Bir önceki yazımda LISN (Line impedance stabilization network) konusuna giriş yapmış; ilgili yazıda bu ekipmanın ne olduğunu anlatmıştım. Bu yazı ile devam etmeden önce onu okumanızı kesinlikle tavsiye ederim. Şimdi, “ne?” sorusundan sonra biraz daha detaya girip “LISN neden gereklidir?” sorusuna cevap vermeye çalışacağım.
Kısa bir cevap isteyenler için sonlara doğru yazdığım cümleyi buraya çekiyorum:
LISN’ler isminden de anlaşılacağı üzere şebeke empedans farklılık sorununu ortadan kaldırmak ve bütün test laboratuvarlarında standart bir şekilde test yapmak için kullanılırlar.
Daha detaylı açıklama isteyenler için yazıya devam ediyorum. Bu konuyu anlayabilmek için elektrik enerjisinin temeli ile ilgili biraz ayrıntıya girmek gerekiyor.
Elektrik Enerjisi 101
Elektrik enerjisi üretilmeli, iletilmeli ve tüketilmelidir. İşin batarya kısmını saymazsak elektrik enerjisi üretildiği anda tüketilen bir enerji şeklidir. İşin batarya kısmını hesaba kattığımızda ise… Evet, yine çok değişmiyor, yaklaşık %99.99 oranında üretildiği anda tüketilen bir enerji şeklidir. Sayısal verilerle de bu savımı desteklemek gerekirse, 2019 yılında dünyadaki toplam elektrik enerjisi tüketimi yaklaşık 23,000 TWh olarak hesaplanmıştır [1] [2]. Aynı yıl için dünya çapındaki kümülatif batarya kapasitesi olarak ise 1 ile 2 TWh arası bir değer alsak büyük bir hata yapmış olmayız [3]. Bu sayılar ile aradaki oransal fark net bir şekilde görülmektedir.
Elektrik enerjisi üretilmeli, iletilmeli ve tüketilmelidir.
İşte elektrik enerjisinin bu doğası, bazı altyapı gerekliliklerini doğurmaktadır:
- Bir elektrik üretim noktası (HESler, güneş panelleri, rüzgar türbinleri, doğalgaz ya da kömür santralleri vb…
- Bir tüketim noktası (ev, işyeri, fabrika vb…)
- Ve bunlar arasındaki bağlantılar (elektrik iletim ve dağıtım şebekeleri)
Üretim ve tüketim noktaları arasındaki bağlantı ihtiyacı bu iki nokta arasında bir iletken kullanılmasını gerektirir. Her iletkenin bir direnci ve endüktansı olduğunu hatırlarsak konumuzun can alıcı noktasına biraz daha yaklaşmış oluruz.
Peki LISN Neden Gerekli?
Tekrardan gözden geçirelim: Bir gerilim kaynağı (üretim noktası), bir iletken direnci ve endüktansı (elektrik şebekesi) ve en sonda da siz. Yani tüketim noktası (yük). Burada,
- Gerilim kaynağı –> size en yakın dağıtım transformatörü;
- İletken –> aradaki kablolar
- Yük –> elektrikli herhangi bir cihaz (ör: TV).
Şimdi küçük bir düşünce deneyi yapalım. Sokağınızın başında bir trafo merkezi olduğunu düşünün. Yine sokağın başında bir arkadaşınızın evi var ve A marka B model bir televizyonu var. Sokağın sonunda ise siz oturuyorsunuz. Aynı marka ve model televizyondan sizde de var. Takdir edersiniz ki arkadaşınızın televizyonunun gördüğü kaynak empedansı ile sizin televizyonunuzun gördüğü aynı olmayacaktır. Çünkü sizin bulunduğunuz nokta ve kaynak arası mesafe ile arkadaşınızın bulunduğu nokta ve kaynak arasındaki mesafe farklıdır. Yani bulunduğunuz konuma göre kaynak (şebeke) empedansı değişiklik göstermektedir. Bir önceki cümle yazının en önemli noktalarından birisidir.
Benzer şekilde X firmasının sahip olduğu bir EMC test laboratuvarının gördüğü kaynak empedansı ile Y firmasının sahip olduğu bir EMC test laboratuvarının kaynak empedansı birbirinden farklı olacaktır.
İşte LISN’ler, isminden de anlaşılacağı üzere bu empedans farklılık sorununu ortadan kaldırmak ve bütün test laboratuvarlarında standart bir şekilde test yapmak için kullanılmaktadır. LISN’ler iletim yoluyla yayılan EMC testini standart hale getirir. Bu nedenle dünyanın neresine giderseniz gidin belirli toleranslar dahilinde aynı EMC test sonucunu alırsınız.
Peki, oturduğumuz yerden bu test sonuçlarının farklı olup olmadığını nasıl deneyebiliriz?
Simülasyon!
Örnek Şebeke Modelleri
Bir mühendislik fenomenini anlamanın en etkili yöntemlerinden birisinin onu modellemek ve simülasyonunu yapmak olduğunu düşünüyorum. O yüzden yazımı buradan itibaren modelleme ve simülasyon üzerinden devam ettiriyorum.
Farklı şebeke empedansı koşullarını görebilmek için öncelikle bir şebeke modelimizin olması gerekiyor. Ardından bunu ölçeklendirerek düşük ve yüksek empedanslı şebekeleri simüle edebiliriz.
Yukarıdaki iki grafik Avrupa ve Amerika şebekelerinden alınmış şebeke empedans ölçümlerini gösteriyor [4]. Her iki bölge için de benzer karakteristiklere sahiptir. 20 kHz – 1 Mhz bölgesinde endüktif; 1 Mhz – 10 MHz bölgesinde düzleşen; 10 Mhz sonrasında ise kapasitiftir. Ben de şebekemi bu üç temel parametre etrafında minimum ve maksimum empedansları temsil edecek şekilde basitçe modelleyeceğim.
Şebeke modellemesinin teorik arka planı ile çok fazla uğraşmadan; ölçüm sonuçlarına benzer bir model elde edecek şekilde seçtiğim değerler aşağıda gözükmekte. Bu değerler ile elde edilen empedans grafiğini de hemen altına ekledim.
Bu modelde kullanmış olduğum yapı literatürde “pi” model olarak geçen yapının cascode halde biraz daha karmaşıklaştırılmış halidir. Parametrelerde kullandığım “K” katsayısı ise devre empedansını kolayca ölçeklendirebilmek için eklediğim bir katsayıdır.
Ortada bulunan mavi eğri, alınan ölçümlerdeki ortalama empedansı temsil etmektedir. Alt ve üst eğriler de bununla orantılı olacak şekilde verilmiş eğrilerdir. Aşağıdaki simülasyonlarda alt ve üst sınırdaki şebeke koşullarını kullanacağım. Bu sayede ölçüm sonuçlarındaki farklılıkları daha kolay bir şekilde görebileceğiz.
LISN Olmasaydı Kullanılabilecek Varsayımsal İki Ölçüm Yöntemi
Bir şeyin değerini anlayabilmek için en etkili yöntemlerden biri ondan mahrum kalmaktır. Şimdi de LISN’lerin faydasını daha iyi anlayabilmek için LISN olmadan bir ürünün gürültüsünü nasıl ölçebiliriz diye 2 farklı düşünce deneyi yapacağım. Akabinde de bunların spice modellerini vereceğim.
İlk yöntemde yalnızca bir clamp akım probu kullanarak; ikincisinde ise modifiyeli LISN kullanarak ölçüm yöntemlerini inceleyeceğim.
Baştan bir uyarı yapmak istiyorum. Aşağıda örnek olarak vermiş olduğum iki ölçüm yöntemi tamamen farazidir. Bu şekilde bir ölçüm teorik olarak yapılabilir; ancak pratikte uygulaması olmayan yöntemlerdir. Ya da yapan varsa da ben bilmiyorum. Bunlar sadece örnek olması amacıyla verdiğim iki farklı yöntemdir.
1 Adet Akım Probu Kullanarak Ölçüm Yöntemi
Bu yöntemde ürünün giriş kablolarından birisine (ör:faz hattı) clamp akım probu taktığınızı ve bu problem üzerinden okunan akımın harmonik bileşenlerini incelediğinizi düşünün. Burada savımız, LISN kullanılmadığı için şebeke empedansı değiştiğinde bu akımın da harmoniklerinin değişmesi gerektiğidir.
Aşağıdaki görselde devrenin oldukça karmaşık olduğunu düşünebilirsiniz. Aslında hiç de değil! Blokları tek tek açıklayınca siz de bunu görmüş olacaksınız. Nihayetinde EMC konusu da başlangıçta zor gözükmüyor mu?
Devre Bloğu
- MAINS yazılı blok yukarıda da bahsettiğim şebekeyi modellemek amaçlı koyduğum devre.
- LISN yazılı ve yukarıda boş olan blok, bu simülasyon için kullanılmayacak; ancak yazının devamında kullanacağım için yerini koyduğum bir blok. Buradaki L4 ve L5 bobinleri sadece akım ölçümü almak için bırakıldı. Zaten değerlerine kabakrak bu frekans bölgesinde etkisinin olmayacağı görülebilir.
- DUT yazılı blok ise gürültü kaynağı olan devremiz. Bu örnek için bir flyback devre topolojisi seçtim. Devrenin detaylarına girmeyeceğim. Ancak bu yazı için önemli olan kısmı 2 pF değerindeki parazitik C14 kapasitesidir.
- Sensing yazılı blok ise L4 bobininden geçen akımı gerilim olarak okumak için koymuş olduğum bir gerilim kaynağı. Sadece kolay ölçüm amaçlı.
- Devrenin en üstünde yazan komutlar ise devrenin çalışması için gerekli parametre ya da ayarları içeriyor.
Böylece devreyi de açıklamış oldum. Esas sorumuz ise şuydu: Ürünümüzün (DUT) sabit bir gürültü yaydığını düşünürsek, bunu farklı şebeke koşullarında teste sokarsak ölçeceğimiz sonuçlar farklı olur mu?
Bunu görmek için simülasyonu K=0.2, yani alt şebeke empedansı ve K=3, üst şebeke empedansı değerleri için koşturduğumuzda şebekeden çekilen akımları aşağıdaki gibi görebiliyoruz:
Bu akımlardan çok doğru bir kıyaslama yapamayacağımız aşikar. O yüzden daha sistematik bir yöntem gerekli.
LTspice .four Komutu
Ne mutlu bize ki LTspice programını yazanlar programın içerisine .four gibi güzel bir komut eklemişler. Detaylarına şu linkten ulaşabileceğiniz fonksiyon istenilen bir gerilim ya da akımın Fourier açılımını yapıyor. Bir bakıma EMI receiverlarının yaptığının benzeri…
.four 100khz 50 30 V(noise)
Bu fonksiyon ile elde edilen Fourier açılımı ise şu şekilde (sadece önemli kısımlarını ve ilk 5 harmoniğini aldım):
| Harmonic Number | Frequency [Hz] | Fourier Component [A] | Phase [degree] |
| 1 | 1,00E+05 | 5,24E-03 | -37,17° |
| 2 | 2,00E+05 | 2,17E-03 | -75,27° |
| 3 | 3,00E+05 | 1,30E-03 | -103,63° |
| 4 | 4,00E+05 | 9,57E-04 | -137,81° |
| 5 | 5,00E+05 | 6,13E-04 | -172,50° |
Kıyaslama yapabilmek için gerekli olan 2 şey var: frekans ve o frekanstaki Fourier bileşeni.
2 farklı şebeke değeri için bu devre üzerinden aldığım Fourier bileşenlerinin frekansa bağlı grafiği ise aşağıdaki şekilde.
Yukarıdaki görselden görülebileceği gibi LISN kullanmadan yapılacak bir EMC yayınım testi tamamen anlamsız olacaktır. Özellikle düşük frekans bölgesinde iki ölçüm arasındaki fark iyice açılmaktadır.
Modifiye LISN Kullanarak Ölçüm Yöntemi
Bir başka ölçüm yöntemi ise modifiye edilmiş bir LISN olabilir. Bu yöntemde LISN içerisindeki ölçüm devresi kısmını alıp diğer kısımlarını atıyorum.
Bir önceki devre bloğuna eklenen kısım “LISN” bloğunun içidir. Bir de ölçüm amaçlı “Sensing” bloğu kaldırılıp “Receiver” bloğu eklenmiştir. Hatırlatmak istiyorum, buradaki LISN yazısı sizi yanıltmasın; bu şekilde bir LISN bulunmamaktadır. Burada sadece “eğer” böyle bir devre kullansaydık sonuç ne olurdu sorusuna yanıt arıyorum.
Bu ölçümde de oldukça açık şekilde şebeke empedansındaki fark, ölçüm sonuçlarında da görülmektedir.
LISN Kullanarak Ölçüm Yöntemi
Ve nihayet olması gereken yönteme geldik! Bu yöntem ile yapılan ölçümün şebekeden bağımsız olması gerektiğini biliyoruz. Ancak gerçekten de öyle mi acaba?
Aşağıdaki devredeki LISN bloğu bir önceki yazımda da bahsetmiş olduğum şekilde ilgili LISN devresi ile tamamlanmıştır.
Veee işte o an! Aşağıdaki görselde tek bir çizgi var gibi duruyor. Ancak aslında üst üste bulundukları için o şekilde gözüküyor. Sayısal olarak farklarına baktığımızda ise %0.01 gibi çok küçük farklılıklar mevcut. Yani ölçümümüz lokasyondan ve şebeke koşullarından bağımsız bir hale geldi. Tam da istediğimiz ve olması gereken şekilde!
Sonuç
Sonuç olarak bu yazıda LISN’ler neden gereklidir sorusuna bir yanıt vermeye çalıştım. Yanıt ise basit: LISN’ler şebeke empedansındaki farklılıkları ortadan kaldırarak standart bir gürültü ölçüm ortamı sağlarlar.
Toparlarsak, bu yazının genelinde:
- Elektrik enerjisinin temelleri üzerinden dağıtım şebekesinin ihtiyacına,
- Elektrik şebekesinin doğal saçınıklığı nedeniyle EMC testlerinde bize nasıl bir negatif etkisi olduğuna,
- Bir elektrik dağıtım şebekesinin nasıl modellenebileceğine,
- 2 farklı farazi ölçüm yöntemi kullanarak LISN kullanmadığımızda elde edeceğimi ölçüm sonuçlarına,
- Son olarak da LISN kullandığımızda bu standart ortamı nasıl sağladığımıza değindim.
Sonraki yazılarda görüşmek üzere, ARGE ile kalın!
