teklif al

EMC ve Korunma yöntemleri: (II) Topraklama ...

İstenmeyen cihaz - cihaz etkileşimi diye de tanımlanabilen EMC problemleri birkaç milimetre boyutundaki bir kırmık (chip) ya da birkaç cm2' lik alanı kapsayan bir baskı devre için söz konusu olabileceği gibi yüzlerce metre kare alana yayılı büyük tümleşik bir sistem için de söz konusu olabilir. Şekil 1'de tipik bir orta ölçekli EMC problemi resmedilmiştir.

Bir orta gerilim (OG) hattından enerji alan bu işletmenin elektrik enerjisibir alçak gerilim (AG) hattı ile (OG /AG ana istasyonu üzerinden) sağlanmakta. Bu istasyon yönetim binasına 220 V'luk besleme sağlarken üretim ve laboratuar alanlarına 340 V'luk gerilim ulaştırmakta. Yönetim binasında miliwattlar mertebesinde güçlerle çalışan ve mikrovolt/metre değerlerinde elektrik alanlarına duyarlı bilgisayar, faksmakinası, cep telefonu benzeri haberleşme cihazları kullanılırken, üretim alanındaonlarca kilowattlar mertebesinde güçlerle çalışan makinalar, motorlar söz konusu olabilmekte. Bu tip ortamlarda hassas cihazların korunması temel EMC problemlerinden olup genel çözüm yöntemi iyi bir topraklama sistemi kurmaktır.

Topraklama

Potansiyel, iki nokta arasında iş yapabilme kapasitesidir. Volt birimiyle anılan elektriksel potansiyel bir noktanın belirlenen bir başka noktaya göre gerilim farkı diye tanımlanır. Örneğin VAB gerilim farkı dendiğinde A noktasının B noktasına göre gerilim farkı kastedilir. Ancak bu iki noktanın gerçek potansiyel değerlerinin bilinmesi, belirlenen bir referans noktasının varlığına bağlıdır. Bu referans noktası, bir baskı devresi üzerinde taban yüzeyi olabileceği gibi, cihazın metal kutusu, bina içerisinde bir nokta ya da mutlak referans diye bilinen yeryüzü olabilir. Mutlak referans sıfır volt olarak kabul edilen yeryüzüdür. Gerçek anlamda bir topraklama için tüm cihazların bu mutlak sıfır noktasına getirilmesi zorunludur.

Uluslar arası yetkin kurum olan IEEE (Institue of Electrical and Electronic Engineers) topraklama tanımını:

Bir elektrik devresi ya da cihazının, iletken bir ara bağlantı ile, istemli ya da istem dışı olarak, yeryüzü (toprak potansiyeline) ya da toprak yerine geçebilecek büyüklükte referans olan bir yüzeye bağlanması

Bir elektrik devresi ya da cihazının, iletken bir ara bağlantı ile, istemli ya da istem dışı olarak, yeryüzü (toprak potansiyeline) ya da toprak yerine geçebilecek büyüklükte referans olan bir yüzeye bağlanması

şeklinde vermekte. Topraklama gereksinimleri ve teknikleri temel olarak mantık devreleri, paratoner sistemleri, AC Sistemler ve şebeke dağıtım sistemleri ve arıza önleme, elektromekanik cihaz tasarımları gibi hem yüksek hem de düşük frekanslı sistemlerle analog tasarımlarda söz konusudur. Pratikte toprak yerine geçebilecek yapılardan bazıları

  • Çelik kafes binalar
  • Araç gövdesi (otomobil, uçak, gemi, uzay gemisi)
  • Su boruları
  • Toprak elektrodlu sistemler
  • Topraklama plakası ve kafesi vb.

olarak sıralanabilir. Elektrik güç dağıtım şebekelerindeki toprak referansı dışında diğer sistemlerde de toprak gereken şekilde kullanılır.

Topraklamada en önemli problem yeryüzünün her noktasında eşit potansiyelde olmamasıdır. Farklı noktalardan yapılan bağlantılar, farklı potansiyellere ulaşılmasına neden olur. Bunu nedeni yeryüzü empedansının sıfır olmaması ve önemli değişiklikler göstermesidir. Sonuçta, toprağa akan bu akımlar potansiyel farkı oluştururlar. Bu durum özellikle yıldırım gibi şiddetli boşalmalarda ya da yüksek seviyeli akımlarda gözlenir. Toprağa akan akımlar, topraklama empedansının farklı olması nedeni ile

farklı potansiyel değişimleri yaratırlar. Şekil 2’ de ideal topraklama durumu ve pratikte yaşanan durum resmedilmiştir.

Şekilde, solda iki devre ve arasındaki işaret kablolarından akan akım (farksal mod akımları) gösterilmiştir. Devreler A ve B noktalarından toprak yerine geçecek bir referans seviyeye bağlanmışlardır. AB noktaları arasında gerilim farkı oluşmadığı sürece topraklama gerçeklenmiş olur. Ancak uygulamada A ve B noktaları aynı potansiyelde olamazlar. Bu iki nokta arasındaki empedansın sıfır olmaması nedeniyle oluşacak gerilim farkı işaret kabloları ile toprak arasında aynı yönde (ortak modda) akımların akmasına neden olur.

Ortak ve farksal mod akımları

İletkenleri arasında 1,2 mm mesafe bulunan 1 m uzunluğundaki bir kablonun 30 Mhz deki 20 mA farksal mod akımı 3 m uzaklıkta FCC sınıf B limitleri içinde bir değer olan 100 μV/m’ lik bir elektrik alan üretir. Buna karşın aynı mesafede aynı seviyede bir elektrik alan oluşturmak için kablodan 8 μA’ lik bir ortak mod akımın geçmesi yeterlidir. Bu nedenle, bir elektronik cihazın EM ışımasına en büyük katkı ortak ve farksal mod akım ve gerilimlerinden geldiğinden yaptıkları için bu akım ve gerilimler EMC

açısından ayrı bir öneme sahiptir.

Ortak mod işaretleri Şekil 3b'de gösterildiği gibi, kablonun iletkenlerinden aynı yönlerde akan işaretlerdir. Aralarında potansiyel farkı olmadığı için yükten hiçbir akım akmaz ve devre iletkenler ile toprak üzerinden tamamlanır. Farksal mod akımları (Şekil 3a) iletkenler üzerinden devreyi tamamlarlar ve toprak üzerinden hiçbir akım akmaz. Aynı genlikte ve zıt yönlerde aktıkları için bu akımların oluşturacağı alanlar da birbirlerinin etkilerini azaltırlar. Buna karşın ortak mod akımları aynı büyüklükte ancak aynı yönde oldukları için, bu akımların oluşturdukları alanlar birbirlerini kuvvetlendirirler. Ortak ve farksal mod akımlarının neden olduğu EM ışıma, sırasıyla, frekansın kendisi ve karesiyle orantılıdırlar. Bu durumda alçak frekanslarda farksal mod, yüksek frekanslarda ise ortak mod EM ışımalar baskın olur.

Ortak ve farksal mod akımlar ait bir simülasyon örneği

Elektrik devrelerinde farksal mod akımları genelde faydalı işaretlere ait akımlar iken ortak mod akımları istenmeyen akımlardır. Ortak ve farksal mod akımlarının tanımlarına ve frekansla değişen etkilerine bir örnek olması açısından Şekil 4'teki basit devre ele alınsın. Devrede 500 Ω değerinde bir yük her biri 25 cm olan iki iletkenli bir hat üzerinden bir AC gerilim kaynağına bağlansın. Devre bu haliyle tam simetrik

olacağından sadece farksal mod akımları akacaktır. Aynı devrenin alt iletkenine şekilde görüldüğü gibi 25 cm'lik bir iletken daha bağlandığında devrenin simetrisi bozulacak ve farksal mod akımları yanında ortak mod akımları da akacaktır. İletkenlerden akan akımlar I1 ve I2 (I1 = −I2) ise farksal ve ortak mod akımları Iom = (I1 + I2 )/ 2 ve I fm = (I1 − I2 )/ 2 olarak tanımlanır.

Şekil 5'te Moment yöntemini kullanan NEC (Numerical EM Code) simülasyonu ile elde edilen tipik sonuçlar gösterilmiştir. DC'den 300 MHZ frekansa kadar olan frekanslar incelendiğinde alçak frekanslarda, beklendiği gibi, farksal mod akımları baskın iken, yüksek frekanslarda ortak mod akımları baskın olmaktadır. Bir anten gibi davranacak olan hattın toplam uzunluğu 50 cm olduğundan devre 300 MHz civarında (dalga boyunun yarısı uzunlukta) rezonansa gelmekte ve farksal mod akımı tepe değerine ulaşmakta.

Topraklama yetersizliğinin yaratacağı olumsuzluklara tipik bir örnek

Yetersiz topraklamanın neden olabileceği olumsuz etkilere bir örnek Şekil 6’ da verilmiştir. Şekildeki iki kabinli bir yerleşimde kabinler arası 10-15 m uzaklık olsun. Mikro saniyelerde birkaç on kiloamperler akım boşaltan bir yıldırım düşmesi sonucu oluşacak gerilim farkı şekilde gösterilmiştir. Yüksek frekanslarda metrede yaklaşık 1 μH endüktans etkisi gösteren 16-17 m’ lik bir topraklama kablosunun neden olacağı gerilim farkı 200 kV’ lara dek çıkabilmektedir. Bu ise iki kabin arasında güçlü bir

sıçramanın olması anlamına gelir.

 

Bu örnek bize uygun topraklama olmaması durumunda zaman zaman (özellikle Nisan Mayıs aylarında görülen gök gürültülü bahar yağmurları sırasında) düşen bir yıldırım sonucu, örneğin, bir işletmenin tüm bilgisayarlarının ağ bağlantı kartlarının niçin yandığını açıkça göstermektedir.

 

Topraklamada önemli hususlar

Tüm iletken yapıları bir empedansa sahiptir. Bu empedanslar (direnç ve endüktans) uzun hatlar ile toprağa bağlanırsa önemli etkiler yaratırlar. Özellikle yüksek frekans ve yüksek hızlı sayısal dalga şekilleri için böyledir (akım ve/veya gerilimin hızlı değiştiği durumlar). İki ya da daha fazla noktadan toprağa olan bağlantılar, bağlantı noktaları arasında ortak modda gerilim düşmelerine neden olur. Tek noktadan topraklama sadece düşük frekanslarda etkilidir. Topraklama hattının en uzun boyu, en yüksek frekanstaki en küçük dalga boyu ile karşılaştırılır. Pratik olarak topraklama boyu < λ/10

kuralı kullanılabilir.

 

Düşük frekanslarda (DC’den birkaç kHz’e kadar) DC empedans toprak hattının empedansı için kabul edilebilir bir tahmin verir. Tek noktadan topraklama uygulanabilir. Yüksek frekanslarda, dağılmış kapasite ve endüktansın topraklama hattı boyunca yerleşimi, rezonanslara ve topraklama empedansının değişimine neden olur.

Topraklamanın iyi yapılamamasının en fazla etki yarattığı devrelerin başında baskı devreler gelmektedir. Baskı devrelerde iyi bir topraklama gerçekleştirebilmek için

  • Endüktans etkilerini azaltmak gerekir. Bunun için L yada akımın değişim hızı (di/dt) minimize edilmeli. Endüktansın azaltılmasında devre yerleşimi en önemli faktördür.
  • Çevrim kapatan devre yollarının alanları olabildiğinde küçültülmeli.
  • Eleman bacakları kısa tutulmalı.
  • İşaret gidiş ve dönüş yolları birbirine yakın tutulmalı.
  • Mümkün ise burgulu (twisted pair) hatlar kullanılmalı.
  • Ana işaret hatları referansın yakınında olmalı.
  • Yüzey montajlı elemanların kullanımı tercih edilmeli.

Unutulmamalıdır ki, 0 Ω olması gereken toprak iletkeninin iki noktası arasında 0.3 - 0.5 Ω' luk normal koşullarda ihmal edilebilecek bir empedans farkının olması 200 kA'lik bir yıldırım düşmesi durumunda on binlerce voltluk bir potansiyel farkı yaratabilmekte ve ciddi kayıplara neden olabilmektedir.

 

GERİ