği azami güç değeri, 250C’de 1ms boyunca maksimum 1500W’tır. Bozunma Gerilim Değeri (VBR), KSGB üzerinden 1mA geçerken minimum 48,5V, nominal 51V ve azami 53,6V’tur. Kırpma Gerilim Değeri (VC), KSGB üzerindeki gerilim, azami bozunma gerilim değerinin üzerinde olduğunda ve üzerinden 2,4A geçtiğinde, ani yükselen işaret genliğini 70,1V’a kırpmaktadır (EK-2 KSGB Teknik Verileri). KSGB’lerin özelliklerinden görüldüğü üzere kullanılacak olan KSGB’ler yüksek güce dayanabilir özellikli seçilmiştir. Bunun nedeni; sistem ani yükselen işaretlere maruz kaldığında, KSGB’ler üzerinde yüksek gücün oluşmasıdır. KSGB üzerinde oluşacak güç hesabı şu şekildedir: E = P x Δt (1 joule=1Watt x Saniye) (2.1) Standartta tanımlı ani yükselen işaretin enerjisi 15mJ olup genliği ±250V ve sönümlenme süresi 70µs’dir. Dolayısıyla standart gereği sistem güç hatlarına uygulanacak güç değeri: 16 15mJ = P x 70µs P = 214,285W (2.2) Akım değeri ise; I = P/V = 214,285 / 250 = 857,142mA (2.3) Şekil 2.11’de gösterilen ani yükselen işaretin özellikleri göz önüne alınarak Şekil 2.12’verilen KSGB’lere ait Tepe Güç Değeri&Darbe Genişliği grafiği kullanılmıştır. Bu tablodan KSGB’lerin, 70µs boyunca 5,6kW güce dayanabildiği görülmektedir. Ani yükselen işaret güç hatlarına uygulandığında, KSGB üzerinde 214,285W güç harcanacağından ve üzerinden 857,142mA akım geçeceğinden, seçilen KSGB’ler akım ve güç gereksinimlerini rahatlıkla karşılamaktadırlar. Çizelge 2.1. KSGB’lerin Elektriksel Özellikleri Malzeme VRWM (V) 1.5SMC39AT3G 1.5SMC51AT3G 33,3 43,6 IR @ VRWM (μA) 5 5 Bozunma Gerilimi VBR (V) Min Nom Max 37,1 39 41 48,5 51 53,6 Şekil 2.11. Ani Yükselen İşaretin Genlik ve Süre Grafiği [2] @ IT mA 1 1 VC @ IPP VC IPP V A 53,1 28 70,1 21,4 17 Şekil 2.12. KSGB Tepe Güç Değeri [4] KSGB üzerinde fazla elektriksel stres oluşmaması için ve biraz da güvenlik payı bırakılarak iki adet 1.5SMC51AT3G üretici parça numaralı malzeme seri olarak, katot ucu giriş geriliminin (+) ucuna gelecek şekilde güç hattına diferansiyel olarak bağlanmıştır. 1.5SMC39AT3G üretici parça numaralı KSGB’ den ise bir adet kullanılmıştır. Bu KSGB, sisteme -250V’luk ani yükselen işaret geldiğinde kırpacaktır. Malzemenin katot ucu giriş geriliminin (-) ucuna gelecek şekilde güç hattına diferansiyel olarak bağlanmıştır. Bu KSGB kullanılmadığı takdirde denetleyicinin VCC pini maksimum -60V’a dayandığından denetleyici zarar görebilir. KSGB’ lerin bu dizilişiyle, sistem güç girişine +250V/70µs işareti geldiğinde, 1.5SMC51AT3G malzemeleri nominalde 51V+51V=102V, 1.5SMC39AT3G ise normal diyot gibi davranacak ve üzerinde 3,5V gerilim tutacaktır. Ani yükselen pozitif işaret güç hatlarına uygulandığında toplamda KSGB’ler üzerinde 70µs boyunca yaklaşık 105,5V’luk bir gerilim kalacaktır. Sistem güç girişine -250V/70µs işareti geldiğinde, 1.5SMC51AT3G malzemeleri normal diyot gibi davranacak ve üzerinde 3,5V+3,5V=7V tutacaktır. 1.5SMC39AT3G ise Zener diyot gibi davranacak ve üzerinde -39V gerilim tutacaktır. Ani yükselen negatif işaret güç hatlarına 18 uygulandığında, toplamda KSGB’ler üzerinde yaklaşık -46V’luk gerilim kalacaktır. Bu gerilim denetleyici girişine zarar vermeyecek seviyededir. 2.3.2. Dalgalanan işaretten koruma devre tasarımı Bu bölümde denetleyicinin kritik çevresel elemanlarının nasıl belirlendiği anlatılmıştır. Yüksek giriş gerilimi durumunda, FB pin gerilimi asgari 1,215V, nominal 1,25V ve azami 1,275V olacaktır. FB pinine bağlanan gerilim bölücü dirençler ile çıkış gerilimi 40V-45V gerilim aralığında olacak şekilde ayarlanacaktır. Seçilen gerilim bölücü dirençlerin ±%1 toleransa sahip olduğu düşünülürse, FB pinine bağlanacak dirençler şu şekilde hesaplanmaktadır: 1,275V 1,01R 2 0,99 R1 0,99 R1 1,215V 0,99 R 2 1,01R1 1,01R1 45V 40V (2.4) (2.5) Yukarıdaki eşitsizliklerden R1 direnci 5,76kΩ ve R2 direnci 191kΩ olarak hesaplanmıştır. Sisteme yüksek giriş gerilimi geldiğinde tasarımın asgari ve azami çıkış gerilim değerleri şu şekilde hesaplanmaktadır: Asgari çıkış gerilimi hesabı Asgari çıkış gerilimi için FB pininden akan akımın asgari olması gerekmektedir. Bu nedenle Eş.2.5 kullanılmıştır ve asgari çıkış gerilimi 40,706V olarak hesaplanmıştır. Azami çıkış gerilimi hesabı Azami çıkış gerilimi için FB pininden akan akımın azami olması gerekmektedir. Bu nedenle Eş.2.4 kullanılarak azami çıkış gerilimi 44,407V olarak hesaplanmıştır. Dalgalanan işareti kırpma işlevi, ana giriş hattı üzerinde konumlandırılacak olan MOSFET ile gerçekleştirilecektir. Sistem tehdit işaretlerine maruz kaldığında, 19 MOSFET lineer çalışma bölgesinde çalışmaya devam edecek ve denetleyici giriş/çıkış gerilimlerini algılayarak giriş gerilimini kırpacaktır. Giriş gerilimi ile kırpılmış çıkış gerilimi arasındaki potansiyel farkı, tehdit işaret süresi boyunca MOSFET üzerinde kalacaktır. MOSFET olarak, düşük RDS(ON) direncinden dolayı NKanal MOSFET’in (NMOS) kullanılması uygun bulunmuştur. Kırpma işlevinde kullanılacak olan NMOS, VISHAY firmasının SUM65N20-30 üretici parça numaralı ürünü olup, 200V gerilime ve azami 30mΩ RDS(ON) direncine sahiptir [EK-3 NMOS Teknik Özellikleri]. Düşük RDS(ON) direnci seçilmesinin nedeni, sistem normal çalışma durumunda, NMOS üzerinde gerilim düşümünün az olması ve sistemin düşük giriş gerilimlerinde çalışabilmesidir. NMOS, üzerinde tuttuğu gerilim değeriyle (VDS) ters orantılı olarak üzerinden akım geçirir. Örneğin; NMOS belli bir süre üzerinde 30V gerilim tutarken 10A akım geçirebiliyorken, üzerinde 50V tutarken 10A’den daha düşük akım geçirebilmektedir. Bu gerilim-akım grafiği, NMOS’un “Güvenli Çalışma Bölgesi” (Safe Operating Area-SOA) grafiğinde belirtilmektedir. Sistem güç girişleri dalgalanan işarete maruz kaldığında, NMOS’un “Boşaltım (Drain)-Kaynak (Source)” uçları arasında (VDS), işaret süresi boyunca azami 60V potansiyel fark oluşur. Şekil 2.13’te görüldüğü üzere NMOS üzerinde 60V gerilim tutarken ve ortam sıcaklığı 250C iken, üzerinden 10ms boyunca maksimum 16A, 100ms boyunca 7A akım geçirebilmektedir. İşaretin süresi 50ms olduğundan NMOS, 7A ile 16A arasında akım geçirebilmektedir. Tek NMOS kullanılırsa, sistemin çektiği azami akım değeri 7A’i geçmemelidir. 20 Şekil 2.13. NMOS SOA Grafiği [5] NMOS üzerinde fazla elektriksel stres oluşmaması ve normal çalışma durumunda NMOS üzerinde fazla gerilim düşümü yaratmaması için iki adet NMOS paralel bağlanarak kullanılmıştır. Sistem güç girişleri dalgalanan işarete maruz kaldığında ve sistem 14A akım çektiğinde, NMOS en fazla ısınacaktır. Bu durumda bir NMOS üzerinden 7A geçmekte ve 50ms boyunca NMOS’ta harcanan maksimum güç miktarı şu şekilde hesaplanmaktadır: P I 2R 7 2 (30 10 3 ) 1,47W TJ = Eklem Sıcaklığı PD = NMOS’ta harcanan güç miktarı RthJA = Eklem Ortam Direnci (2.6) 21 TA = Ortam Sıcaklığı TJM = Maksimum Eklem Sıcaklığı TJ TJ PD RthJA TA 1,47W 400 C (2.7) TJM W (2.8) TA 1750 C Eş. 2.8’de görüldüğü üzere ortam sıcaklığı 116,20C’den daha düşük olduğu sürece bu NMOS’un kullanılmasında herhangi bir sakınca yoktur. NMOS’un kırpma ve soğuma sürelerinin belirlenmesi Yüksek giriş gerilimi durumunda, TMR pin geriliminin 0,5V’tan 1,25V’a yükseldiği süre “Başlangıç Hata Süresi” olarak isimlendirilir ve tHATA ile ifade edilir. NMOS, TMR pin gerilimi 1,35V’a ulaşana kadar lineer bölgede çalışmaya devam eder. TMR pin gerilimi 1,35V iken, GATE pini düşük empedans göstererek NMOS’u kapatır. TMR pin geriliminin 1,25V’tan 1,35V’a yükseldiği süre “Uyarı Süresi” olarak tanımlanmış olup tUYARI olarak gösterilmiştir. “Başlangıç Hata Süresi” ve “Uyarı Süresi” “Toplam Hata Süresi” olarak isimlendirilmiş olup tTHATA ile ifade edilmiştir. Bu süre, yüksek genlikli giriş geriliminin süresini göstermektedir. Yüksek giriş gerilimi durumu kaybolmaya başladığında ise TMR pin gerilimi 0,5V’a düşmektedir. TMR pin geriliminin 1,35V’tan 0,5V’a düştüğü süre “Soğuma Süresi” olarak isimlendirilmiş olup tSOĞUMA ile ifade edilmiştir. Bu soğuma süresi NMOS’un kapalı kalma süresini göstermektedir. TMR pinine bağlanan kapasitörler ile NMOS’un açık (kırpma) ve kapalı kalma (soğuma) süreleri ayarlanmaktadır. Şekil 2.4, 100V genlik değerine sahip işaretin 100V’tan 40V’a düşüş süresini göstermektedir. Dalgalanan işaret durumunda, sistem 40V-45V arasında çalışacağından dolayı NMOS’un minimum 250 ms boyunca lineer bölgede çalışmaya devam etmesi gerekmektedir. Dolayısıyla tTHATA değeri 250ms’den yüksek olmalıdır. Hata ve uyarı süreleri Eş. 2.9’daki formülle hesaplanmaktadır. t HATA,UYARI ( s) CTMR VTMR / I TMR (2.9) 22 Kırpılmış çıkış gerilimi 40V-45V arasında değişeceğinden dolayı 55V-60V arasında değişen gerilim NMOS’lar üzerinde kalacaktır. Şekil 2.16’da görüldüğü üzere hata süresi boyunca ITMR değeri, 55V gerilim değeri için 34µA, 60V için 37µA’dir. Bu sürelerin ortalama değerleri hesaplanacağından ve akım değerleri birbirine yakın olduğundan akım değeri 34µA olarak seçilmiştir. Teorik tasarımda kullanılan grafikler EK-1’de de verilmiştir. Şekil 2.14. Hata periyodu sırasındaki ITMR – (VCC-VOUT) grafiği [6] Dalgalanan işaret durumunda uyarı süresi boyunca, TMR pinine akan akımın NMOS üzerindeki potansiyel farkla çok fazla değişmediğinden yaklaşık 5,5µA akım bu pine akacaktır. Bu akım değeri Şekil 2.15’te görülmektedir. 23 Şekil 2.15. Uyarı periyodu sırasındaki ITMR – (VCC-VOUT) grafiği [6] Dalgalanan işaret durumu boyunca giriş geriliminin istenen gerilim aralığına kırpılabilmesi için toplam hata süresinin 250ms’den uzun olması gerekmektedir. Eş. 2.9 kullanılarak elde edilen CTMR değerinin asgari 6,212µF seçilmesi gerekmektedir. Güvenlik payı da bırakılarak CTMR kapasitans değeri 7µF seçilmiştir. 7µF değerinde kapasitör bulunamadığından bu değer çeşitli değerlerdeki kapasitörler paralellenerek elde edilmiştir (4,7µF, 2,2µF ve 100nF). Bu kapasitörlerin ve ITMR akımının toleransları hesaba katılarak tHATA ve tUYARI sürelerinin asgari ve azami değerleri hesaplanmıştır. Asgari tHATA süresinin hesaplanması TMR pinine bağlanan toplam kapasitans miktarı 7µF’dir. Kapasitörlerin -10% toleranslarıyla toplam kapasitans miktarı 6,3µF olmaktadır. Asgari tHATA süresi hesaplandığından ITMR akımı azami değeri Şekil 2.16’dan 37µA alınmıştır. Normal çalışma durumunda 0,5V olan TMR pin gerilimi 0,48V-0,52V arasında 24 değişmektedir. Hata durumunda, nominal 1,25V olan TMR pin gerilimi ise 1,22V1,28V arasında değişmektedir. Bu değerler asgari hata süresinin hesaplanması için 0,52V ve 1,22V olarak alınmıştır. Eş. 2.9 kullanılarak, asgari tHATA süresi 119,189ms olarak hesaplanmıştır. Azami tHATA süresinin hesaplanması Kapasitörlerin +10% toleranslarıyla toplam kapasitans miktarı 7,7µF olmaktadır. Azami tHATA süresi hesaplandığından ITMR akımının azami değeri olan 34µA alınmıştır. TMR pin gerilimleri azami hata süresinin hesaplanması için 0,48V ve 1,28V olarak alınmıştır. Eş. 2.9 kullanılarak, azami tHATA süresi 181,176ms olarak hesaplanmıştır. Hesaplamalardan görüldüğü üzere teorik olarak hata süresi (tHATA), TMR kapasitörlerine ve ITMR akımına bağlı olarak 119,189ms-181,176ms aralığında değişmektedir. Asgari tUYARI süresinin hesaplanması Uyarı durumunda TMR pin gerilimi 80mV-120mV arasında değişmektedir. Kapasitörleri dolduracak sabit akım değeri 5,5µA’dir. Asgari uyarı süresinin hesaplanması için TMR kapasitörlerinin toleransları -10% ve TMR pin gerilimi 80mV olarak alınmıştır. Eş. 2.9 kullanılarak asgari uyarı süresi 91,63ms olarak hesaplanmıştır. Azami tUYARI süresinin hesaplanması Azami uyarı süresinin hesaplanması için TMR kapasitörlerinin toleransları +10% ve TMR pin gerilimi 120mV olarak alınmıştır. Eş. 2.9 kullanılarak azami uyarı süresi 168ms olarak hesaplanmıştır. Hesaplamalardan görüldüğü üzere teorik olarak uyarı süresi (tUYARI), TMR kapasitörlerine ve ITMR akımına bağlı olarak 91,63ms-168ms aralığında değişmektedir. Toplam hata süresi (tHATA + tUYARI) teorik olarak 210,819 25 ms-349,176 ms aralığında değişmektedir. Nominal değerler hesaplandığından toplam hata süresinin 250ms’nin üzerinde olduğu görülmektedir. Yani sistem güç girişlerine dalgalanan işaret uygulandığında, çıkış gerilimi bu süre aralığı boyunca 40V-45V gerilim aralığına kırpılacaktır. Dalgalanan işaret süresi, teorik olarak hesaplanan tTHATA süresinden daha uzun olduğunda, TMR pin gerilimi 1,35V’tan 0,5V’a düşer. Böylece NMOS’lar kapanır ve soğuma sürecine girer. Bu soğuma süresi Eş. 2.10 ile hesaplanmaktadır. t SOGUMA( s) CTMR VTMR / ITMR (2.10) Asgari tSOĞUMA süresinin hesaplanması NMOS soğuma sürecine girdiğinde TMR kapasitörleri 1,5µA-2,7µA aralığındaki akımla doldurulacaktır. TMR pin gerilimi 830mV-870mV aralığında değişmektedir. Asgari soğuma süresinin hesaplanması için ITMR değeri 2,7µA, kapasitörlerin toleransları -10% ve TMR pin gerilimi 830mV olarak alınmıştır. Eşitlik 2.10 kullanılarak, asgari soğuma süresi 1936,66 ms olarak hesaplanmıştır. Azami tSOĞUMA süresinin hesaplanması Azami soğuma süresinin hesaplanması için TMR pin gerilimi 870mV, ITMR değeri 1,5µA ve TMR kapasitörlerin toleransları +10% alınmıştır. Eş. 2.10 kullanılarak azami soğuma süresi 4466ms olarak hesaplanmıştır. Teorik olarak hesaplanan tHATA, tUYARI ve tSOĞUMA süreleri Şekil 2.16’da gösterilmiştir. 26 Şekil 2.16. Teorik olarak hesaplanan tHATA, tUYARI ve tSOĞUMA&VTMR grafiği 2.4. Tasarımın LTSPICE ile Benzetimi Teorik olarak tasarlanan ani yükselen ve dalgalanan işaretlerden sistemi koruma devrelerinin benzetimi, LTSPICE IV benzetim programında doğrulanmıştır. Tasarım, 28VDA gerilim ile çalışan ve azami 1A akım çeken sisteme göre tasarlandığından, LTSPICE programında tasarımın çıkışına 1A akım çekmek için 28Ω değerinde yük bağlanmıştır. 2.4.1. +250V/70µs ani yükselen işaret koruma benzetim sonuçları Sistem güç girişlerine +250V’luk ani yükselen işaret uygulandığında tasarım tepkisinin benzetim sonuçları aşağıda verilmiştir. Benzetim programında PWL komutuyla ani yükselen işaretin benzetimi yapılmıştır. PWL(0, 28, 0,001, 250, 0,00107, 250, 0,00207, 28) parametresiyle, t1=0 anında 28V, t2=1ms’de 250V (28V’tan 250V’a geçiş süresi 1ms), t3=0,00107s’de 250V (70µs boyunca 250V), t4=0,00207s’de 28V (250V’tan 28V’a geçiş süresi 1ms) veren ani yükselen işaret üretilmiştir. Girilen parametreler Şekil 2.17’de verilmiştir. 27 Şekil 2.17. +250V ani yükselen işaret üretecinin parametreleri Şekil 2.18’de standartta tanımlı 28V’tan 250V’a geçiş süresi olan 1ms görülmektedir. Şekil 2.18. +250V üretecinin 28V’tan 250V’a geçiş süresi (1ms) 28 Şekil 2.19. +250V üretecinin +250V/70µs göstergesi Güç kaynağının, standartta tanımlı SPIKE işareti gibi 70µs boyunca 250V gerilim ürettiği Şekil 2.19’daki benzetimden görülmektedir. Şekil 2.20. +250V üretecinin 250V’tan 28V’a geçiş süresi (1ms) 29 Güç kaynağının standartta tanımlı olan +250V’tan 28V’a düşüş süresi (1ms) Şekil 2.20’de gösterilmiştir. Şekil 2.21. +250V ani yükselen işaret uygulandığında KSGB üzerindeki gerilim Şekil 2.21’de, sistem girişine +250V/70µs işareti uygulandığında, girişteki KSGB bloğu sayesinde giriş gerilimi 70µs boyunca 108,109V’a düştüğü görülmektedir. Bu değer teorik olarak hesaplanan (105,5V) değere oldukça yakındır. Şekil 2.22. +250V ani yükselen işaret uygulandığında çıkış gerilimi 30 Şekil 2.22’de görülen benzetim çıktısında, yeşil renk ile gösterilen dalga formu +250V’luk işareti, mavi renkle gösterilen dalga formu ise kırpılmış çıkış işaret dalga formunu göstermektedir. Çıkış geriliminin 70µs boyunca 43,063V olduğu benzetim çıktısından görülmektedir. Bu değer teorik olarak hesaplanan 40,706V-44,407V aralığının içindedir. 2.4.2. -250V/70µs ani yükselen işaret koruma benzetim sonuçları Benzetim programında -250V/70µs işaret üretecinin parametreleri (PWL(0, 28, 0,001, -250, 0,00107, -250, 0,00207, 28)) standarda uygun olarak girildiği Şekil 2.23’te görülmektedir. Şekil 2.23. -250V/70µs üreteç parametreleri -250V üreten güç kaynağının 70µs boyunca -250V verdiği Şekil 2.24’te gösterilmiştir. 31 Şekil 2.24. -250V/70µs üretecinin genliği -250V/70µs SPIKE işaret üretecinin dalga formu (yeşil renk) ve tasarımın çıkış gerilimi (mavi renk) Şekil 2.25’te verilmiştir. Bu işaret sistem güç girişlerine uygulandığında elde edilen çıkış işaretinin yaklaşık -3V olduğu ve bu değerin teorik olarak hesaplanan değere yakın olduğu görülmektedir. Şekil 2.25. -250V/70µs ani yükselen işaret uygulandığında çıkış gerilimi 32 2.4.3. Dalgalanan işaret koruma benzetim sonuçları Standartta tanımlı, 50ms boyunca 100V genliğe sahip işaret, sistem güç hatlarına uygulandığında tasarımın vereceği tepkinin benzetim sonuçları aşağıda verilmiştir. Standarda uygun işaret üretecinin parametreleri PWL(0, 28, 0,001, 100, 0,051, 100, 0,052, 28) olarak girilmiştir. Şekil 2.26. Dalgalanan işaret üretecinin 28V’tan 100V’a çıkışı Şekil 2.26’daki grafikten güç kaynağının t1=0sn anında 28V olduğu ve t2=1ms anında 100V’a çıktığı görülmektedir. 33 Şekil 2.27. Dalgalanan işaret üretecinin 50ms boyunca 100V üretmesi Şekil 2.27’de güç kaynağının t1=1ms anında 100V, t2=51ms anında 100V olduğu böylece güç kaynağının 50ms boyunca 100V genliğindeki dalgalanan işareti ürettiği görülmektedir. Şekil 2.28. Dalgalanan işaret üretecinin 100V’tan 28V’a inişi 34 Şekil 2.28’de güç kaynak genliğinin t1=51ms anında 100V ve t2=52ms anında 28V olduğu görülmektedir. Şekil 2.29. Dalgalanan işaret üretecinin dalga formu Şekil 2.29’da sistemin güç hatlarına uygulanacak olan dalgalanan işaret üretecinin genliği ve dalga formu görülmektedir. Bu dalga formu standartla uyumludur. Şekil 2.30. Çıkış gerilim çıktısı 1 35 Şekil 2.30’da kırmızı halka ile gösterilen değer, yüksek giriş gerilim durumunda, giriş gerilimiyle kırpılması istenen çıkış geriliminin kesiştiği son noktadır. Bu son kesişim noktasının altında, çıkış gerilimi giriş gerilimiyle doğru orantılı olarak artmaktadır. Çünkü denetleyicinin OUT pini tarafından herhangi bir yüksek giriş gerilim uyarısı algılanmamıştır. Giriş gerilimi, FB pinine bağlı gerilim bölücü dirençler ile ayarlanan çıkış gerilimi eşik değerinin üzerine çıktığı anda kırpılmaktadır. Bu değer, benzetim sonucunda yaklaşık 43V olup, hesaplanan teorik değere uygundur. Şekil 2.31. Çıkış gerilim çıktısı 2 Şekil 2.31’de, t1=1ms’den başlayarak 50ms boyunca giriş gerilimi (yeşil renk) 100V iken çıkış geriliminin (mavi renk) yaklaşık 43V’a kırpıldığı görülmektedir. Çıkış gerilimi, yüksek giriş gerilimi hata uyarısı bitene kadar yani 50ms boyunca yaklaşık 43V’ta sabit kalmıştır. Böylece sistem 100V/50ms dalgalanan işaretten korunmuş olur. 36 Şekil 2.32. Çıkış gerilim çıktısı 3 Giriş gerilimi 43V’un altına düşene kadar denetleyici yüksek giriş gerilimi hata uyarısı yapmaktadır ve çıkış gerilimi 43V’ta sabit kalmaktadır. Şekil 2.32’de, giriş gerilimi çıkış gerilimiyle aynı değerde olduğu andan itibaren yani kırmızı halka ile gösterilen kesişim noktasından sonra çıkış gerilimi de giriş gerilimi gibi düştüğü görülmektedir. Çıkış geriliminin giriş gerilimine oranla daha yavaş düşmesinin nedeni, sistem güç kartlarının girişindeki enerji depolayan yüksek değerli kapasitörlerden kaynaklıdır. Kapasitörler dolduktan sonra ise çıkış gerilimi giriş gerilimi gibi 28V’ta sabit kalacaktır. 37 3. EMG SÜZGEÇ TASARIMI Bu bölümde EMG gürültünün nedenleri, bu gürültüden sistemleri korumak için kullanılan EMG süzgeç, süzgecin önemli elektronik malzemeleri, süzgeç tasarımı ve tasarımın benzetim sonuçları yer almaktadır. 3.1. EMG Gürültüsünün Tanımı EMG gürültüleri, elektronik devrelerde kullanılan doğrusal olmayan ve ana frekansın yanında harmonik frekanslarda da gürültü üreten malzemelerden kaynaklanan (karıştırıcılar, diyot, mosfet, opamp vb. elemanlar) akım ve gerilim kaynaklı gürültülerdir. Bu gürültüler, EMG gürültülerine maruz kalan alıcı cihazların beslendiği kaynakta gerilim dalgalanmaları, faz kaymaları, AA (alternatif akım, AC) gerilimlerde ve taşıyıcı işaretlerde frekans değişimleri, işaret dalga formunda bozulmalar, besleme gerilimi üzerinde anlık yüksek genlikli işaretler ve besleme gerilimi üzerine sürekli olarak gürültünün binmesi gibi gürültülerdir. Şekil 3.1’de örnek EMG gürültüleri görülmektedir. Şekil 3.1. EMG gürültü örnekleri [7] 38 3.2. EMG Süzgeç Ve Önemi EMG süzgeçler, güç devrelerinin iletim yoluyla güç hatlarına bulaştırdığı belirli frekanslardaki elektromanyetik girişim gürültülerini, ortak güç hatlarına bulaşmadan bastırma özelliğine sahip süzgeçlerdir. Aynı zamanda diğer sistemlerin ortak güç hatlarına iletim yoluyla bulaştırmış oldukları EMG gürültülerinin kendi sistemlerinin güç hatlarına bulaşmaması ve sisteme zarar vermemesi için kullanılan pasif süzgeçlerdir. EMG süzgecin çift yönlü etkisi Şekil 3.2’de görülmektedir. Şekil 3.2. Çift yönlü EMG gürültünün EMG süzgeç ile bastırılması EMG süzgeç tasarımında kullanılan malzemeler, EMG akımlarına ve gerilimlerine karşı seri veya paralel olarak kullanılmakta ve gürültülere karşı düşük/yüksek empedans göstererek gürültüyü bastırmaktadırlar. Süzgeç tasarımında kullanılan pasif malzemeler, yüksek frekanslarda (300MHz ve yukarı frekanslarda), ideal davranışlarından uzaklaşmakta ve ideal özelliklerini kaybetmelerinden dolayı kullanılamamaktadırlar. 39 EMG süzgeçler genelde pasif elemanlardan (indüktör, kapasitör, direnç vb.) oluşur. İndüktör ve kapasitör farklı frekanslarda farklı davranmaktadır. Kapasitör, alçak frekanslarda yüksek empedans (açık devre), yüksek frekanslarda düşük empedans göstermektedir. İndüktör, alçak frekanslarda düşük empedans, yüksek frekanslarda yüksek empedans (açık devre) göstermektedir. Bu pasif malzemelerden çeşitli kombinasyonlarda kullanılarak, EMG gürültüler süzgeç tarafından istenilen frekanslarda geçirilebilir veya bastırılabilir. Bir sistemden alınmak istenen işarete farklı bir işaret karışıyorsa gürültüsüz, saf bir işaret elde etmek için gürültünün bütünüyle süzülmesi gerekmektedir. Bu süzme işleminin ideal olması gerekmektedir. Fakat yüksek frekanslarda pasif malzemelerin istenilen özellikleri yitirmesinden dolayı yani, indüktörün belli bir frekanstan sonra (rezonans frekansı) tamamen indüktör gibi davranmaması veya kapasitörün rezonans frekansından sonra tamamen kapasitör gibi davranmamasından dolayı süzme işlemi, ideal olmamaktadır. Pasif malzemelerin rezonansa girmesinin nedeni malzemelerin parazitik elemanlara sahip olmasıdır. Bu parazitik elemanlar ne kadar etkinse, malzemeler o kadar erken frekanslarda rezonansa girerler ve ideal özelliklerini kaybederler. Pasif malzemeler süzgeçleme işlevini yaptıktan sonra elde edilen saf işaret, beklenen işaretten büyüklük ve faz bakımından aynı olmayabilir. Bu tür süzgeçlemede önemli olan işaretin dalga formunun değişmemesidir. EMG gürültüler pasif süzgeçlerin dışında aktif süzgeçlerle de süzülebilmektedir. Aktif süzgeçler, opamp gibi tümleşik devrelerin yanında pasif elemanlardan oluşan (indüktör hariç) ve istenen frekanslarda süzgeçleme yapan devrelerdir. Aktif süzgeçlerde indüktörün kullanılmamasının nedeni, tümdevre üretim teknolojisinden kaynaklanan sınırlamalardır. Aktif süzgeç devrelerinin çıkış empedansı çok düşük, giriş empedansları ise çok yüksektir. Bu nedenle aktif süzgeç devrelerinin girişlerine ve çıkışlarına bağlanacak 40 herhangi bir yükün (güç devreleri, kontrol devreleri vb.) süzgeç elemanlarından etkilenmesi söz konusu değildir. Aktif süzgeçlerin pasif süzgeçlerden en önemli dezavantajı, besleme gerilimine ihtiyaç duyması ve opampların band genişliklerinin sınırlı olmasından dolayı her frekansta aktif süzgeç tasarlamanın oldukça zor olmasıdır. Şekil 3.3’te, düşük frekansları geçiren yüksek frekansları süzgeçleyen (alçak geçiren süzgeç) yani belirli bir köşe frekansının altındaki frekansları geçiren üstündeki frekansları bastıran aktif süzgeç örneği görülmektedir. Şekil 3.3. Yüksek frekansları bastıran aktif süzgeç örneği [8] EMG Süzgecin gürültü bastırma etkinliği (araya girme kaybı (AGK), Insertion Loss (IL)), süzgeçte kullanılan malzeme sayısına, EMG gürültü tipine ve frekansına, gürültü kaynağının ve gürültüden etkilenen sistemin giriş empedansına, gürültüden etkilenen sistemin çektiği güç miktarına ve süzgeç topolojisine bağlıdır. EMG Süzgecin fiziksel büyüklüğü, EMG gürültü miktarına, frekansına ve gürültüden etkilenen sistemin çektiği güç miktarına bağlıdır. 41 3.3. EMG Gürültü Tipleri Bir sistemin, güç hatlarına iletkenlik yoluyla yaydığı veya güç hatlarından iletkenlik yoluyla sistemin güç hatlarına bağlaşan EMG gürültüsü, düşük frekansları geçiren yüksek frekansları süzen süzgeçler kullanılarak (alçak geçiren süzgeç) bastırılır. EMG gürültüsü ortak mod ve fark modu olmak üzere iki türden iletkenlik yoluyla yayılmaktadır. 3.3.1. Ortak mod EMG gürültüsü Ortak mod gürültüler, EMG üreten kaynağın artı ve eksi güç hatlarından aynı yönde akan ve sistem şasesine referanslı gürültülerdir. Ortak mod gürültüleri bastırmak oldukça zordur. Şekil 3.4’te görüldüğü üzere, EMG kaynağından iletim yoluyla yayılan artı (Hat 1) ve eksi (Hat 2) güç hat gürültüleri (IOM), EMG alıcı cihazının toprağa bağlandığı empedans üzerinden toprağa akar (2IOM) ve EMG kaynağına geri döner. Bu gürültü EMG alıcı cihaz içindeki ortak mod ve fark mod bağlanmış elektronik elemanlara ve işaretlere zarar verebilmektedir. Dolayısıyla gürültü EMG alıcı cihazın içine ulaşmadan EMG kaynak çıkışına ve/veya EMG alıcı cihaz girişine bağlanacak ortak mod pasif malzemeler ile ortak mod gürültü süzülebilmektedir. Şekil 3.4. Ortak mod EMG gürültüsü [3] 42 3.3.2. Fark mod EMG gürültüsü Fark mod gürültü, EMG üreten kaynağın artı ve eksi güç hatlarında zıt yönde akan gürültülerdir. Şekil 3.5’te görüldüğü üzere, EMG Kaynağından iletim yoluyla yayılan artı (Hat 1) ve eksi (Hat 2) güç hat gürültüleri (IFM), EMG alıcı cihazının dönüş hattından kaynağına geri döner. Bu gürültü EMG alıcı cihaz içindeki tüm ortak mod ve fark mod olarak bağlanmış elektronik elemanlara ve işaretlere zarar verebilir. Dolayısıyla EMG kaynak çıkışına ve/veya EMG alıcı cihaz girişine bağlanacak ortak ve/veya fark mod pasif malzemeler ile fark mod gürültü süzülebilmektedir. Şekil 3.5. Fark mod EMG gürültüsü [3] 3.4. EMG Süzgeç Elemanları EMG Süzgeçler, doğrusal olmayan yarı iletken malzemelerin geniş bantta ürettiği ortak mod ve fark mod gürültüleri indüktör, kapasitör ve manyetik malzemeler kullanılarak bastırmaktadır. Süzgeç tasarımında dikkat edilmesi gereken en önemli unsur süzgeç malzemelerinin seçimidir. Malzemeler seçilirken EMG alıcı cihazın çektiği akım (nominal ve anlık akım değeri), beslendiği gerilim, giriş empedansı, gürültünün genlik ve frekans değerleri göz önüne alınmalıdır. Bu bölümde EMG Süzgeç tasarımında kullanılan malzemelere ilişkin bilgiler verilmiştir. 43 3.4.1. Kapasitörler EMG Süzgeç tasarımında kullanılan düşük frekanslarda açık devre, yüksek frekanslarda kısa devre özelliği gösteren temel pasif eleman kapasitördür. Şekil 3.6’da görüldüğü üzere, EMG gürültü üretecinden iletim yoluyla yayılan EMG gürültüsü, kapasitörün belli frekanslarda düşük empedans göstermesiyle gürültüyü yüke aktarmadan kaynağına geri döndürür. Kapasitörün düşük empedans gösteren frekans bandının dışındaki gürültü frekans bileşenleri ise kaynağına gönderilemeden yüke akmaktadır. Şekil 3.6. Kapasitörün EMG gürültü süzmesi İdeal kapasitör, tüm frekanslardaki gürültüleri rezonansa girmeden süzebilmektedir. Elektronik dünyasında ideal kapasitör üretimi oldukça zordur. Bu nedenle kapasitörler, kapasitans miktarlarına bağlı olarak mikrodalga ve daha üst frekans bantlarında kullanıldığında ideal davranışlarından uzaklaşırlar. Frekans arttıkça kapasitörlerin parazitik etkileri artmaktadır. Bu nedenle rezonans frekansından sonra kapasitörler kapasitör özelliğini yitirmeye başlar ve indüktör gibi davranırlar. Bunun nedeni kapasitörlerin üretimden dolayı parazitik elemanlara sahip olmasıdır. Pasif 44 malzemelerin parazitik etkilerinden dolayı ideal bir EMG Süzgeç tasarlanamamaktadır. Şekil 3.7’de kapasitörlerin parazitik elemanları görülmektedir. Şekil 3.7. Kapasitörün parazitik elemanlarla modellenmesi Kapasitör parametreleri Tasarımda kullanılan kapasitörlerin seçiminde dikkat edilmesi gereken parametreler aşağıda verilmiştir. Dieletrik yutma (dielectric absortion) Kapasitör bir kere şarj edildikten sonra bir miktar enerji, deşarjdan sonra bile kapasitörün dielektriğine nufüz etmiş durumda kalır. Kapasitörün uçları birkaç saniyeliğine dahi kısa devre edilse bile bu enerji dielektrikte kalır. Bu olaya dielektrik yutma veya gerilim tutulması denir. Kapasitörün bu enerjiyi depolaması, seri bağlanmış direnç (RDY) ve kapasitör (CDY) parametreleri ile modellenmiştir. Yalıtım direnci (insulation resistance) Kapasitör elektrotlarına gerilim uygulandığında elektrotlar arasında akım yani sızıntı akımı her zaman gözlenir. Kapasitörün dielektrik özelliğini kaybetmesi sonucu yalıtım direnci azalır, kapasitör üzerinden devamlı akım geçer ve sürekli düşük empedans gösterir. Yalıtım direnci (IR), kapasitörün elektrotlarına DA gerilim 45 uygulanarak üzerinden geçen akımın ölçülmesiyle hesaplanmaktadır. Gerilimin akıma oranı yalıtım direncini verir. Sağlam bir kapasitör MΩ mertebesinde yalıtım direncine sahiptir. Bazı analog uygulamalarda (entegratörler, örnekle-tut devreleri) yalıtım direnci önem taşır. Genel olarak kapasitörün dielektrik değeri ne kadar düşükse yalıtım direnci o kadar yüksektir. EMG Süzgeç tasarımında IR değerinin yüksek olması tercih edilir. ESR (eşdeğer seri direnci, equivalent series resistance) Kapasitörün dielektriğinde meydana gelen kayıplar, elektrot ve terminasyon direncini temsil eder. Kapasitörün gürültüyü bastırmasında ikinci önemli parametredir. Düşük olması her zaman tercih edilir. Böylece kapasitör üzerinde fazla gerilim düşümü olmamaktadır. ESL (eşdeğer seri indüktans, equivalent series inductance) Kapasitörün terminasyon ve elektrotundaki indüktif dirençtir. Kapasitörün gürültüyü bastırmasındaki en önemli etkendir. Her zaman bu değerin düşük olması tercih edilir. Kapasitörü rezonansa sokan ana etken ESL değeridir. Şekil 3.8’de görüldüğü üzere, kapasitörler parazitik elemanlara sahip olmasaydı gürültüyü bastırma miktarları frekansla doğru orantılı olarak artacaktı ve tek bir kapasitör ile bütün EMG gürültüleri süzülebilirdi. Fakat parazitik elemanlarından dolayı bu mümkün olmamaktadır. Kapasitörün rezonans frekansı, kapasitör (C) ile kapasitörün indüktif (L, ESL) empedanslarının toplamının sıfır olduğu frekanstır ve Eş.3.1 ile gösterilmektedir. f 1 (3.1) 2 LC 46 Şekil 3.8. İdeal ve gerçek kapasitörün araya girme kaybı karşılaştırması [9] Şekil 3.9’da görüldüğü üzere, rezonans frekansında kapasitörler sıfır empedans gösterdiklerinden tüm gürültü bu empedans üzerinden sistem şasesine akacaktır. Dolayısıyla kapasitörler, rezonans frekansında maksimum gürültü bastırmasına sahiptirler. Kapasitörün ESL değeri ne kadar küçükse kapasitör o kadar yüksek frekansta rezonansa girecek ve rezonans frekansına kadar artan bir araya girme kaybına sahip olacaktır. EMG kaynağının ve EMG alıcı cihaz giriş empedanslarının 50Ω olduğu düşünülürse ideal bir kapasitörün araya girme kaybı (AGK, Insertion Loss, IL) Eş.3.2’deki ile hesaplanmaktadır [7]. AGK 20 log 1 50 fC 2 (3.2) 47 Şekil 3.9. Kapasitörün frekans&empedans grafiği [7] Şekil 3.10’da görüldüğü üzere, kapasitans miktarı ne kadar yüksekse araya girme kaybı o kadar yüksek olur ve gürültü genliği daha fazla süzülür. Gerçek kapasitörlerde ise kapasitans miktarı arttıkça araya girme kaybı artar. Fakat kapasitans miktarı büyüdükçe gerçek kapasitörler daha erken frekanslarda rezonansa girer ve yüksek frekanslarda yüksek empedans gösterdiğinden dolayı istenen gürültü bastırmasını sağlayamaz. 48 Şekil 3.10. Kapasitans ile araya girme kaybı arasındaki ilişki [9] Şekil 3.10’da görüldüğü üzere, büyük kapasitans miktarına sahip kapasitörler rezonans ferkansına kadar daha yüksek AGK değerine sahiptirler. Fakat daha erken frekanslarda rezonansa girerler. EMG Süzgeç tasarımında kullanılacak kapasitörlerin ESR direncinin de düşük olması istenir. ESR empedansı ne kadar yüksek olursa kapasitör o kadar yüksek empedans gösterir ve akım gürültülerine karşı düşük empedans gösteremeyerek gürültüyü tamamen şaseye veya dönüş hattına aktaramaz ve gürültünün bir kısmı EMG alıcı cihaza bağlaşır. Şekil 3.11’de, aynı kapasitans değerlerine sahip kapasitörlerin, ideal ve ESR direncine bağlı olarak gürültüye karşı gösterdikleri empedans görülmektedir. ESR direnci ne kadar düşük olursa aynı kapasitans değerindeki kapasitörün araya girme kaybı o kadar yüksek olur. Ayrıca kapasitör üzerinde harcanacak güç tüketimi de o kadar az olur. 49 Şekil 3.11. ESR empedans & frekans ilişkisi [9] Yitim oranı (tanδ) Yitim oranı (tanδ), kapasitörün ESR direncinin kapasitif empedansına oranı olarak tanımlanmış olup AA uygulamalarında önem taşıyan bir faktördür. Yitim oranı Şekil 3.12’de görüldüğü üzere, δ = RS/XC tan(δ) = tan(RS/XC) (3.3) ile gösterilir. Yitim oranı ağırlıklı olarak ESR’dan kaynaklanır. ESR direnci, kapasitörlerin hat dirençlerinden, sızıntı akımından ve dielektrik kayıplardan kaynaklanır. RS ve XC frekansa bağlı olduğundan yitim oranı da frekansa bağlıdır. Kapasitörün yitim oranı ne kadar düşük olursa kapasitör o kadar verimli olur. 50 Şekil 3.12. Yitim oranı (tanδ) [7] Kalite faktörü (q) Kapasitörün kapasitif empedansının ESR direncine oranı olarak tanımlanır ve yitim oranının tersidir. Yitim oranının tersine kalite faktörünün yüksek olması kapasitörün ideale yakın çalışması anlamına gelmektedir. Güç faktörü (power factor, PF) ESR direncinin kapasitörün toplam empedansına oranı olarak tanımlanır ve yüzde ile gösterilir. PF ( RS / Z ) 100 (3.4) Kapasitör empedansı (Z) Kapasitörün parazitik elemanları dâhil toplam empedansıdır. Kapasitörün parazitik elemanları dâhil toplam formülasyonu Eş. 3.5’te gösterilmiştir. LS ESL indüktans değeri, ω0 = Rezonans frekans değeri 51 2 S Z Z Z R 1 C LS 1 RS 1 0 2 (3.5) ; 2 1 C LS 2 1 ln ln ln Z Z0 Z Z0 Z Z0 LS C LS C 1 RS ln 0 ln 1 RS ln 0 0, LS C 0 ln 0 0 1 RS LS C 1 LS C LS , C LS , C 0 2 1 RS LS C 0 ; 0 ; 0 ; . Yukarıdaki formüllerden görüldüğü üzere kapasitörlerin rezonans frekansında (ω=ω0) reaktans değeri sıfıra yakındır. Kapasitör rezonans frekansında sadece ESR direncine sahip olup gürültüyü en çok bu frekansta bastırmaktadır. Sıcaklık Katsayısı (part per million (ppm) /K) Kapasitörlerin sıcaklık katsayısı olarak ppm/K birimi kullanılmaktadır. Örneğin; 1ppm/K sıcaklık katsayısı 10–6 ‘dır. 1K sıcaklıkta kapasitans değeri % 10–4 değişmektedir. Bazı kapasitör firmaları ppm/C birimini de kullanmaktadır. Bu birimin anlamı ise; 1ppm/C sıcaklık katsayısına sahip bir malzemenin kapasitans değerinin milyonda bir değişmesidir. Gerilim Katsayısı Uygulanan gerilime bağlı olarak kapasitördeki kapasitans değişimidir. 52 Dielektrik Dayanım Gerilimi (dieletric withstand voltage) Kapasitörlerin dielektrik malzemelerinin bozulmadan ns veya µs’ler mertebelerinde darbe şeklinde uygulanan azami gerilim değeridir. Dielektrik Sabiti (K) Dielektrik materyalinin depolanan elektrostatik yüke oranı olarak tanımlanır. Yüksek K değerli kapasitörler piezoelektriğe karşı daha duyarlı olmaktadır. Kapasitör çeşitleri Kapasitörler elektrot yapılarına göre düzgün yüzey ve gözenekli olmak üzere ikiye ayrılır. Düzgün yüzey elektrotlu kapasitörler, yaprak (foil) ve ince ya da kalın film malzemeli kapasitörlerdir. Dielektrik malzemesi olarak seramik, polimer film ve diğer (cam, mika, kağıt vb.) dielektrikleri kullanılmaktadır. Gözenek elektrotlu kapasitörler ise; elektrot görevi gören metal ya da iletken yapıya tantal veya niobyum tozu emdirilerek oluşturulur. Alüminyum veya tantalyum elektrotlar aşındırılarak, kapasitans düşük voltaj kapasitörleri için 80-100 kat, yüksek voltaj kapasitörleri için 30-40 kat artırılır. Disksel (Discoidal) Kapasitör Disksel kapasitörler, disk şeklinde olduğundan bu ismi almıştır. AA ve DA uygulamalarında kullanılabilen, düşük ESL ve ESR değerli, yüksek frekans empedansı çok düşük (dolayısıyla yüksek frekanslarda gürültüyü daha çok bastırmakta), IR>100GΩ, C≥50pF için tan(δ)<15*10-4 değerlerine sahip düzgün yüzey elektrotlu kapasitörlerdir. Tek ve çok katlı diskoidal kapasitörler Şekil 3.13’te ve Şekil 3.14’te verilmiştir. 53 Şekil 3.13. Tek katlı disksel kapasitör [10] Tek ve çok katlı disksel kapasitörlerin kapasitans değerleri, iç ve dış çapına, dielektrik sabitine ve dielektrik kalınlığına bağlıdır. Şekil 3.14. Çok katmanlı disksel kapasitör [10] 54 Direkt beslemeli kapasitör Direkt beslemeli yapıda olan düzgün yüzey elektrotlu tübüler kapasitördür. Gürültü bastırma amacıyla kullanılan kapasitörlerin, gürültüyü en kısa yoldan gerçek toprağa aktarmaları gerekmektedir. Devre seriminde, kapasitörler ile gerçek toprak arasındaki akım yolları ne kadar kısa olursa ve geniş olursa akım yolunun empedansı o kadar küçük olur ve gürültü kısa yoldan toprağa aktarılmış olur. Direkt beslemeli kapasitörler Şekil 3.17’de görüldüğü üzere metal plakaya yani gerçek toprağa monte edilmiştir. Böylece gürültünün minimum empedans görmesi sağlanmıştır. Direkt beslemeli kapasitörlerin ESL ve ESR değerleri çok küçük olduğundan gürültü bastırma etkinlikleri GHz frekansına kadar sürmektedir. EPCOS firmasının 0,1µF, 0,5µF ve 1µF değerlerindeki kapasitörlerinin 50Ω’luk sistemdeki araya girme kayıp değerleri Çizelge 3.1’de verilmiştir. Çizelge 3.1. Direkt besleme kapasitörlerinin AGK değerleri [11] C (µF) 10kHz 100kHz 1MHz 10MHz 100MHz 1GHz 0.1 0 5 20 40 60 >70 0.5 2 15 35 40 80 >90 1 5 5 45 50 85 >90 Yüksek iletkenlik katsayısına sahip dielektrik malzemeli kapasitörler piezoelektriğe karşı daha duyarlı olmaktadırlar ve yalıtım dirençleri daha fazladır. Yani şoka, vibrasyona karşı daha duyarlıdır. Direkt besleme kapasitörlerin iletkenlik katsayıları daha düşük olduğundan piezoelektriğe karşı duyarlı değildirler. Şekil 3.15’te görüldüğü üzere direkt besleme kapasitörlerinin C ve Pi devre yapılı olmak üzere iki tipi vardır. Diğer kapasitörlerden en önemli farkı, gürültüyü süzmek için iletim hattına seri olarak bağlanmasıdır. Sistemin çektiği tüm akım bu kapasitör üzerinden de geçmektedir. Dolayısıyla bu tip kapasitör seçiminde sistemin çektiği akım değeri de göz önüne alınmalıdır. 55 Şekil 3.15. C ve pi devre yapılı direkt beslemeli kapasitör [7] En iyi plastik film, seramik vb. gibi dielektriklerle üretilmiş kapasitörlerde bile elektron boşlukları vardır. Kapasitörlere, asgari kullanılabileceğinden daha yüksek gerilim uygulandığında, elektronlar bu boşluklarda ilerleyerek dielektriklerin zarar görmesine neden olmaktadır. Dolayısıyla kapasitör kullanılamaz hale gelmektedir. Fakat direkt beslemeli kapasitörler, metalle kaplanmış film malzemesinden yapılmıştır. Bu yüzden dielektrik yüzeyinde elektron boşlukları oluşmamaktadır. Dolayısıyla yüksek gerilim uygulandığında elektronların hareket edeceği boşluklar mevcut olmamaktadır. 56 Şekil 3.16. Direkt besleme kapasitörlerin “iyileştirme” özelliği [11] Kapasitörün iyileştirme özelliği, 10-8 saniyelik elektriksel kırılmayla başlar. Şekil 3.16’da görüldüğü üzere, kırılma kanalında dielektrik malzeme yüksek basınçlı plazmaya dönüşür. Plazma kanalın dışına çıkar ve dielektrik katmanlarının her birine ayrı ayrı basınç uygular. Plazmanın yayılmasıyla yüksek gerilim elektronları dielektriğe zarar vermeden metal üzerinden boşalır. Plazmada yaklaşık 6000K’lik bir sıcaklık oluşur. Kapasitörün bu iyileştirme tekniği birkaç µs zaman alır. Kapasitörün daha yüksek gerilimlere (yüksek genlikli, kısa süreli (ns)) maruz kaldığında zarar görmemesi, filmin üzerindeki metalin kalınlığına bağlıdır. Metalize kapasitörlerin metalize olmayan kapasitörlere göre dezavantajları; yitim oranının ve ESR değerinin yüksek olmasıdır. Dolayısıyla üzerindeki gerilim düşümü daha fazladır. Ayrıca yalıtım direnci ve maksimum akım sınırlaması ise daha düşüktür. Avantajları ise; yüksek gerilimli kısa süreli işaretlere karşı daha dayanıklı ve hacimsel olarak daha küçük olmasıdır. Ayrıca aynı kapasitans değerli diğer kapasitörlere göre fiyatı daha düşüktür. 57 Şekil 3.17. Direkt beslemeli kapasitörlerin montajı [11] Şekil 3.17’de direk beslemeli kapasitörün metal plakaya monte edilmiş hali görülmektedir. Metal plaka sistemin gerçek toprağına bağlıdır. Bu yüzden gürültü en kısa yoldan en düşük empedansla gerçek toprağa akmaktadır. Kapasitörün dielektrik malzemesi olarak metalize propilen, film vb. malzemeler kullanılmaktadır. 3.4.2. İndüktör İndüktör, kapasitör gibi yüksek frekanslarda parazitik elemanlardan dolayı sınırlı gürültü bastırma özelliğine sahiptir. İndüktörlerin en önemli parazitik elemanı, Şekil 3.18’de görüldüğü üzere indüktör sarımları arasındaki sarım kapasitanslarıdır (C). Bu kapasitans, indüktörü ideal durumdan uzaklaştıran temel elemandır. Sarımlar arası kapasitans ne kadar düşük olursa, indüktörün rezonans frekansı o kadar yüksek olur ve indüktör rezonans frekansına kadar gürültüyü süzme özelliği gösterir. İndüktör azami empedans değerini rezonans frekansında gösterir. İndüktörün diğer parazitik elemanı ise, indüktör sarımlarının DC direncidir (R). 58 L R C Şekil 3.18. İndüktörün parazitik elemanları Şekil 3.19. İdeal ve gerçek indüktör empedanslarının frekansa bağlı değişimi [7] Şekil 3.19’da, ideal ve gerçek indüktörün frekansa bağlı empedans grafiği görülmektedir. İdeal ve gerçek indüktörün empedansları arasında fark olmasının temel nedeni, indüktörün içyapısından kaynaklı parazitik elemanlardır. İndüktör reaktansının direncine oranı kalite faktörü (Q) olarak tanımlanır. Kalite faktörü ne kadar yüksekse indüktörün süzme işlevi o kadar yüksektir. İndüktör süper iletken ile sarılmışsa kalite faktörü sonsuzdur ve indüktör kayıpsızdır. Düşük frekanslarda indüktörün kalite faktörü çok iyidir. Çünkü düşük frekanslarda indüktörün sadece DC direnci mevcuttur ve bu direnç de düşüktür. Fakat frekans yükseldikçe deri etkisinden ve sarımlar arası kapasitansların artmasından dolayı kalite faktörü düşer. İndüktörün Q faktörünü artırmak, indüktör iletkeninin çapına, sarımlar arası uzaklığa 59 bağlıdır. İletkenin çapı ne kadar büyük olursa iletkenin DA ve AA dirençleri düşük olur. Sarımların birbirinden uzak tutulması da sarımlar arasındaki kapasitansı azaltır ve tüm bunlar indüktörün ideal davranmasına etkendir. 3.4.3. Ortak mod bukağı Ortak mod bukağı (common mode choke), güç hatlarının manyetik geçirgenliği yüksek çekirdek malzemeye sarılarak elde edilen ve ortak mod gürültülere karşı yüksek empedans göstererek gürültüyü bastıran bir çeşit indüktördür. Şekil 3.20’de görüldüğü üzere, ortak mod bukağı üzerinden aynı yönde ve eşit genlikte geçen ortak mod akımlar, sol el kuralına göre, aynı yönde manyetik akı oluştururlar. Bu manyetik akı ortak mod gürültülere karşı yüksek empedans göstererek ortak mod gürültüyü zayıflatır. Ortak mod akımların enerjisi manyetik malzeme üzerinde ısıya dönüşerek gürültü yüke aktarılmamış olur. Fark mod akımlar, ortak mod bukağından zıt yönde ve eşit genlikte geçerler. Ortak mod bukağı üzerinde zıt yönde manyetik akı oluşturur ve birbirini sıfırlar. Bu yüzden bukağı, fark mod gürültülere empedans göstermez ve zayıflatmaz. Şekil 3.20. Ortak mod bukağı manyetik akı çizgileri [12] 60 Ortak mod bukağı ve parazitik elemanları Ortak mod bukağı yapımında kullanılan manyetik malzeme nedeniyle normal indüktörlere göre fazladan ortak indüktans (mutual inductance) gösterir ve bu özelliğinden dolayı indüktörlere göre gürültülere karşı daha yüksek empedans gösterir. Bu nedenle ortak mod gürültülerine karşı ortak mod bukağı kullanımı normal indüktöre göre daha etkilidir. Ortak mod bukağı, tıpkı pasif malzemeler gibi parazitik elemanlara sahiptir ve belli frekansta en yüksek empedansı gösterir. En yüksek empedans gösterdiği frekans rezonans frekansıdır ve maksimum gürültüyü bastırır [6]. Şekil 3.21. İdeal ve gerçek ortak mod bukağı [13] Şekil 3.21’de görüldüğü üzere, ortak mod bukağının parazitik elemanları, ortak mod bukağına seri sızıntı indüktansı ve seri direnci ile paralel kapasitanstır. Ortak mod bukağından fark mod gürültü akımları geçerken birbirine zıt yönde manyetik akım oluştururlar. Gerçek ortak mod bukağında birbirine zıt olan bu manyetik akılar aynı genlikte olmamaktadır. Dolayısıyla birbirlerini tamamen yok etmezler ve geriye bir miktar manyetik akı kalır. Arta kalan manyetik akı, fark mod akımlarına karşı belli bir empedans göstermektedir. Bu manyetik akı ortak mod bukağına seri bağlanmış bir indüktör ile gösterilmektedir (LS). Bu indüktöre ortak mod bukağının sızıntı indüktörü de denir. 61 Şekil 3.22. Ortak mod bukağının sızıntı indüktörünün ölçümü [14] Sızıntı indüktör değerinin ölçümü Şekil 3.22’de görülmektedir. Ortak mod bukağının sarımlarından biri kısa devre edilir. Kısa devre edilen sarım üzerinde sıfır Volt görülür ve dolayısıyla diğer sarım üzerindeki gerilim de sıfır Volt olur. Empedans analizörden belli frekanslarda verilen gerilim, sızıntı indüktörü ve sarımların direnci üzerinde görülecektir. Sarımların direnci sızıntı indüktörünün empedansına göre ihmal edilebilir seviyededir. Dolayısıyla analizörde okunan indüktans değeri sızıntı indüktörünün değeri olacaktır. Sızıntı indüktörünün değeri frekansla çok değişmemekte olup malzemenin geçirgenlik değerine, kesit alanına ve sarım sayısına bağlıdır. Ortak mod bukağı parazitik elemanlara sahip olduğundan belli frekansta rezonansa girmektedir. Bukağının rezonansa girmesindeki en büyük etken, bukağının alt ve üst sarımları arasında kapasitif bağlaşımdır (coupling). Bu bağlaşım, ortak mod bukağına paralel bağlanmış bir kapasitör (C) ile gösterilmektedir. Bu kapasitans, Şekil 3.23’te gösterildiği gibi sarımların birbirine çok yakın olmasından kaynaklanmaktadır. Sarımlar arası uzaklık ne kadar fazla olursa ya da sarım sayısı ne kadar az olursa kapasitans daha düşük olur ve ortak mod bukağı o kadar geç rezonansa girer. 62 Şekil 3.23. Ortak mod bukağı sarım teknikleri [9] Daha düşük kapasitans için ortak mod bukağı sarımları azaltılamıyorsa, başlangıç ve bitiş sarımları birbirinden uzak tutularak da kapasitans miktarı azaltılabilir. Yukarıdaki şekile göre en düşük kapasitansa sahip sarım tekniği tek kat sarılmış olandır. En büyük kapasitansa sahip sarım tekniği ise, başlangıç ve bitiş sarımları birbirinden fiziksel olarak uzak olmayan çift kat sarılmış olandır. Eğer sarım sayısı çekirdek boyutuna göre fazla ise ardışık sarımlar çapraz, ilk ve son sarımlar birbirlerinden uzak olacak şekilde sarılarak kapasitans miktarı azaltılabilir. Diğer bir parazitik eleman olan ortak mod bukağının sarım tellerinin direnci, ortak mod bukağına seri bağlanmış bir direnç ile gösterilmektedir ve bukağı, bu direnç üzerinden geçen akım nedeniyle güç harcamaktadır. Şekil 3.24’te de gösterilen parametreler ile teorik olarak ortak mod bukağının indüktans değeri şu şekilde hesaplanabilir [15]: L(µH)=0,4πµN2A10-2/ l (3.6) L Ortak Mod Bukağı İndüktans Değeri (µH), µ Manyetik Malzemenin Geçirgenlik Değeri, N Sarım Sayısı, A Manyetik Malzemenin Kesit Alanı (cm2), l Manyetik Akının Malzeme Üzerinde Aldığı Ortalama Manyetik Yol Uzunluğu 63 l=π(Dış Çap - İç Çap)/ln(Dış Çap/İç Çap) (3.7) Şekil 3.24. Manyetik malzemenin kesit alanı ve manyetik yol uzunluğu [15] Manyetik malzemenin geçirgenlik değeri (µ) ne kadar fazla olursa indüktans değeri dolayısıyla da ortak mod gürültülere gösterdiği empedans miktarı da o kadar fazla olur. Fakat indüktans miktarı ne kadar fazla olursa ortak mod bukağı o kadar erken rezonansa girer. Ortak mod bukağının maksimum sarım sayısı manyetik malzemenin dış çapına ve sarılan kablonun çapına (AWG) bağlıdır. Maksimum sarım sayısı şu formülle bulunur: Sarım Sayısı= π (Manyetik Malzemenin Dış Çapı-Kablo Çapı)*(1600/3600) (3.8) İndüktans formülündeki sarım sayısının (N) maksimum sarım sayısından fazla olmaması gerekir. Maksimum sarım sayısı formülünde gösterilen “(1600/3600)” çarpanının anlamı, ilk ve son sarımlar arasında 1600 olmasıdır. Sızıntı indüktörünün pratikleştirilmiş formülü Eş.3.9’da verilmiştir. 64 LS(mH)=(292N1,065A)/(l*105) (3.9) Ortak mod bukağının empedans değeri, bukağı üzerinden geçen akıma bağlı olarak da değişmektedir. Buna bağlı olarak da bukağının rezonans frekansı değişmektedir. Şekil 3.25’te görüldüğü üzere, ortak mod bukağının sarım sayısı indüktörün kesim frekansını ve rezonans frekansını etkilemektedir. Sarım sayısı arttıkça malzemenin belli bir frekansta gürültüye gösterdiği empedans artmaktadır. Fakat malzemenin kesim frekansı ve rezonans frekansı da sarım sayısı arttıkça azalmaktadır. Şekil 3.25. Sarım sayısının empedansa etkisi [16] Ortak mod bukağı seçimi Ortak mod bukağında en önemli parametre manyetik malzemenin cinsidir. Bukağı yapımında kullanılan manyetik özelliklere sahip çekirdekler temel olarak NiZn ve MnZn alaşımlarından meydana gelmektedir. NiZn alaşımlar, 450-1700 aralığında geçirgenlik değerine sahip olup yüksek frekanslarda (>100MHz) etkilidir. MnZn 65 alaşımların ise geçirgenlik değeri 15000’e kadar ulaşır ve düşük frekanslarda etkilidirler. Manyetik çekirdek malzeme parametreleri Hacimsel direnç Bir malzemenin hacimsel direnci, malzemenin karşılıklı uçları arasındaki direnç olup cm2 başına Ohm ile ölçülür. İyi iletken malzemeler düşük dirençli, iyi yalıtkan malzemeler yüksek dirençli malzemeler olarak adlandırılır [16]. Eddy akımı Manyetik malzemenin sarımlarından geçen elektriksel akımlar malzemede manyetik alan oluşturur. Oluşan bu manyetik alan zamanla değişiyorsa malzemede veya ferit çekirdekte Eddy akımlar indüklenir. Manyetik alan ne kadar yüksekse Eddy akımları o kadar yüksek olur. Bu akımlar manyetik alanın frekansı dışında malzemenin cinsine, yapısına ve boyutlarına bağlıdır. Eddy akımları yalnızca malzemenin ısınmasına değil aynı zamanda kendisini oluşturan alana ters yönde olacağından manyetik alanın zayıflamasına neden olurlar. Sıfır hacimsel dirence sahip malzemelerde Eddy akımlar enerjiyi ısı olarak yayar. Buna indüklenerek ısınma denmektedir. İnce plakalardan oluşmuş iletkenlerde Eddy akımlar minimize edilebilir [16]. Manyetik geçirgenlik (µ) Bir malzemenin manyetik alan etkisinde kalması durumunda edinmiş olduğu ΄ mıknatıslık özelliğinin derecesidir [16]. Manyetik geçirgenlik gerçek (µ ) ve sanal ΄΄ ΄ ΄΄ (µ ) olmak üzere iki kompleks parametreden (µ -jµ ) oluşmaktadır. Gerçek kısım reaktif kısmı, sanal kısım kayıpları göstermektedir. Bu kompleks parametreler Şekil 3.26’da gösterildiği gibi frekansa bağlı olarak değişmektedir. Çoğu manyetik 66 ΄ malzemenin µ değeri düşük frekansta çok yüksektir ve düşük frekanslarda baskındır. Düşük frekanslarda indüktif özellik göstererek EMG gürültülerini süzebilmektedir. ΄΄ Daha yüksek frekanslarda µ daha baskın olmaya başlar ve direnç özelliği göstererek iletken yollu EMG gürültüleri süzebilir. Şekil 3.26. Manyetik geçirgenlik parametrelerinin frekansa bağlı değişimi [16] Curie sıcaklığı Ferromanyetik malzemeler belli bir sıcaklığa kadar manyetik özelliklerini korurlar. Fakat sıcaklığa bağlı olarak manyetik özelliklerinde azalma meydana gelmektedir. Manyetik malzemelerin manyetik özelliklerini kaybettiği sıcaklığa Curie sıcaklığı denmektedir [16]. Malzeme sıcaklığı Curie sıcaklığının altına indiği zaman tekrar manyetik özelliğini kazanır. Doyum (saturasyon) Manyetik malzemeler uygulanan manyetik alandan dolayı doyuma ulaşabilirler. Manyetik malzemeye eşik değerinden daha fazla manyetik alan uygulandığında 67 malzemenin manyetik geçirgenliği düşmeye başlamaktadır. Yüksek geçirgenliğe sahip malzemeler daha düşük manyetik alanda doyuma girerler. Şekil 3.28’de, malzemeye uygulanan veya malzeme üzerinde oluşan manyetik alanın empedansa olan etkisi görülmektedir. Şekil 3.27. Manyetik alan & empedans eğrisi [16] Manyetik malzemelerin en önemli parametrelerinden biri artık mıknatıslanma (remnance) ve artık mıknatıslanım (coercivity) parametreleridir. Artık mıknatıslanma (remnance) Ferromanyetik malzeme iletkeninden akım geçtiğinde malzeme üzerinde manyetik alan oluşur. İletkenin beslemesi kesildiğinde malzeme üzerinde oluşan manyetik alan da sıfırlanır. Fakat malzemenin çekirdeğinde bir miktar manyetik alan kalabilir. Kalan bu manyetik alan artık mıknatıslanma olarak adlandırılır. Manyetik malzemelerin remnans özelliği manyetik depolama cihazlarında manyetik hafıza olarak kullanılabilir [17]. 68 Artık mıknatıslanım (coercivity) Artık mıknatıslanım alanı ya da kuvveti olarak da adlandırılır. Manyetik malzemelerin artık mıknatıslanmasını sıfırlamak için ters yönde uygulanan manyetik alandır. Diğer bir deyişle manyetik malzemenin demagnetize olmak için malzemenin direnci olarak da tanımlanabilir. Oerstad ya da Amper/m olarak ölçülür. Yüksek artık mıknatıslanım değerine sahip manyetik malzemeler sert malzeme (permanent), düşük mıknatıslanım değerine sahip manyetik malzemeler yumuşak malzeme olarak adlandırılır. Sert malzemelere elektrik motorları, manyetik kayıt cihazları (hard disk, floppy disk), yumuşak malzemelere trafolar, indüktör çekirdekleri, mikrodalga cihazları ve manyetik ekran malzemeler örnek verilebilir. Manyetik malzemelerin artık mıknatıslanımı, manyetizasyon eğrisi (histeresis curve) vasıtasıyla belirlenebilir [17]. Şekil 3.28’deki eğriden görüldüğü üzere, ferromanyetik malzemeye uygulanan manyetik alan kuvveti arttıkça malzemenin çekirdeğinde kalan mıknatıslanma da doyum noktasına kadar artar. Malzeme doyuma girdikten sonra uygulanan manyetik alan ile mıknatıslanma değeri değişmemektedir. Şekil 3.28. Manyetizasyon eğrisi (histeresiz eğrisi) [17] 69 Zamanla değişen manyetik alan manyetik malzemeye uygulandığında, malzemenin manyetizasyon eğrisi histeresiz eğrisi ile tanımlanır. Şekil 3.28’de görüldüğü üzere manyetik malzemenin enerjisi kesildiğinde, üzerinde manyetik alan sıfırlanmaktadır. Fakat ferit çekirdeğinde manyetik akı yoğunluğu kalmaktadır (Artık Mıknatıslanma, 1.nokta). Malzemenin çekirdeğinde kalan bu manyetik akıyı sıfırlamak için malzemeye ters yönde uygulanan manyetik alan 2 numara ile gösterilmektedir (Artık Mıknatıslanım). Malzeme iletkeninden geçen akım ile malzeme üzerinde oluşan manyetik alan doğru orantılıdır. Dolayısıyla iletkenden ne kadar çok akım geçerse malzeme üzerinde o kadar manyetik alan oluşur. H=0,4πNI/l (3.10) Malzeme üzerinde oluşan manyetik alan belli bir değeri aştıktan sonra malzemede manyetik akı fazla değişmemekte ve malzeme doyuma girmektedir. B-H eğrisi arasındaki alan ne kadar fazla ise daha küçük hacimli manyetik malzemelerde istenen manyetik akı yoğunluğu daha rahat elde edilir. Küçük hacimli manyetik malzemelerde yüksek manyetik akı oluşturma, malzemenin sert manyetik malzeme olduğunu yani malzemenin kalitesini (BB0/µ0) göstermektedir. Yüksek artık mıknatıslanma ve artık mıknatıslanım değerlerine sahip malzemeler sert malzeme, düşük değere sahip malzemeler ise yumuşak malzeme olarak adlandırılırlar. Çizelge 3.2. Manyetik malzemelerin manyetik özellikleri [17] Artık Artık Mıknatıslanım (T) Mıknatıslanma (T) BaFe12O19 0,36 0,36 25 Alnico IV 0,07 0,3 10,3 Alnico V 0,07 1,35 55 Alcomax I 0,05 1,2 27,8 MnBi 0,37 0,48 44 Ce(CuCo5) 0,45 0,7 92 SmCo5 1,0 0,83 160 Malzeme (BB0/µ0)max(kJ/m3) 70 Çekirdek kayıpları Manyetik malzemenin en büyük kaybı eddy akımlarından kaynaklı kayıplardır. Eddy akımlarından kaynaklı enerji kayıpları, manyetik malzeme üzerinde ısı ile dışarı atılmaktadır. Bu kaybın dışında malzemenin iletkeninin direncinden ve çekirdekten kaynaklı kayıplar vardır [16]. Manyetik çekirdek çeşitleri Ferit çekirdek Nikel, manganez, çinko vb. ferromanyetik malzemelerden yapılmış yüksek manyetik geçirgenliğe (15,000’e kadar), düşük elektriksel iletkenliğe sahip manyetik malzemedir. Yüksek geçirgenliğe sahip ferit materyaller yüksek sıcaklıklarda çalışabilirler (<1750C). Ferit malzemeler Curie sıcaklığına sahiptir. Malzeme, bu sıcaklığın üzerinde çalıştığında malzeme mekanik olarak zarar görmez fakat manyetik özelliğini kaybeder. Pek çok ferit üreten firma ürünlerinin özelliklerinde indüktans faktörü tanımını kullanır. İndüktans faktörü, ferit malzemenin bir sarımı için belli frekansta gösterdiği indüktans değerini göstermektedir. Ferit çekirdek aldığı mekaniksel şekle göre, toroid, pot, E, EE, ER, EP, RM U, UR ve I tiplerinde olabilir. Pot, E, EE vb. geometrik şekillerdeki ferit çekirdekler, ısıyı dağıtma, çekirdek, sarım maliyeti, montaj kolaylığı ve ekranlama bakımından daha faydalı oldukları düşünüldüğü için kullanılmaktadır. Toroid kullanılmasının ise iki önemli nedeni vardır; birincisi toroidler üzerinde herhangi bir girinti çıkıntı olmadığından üretimi daha kolaydır ve dolayısıyla daha ucuzdur. İkincisi, toroidler tek parçadan üretilir ve üzerinde E, EE vb. diğer ferit çekirdeklere göre hava boşlukları olmadığından geçirgenlik değeri daha yüksektir ve daha yüksek empedans üretilebilir. Toroid feritlerin tek dezavantajı yüksek sarım maliyetidir. Sarımları oluşturmak için ya özel sarım makinelerinin kullanılması gerekmektedir ya da elle sarılması gerekmektedir. ISDN ve geniş band trafolarda, süzgeç devrelerinde ve telekom uygulamalarında kullanılır [18]. 71 Çizelge 3.3. Ferit çekirdeklerin karşılaştırılması [16] Özellik Çekirdek Maliyeti Bobin POT RM EP PQ E Toroid Yüksek Yüksek Orta Yüksek Düşük Çok Düşük Düşük Düşük Yüksek Yüksek Düşük Yok Düşük Düşük Düşük Düşük Düşük Yüksek İyi İyi İyi İyi Çok İyi Pek İyi İyi İyi İyi Pek İyi İyi Zayıf Zayıf İyi Zayıf İyi Çok İyi İyi İyi Çok İyi Pek İyi Zayıf İyi Maliyeti Sarım Maliyeti Sarım Kolaylığı Montaj Kolaylığı Isı Atma Ekranlama Çok İyi Toz (powder) çekirdek DA indüktör olarak da bilinen, yer yer boşluklardan oluşan, yüksek dirençli, düşük histeresiz ve eddy akım kayıplarına sahip, DA ve AA uygulamalarda sabite yakın indüktans değerine sahip çekirdeklerdir. Sıcaklığa ve frekansa bağlı olarak indüktans değerleri kararlıdır. Çekirdeğin yapısında hava boşluklarının olmasının avantajı, çekirdek kayıplarını minimuma indirmektir. Çekirdek kayıpları malzemenin manyetik akı yoğunluğuna ve frekansa bağlıdır. Şekil 3.29’de görüldüğü üzere manyetik akı yoğunluğu arttıkça çekirdek kayıpları da artar. Kayıplar az olduğundan malzemede oluşan ısınma da minimumdur [18]. 72 Şekil 3.29. Toz çekirdek kayıpları & manyetik akı yoğunluğu eğrisi [19] Şekil 3.30’da görüldüğü üzere toz çekirdekler, ferit malzemelere göre doyuma daha yumuşak geçiş yaparlar. Ferit malzemenin sarımlarından ne kadar çok akım geçerse ve geçen akım belli bir eşik değerden fazla ise malzemenin indüktans değeri bir anda sertçe düşmeye başlar. Toz çekirdeğin sarımlarından geçen akım ne kadar çok ise malzemenin indüktans değeri akıma bağlı olarak düşmeye başlar. Şekil 3.30. Ferit & toz çekirdek karşılaştırması [19] 73 3.5. EMG Süzgeç Topolojileri Güç hatlarından iletkenlik yoluyla bağlaşan gürültüleri süzmek için genelde alçak geçiren süzgeçler kullanılmaktadır. Alçak geçiren süzgeçler, belli bir kesim frekansına kadar gürültüyü iletirler ve belli bir kesim frekansından sonra gürültüyü bastırarak iletmezler. Alçak geçiren süzgeçler, kapasitör, indüktör, ortak mod bukağı ve direnç gibi pasif malzemelerden oluşmaktadır. Bu pasif malzemeler çeşitli kombinasyonlarda kullanılarak gürültüler süzülmektedir. Şekil 3.31. Tek elemanlı alçak geçiren süzgeçler [7] Şekil 3.31’de görülen R dirençleri, iletkenlik yoluyla yayılan gürültü üretecinin empedansını ve gürültünün aktığı yükün empedansını göstermektedir. Tek kapasitör kullanılarak elde edilen süzgecin alt kesim frekansı 1/πRC olarak hesaplanmaktadır. Kullanılan kapasitörün ideal olduğu düşünülürse, araya girme kaybı Eş.3.11’deki gibidir [7]. AGK(dB)=20log(πfRC) (3.11) Tek indüktör kullanılarak elde edilen süzgecin alt kesim frekansı R/πL ile hesaplanmaktadır. Kullanılan indüktörün ideal olduğu düşünülürse araya girme kaybı Eş.3.12’deki gibidir [7]. 74 AGK(dB)=20log(πfL/R) (3.12) Pasif malzemelerin ideal olduğu düşünülürse araya girme kayıpları frekansla doğru orantılı olarak artar. Alçak geçiren süzgeçlerin daha yüksek gürültü bastırması isteniyorsa sadece kapasitör ve sadece indüktör kullanılmasının yanı sıra bu malzemelerin kombinasyonları (“L”,” π”, “T” vb.) da kullanılarak daha yüksek AGK değerleri elde edilebilir. Süzgeç devresinde kullanılan her bir pasif malzeme (kapasitör, indüktör, ortak mod bukağı) ideal durumda 20dB/dekad gürültü bastırma değerine sahiptirler. Ne kadar çok malzeme kullanılırsa AGK değeri de o kadar yüksek olur. Süzgeç tiplerinin (“L”,” π”, “T” vb.) kesim frekans formülleri Şekil 3.32’de verilmiştir. Şekil 3.32. Süzgeç topolojileri AGK (IL) & frekans eğrisi [7] Şekil 3.33’te görüldüğü üzere alçak geçiren süzgeçlerin gürültüyü süzme etkinlikleri (AGK), gürültüyü yayan kaynağın ve gürültünün aktığı yükün empedansına bağlıdır. İndüktörler, düşük kaynak ve düşük yük empedansına (<50Ω) sahip sistemlerde gürültüyü bastırmada çok etkilidirler. Kapasitörler ise, yüksek kaynak ve yük empedansına (>50Ω) sahip sistemlerde gürültüyü bastırmada çok etkilidirler. İndüktör ve kapasitör kombinasyonlarından oluşmuş çok katlı süzgeçlerde ise yüksek 75 empedans gösteren kısımda kapasitör, düşük empedans gösteren kısımda indüktör kullanılması gürültüyü bastırma açısından çok etkilidir. Şekil 3.33. Kaynak ve yük empedansına göre pasif malzeme kullanımı [7] Şekil 3.34’te görüldüğü üzere EMG Süzgeçler ile kaynak- yük arasında empedans açısından uyumsuzluk olursa yani kaynak ve yük empedansları 50Ω’da farklı olursa süzgeç, gürültüleri bastırmak yerine yükseltebilir ve süzgecin kesim frekansı kayar. 76 Şekil 3.34. Farklı kaynak ve yük empedanslar & AGK (IL) eğrisi [7] Yüksek gürültü bastırma değerine sahip EMG süzgeçler tasarlanmak isteniyorsa daha çok pasif malzeme kullanılarak çok katlı süzgeçler tasarlanabilir. Şekil 3.35’te görüldüğü üzere kaynak ve yük empedansıyla uyumlu şekilde, paralel bağlanmış kapasitör yerine “π” tipi, seri bağlanmış indüktör yerine “T” tipi, L tipi süzgeçler yerine L tipi kaskad topolojiler kullanılabilir. 77 Şekil 3.35. Basit süzgeçler yerine kullanılabilecek etkin süzgeç tipleri [7] L ve C kombinasyonlarından oluşmuş süzgeçlerin kaynak ve yük empedans durumlarına göre AGK değerleri hesaplanabilmektedir. Fakat teorik olarak hesaplanan değer ile pratik ölçümler arasında fark vardır. Bu farkın temel nedeni, süzgeç malzemelerinin parazitik elemanlarının ve yük-üreteç empedanslarının tam olarak bilinememesidir. Yük-üreteç empedanslarının 50Ω’dan farklı olması durumunda kullanılacak AGK formülleri Şekil 3.36’da verilmiştir. 78 Şekil 3.36. Süzgeç topolojilerinin teorik AGK formülleri [7] 3.6. EMG Gürültü Zayıflaması EMG gürültüsü iki farklı gürültü tipinde olduğundan EMG gürültüsünün zayıflatılmasının da iki alt başlıkta yer alması gerekmektedir. Bu bölümde ortak mod ve fark mod EMG zayıflaması ele alınmıştır. 3.6.1. Ortak mod EMG zayıflaması Genelde güç hatlarından ortak mod gürültü bağlaştığı için EMG Süzgeçlerin çoğu ortak mod tipinde süzgeçlerdir. Ortak mod gürültüleri süzmek için ise ortak mod pasif elemanlar kullanılmaktadır. 79 Şekil 3.37. Ortak mod EMG zayıflaması [3] Şekil 3.37’de görüldüğü üzere ortak mod bukağı, EMG kaynağından iletkenlik yoluyla bağlaşan gürültüye yüksek empedans göstererek gürültü akımlarının çok daha düşük empedans gösteren ortak mod kapasitörleri üzerinden gerçek toprağa (sistem şasesine) akmasını sağlar. Böylece EMG gürültüleri EMG alıcı cihaza bağlaşmamış olur ve cihaz bu gürültülerden etkilenmemiş olur. 3.6.2. Fark mod EMG zayıflaması Fark mod gürültüler, genelde dengeli hatlara sahip düşük frekanslı güç kaynakları tarafından üretilmektedir. Fark mod gürültüleri süzmek için ortak mod ve fark mod pasif elemanlar kullanılmaktadır. Şekil 3.38. Fark modu EMG zayıflaması [3] 80 Şekil 3.38’de görüldüğü üzere, EMG Kaynağı tarafından üretilen fark mod gürültüler, ortak mod bukağının sızıntı indüktörünün yüksek empedans göstermesiyle EMG kaynak girişindeki düşük empedans gösteren ortak ve fark mod kapasitörleri tarafından kaynağın dönüş hattına döndürülür. Süzülemeyen az miktardaki fark mod gürültüler ise EMG alıcı cihaz tarafındaki fark mod kapasitörleri tarafından dönüş hattına döndürülür. Böylece EMG gürültülerine karşı hassas olan EMG alıcı cihaza gürültüler bağlaşmamış olur. 3.7. EMG Ölçümleri Bu bölümde, ölçümlerde kullanılacak sistemin iletkenlik yollu emisyonları üreten güç kartı anlatılmıştır. Ayrıca MIL-STD-461E standardında tanımlı CE102 test gereksinimleri, test düzeneği, ölçüm metotları, EMG süzgeç tasarımı ve CE102 ölçüm test sonuçları detaylı bir şekilde anlatılmıştır. 3.7.1. EMG ölçümlerinde kullanılan sistemin güç kartı tanımı EMG Süzgecin tasarlandığı sistem bir askeri cihaz olup içinde EMG alıcı cihazlara iletkenlik yoluyla bağlaşabilecek bir adet güç kartı mevcuttur. Güç kartında temel olarak, güç giriş gerilimi düşük ve yüksek genlikte olduğunda sağlayan koruma, çıkış gerilim üreteçleri (3.3V, 5V, -5V, 12V) ve sıcaklık ölçer devreleri bulunmaktadır. 3.7.2. MIL-STD-461E standardı Bu standart, askeri ekipmanların ve alt sistemlerin elektromanyetik açıdan uyumluluğunu gösteren USA askeri standardıdır. Standardın tam adı, “Requirements For The Control Of Electromagnetic Interference Characteristics Of Subsystems and Equipment” olup ilk revizyonu (A) 1967 yılında yayınlanmıştır. En son revizyonu (F) 10 Aralık 2007 tarihinde yayınlanmıştır [28]. MIL-STD-461 standardında testler dört ana gruba ayrılmıştır: 81 İletkenlik Yoluyla Yayınım (CE): Bu testlerde test edilen cihazın dış ortama güç ve işaret kabloları üzerinden yaptığı yayınımın seviyesi ölçülür. Testin başarılı kabul edilebilmesi için cihazın yaptığı yayınımın her frekansta standartta verilen sınır değerin altında kalması gerekmektedir. Standartta tanımlı testler, CE101, CE102, CE106’dır. İletkenlik Yoluyla Alınganlık (CS): Bu testlerde test edilen cihaza güç ve işaret kabloları üzerinden gelen istenmeyen işaretlerin cihazın çalışmasında bozulmaya yol açıp açmadığı belirlenir. Testin başarılı kabul edilmesi için her frekansta, standartta belirtilen sınır değerde verilen elektromanyetik işaretin cihazın çalışmasında bozulmaya neden olmaması gerekmektedir. Standartta tanımlı testler, CS101, CS103, CS104, CS105, CS106, CS109, CS114, CS115, CS116’dır. CS106 testi MIL-STD-461F’te tanımlı olup MIL-STD-461E’de tanımlı değildir. Işıma Yoluyla Yayınım (RE): Bu testlerde test edilen cihazın dış ortama ışıma yoluyla yaptığı yayınımın seviyesi ölçülür. Testin başarılı kabul edilebilmesi için cihazın yaptığı yayınımın her frekansta standartta verilen sınır değerin altında kalması gerekmektedir. Standartta tanımlı testler, RE101, RE102, RE103’tür. Işıma Yoluyla Alınganlık (RS): Bu testlerde test edilen cihaza ışıma yoluyla gelen istenmeyen işaretlerin cihazın çalışmasında bozulmaya yol açıp açmadığı belirlenir. Testin başarılı kabul edilebilmesi için her frekansta, standartta belirtilen sınır değerde verilen elektromanyetik işaretin cihazın çalışmasında bozulmaya neden olmaması gerekmektedir. Standartta tanımlı testler, RS101, RS103, RS105’tir. 82 Çizelge 3.4. MIL-STD-461standardında tanımlı testler 3.7.3. CE102 iletkenlik yollu yayınım, güç hatları, 10kHz-10MHz CE102 testinin amacı, 10kHz-10MHz frekans bandında güç hatlarına iletkenlik yollu yayınım ile bağlaşabilecek ortak ve fark mod gürültülerin ölçülmesidir. CE102 testi hem artı güç hattına hem de eksi güç hattına uygulanmaktadır. TAC’ın (Test Altındaki Cihaz) güç kabloları üzerinde iletkenlik yoluyla oluşan yayınımı, Şekil 3.39’da gösterilen test sınır değerini aşmamalıdır [2]. 83 Şekil 3.39. CE102 test grafiği [2] CE102 Test Ekipmanları Hat empedansı dengeleme devresi (HEDD veya LISN) HEDD, sistem gürültüsünü ölçmek için sisteme güç sağlamak ve 50Ω empedans uyumluluğunu sağlamak için kullanılmaktadır. Ayrıca test altındaki cihazla güç kaynağı arasında süzgeç görevi görerek güç kaynağından gelen istenmeyen yayınımın test altındaki cihaza ulaşmasını engeller, test altındaki cihazın güç hattı üzerindeki yayınımların güç kaynağına ulaşmasını engelleyerek kendi üzerinden test ve ölçüm cihazlarına iletilmesini sağlar. HEDD’nin devre şeması Şekil 3.40’da verilmiştir. 84 Şekil 3.40. HEDD devre şeması [2] Ölçüm almacı Frekans ekseninde HEDD’nin çıkış işaret portundan gürültü ölçümlerini alan çok fonksiyonlu ölçüm aracıdır. Ölçüm almacı olarak Spektrum Analizör veya EMI Alıcılar kullanılabilir. Zayıflatıcı Ölçüm almacının RF giriş portuna yüksek seviyeli işaret gelmemesi ve ölçüm almacının RF girişine zarar vermemesi için işareti zayıflatan araçtır. Kayıt cihazı Ölçüm almacını ve işaret üretecini sürmeye yarayan yazılımın kurulu olduğu ve ölçüm çıktılarının kaydedildiği bilgisayardır. 85 Şekil 3.41. MIL-STD-461E genel test düzeneği [2] MIL-STD-461E standardında tanımlı test düzenekleri ufak değişiklikler haricinde Şekil 3.41’deki test düzeneğiyle aynıdır. CE102 Test Düzeneği Teste başlamadan önce ortam çevre koşulları sağlanmalı ve Şekil 3.41 ve Şekil 3.42’deki test düzenekleri kurulmalıdır. Test düzeneği yerden 80-90 santimetre yükseklikte bulunan bir toprak düzlemi üzerine kurulmaktadır. Test altındaki cihazın tüm kabloları iletken olmayan bir yükselti üzerine, hiçbir kablo diğerlerine 2 santimetreden yakın olmayacak şekilde yerleştirilmelidir. 86 Şekil 3.42. CE102 test düzeneği [2] TAC, HEDD üzerinden beslenmektedir. HEDD’nin çıkış portundan koaksiyel kablo ile alınan ölçümler 20dBlik zayıflatıcı ile gürültü 10 kat zayıflatılarak ölçüm almacının girişine gelir. MIL-STD-461E standardında iletkenlik yollu testler için tanımlanan tarama sıklığı tablosu göz önüne alınarak ölçüm almacı tarama sıklığı ayarlanmalıdır. Çizelge 3.5’te görüldüğü üzere, CE102 testi için uygulanması gereken tarama sıklığı, 10kHz-150kHz frekans bandı için minimum bekleme süresi 0,015s/f, 150kHz-30MHz frekans bandı için minimum bekleme süresi 0,015s/f’dir. Bekleme süreleri ne kadar uzun olursa gürültünün o frekanstaki tepe genlik değeri daha net ölçülebilmektedir. 87 Çizelge 3.5. Emisyon testleri için ölçüm almacı tarama sıklığı [2] Test düzeneği kurulduktan sonra CE102, iletkenlik yollu yayınım testi aşağıdaki test adımları izlenerek yapılmalıdır: TAC’ı çalıştırarak sistem fonksiyonlarının kararlı hale gelmesi beklenmelidir. Sistemin test edilecek güç besleme hattı seçilerek HEDD’in çıkış portu ölçüm almacına bağlanmalıdır. Ölçüm almacını koşturacak yazılım standartta belirtilen tarama sıklıklarında ayarlanmalı ve düzenekte kayıp olarak düşünülen değerler yazılımın test sonucuna eklenmelidir. Örneğin, HEDD yaklaşık 1MHz’e kadar 50Ω’dan daha az empedans göstermektedir. Ölçümün 50Ω-50Ω’luk kaynak ve yük empedanslarında yapılması gerektiğinden HEDD’nin bu frekanslardaki kayıpları ölçüm sonucuna eklenmelidir. 3.7.4. CE102, iletkenlik yollu yayınım ölçümleri Bu bölümde, MIL-STD-461E standardında tanımlı CE102 iletkenlik yollu yayınım testinde kullanılan yazılım ve test sonuçları hakkında bilgiler verilmiştir. 88 TILE 4.1 CE102 test yazılımı CE102 testinde kullanılan Agilent/E4440A üretici parça numaralı spektrum analizör GPIB haberleşmesiyle bilgisayar tarafından yazılımla kontrol edilmektedir. CE102 testinde yazılım aracı olarak TILE 4.1 kullanılmıştır. Yazılımın başlangıç arayüzü Şekil 3.43’te verilmiştir. Şekil 3.43. TILE 4.1 yazılım başlangıç arayüzü TILE yazılımı Windows tabanlı olup program akış şemalarıyla yapılmaktadır. Her blok diğerinden bağımsız çalışmaktadır. Her blok minyatür bir program içermektedir. CE102 testinde kullanılacak ekipmanların genel amaçlı arayüz birimi (general port interface unit, GPIB) ile kontrol edilebilmesi için ekipmanları üreten firmalar tarafından kullanıcıya verilen sürücülerin programa yüklenmesi gerekmektedir. CE102 yazılımında yazılımın en önemli kısmını oluşturan, standartta belirtilen frekans, tarama sıklıkları vb. parametrelerin girileceği blok, Şekil 3.44’te gösterilen 89 “Measurement Range” bloğudur. CE102 testi, üç ana frekans aralığına bölündüğünden üç adet “Measurement Range” bloğu olacaktır. “Action” kısmına spektrum analizör ile alınan ölçümlerin tutulacağı verilerin ismi girilir. Şekil 3.44. TILE “measurement range” sembol ayarları-1 “Frequency” sekmesine başlangıç ve bitiş frekansları girilir. Belli frekanslar taranmak isteniyorsa “.txt” uzantılı frekans dosyası yüklenir (“From File” kutucuğu işaretlenir) ve frekanslar o dosyadan çağırılır. Şekil 3.45’te gösterilen “Amplitude” sekmesinden spektrum analizörün gürültü taban seviyesi ayarlanır. Çok düşük genlikli işaretler ölçüleceği zaman “Reference Level” değeri düşük girilir. Spektrum analizör “Reference Level” değerine kadar işaretlerin genliğini ölçebilir. Bu değer yüksek girildikçe belli değerdeki gürültüler analizörün iç sistem gürültüsüyle karışır ve net ölçümler alınamaz. 90 Şekil 3.45. TILE “measurement range” sembol ayarları-2 Spektrum analizörden alınan ham ölçümlerin hangi veriye kaydedileceği Şekil 3.46’da gösterilen “Data” sekmesinden yapılmaktadır. “Data” sekmesinde Measurement Data’dan ilgili veri seçilir. Her frekans aralığı için “Measurement Range” bloğunun “Data” sekmesinde ölçümlerin kaydedileceği veriler seçilmiştir. Şekil 3.46. TILE “measurement range” sembol ayarları-3 Spektrum analizörün yazılımla kontrol edilebilmesi için bu ekipmanın tanımlı olması gerekmektedir. Bu tanımlama işlemi Şekil 3.47’de gösterilen “Instrument” 91 sekmesinden yapılmaktadır. “Instruments” sekmesinden “Receiver” kısmında yazılımda tanımlı tüm ekipmanlar görülmektedir. Buradan “SpecAnal” seçilerek spektrum analizör yazılımla kontrol edilecektir. Şekil 3.47. TILE “measurement range” sembol ayarları-4 MIL-STD-461E standardında emisyon testleri için tanımlı isterler “Parameters” sekmesinde ayarlanmaktadır. Standartta 10kHz-150kHz frekans bandı için tarama sıklığının 1kHz olması gerektiği belirtilmiştir. Bu ister Şekil 3.48’de gösterilen “Parameters” sekmesinin “RF Bandwidth” kısmına 1kHz girilerek karşılanmıştır. Geniş bantlı gürültülerin ve gürültülerin tepe değerlerinin daha anlaşılır olması için “VBW if Analyzer” değerinin “RF Bandwidth” değerinden en az 10 kat daha fazla olması gerektiği spektrum analizörün kullanıcı rehberinde belirtilmiştir. Bu yüzden bu değer 300kHz olarak girilmiştir. Frekans bandlarındaki gürültülerin maksimum değerlerinin ölçülebilmesi için, bu frekans aralıklarındaki gürültülerin iki kez ölçülmesinde ve bu ölçümlerden maksimum olanlarının kaydedilmesinde fayda vardır. Bu nedenle “Number of Sweeps” kısmına 2 olarak girilmiştir. Standartta 10kHz-150kHz frekans aralığı için bant genişliği 1kHz tanımlıdır. Bu frekans bandı için minimum olması gereken tarama süresi şu şekilde hesaplanmaktadır: [(150kHz-10kHz)/(1kHz/2)]*0.015= 4.2s (3.13) 92 Dolayısıyla “Sweep Time (Analyzer)” seçeneği 5 olarak girilmiştir. Detektor tipi olarak, ardışık alınan iki taramada gürültülerin maksimum değerleri alınacağından “Peak” seçeneği seçilmiştir. Şekil 3.48. TILE “measurement range” sembol ayarları-5 Her frekans aralığı için ayrı bir Measurement Range bloğu tanımlanmıştır. Bu aşamada spektrum analizörden standardın isterleri doğrultusunda ölçümler alınmıştır. Yazılımda, ham ölçümlere kayıpların eklenmiş halinin matematiksel olarak ifade edilmesi gerekmektedir. Bu işlem Şekil 3.49’da gösterilen “Math” sembolüyle yapılmaktadır. “Action” kısmına isim girilir. Örneğin, “test sonuçlarını düzelt” gibi. “Data” sekmesinde “Equation” olarak tanımlanmış verile otomatik olarak listelenir. Bu listeden seçilen verilen matematiksel işlemleri yapılır. 93 Şekil 3.49. TILE “math” sembol ayarları Bu bölümde sadece standart açısından önemli olan kısımlar anlatılmıştır. Yukarıdaki yazılımla standarda uygun CE102 ölçümü yapılabilmektedir. Artı ve eksi hat ortam ölçüm sonuçları Sistemler platformlarda ortak güç barasından beslendiği için ve bu güç barasında diğer sistemlerden kaynaklı iletkenlik yollu yayınımların olabileceği ihtimaline karşılık ortam gürültüsünün ölçülmesi gerekmektedir. Emisyon yayınım testlerinde, ortam şartlarının sağlanmasında birincil öncelik ortam gürültüsünün CE102 test limit eğrisinin 6dB altında olmasıdır. Bu yüzden ortamdaki gürültü seviyesi ölçülerek ortam gereksiniminin sağlandığı doğrulanmıştır. 94 110.0 Test CE102 limit (28 V) 100.0 90.0 Amplitude (dBuV) 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 10.0K 100.0K 1.0M 10.0M Frequency (Hz) Equipment ID - GAS Serial # - TU0001 03:57:03 PM, Wednesday, October 03, 2012 Şekil 3.50. Artı hat ortam gürültüsü 110.0 Test CE102 limit (28 V) 100.0 90.0 Amplitude (dBuV) 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 10.0K 100.0K 1.0M 10.0M Frequency (Hz) Equipment ID - GAS Serial # - TU0001 03:59:30 PM, Wednesday, October 03, 2012 Şekil 3.51. Eksi hat ortam gürültüsü Şekil 3.50’de ve Şekil 3.51’de verilen artı ve eksi hat ölçüm grafiklerinden görüldüğü üzere ortam gürültüsü test limit eğrisinin çok altındadır. Dolayısıyla test ortamının, sisteme CE102 testini uygulamak için elverişli bir ortam olduğu kanıtlanmıştır. 95 Sistemin EMG süzgeçsiz artı ve eksi hat CE102 ölçüm sonuçları MIL-STD-461E standardına uygun test düzeneği Şekil 3.52’de görülmektedir. 50Ω değerindeki yük; artı hat ölçümlerinde eksi HEDD’ye, eksi hat ölçümlerinde artı HEDD’ye bağlanmıştır. HEDD’nin ölçüm alınan çıkış işaret portu spektrum analizöre bağlanmış, ölçüm alınmayan diğer çıkış işaret portu ise empedans uyumluluğundan 50Ω ile sonlandırılmıştır. Sistemin topraklama direnci standart gereği en fazla 2,5mΩ olmalıdır. Bu topraklama değeri sağlanmadıkça teste başlanmamalıdır. miliohmmetre ile 2,11mΩ olarak ölçülmüştür. Şekil 3.52. Laboratuar CE102 test düzeneği Sistemin topraklama değeri 96 Test CE102 limit (28 V) 110.0 100.0 90.0 Amplitude (dBuV) 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 10.0K 100.0K 1.0M 10.0M 1.0M 10.0M Frequency Şekil 3.53. CE102 artı hat ölçüm sonucu Test CE102 limit (28 V) 110.0 100.0 90.0 Amplitude (dBuV) 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 10.0K 100.0K Frequency Şekil 3.54. CE102 eksi hat ölçüm sonucu Sistemin Şekil 3.53’te ve Şekil 3.54’te verilen artı ve eksi hat CE102 ölçüm sonuçları benzerdir. CE102 artı ve eksi hat ölçümlerinden görüldüğü üzere sistemin gürültüsü CE102 limitinin çok üzerindedir. Limitin üzerindeki gürültüler, güç kartlarındaki DA/DA çevirici modüllerinin anahtarlama frekansı olan 400kHz ve harmonikleridir. Şekil 3.55’te görüldüğü üzere, güç kartlarındaki çevirici modüllerinin anahtarlama frekansları senkron ayarlanmadığından 400kHz civarında iki adet farklı gürültü vardır. Birinci çeviricinin anahtarlama frekansı 410kHz, ikinci çeviricinin ise 97 420kHz civarındadır. Çeviricilerin ikinci harmonikleri 810kHz-830kHz, üçüncü harmonikleri 1240kHz-1280kHz civarındadır. Tüm bu harmonik gürültüler CE102 ölçümünde gözlenmiştir. Şekil 3.55. Güç kartındaki çevirici modüllerin gürültüleri Ortak mod ve fark modu gürültü bileşenlerine ayırma DA/DA çeviricilerinin iletkenlik yoluyla oluşturduğu EMG gürültüler ortak mod ve fark mod gürültülerden oluşmaktadır. EMG Süzgeçlerde ortak mod ve fark mod olmak üzere iki kısım vardır. Gürültü tipinin ortak mod veya fark mod oluşuna göre süzgeç tasarımında o kısma daha çok ağırlık verilir. Gürültü ortak mod ve fark mod bileşenlerine ayrılarak EMG süzgeç tasarımında hangi kısma daha fazla ağırlık verileceği belirlenebilir. EMG gürültüsü bileşenlerine ayrılmadan tasarlanan süzgeçler, istenen gürültü bastırma değerlerine, kesim ve rezonans frekanslarına sahip olmamakla birlikte EMG gürültülerini tam olarak süzememektedirler. Akım probu metodu kullanılarak EMG gürültüleri ortak mod ve fark mod bileşenlerine ayrıştırılabilir. CE102 test limitleri dBµV cinsindendir. Akım probuyla alınan ölçümler ise dBµA cinsindedir. Ortak mod ve fark mod gürültüler yük olarak 98 HEDD üzerindeki 50Ω’luk yükü görmektedir. Fakat akım probunun içinden geçerken yük olarak akım probunun transfer empedansını görmektedir. Bu nedenle akım probuyla alınan ölçümlere akım probu transfer empedansı (ZAP) eklenerek birim cinsinden dBµV elde edilir. dBµV = dBµA + 20log(ZAP) (3.14) Bu şekilde bir dönüşüm yapıldığında dBµV olan test limit eğrisinin birimi değiştirilmemiş olur. Eğer test limit eğri biriminin akım ölçüm birimine dönüştürülmesi istenirse aşağıdaki dönüşüm kullanılabilir; dBµV = dBµA + 20Log(50Ω) (3.15) dBµV = dBµA + 34dB dBµV - 34dB= dBµA Ortak mod gürültü ölçümü 10kHz-10MHz frekans bandındaki ortak mod gürültüleri ölçümünde Solar Electronics firmasının akım probu kullanılmıştır. Akım probları manyetik malzemelerden üretilmiş ve iletkene temas etmeden üzerinden geçen zamanla değişen akımları ölçen test ekipmanlarıdır. İçinden akım taşıyan iletkenin geçtiği manyetik malzemeler üzerinde manyetik akı oluşur. Bu manyetik akı malzeme üzerindeki iletkende akıma çevrilir. Akım probları bu temel prensiple çalışmaktadır. Şekil 3.56’da görüldüğü üzere test altındaki cihaz (TAC), güç kaynağı üzerinden HEDD ile beslenmektedir. HEDD’nin çıkış işaret portları 50Ω yükler ile sonlandırılmıştır. Akım probu akım taşıyan güç hatlarına takılmıştır ve spektrum analizöre bağlanmıştır. Spektrum analizörde alınan ham ölçümlere akım probu transfer empedansı ve HEDD empedansının eklenmesiyle gerçek ölçüm sonucu elde edilmiştir. Alınan ölçüm kayıtlarının tutulması ve frekans taramasının yapılması için spektrum analizörün yazılımla kontrol edilmesi gerekmektedir. 99 Şekil 3.56. Ortak mod gürültü ölçüm test düzeneği [12] Akım probunun içinden geçen artı ve eksi hatlardaki ortak mod akımları aynı yöndedir. Akım probuyla alınan ölçümlerde ölçülen akım değerinin Eş.2.16’dan 2IOM olduğu görülmektedir. IAP = IARTI + IEKSİ = (IOM+IFM) + (IOM-IFM) = 2IOM Şekil 3.56’te oluşturulmuştur. gösterilen test düzeneği laboratuarda (3.16) Şekil 3.57’daki gibi 100 Şekil 3.57. Ortak mod gürültü ölçüm laboratuar test düzeneği Şekil 3.58. Ortak mod akım ölçümü için akım probunun bağlanışı Şekil 3.58’de görüldüğü üzere (IOM+IFM) ile (IOM-IFM) akım gürültüleri akım probundan aynı yönde geçmektedir. Toplamda 2xIOM kadar ortak mod akım gürültüsü akım probundan geçmektedir. 101 Şekil 3.59. Cihazın dBµA cinsinden ortak mod gürültüsü EMG gürültüsünden ayrıştırılan ortak mod gürültü sonucu Şekil 3.59’da verilmiştir. Sistemin ortak mod gürültüsüne bakıldığında limitin üzerindeki gürültülerin güç kartındaki DA/DA çeviricilerin anahtarlama frekans ve harmonik gürültüleri olduğu görülmektedir. Grafikteki gürültü ölçüm değerleri 2IOM’dir yani sistemin normal ortak mod gürültüsünden 6dB fazladır. Yazılımda test sonuç verilerine -6dB eklenerek bu sorun giderilebilirdi. Fakat EMG süzgeç tasarımında, gürültü miktarının ölçülen değerden daha yüksek kabul edilmesi tasarımın pratik ölçümlerde daha başarılı olacağını göstermektedir. Fark mod gürültü ölçümü Fark mod gürültü ölçümünde 10kHz-10MHz frekans bandındaki fark mod gürültüler yine Solar Electronics firmasının aynı akım probuyla ölçülmüştür. Ölçümde ortak mod gürültü ölçümünde kullanılan yazılım kullanılmıştır. Fark mod gürültü ölçüm test düzeneği Şekil 3.60’da ve Şekil 3.61’de verilmiştir. 102 Şekil 3.60. Fark mod gürültü ölçüm test düzeneği [12] Akım probunun içinden geçen güç hatlarında sadece fark mod gürültüleri ölçmek için ortak mod gürültüleri sıfırlamak gerekmektedir. Bunun için artı hat akım probundan direkt geçerken, eksi hat akım probunun HEDD tarafından yani artı hatta göre ters taraftan geçirilmektedir. Böylece akım probu üzerinde, artı ve eksi hattan aynı yönde akan ortak mod akımlarının yarattığı manyetik akılar birbirlerini sıfırlarken sadece fark mod gürültülerin yarattığı manyetik akı oluşmaktadır. Akım probuyla alınan ölçümlerde ölçülen akım değerinin 2IDM olduğu görülmektedir. IAP = IARTI - IEKSİ = (IOM+IFM) - (IOM-IFM) = 2IDM (3.17) Şekil 3.60’da verilen test düzeneği kurularak alınan ölçüm sonucu aşağıda verilmiştir. 103 Şekil 3.61. Fark mod gürültü ölçüm laboratuar test düzeneği Şekil 3.62. Fark mod akım ölçümü için akım probunun bağlanışı Şekil 3.62’de görüldüğü üzere (IOM+IFM) ile (IOM-IFM) akım gürültüleri akım probundan zıt yönde geçmektedir. Toplamda 2IFM kadar fark mod akım gürültüsü akım probundan geçmektedir. 104 Şekil 3.63. Cihazın dBµA cinsinden fark mod gürültüsü Şekil 3.63’teki sistemin fark mod gürültüsüne bakıldığında, fark mod gürültülerinin genelde düşük frekanslı gürültüler olduğu görülmektedir. Grafikteki gürültü ölçüm değerleri 2IDM’dir yani sistemin normal ortak mod gürültüsünden 6dB fazladır. Sistemin fark mod gürültüsü bazı frekanslarda limiti geçmiştir. Fakat düşük frekanslardaki gürültülerin de limite oldukça yakın olduğu gözlenmektedir. Sistemin EMG gürültü analizi Sistemin ortak ve fark mod gürültü ölçümlerinden görüldüğü üzere cihazın güç kartından ortak mod gürültünün daha çok üretildiği görülmektedir. Buna göre tasarlanacak olan EMG süzgeçte ortak mod gürültüleri bastırmak için ortak mod süzgeç elemanlarına daha fazla ağırlık verilmesi gerekmektedir. 105 3.8. EMG Süzgeç Tasarımı Bu bölümde, sistemin CE102 gürültü değerlerini zayıflatan ve sistemin MIL-STD461E standardının CE102 testinden başarı ile geçmesini sağlayan EMG Süzgeç tasarımının detayları verilecektir. Sistemin CE102 testinden geçmesi için gereken minimum zayıflatma değeri için kritik olan süzgecin kesim frekansı, rezonans frekansı, araya girme kaybı ve süzgeç elemanlarının belirlenmesi bu bölümde anlatılacaktır. Teorik olarak tasarlanan devrenin benzetimi FILPRO benzetim programında yapılmış olup teorik hesaplama ile pratik ölçümler arasındaki farkın nedenleri de yine bu bölümde anlatılacaktır. 3.8.1. Gerekli zayıflama hesabı Sistemin CE102 testinden geçmesi için gereken asgari zayıflama hesabı, ölçülen ortak mod ve fark mod değerlerinden test limitlerinin çıkarılmış halidir. EMG gürültüsü üreten kaynağın ve EMG gürültü alıcısının yük empedansları bilinmediğinden ve bu empedansların 50Ω empedans uyumluluğundan farklı olabileceğinden, EMG süzgeç tasarımında gereken bastırma değerleri ölçüm sonuçlarından daha fazla alınmalıdır. Sistemin EMG gürültüsünün CE102 test limitinin altında kalması için süzgecin bastırması gereken bastırma miktarı Şekil 3.64’te verilen gürültü spektrumundan test limit eğrisi çıkarılarak elde edilir. Bu fark süzgecin gürültüyü bastırması gereken AGK değerini göstermektedir. 106 Şekil 3.64. Gereken bastırma eğrisi [7] Şekil 3.65. Ortak mod gürültüyü bastırmak için gerekli zayıflama değerleri 107 Şekil 3.65’te gösterildiği gibi limitin üzerinde olan ortak mod gürültüsü 400kHz’ten başlayıp 10MHz’e kadar sürmektedir. Gereken bastırma miktarının minimum 35dB olması gerektiği görülmektedir. Şekil 3.66’da görüldüğü üzere limitin üzerinde olan fark mod gürültüsü dar bantlı bir gürültü olup 300kHz-400kHz civarındadır. Gereken bastırma miktarının asgari 10dB olması gerektiği görülmektedir. Şekil 3.66. Fark mod gürültüyü bastırmak için gerekli zayıflama değerleri 3.8.2. Süzgeç topolojileri Şekil 3.67’de gösterilen genel EMG süzgeç yapısında, fark mod indüktör ve kapasitörler ile ortak mod bukağı ve ortak mod kapasitörler bulunmaktadır. Ortak mod gürültülerin fazla olduğu sistemlerde, süzgeçte yoğun olarak ortak mod pasif malzemelere daha fazla yer verilmektedir. Fark mod gürültülerin fazla olduğu sistemlerde, hem ortak mod hem de fark mod pasif malzemeler kullanılmaktadır. 108 EMG süzgeçlerde dirençler çok fazla kullanılmamaktadır. Sadece, süzgeçlerde kullanılan fark mod kapasitörler değeri çok büyük seçildiğinde (yüzlerce µF değerinde), bu kapasitörlerin yüklerini boşaltmak için “bleeder” adı verilen dirençler kullanılmaktadır. Şekil 3.67. Genel EMG süzgeç topolojileri [7] Ortak mod gürültülere karşı etkin bastırma sağlayan ortak mod bukağı ve ortak mod kapasitörlerdir. Ortak mod bukağının sızıntı indüktörü ve ortak mod kapasitörler fark modu gürültüyü de bastırmaktadır. Fark mod gürültülere karşı bastırma sağlayan diferansiyel indüktörler ortak mod gürültüleri de bastırmaktadır. Com kapasitansına sahip ortak mod kapasitörler fark mod gürültüleri bastırmada Com/2 kapasitansı kadar etki yapmaktadır. Lom_sızıntı Farksal Mod Gürültü Alıcı Cihaz 2Ldm Com/2 Cdm Şekil 3.68. Genel EMG süzgeç topolojisinin fark mod eşdeğer devresi Farksal Mod Gürültü Kaynağı 109 Ldm/2 Lom Ortak Mod Gürültü Alıcı Cihaz 2Com Ortak Mod Gürültü Kaynağı Şekil 3.69. Genel EMG süzgeç topolojisinin ortak mod eşdeğer devresi Süzgeç topolojisinin fark modu ve ortak modu eşdeğer devreleri Şekil 3.68’de ve Şekil 3.69’da verilmiştir. Cx kapasitörler Cy kapasitörlerden genelde çok daha büyük olduklarından Cx fark modu gürültü bastırmada daha etkindir. Cx kapasitörleri artı ve eksi hatlar arasına bağlandığından, şaseyle bağlantıları olmadığından ortak mod gürültü bastırmasında etkili değildirler. Cy kapasitörler güç hatlarından şaseye bağlandığından ortak mod gürültüyü bastırmada etkindirler. Aynı zamanda Cy kapasitörü, artı ve eksi hatlar şase üzerinden birleştiğinden fark modu bastırmada da etkindirler. Lom ortak mod bukağı, ortak mod gürültüleri bastırmada Cy kapasitörlerine göre çok etkindir. Ortak mod bukağı, üzerinde oluşan manyetik akılar zıt yönlü olduğundan fark modu gürültülere karşı sıfır empedans göstermektedir. Ortak mod bukağının sızıntı indüktansı da fark modu gürültüleri bastırmada etkindir. İdeal bir ortak mod bukağında sızıntı indüktansı sıfırdır. Sızıntı indüktörü ne kadar büyükse ortak mod bukağının doyuma girmesi için gereken akım miktarı o kadar küçüktür. Ld diferansiyel indüktansı, hem artı hatta hem eksi hatta olduğundan fark mod ve ortak mod gürültüleri bastırmada etkindir. 3.8.3. Süzgeç elemanlarının belirlenmesi Süzgeç elemanları süzgecin etkin olmaya başladığı frekans olan kesim frekansına göre belirlenmektedir. Eleman sayısı ise, gerekli zayıflama miktarına göre değişmektedir. 110 Süzgecin kesim frekansı, eleman sayısı belirlendikten sonra çizim yöntemiyle belirlenebilmektedir [7]. İdealde, araya girme kaybı grafiğinin ilk tepe değerinden başlayıp çizilen teğet çizginin eğimi süzgeçte kullanılacak eleman sayısını belirlemektedir. Doğrunun frekans eksenini kestiği nokta süzgecin kesim frekansıdır. İdeal durumda her bir pasif malzeme 20dB/dekad gürültü bastırmasına sahiptir. LC tipinde bir süzgeç 40dB/dekad, π tipinde bir süzgeç ise 60dB/dekad’lık gürültü bastırma değerine sahiptir. Ortak mod gürültüyü bastırmak için gerekli zayıflama miktarına bakıldığında 40dB/dekad’lık bir bastırma ortak mod gürültüyü süzebiliyor görünmektedir. Yani ortak mod eşdeğer devresinde iki adet pasif malzemeyle LC tipi süzgeç kullanmak ortak mod gürültüyü süzmek için yeterlidir. Şekil 3.70’deki grafikte 40dB/dekad çizgisi güvenlik payı bırakılarak çizilmiştir. Şekil 3.70. Ortak mod araya girme kayıp çizelgesi Şekil 3.71’deki ortak mod eşdeğer devresi kullanılarak, ortak mod süzgeç elemanları hesaplanabilmektedir. Fkesim frekansının 50kHz olduğu yukarıdaki grafikten belirlenmiştir. Fkesim = 1/2π(LomCom)1/2 (3.18) 111 Lom ARTI, EKSİ HAT Com GERÇEK TOPRAK Şekil 3.71. Ortak mod eşdeğer devre Com=2Cy iken Cy =10nF seçildiğinde, Eş. 3.18.’den Lom değeri=507µH bulunmaktadır. Ortak mod gürültüleri bastırmak için iki adet pasif ortak mod elemanı yeteceğinden bir adet ortak mod bukağı ve bir adet de kapasitör kullanılacaktır. CE102 ölçümü yapılırken güç hatları HEDD’ye bağlandığından yüksek empedans gösteren yer HEDD’dir. Bu yüzden kapasitans HEDD’ye bakacak şekilde süzgeç elemanları yerleştirilmelidir. Ortak mod kapasitörler 10nF seçildiğinde (EK-5 Ortak ve Fark Mod Kapasitör Verileri), ortak mod bukağı 507µH olarak hesaplanmaktadır (EK-4 Ortak Mod Bukağı Verileri). Bu değerde ortak mod bukağı bulunamadığından yakın değerde bir malzeme seçilmiştir. Ortak mod bukağı olarak 470µH indüktans değerine, 8mΩ DA direncine ve 14A akım değerine sahip malzemesi seçilmiştir. Seçilen ortak mod malzemeleri kullanıldığında ortak mod süzgecinin kesim frekansı aşağıdaki gibidir. Fkesim = 1/2π[(470x10-6)(20x10-9)]1/2 (3.19) Fkesim =51,936kHz Yukarıda belirtilen ortak mod elemanları kullanıldığında ortak mod süzgecin kesim frekansı teorik olarak 51,936kHz’tir. İstenen 50kHz kesim frekansına çok yakın olduğundan bu malzemeler tasarım açısından kabul edilebilir. 112 Benzer şekilde, fark mod gürültü süzgecinin kesim frekansı da aynı metotla belirlenmiştir. Sistemin fark mod gürültüsü oldukça azdır. Diferansiyel komponent kullanarak elde edilecek süzgeç ile 20dB/dekad’lık bir araya girme kaybı elde edilebilir ve bu değer fark mod gürültüleri bastırmak için yetecektir. 20dB’lik bastırma için bir adet indüktör veya kapasitör kullanılabilir. İndüktörlerin ısıl sorunlarından dolayı kapasitör kullanımı tercih edilmiştir. Şekil 3.72’deki grafikte 20dB/dekad çizgisi güvenlik payı bırakılarak çizilmiştir. Şekil 3.72. Fark mod araya girme kaybı Şekil 3.73’teki fark mod eşdeğer devresi kullanılarak, fark modu süzgeç elemanı aşağıdaki gibi bulunmaktadır. Tek bir kapasitör kullanılarak elde edilen süzgecin kesim frekans formülü Eş.3.20’de verilmiştir [7]. Fkesim = 1/πRCdm (3.20) Kesim frekansının 10kHz olduğu Şekil 3.72’de görülmektedir. Gürültü kaynak ve gürültü alıcı yük empedanslarının 50Ω olduğu varsayılırsa; fark mod gürültüleri 20dB/dekad’lık araya girme kaybına sahip kapasitörle süzmek için 639,94nF’lık kapasitör kullanılması gerekmektedir. 113 Şekil 3.73. Fark mod eşdeğer devresi Ortak mod kapasitörler, fark mod gürültüleri bastırmada Cy/2 kapasitansı kadar etki yapmaktadır. Dolayısıyla Cdm=Cx+Cy/2 kapasitansının 639,94nF olması gerekmektedir. Cy kapasitansı 10nF olduğundan kullanılacak fark mod kapasitör değeri 634,94nF olarak belirlenmiştir. Bu kadar hassas değerde kapasitör temini zor olacağından en yakın değere sahip kapasitör kullanılmıştır. Fark mod kapasitör olarak 680nF’lık kapasitör seçilmiştir (EK-5 Ortak ve Fark Mod Kapasitör Verileri). Bu durumda fark mod süzgecin kesim frekansı yeniden hesaplanmıştır ve teorik olarak 9,366kHz bulunmuştur. İstenen 10kHz kesim frekansına çok yakın olduğundan bu malzeme kabul edilebilir. Tasarlanan EMG Süzgecin devre şeması Şekil 3.74’te verilmiştir. ARTI HAT Lom 470µH Com 10nF Cdm 680nF GERÇEK TOPRAK EKSİ HAT Com 10nF GERÇEK TOPRAK Şekil 3.74. Teorik olarak tasarlanan EMG süzgeç devre şeması 114 3.8.4. Filpro benzetim programı EMG Süzgecinin ortak mod ve fark mod süzgeç bloklarının araya girme kayıp benzetimi FILPRO benzetim aracının 1.1 sürümüyle yapılmıştır. Benzetim programında ortak mod ve fark mod eşdeğer devre benzetimi yapılabilmektedir. Benzetim sonuçları verilmeden önce kısaca benzetim programından bahsedilmiştir. Kullanılan benzetim aracı Şekil 3.75’teki gibi bir açılış arayüzüne sahiptir. Şekil 3.75. Filpro açılış arayüzü Şekil 3.75’teki arayüz ekrana geldiğinde “ESC” tuşuna basılarak proje açma arayüzüne ulaşılır. Benzetim programında yeni bir proje açmak için Şekil 3.76’daki gibi “File” sekmesinden “New” tıklanır. Şekil 3.76. Filpro file sekmesi 115 EMG gürültü kaynağının ve EMG alıcı cihazın giriş empedanslarını ve süzgeç malzemelerini benzetim programına girmek için Şekil 3.77’deki “Design” sekmesinden “By Inserting Elements” tıklanır. Şekil 3.77. Filpro “design” sekmesi “By Inserting Elements” tıklanır ve EMG gürültü kaynağının (RSource) ve EMG gürültülerine hassas alıcı cihaz (RLoad) empedansları Şekil 3.78’deki gibi girilir. Şekil 3.78. Filpro “terminations” sekmesi Empedanslar belirlendikten sonra, süzgeç elemanlarının girilmesi gerekmektedir. Bu işlem Şekil 3.79’daki gibi EditInsert işlemiyle yapılır. “Insert Element” penceresi açılır ve bu pencereden eğer malzemeler ideal olarak girilecekse “Lossless Lumped Elem.”, parazitik parametreler de girilecekse “Lossy Lumped Elem.” işaretlenerek “OK” tuşuna basılır. 116 Şekil 3.79. Filpro “edit” sekmesi “Lossless Lumped Elem.” kutucuğunun içinde ortak mod ve fark mod süzgeç tasarımı için kullanılabilecek pasif malzemeler vardır. Şekil 3.80’deki gibi malzemeler tıklanarak malzemelerin değerleri girilir. Şekil 3.80. Filpro “lossless lumped elem.” kutucuk içeriği “Lossy Lumped Elem.” kutucuğunun içinde parazitik elemanlara sahip olan ortak mod ve fark mod süzgeç malzemeleri yer almaktadır. Şekil 3.81’deki gibi malzemeler tıklanarak malzemelerin değerleri girilir. 117 Şekil 3.81. Filpro “lossy lumped elem.” kutucuk içeriği Ortak mod veya fark mod süzgeç topolojileri benzetim programında hazırlandıktan sonra AGK grafiğini çizdirme işlemi Şekil 3.82’deki “Plot” sekmesinden yapılmaktadır. Plot Insertion Loss kutucuğu işaretlenerek AGK grafiğinin frekans, minimum ve maksimum değerleri girilir. Şekil 3.82. Filpro “plot” sekmesi 3.8.5. Tasarlanan EMG süzgecin bilgisayar benzetimleri Teorik olarak tasarlanan EMG Süzgecin ortak mod ve fark mod süzgeç bloklarının araya girme kayıp grafikleri FILPRO benzetim programı kullanılarak elde edilmiştir. Ayrıca FILPRO’da süzgeç elemanlarının parazitik elemanları (yüksek frekans modelleri) göz önüne alınarak araya girme kayıp grafikleri elde edilmiştir. FILPRO benzetim programında tanımlı kapasitör ve indüktör yüksek frekans modelleri Şekil 3.83’te verilmiştir. 118 L R C Şekil 3.83. İndüktör yüksek frekans eşdeğer devre modeli İndüktör yüksek frekans eşdeğer devre modelindeki C kapasitansı, indüktörün sarımları arasındaki kapasitansı gösteren, dolayısıyla da indüktörün rezonans frekansını belirleyen ana eleman olup indüktöre paraleldir. R direnci ise, indüktör sarımlarının DA ve AA direnci olup indüktöre seridir. L C Rs Rp Şekil 3.84. Kapasitör yüksek frekans eşdeğer devre modeli Şekil 3.84’teki kapasitörün yüksek frekans eşdeğer devre modeline bakıldığında, L indüktörü kapasitörün terminasyon ve elektrodundaki indüktif direnç olup kapasitöre seridir. Kapasitörü rezonansa sokan ana etken bu parametredir. L değeri, ne kadar 119 düşük olursa kapasitörün rezonans frekansı o kadar yüksek olur. Rs, kapasitör elektrotlarının direnci olup kapasitöre seridir. Genelde düşük değerdedir. Rp, kapasitörün yalıtım direnci olup kapasitöre paraleldir. Kapasitörün elektrotları arasındaki gerilimin, elektrotlar arasında akan sızıntı akıma oranı olarak da tanımlanır. Sistem güç kartlarında bulunan DA/DA çeviricilerin giriş empedansları, anahtarlama esnasında güç hatlarının kısa devre olması nedeniyle çok düşüktür. Bu nedenle EMG gürültü kaynağının empedansı 0,1Ω gibi düşük bir değer alınmıştır. EMG gürültüsüne hassas alıcının empedansı ise HEDD’nin empedansı olan 50Ω alınmıştır. Fark mod eşdeğer devre benzetim sonuçları EMG Süzgecin ideal ve ideal olmayan fark modu eşdeğer devre modeli Şekil 3.85’te ve Şekil 3.86’da gösterilmiştir. Fark mod gürültü kaynağı akım kaynağı olarak gösterilmiştir. Bu akım kaynağının empedansı, DA/DA çeviricilerin giriş empedansı olduğundan düşük değer (0,1Ω) ve ideal durum (50Ω) için girilmiştir. Ortak mod kapasitörlerinin fark mod gürültüleri bastırması Cy/2 olarak gösterilmiştir. Fark mod gürültüleri bastırmada Cx daha yüksek kapasitansa sahip olduğundan daha etkindir. EMG gürültülerine hassas olan alıcı devre ise HEDD olduğundan fark mod eşdeğer devresi 2xZhedd olarak gösterilmiş olup modelde yer almıştır. HEDD empedansı 50Ω olarak alınmıştır. Şekil 3.85. İdeal fark mod eşdeğer devre bilgisayar benzetim modeli 120 Şekil 3.86. İdeal olmayan fark modu eşdeğer devre bilgisayar benzetim modeli Fark modu eşdeğer devresindeki süzgeç elemanları ideal ve ideal olmayan (parazitik elemanlar hesaba katılarak) olmak üzere iki benzetim yapılmıştır. İdeal olmayan fark modu eşdeğer devresinde fark mod ve ortak mod kapasitörlerin parazitik elemanlarının yanı sıra ortak mod bukağının sızıntı indüktörü (Lom_sızıntı) de benzetime dâhil edilmiştir. Ortak mod bukağının sızıntı indüktör değeri malzemenin özelliklerinde olmamakla birlikte firma ile yazışmalar neticesinde 4,5µH olduğu öğrenilmiştir. 50Ω EMG kaynak empedansı için ideal ve ideal olmayan fark modu eşdeğer devre benzetim sonuçları EMG kaynak empedansı 50Ω iken elde edilen ideal ve ideal olmayan fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonuçları Şekil 3.87’de ve Şekil 3.88’de verilmiştir. 121 Şekil 3.87. 50Ω EMG kaynak için ideal fark modu eşdeğer devrenin kesim frekansı benzetim sonucu Şekil 3.87’deki grafikten görüldüğü üzere EMG süzgecinin ideal fark modu eşdeğer devresinin kesim frekansı yani bastırma miktarının 3dB olduğu frekans 9,35kHz olarak analiz edilmiştir. 50Ω’luk sistem için teorik olarak hesaplanan 9,366kHz değerine oldukça yakındır. Teorik hesap ile benzetim sonucu elde edilen değerlerin örtüştüğü görülmektedir. 122 Şekil 3.88. 50Ω EMG kaynak için ideal fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu Şekil 3.88’de görüldüğü üzere fark modu eşdeğer devrenin araya girme kaybı 10MHz’e kadar çizdirilmiştir. Benzetim sonucunda, 10MHz’teki AGK değeri 60,57dB olarak görülmektedir. Fark modu eşdeğer devrenin 10MHz’teki AGK değerini teorik olarak hesaplamak gerekirse; AGK (dB)=20log[(1+[50πfC]2)1/2] (3.21) AGK (dB)=20log[1067,6]=60,568dB'dir. Benzetim sonucunda elde edilen değerle teorik hesap sonucu birebir aynıdır. Ayrıca teoride her bir pasif malzeme 20dB/dekad’lık gürültü bastırma değerine sahiptir. Şekil 3.88’deki grafikte kırmızı kare içine alınmış tabloda; fark mod eşdeğer devrenin 1MHz ile 10MHz’teki gürültü bastırma miktarlarının farkının yaklaşık 20dB olduğu görülmektedir. 123 İdeal olmayan fark modu eşdeğer devrenin parazitik eleman değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Fark mod ve ortak mod kapasitörlerinin üretici firma tarafından verilen teknik özelliklerinde parazitik değerler belirtilmemiştir. Kapasitörlerin bacak uzunluğu olmadığından indüktör ve direnç değerleri sıfıra yakındır. Rp değerleri ise, EK-5’te verilen teknik özellik bilgilerinden 1000MΩ@250C olarak girilmiştir. Çizelge 3.6. Fark mod ve ortak mod kapasitörlerin parazitik eleman değerleri Kapasitör Tipi Cx Cy C 680nF 10nF Rp 1000MΩ 1000MΩ Rs 2mΩ 2mΩ L 0H 0H Fark modu gürültü bastırmasına etkisi bulunan ortak mod bukağının sızıntı indüktans değeri (Lom_sızıntı) 4,5µH ve diğer parazitik elemanlar hesaba katılarak elde edilen araya girme kaybı grafiği Şekil 3.89’da verilmiştir Şekil 3.89. 50Ω EMG kaynak için ideal olmayan fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu 124 Süzgeç kapasitörlerinin indüktans değerleri sıfırdır. Ortak mod bukağının sızıntı indüktörü de süzgeç görevi görmektedir ve süzgeç yapısı LC gibi davranmaktadır. Bu yüzden elde edilen AGK değerleri, ideal fark modu eşdeğer devrenin değerlerine göre daha yüksektir. Bunun temel nedeni ideal olmayan fark mod eşdeğer devrenin LC süzgeç gibi davranmasıdır. İdeal olmayan fark mod süzgeç 10MHz’te 75dB’lik bastırma değerine sahiptir. 0,1Ω EMG kaynak empedansı için fark modu eşdeğer devre benzetim sonuçları EMG kaynak empedansı 0,1Ω iken elde edilen ideal ve ideal olmayan fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonuçları Şekil 3.90’da ve Şekil 3.91’de verilmiştir. Şekil 3.90. 0,1Ω EMG kaynak için ideal fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu 125 EMG kaynak empedansının düşük olmasının süzgeç performansını da olumsuz şekilde etkilediği görülmektedir. Şekil 3.88’de görüldüğü üzere EMG kaynak empedansı 50Ω iken fark modu süzgecin AGK değeri 60,57dB@10MHz’dir. Şekil 3.90’da görüldüğü üzere EMG kaynak empedansı 0,1Ω iken fark modu süzgecin AGK değeri 27,55dB@10MHz’dir. İdeal olmayan fark mod süzgecin araya girme kayıp grafiği Şekil 3.91’de verilmiştir. Süzgecin fark modu AGK değeri 33,015dB@10MHz’tir. Ortak mod bukağının sızıntı indüktörü süzgeç görevi görmektedir. Bu yüzden süzgeç yapısı LC gibi davranmaktadır. Elde edilen AGK değerleri, ideal fark modu eşdeğer devrenin değerlerine göre daha yüksektir. Bunun temel nedeni ideal olmayan fark mod eşdeğer devrenin LC süzgeç gibi davranmasıdır. Şekil 3.91. 0,1Ω EMG kaynak için ideal olmayan fark modu eşdeğer devrenin benzetim sonucu 126 EMG kaynak ve EMG gürültülerine hassas alıcı yük empedansları arasındaki uyumluluğa göre EMG süzgecin gürültüye karşı gösterdiği AGK karakteristiği değişmektedir. Empedans uyumsuzluğu ne kadar az olursa süzgeç performansı o kadar iyi olmaktadır. Ortak mod eşdeğer devre benzetim sonuçları EMG Süzgecin ortak mod eşdeğer devre modeli aşağıda verilmiştir. EMG Süzgeçte ortak mod gürültü bastırmasında etken elemanlar, ortak mod bukağı ve ortak mod kapasitörlerdir. Fark mod elemanların ortak mod gürültünün bastırılmasında etkisi yoktur. Ortak mod gürültü üreteci akım kaynağı olarak modellenmiştir. HEDD’in empedansı, Şekil 3.92’deki ortak mod elektriksel devre şemasından Zhedd/2 olarak modellenmiştir. Şekil 3.92. İdeal ortak modu eşdeğer devre bilgisayar benzetimi Bukağının ortak mod gürültüyü bastırmasında etkin olan bukağının parazitik elemanlarıdır. Bunlar sarımların direnci (Rom) ve sarımlar arası kapasitanstır (Comb). Ortak mod kapasitörlerin parazitik elemanları da benzetim devresine eklenmiştir. 127 Şekil 3.93. İdeal olmayan ortak mod eşdeğer devre bilgisayar benzetimi 50Ω EMG kaynak empedansı için ideal ve ideal olmayan ortak mod eşdeğer devre benzetim sonuçları EMG kaynak empedansı 50Ω iken, elde edilen ideal ve ideal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonuçları aşağıda verilmiştir: Şekil 3.94. 50Ω EMG kaynak için ideal ortak mod eşdeğer devrenin kesim frekansı benzetim sonucu 128 Şekil 3.94’teki grafikten, EMG süzgecinin ideal ortak mod eşdeğer devresinin kesim frekansının 50kHz olduğu görülmektedir. Bu değer teorik hesaplamalar sonucu elde edilen 51,936kHz’e oldukça yakındır. Şekil 3.95. 50Ω EMG kaynak için ideal ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu İdeal ortak mod eşdeğer devresi “LC” tip süzgeçtir. Dolayısıyla ideal durumda AGK değerleri her frekansta “C” tip süzgece göre daha yüksektir. Şekil 3.95’teki benzetim sonucundan görüldüğü üzere ortak mod süzgecin 1MHz ve 10MHz’teki AGK değerleri arasındaki fark yaklaşık 40dB’dir. Yani her bir malzemenin 20dB/dekad bastırma sağladığı görülmektedir. İdeal olmayan ortak mod eşdeğer devresinde bulunan ortak mod bukağının parazitik elemanları aşağıda verilmiştir. Ortak mod bukağının teknik özellik sayfasında malzemenin sarımlar arası kapasitansı verilmemiştir. Ortak mod süzgecin rezonans 129 frekansını daha çok bu parametre belirleyeceğinden öncelikli olarak bu malzemenin sarımlar arası kapasitansı yaklaşık olarak hesaplanmıştır. Aşağıdaki grafik ortak mod bukağının frekans & empedans eğrisini göstermektedir. Empedansın tepe yaptığı frekans, AGK değerinin maksimum olduğu frekansı, dolayısıyla da rezonans frekansını göstermektedir. Malzemenin rezonans frekansının 3MHz olduğu Şekil 3.96’daki grafikten görülmektedir. Rezonans frekans formülünden ortak mod bukağının sarımları arasındaki kapasitans değeri bulunabilir. Frezonans = 1/2π(LC)1/2 (3.22) Frezonans = 3MHz =1/2π(470x10-6 xC)1/2 Sarımlar arası kapasitans C=6pF olarak hesaplanmıştır. Şekil 3.96. Ortak mod bukağının empedans & frekans eğrisi [20] Ortak mod eşdeğer devresindeki malzemelerin parazitik etkileri hesaba katılarak elde edilen AGK benzetim sonucu Şekil 3.97’de verilmiştir. İdeal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin AGK grafiğine bakıldığında ortak mod süzgecin rezonans frekansının ortak mod bukağının rezonans frekansı ile aynı olduğu yani 3MHz olduğu görülmektedir. Ortak mod süzgecin rezonans frekansını, ortak mod 130 gürültüleri bastırmada en etkin malzeme olan ortak mod bukağının sarımlar arası kapasitansı belirlemektedir. Şekil 3.97. 50Ω EMG kaynak için ideal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu 0.1Ω EMG kaynak empedansı için ideal ve ideal olmayan ortak mod eşdeğer devre benzetim sonuçları EMG kaynak empedansı 0,1Ω iken elde edilen ideal ve ideal olmayan ortak modu eşdeğer devrenin benzetim sonuçları Şekil 3.98’de ve Şekil 3.99’da verilmiştir. EMG kaynak empedansı düşük olduğundan, süzgecin kesim frekansının çok daha düşük olduğu ve benzetim sonucunda bu frekansın belirlenemediği görülmektedir. Benzetim programına, ortak mod elemanlar ideal olarak girildiği için sürekli artan bir AGK grafiğine sahiptir. Ortak mod süzgecin 109dB@10MHz AGK değerine sahip 131 olduğu görülmektedir. Benzetim sonucuna göre ortak mod süzgeçte daha fazla süzgeç elemanı olduğundan fark moduna göre gürültüyü daha fazla bastırmaktadır. Şekil 3.98. 0,1Ω EMG kaynak için ideal ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu 0,1Ω EMG Kaynak empedansına sahip ideal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucuna göre, süzgeç devresinin rezonans frekansı 50Ω’luk sisteme göre elde edilen benzetim sonucuyla aynı çıkmıştır. EMG kaynak empedansının süzgecin rezonans frekansına etki etmediği görülmüştür. Süzgeç, rezonans frekansında 142dB@3MHz bastırma sağlamaktadır. Rezonans frekansından sonra süzgecin gürültüyü bastırma etkinliği azalmaktadır. 132 Şekil 3.99. 0,1Ω EMG kaynak için ideal olmayan ortak mod eşdeğer devrenin benzetim sonucu 3.8.6. Tasarlanan EMG süzgeç Fark modu ve ortak mod gürültü ayrıştırılarak yapılan EMG süzgeç tasarımının ideal ve ideal olmayan genel blok şeması Şekil 3.100’de ve Şekil 3.101’de verilmiştir. Sistem giriş empedansı düşük empedans gösterdiğinden dolayı ortak mod bukağı sistem tarafına yerleştirilmiştir. HEDD giriş empedansı 50Ω olduğundan dolayı da ortak mod ve fark mod kapasitörler HEDD tarafına yerleştirilmiştir. 133 (+) HEDD (+) Lom Cy Cx SİSTEM Gerçek Toprak (Şase) HEDD (-) (-) Cy Şekil 3.100. Tasarlanan ideal EMG süzgeç topolojisi Csarım Romb (+) HEDD (+) Lom Lom_sızıntı Ly Lx Rsy Rsx SİSTEM Rpy Rpx Cy Cx Gerçek Toprak (Şase) (-) Romb Lom_sızıntı HEDD (-) Ly Rsy Csarım Cy Rpy Gerçek Toprak (Şase) Şekil 3.101. Tasarlanan ideal olmayan EMG süzgeç topolojisi Tasarlanan EMG süzgecin tam etkili çalışabilmesi için bir takım hususlara dikkat edilmesi gerekmektedir. Bu hususlar şu şekilde maddelenebilir: Ortak mod kapasitörlerin tam etkili çalışabilmesi için kapasitörlerin gürültüleri toprağa attığı şase bağlantılarının sıfıra yakın bir empedansla bağlanması gerekmektedir. Kapasitör hatlarının mümkün olduğu kadar kısa ve kalın olması gerekmektedir [7]. 134 Direnç ve indüktör bacakları ise birbirlerinden mümkün olduğunca uzağa yerleştirilmelidir [7]. İndüktörler, süzgecin metal plakasından ve kartın toprak katmanlarından kapasitif bağlaşım olması nedeniyle, süzgeç kutusundan ve kartın toprak katmanlarından uzağa yerleştirilmesi gerekmektedir [7]. Süzgeç içinde RF yayılımı engellemek için süzgecin giriş ve çıkış işaret portlarının birbirlerinden uzak tutulması gerekmektedir [7]. Kullanılan ortak mod bukağının manyetik alandan kolay etkilendiğinden ortak mod bukağı µ-metal malzeme içerisine konulması gerekmektedir [7]. Fark modu ve ortak mod kapasitörleri en kısa mesafeden “Veeing” metodu kullanılarak bağlanmalıdır. Bu yöntemle fark modu ve ortak mod kapasitörlerin parazitik hat indüktansı, direnci azalmakta ve süzgecin rezonans frekansı artmaktadır. Şekil 3.102. “Veeing” metodu [15] EMG Süzgeç tasarlandıktan ve metal kutusuna monte edildikten sonra dikkat edilmesi gereken nokta metal kutunun sistem içine montajı sırasında şase bağlantılarının mümkün olduğunca düşük empedansla yapılmasıdır. Şekil 3.103’te, iyi ve kötü yapılmış süzgeç serimleri gösterilmektedir [7]. 135 Şekil 3.103. EMG süzgeç serimi [7] 136 4. TASARLANAN DEVRELERİN TEST SONUÇLARI Tasarlanan EMG süzgeç sistemle birlikte çalıştırılarak CE102 test sonuçları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar bir sonraki alt bölümde verilmiştir. 4.1. Süzgeçleme Sonrası CE102 Gürültü Ölçüm Sonuçları Bu bölümde, tasarlanan EMG süzgeç sisteme entegre edildikten sonra alınan CE102 gürültü ölçümleri, akım probuyla alınan ortak mod ve fark mod ölçüm sonuçları değerlendirilecektir. Şekil 4.1’de EMG süzgeçleme sonrası alınan ortak mod gürültü ölçüm sonucuna göre, süzgeçlemeden önceki ölçümlerde görülen 400kHz ve civarındaki DA/DA çeviricilerin anahtarlama frekans ve harmonik gürültülerinin süzüldüğü görülmektedir. Ortak mod gürültüsünün bazı frekanslarda 40dB bastırıldığı görülmektedir. Ortak mod süzgeci ile ortak mod gürültüsünün limitin en az 10dB ve en fazla 20dB altına indirgendiği görülmektedir. Şekil 4.1. EMG süzgeçleme sonrası ortak mod gürültü ölçüm sonucu 137 Şekil 4.2’de EMG süzgeçleme sonrası alınan fark mod gürültü ölçüm sonucuna göre, tasarlanan tek katlı fark mod süzgeci fark modu gürültüleri süzerek limitin altına indirgemiştir. Fark mod süzgecin bazı frekanslarda fark modu gürültüleri 20dB bastırdığı görülmüştür. Fark mod süzgeci ile fark mod gürültüsünün limitin en az 10dB altına indirgendiği görülmektedir. Şekil 4.2. EMG süzgeçleme sonrası fark mod gürültü ölçüm sonucu Şekil 4.3’teki ve Şekil 4.4’teki EMG süzgeçleme sonrası sistemin artı ve eksi güç hatlarından alınan CE102 test sonuçlarına göre, sistemin CE102 testinden başarı ile geçtiği görülmektedir. Ortak mod ve fark mod gürültüleri toplamının görüldüğü CE102 testinde, bu gürültülerin test limitinin altında kaldığı görülmektedir. Tasarlanan EMG süzgecin başarıyla çalıştığı görülmektedir. EMG süzgeçsiz alınan ölçümlerde gürültü seviyesi limitin 30dB üzerindeyken tasarlanan EMG süzgeç ile gürültünün limitin en az 20dB altında kaldığı görülmektedir. 138 Test CE102 limit (28 V) 110.0 100.0 Amplitude (dBuV) 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 10.0K 100.0K 1.0M 10.0M Frequency Şekil 4.3. EMG süzgeçleme sonrası CE102 artı hat sistem gürültüsü Test CE102 limit (28 V) 110.0 100.0 Amplitude (dBuV) 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 30.0 20.0 10.0 10.0K 100.0K 1.0M 10.0M Frequency Şekil 4.4. EMG süzgeçleme sonrası CE102 eksi hat sistem gürültüsü 4.2. Tasarımın MIL-STD-1275D’e Uyumluluğunun Test Edilmesi Bu bölümde, MIL-STD-1275D standardında tanımlı 250V/70µs ani yükselen ve 100V/50ms dalgalanan işaretlerden sistemin korunması için tasarlanan koruma bloğunun test kısımları anlatılacaktır. Ani yükselen işaret testinde uygulanacak gerilimi üretecek olan cihaz “SPIKE GENERATOR” cihazıdır. Bu işaret, sistemin sadece güç hatlarına artı ve eksi polariteli uygulanmaktadır. 139 Dalgalanan işaret testinde uygulanacak gerilimi üretecek olan cihaz “SURGE GENERATOR” cihazıdır. Bu işaret, sistemin sadece güç hatlarına artı polariteli uygulanmaktadır. 4.2.1. MIL-STD-1275D standardı test sonuçları Şekil 4.5’teki test düzeneği kurularak, sisteme MIL-STD-1275D standardında tanımlı 250V/70µs ani yükselen işaret ve 100V/50ms dalgalanan işaret uygulanmıştır. Bu standarttan başarı ile geçme kriteri, sistemin bu tehdit işaretlerinden etkilenmemesidir. Önce sistem güç kaynağı ile beslenmiştir. Daha sonra sistem kararlı duruma ulaştıktan sonra jeneratörden standartta tanımlı işaretler uygulanmıştır. SPIKE VE SURGE JENERATÖR (+) Elektronik Kart SİSTEM (-) (+) Güç Kaynağı (-) OSİLOSKOP Şekil 4.5. MIL-STD-1275D standardı test düzeneği Ani yükselen işaret test sonuçları Sisteme uygulanan ani yükselen işaret osiloskoba bağlanarak standartta tanımlı genlik ve süre değerine sahip olup olmadığı önce osiloskopta izlenmiştir. 140 Uygulanacak işaret osiloskop görüntüsü Şekil 4.6’da verilmiştir. Uygulanan test işaretinin dalga formu MIL-STD-1275D standardında tanımlı işaretle aynıdır. Test işaretinin sönümlenme süresi osiloskop ile 70µs ölçülmüştür. Şekil 4.6. MIL-STD-1275D standardında tanımlı ani yükselen işaret (250V/70µs) süresi Test işaretinin tepe genliği ise yaklaşık 250V olarak osiloskop görüntüsünden okunmuştur. Tepe genliğinden sonra her periyotta genlik düşerek sönümlenmektedir. İşaretin genliği Şekil 4.7’deki osiloskop çıktısından görülmektedir. Şekil 4.7. MIL-STD-1275D standardında tanımlı ani yükselen işaret (250V/70µS) genliği 141 “SPIKE” jeneratörünün standartta tanımlı test işaretini ürettiği kanıtlanarak bu test işareti sistemin güç hatlarına uygulanmıştır. Tasarımın çıkış portundan alınan osiloskop ölçümlerinden görüldüğü üzere, ani yükselen işaret koruma bloğu, uygulanan işareti 44V’a kırparak sistemin zarar görmesini engellemiştir. Kırpılmış çıkış işaretinin genlik değeri, tasarımda teorik olarak hesaplanan 40,706V-44,407V gerilim aralığının içinde yer almaktadır. Teorik olarak tasarlanan devrenin pratikte çalıştığı görülmektedir. Şekil 4.8. 250V/70µs İşareti Uygulandıktan Sonra Çıkış İşareti Dalgalanan işaret test sonuçları Şekil 4.5’te verilen test düzeneğinde “SPIKE” üreteci yerine “SURGE” üreteci kullanılarak test düzeneği oluşturulmuştur. Jeneratörün ürettiği dalgalanan işaret sisteme uygulanmadan önce osiloskopta görüntülenerek standartta belirtilen genlik ve süre değerlerine uygun olduğu doğrulanmıştır. Şekil 4.9’daki osiloskop çıktısından görüldüğü üzere işaretin genlik değerinin 100V, işaret süresinin 50ms olduğu saptanmıştır. 142 Şekil 4.9. MIL-STD-1275D standardında tanımlı dalgalanan işaretin genlik ve süresi Doğrulama adımı gerçekleştirildikten sonra işaret sistem güç hatlarına uygulanmıştır. Dalgalanan işaret sisteme uygulandıktan sonra elde edilen osiloskop çıktısı Şekil 4.10’da görülmektedir. Çıkış geriliminin 40,706V-44,407V aralığında olması gerekmektedir. Kırpma süresinin ise uygulanan işaret süresi kadar yani 50ms olması gerekmektedir. Şekil 4.10. Dalgalanan işaret uygulandıktan sonra çıkış işaret genliği 143 Şekil 4.10’daki osiloskop çıktısından çıkış geriliminin 42,4V olduğu görülmektedir. Bu gerilim değeri teorik olarak hesaplanan gerilim aralığının içindedir. Şekil 4.11. Dalgalanan işaret uygulandıktan sonra çıkış işaretinin süresi Şekil 4.11’deki osiloskop çıktısından kırpma süresinin 50ms olduğu görülmektedir. Bu değer, dalgalanan işaret süresi ile aynıdır. Dalgalanan işaretinin sistem güç hatlarına uygulanması bittiği andan itibaren sistem tekrar 28V’ta çalışmaya devam etmektedir. 144 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Bu tez kapsamında ilk olarak, 28VDA gerilimle çalışan askeri kara cihazlarının platformlarda en çok karşılaştıkları sorunlardan biri olan gerilim kaynaklı ve geçici işaretlerden sistemin zarar görmemesi için gerekli koruma devresi ele alınmıştır. Yüksek genlikli, kısa süreli ani yükselen işaretlerden kısa süreli gerilim bastırıcı kullanılarak, işaretin genlik seviyesinin sisteme zarar vermeyeceği genlik değerine indirgenebildiği gözlenmiştir. Kısa süreli gerilim bastırıcı seçilirken işaretin enerji içeriği dikkate alınmalıdır. Dalgalanan işaretlerinin enerji içeriği, ani yükselen işaretlere oranla daha yüksek olduğundan kısa süreli gerilim bastırıcı kullanılarak bu işaretlerin genlik değerleri indirgenememektedir. Bu yüzden dalgalanan işaretlerin genlik değeri, ana hatta konumlandırılan NMOS’un anahtarlanmasıyla zararsız gerilim seviyesine indirgenebilmiştir. Yapılan tasarımla, uygun NMOS’un seçilmesiyle geçici işaretin genlik değeri ve süresi ne olursa olsun sistem bu işaretlerden korunabilmektedir. LTSPICE benzetim programında yapılan teorik çalışmanın benzetim sonuçlarına bakıldığında teorik tasarımla, osiloskopta elde edilmiş deney sonuçlarının örtüştüğü görülmektedir. Tez kapsamında yapılan diğer bir çalışma ise, güç kartlarında kullanılan DA/DA çeviricilerden kaynaklanan ortak mod ve fark mod gürültülerin, MIL-STD-461E standardında yer alan CE102 iletkenlik yollu yayınım gereksinimine uygun hale getirilmesidir. MIL-STD-461E standardında yer alan CE102 testine uygun olarak test düzeneği kurulmuş ve sistemin 10kHz-10MHz frekans bandındaki gürültüsü ölçülmüştür. Bu tez kapsamında EMG Süzgeci tasarımında kullanılan malzemelerin konumunu belirlemek adına, sistemin gürültü bileşenleri akım probu yöntemiyle ayrıştırılmıştır. 145 Elde edilen gürültü bileşenlerinin akım bilgileri kullanılarak CE102 gereksinimine uygun süzgeç için gerekli kesim frekansı ve zayıflama miktarı çizim yöntemiyle hesaplanmıştır. Gerekli kesim frekansından ve zayıflama miktarından süzgecin ortak mod ve fark mod malzemeleri belirlenmiştir. Tasarlanan EMG süzgecin benzetimi, kullanılan süzgeç malzemelerinin ve kullanılacak sistemin ideallik durumuna göre yapılmıştır. Süzgeç malzemelerinin ideal ve parazitik elemanları göz önüne alınarak sistemin ideal ve ideal olmayan durumlarına göre dört farklı benzetim sonucu elde edilmiştir. Tüm bu dört farklı benzetim süzgecin ortak mod ve fark mod eşdeğer devreleri için ayrı ayrı yapılmıştır. Belirlenen ideal fark modu süzgecin ideal ve ideal olmayan sistemler için yapılan benzetim sonuçlarına bakıldığında, süzgecin araya girme kaybının ideal sistemlerde daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunun nedeninin, fark modu süzgeçte fark mod kapasitörlerinin gürültüyü bastırmada daha etkin olması ve akım gürültülerinin EMG kaynak empedansından daha düşük empedanslı bir yol olan kapasitörleri tercih etmesi olduğu düşünülmektedir. Fark modu süzgeç elemanlarının parazitik elemanları göz önüne alınarak yapılan benzetim sonucunda, fark mod süzgecin araya girme kaybının her iki sistemde de daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunun nedeni, ortak mod bukağının sızıntı indüktansının fark modu gürültüleri bastırmada etkin olmasıdır. Belirlenen ortak mod süzgecin ideal ve ideal olmayan sistemler için yapılan benzetim sonuçlarına bakıldığında, süzgecin araya girme kaybının ideal olmayan sistemlerde daha yüksek olduğu görülmektedir. Bunun nedeninin, akım gürültülerinin kaynağına geri dönmesi için mecburen ortak mod bukağının üzerinden geçmesi ve ortak mod bukağının da ortak mod gürültüleri bastırması olduğu düşünülmektedir. Eğer ortak mod bukağının önüne ortak mod kapasitörü konulsaydı akım gürültüleri kapasitör üzerinden devreyi tamamlayacaktı ve gürültüler süzülemeyecekti. 146 Ortak mod süzgeç elemanlarının parazitik elemanları göz önüne alınarak yapılan benzetim sonucunda, her iki sistemin araya girme kayıplarının süzgecin rezonans frekansına kadar ideale göre daha yüksek olduğu görülmektedir. Ayrıca süzgecin rezonans frekansının, ortak mod bukağının rezonans frekansıyla aynı olduğu görülmektedir. Bunun nedeni, ortak mod bukağının ortak mod gürültüleri bastırmada en etkili süzgeç malzemesi olmasıdır. Tez çalışmasında yapılan teorik hesaplamaların pratik deneylerle birebir örtüştüğü görülmüştür. Daha ileri çalışmalarda tezin kapsamı, 115VAA gerilimle beslenen sistemlerin; yüksek genlikli ve kısa süreli geçici işaretlerden korunması ve sistemin CE102 gereksiniminin pasif süzgeç elemanlarıyla değil de aktif süzgeçlerle yapılması düşünülmektedir. 147 KAYNAKLAR 1. Sevgi, L., Akleman F., Özyalçın, M.O., “EM Kirlilik ve Modelleme Teknikleri”, Bilişim Toplumuna Giderken EM Kirlilik Etkileri Sempozyumu, Ankara, (1999). 2. İnternet: Amerika Birleşik Devletleri “MIL-STD-1275D ve MIL-STD-461E Standartları” http://www.defense.gov/ (2012). 3. Yaman, Ö., “Electromagnetic Compatibility of Electric Power Quality Monitor According to EN 61326 Standard”, Yüksek Lisans Tezi, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara (2007). 4. İnternet : ON Semiconductor Firması “KSGB Teknik Özellikleri” http://www.onsemi.com/PowerSolutions/ (2012). 5. İnternet: VISHAY Firması “MOSFET Teknik Özellikleri” http://www.vishay.com/product/ (2012). 6. İnternet : LINEAR TECHNOLOGY Firması “LT4356 HDE-2 Teknik Özellikler” http://www.linear.com/product/ (2012). 7. Hartal, O., “Electromagnetic Compatibility by Design 3rd ed.”, Paperback (Ciltsiz), R & B Enterprises, USA,1-451 (1995). 8. Chow, A.C., Perreault, D., “Design and Evaluation of a Hybrid Passive/Active Ripple Filter with Voltage Injection”, IEEE Transactions on Aerospace and Electronics Systems, 39 (2): 1-3 (2003). 9. Williams T., “EMC FOR PRODUCT DESIGNERS 3rd ed.”, Elsevier, Wareham, 1-352 (2001). 10. İnternet : Api Technologies Firması “Diskoidal Kapasitör Teknik Özellikleri” http://eis.apitech.com/ (2012). 11. İnternet : EPCOS Firması “Direkt Beslemeli Kapasitör Teknik Özellikleri” http://www.epcos.com/ (2012). 12. Önal, E., “Paralel Bağlı DA/DA Çeviriciler için CE102 Gereksinimine Uygun Elektromanyetik Girişim Süzgeci Tasarımı”, Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara (2010). 13. Wang, S., Lee, F.C., Chen, D.Y., Odendaal, W.G., “Effects of Parasitic Parameters on EMI Filter Performance”, IEEE Transactions on Power Electronics, 19 (3): 1-3 (2004). 14. İnternet : Voltech Instruments Firması “Sızıntı İndüktör Ölçüm Yöntemi” 148 http://www.voltech.com/Support/Search.aspx (2012). 15. Ozenbaugh, R.L., “EMI Filter Design 2nd ed.”, CRC Press, Portland, 111: 1-344 (2001). 16. İnternet : Fair-Rite Firmasının “İndüktör Teknik Özellikleri” http://www.fair-rite.com/newfair/materials.htm (2012). 17. İnternet : Georgia State University “Remnance and Coercivity” http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/solids/magperm.html (2012). 18. West, R. and Butler, C., “Common Mode Inductor for EMI Filters Require Careful Attention to Core Material Selection”, PCIM Magazine, 1-8, (1995). 19. İnternet : Magnetics Firmasının “Ferit ve Toz Çekirdek Özellikleri” http://www.mag-inc.com/products/ (2012). 20. İnternet : Pulse Electronics Firması “Ortak Mod Bukağının Teknik Özellikleri” http://productfinder.pulseeng.com/product/ (2012). 149 EKLER 150 EK-1. LT4356 HDE-2 Teknik Özellikler Şekil 1.1. LT4356HDE-2’nin pin konfigürasyonu 151 EK-1.(Devam) LT4356 HDE-2 Teknik Özellikler Şekil 1.2. LT4356HDE-2’nin elektriksel özellikleri 152 EK-1.(Devam) LT4356 HDE-2 Teknik Özellikler Şekil 1.3. LT4356HDE-2’nin performans karakteristiği 1 153 EK-1.(Devam) LT4356 HDE-2 Teknik Özellikler Şekil 1.4. LT4356HDE-2’nin performans karakteristiği 2 154 EK-2. KSGB Teknik Verileri Şekil 2.1. Kullanılan KSGB’nin teknik özellikleri 155 EK-3. NMOS Teknik Özellikleri Şekil 3.1. Kullanılan NMOS’un teknik özellikleri 1 156 EK-3. (Devam) NMOS Teknik Özellikleri Şekil 3.2. Kullanılan NMOS’un teknik özellikleri 2 157 EK-4. Ortak Mod Kapasitör Verileri Şekil 4.1. Kullanılan ortak mod bukağının teknik özellikleri 158 EK-5. Ortak ve Fark Mod Kapasitör Verileri Şekil 5.1. Kullanılan ortak mod ve fark modu kapasitörlerin teknik özellikleri 1 159 EK-5. (Devam) Ortak ve Fark Mod Kapasitör Verileri Şekil 5.1. Kullanılan ortak mod ve fark modu kapasitörlerin teknik özellikleri 2 160 ÖZGEÇMİŞ Kişisel Bilgiler Soyadı, adı Uyruğu : AKSOY, Hasan Çağlar : T.C. Doğum Tarihi ve Yeri : 14.10.1987 Yozgat Medeni Hali : Evli Telefon : 0506 607 06 57 e-mail : hasanaksoy87@hotmail.com Eğitim Derece Eğitim Birimi Yüksek Lisans (4,00) Gazi Üniversitesi / Elek.Elekt. Müh. Mezuniyet Tarihi 2013 Lisans (3,57) Gazi Üniversitesi / Elek.Elekt. Müh. 2009 Lise Özel Arı Anadolu Lisesi 2005 İş Deneyimi Yıl Yer Görev 2010- ASELSAN AR-GE Mühendisi Yabancı Dil İngilizce Hobiler Basketbol, Tenis, Müzik
