ELEKTRONİKTE TOPRAK, EKRAN, SÜZME SORUNLARI

derleyen:

haya yazgan

Bu dirençlerin önemi kuşkusuz devredeki yerine bağlıdır. Küçük bir ses yükseltecinin kaynağında 1 A'lik dalgalanma akımı yukarda sözü edilen tel de 2,5 mV gerilim düşümüne yol açabilir. Bunun binde birinin 1 mV'luk giriş gerilimini etkileme si sonucunda im/vınıltı (hum) oranı 52 dB olacak tır.'

Şekil l(a)' da simgesel olarak gösterilen yüksel teç veya sayısal tampon devresinde, hoparlör bo bin yada lamba sürücü gibi büyük çıkış akımı ge rektiği varsayılırsa AB bağlantısı üzerinde olu şacak gerilim giriş imiyle toplanacaktır. Sonuç ta salınım, beklenmeyen bir kazanç eğrisi, çıkış yüküyle değişen giriş eşiği, histeresiz gibi bir çok sakınca gözlenebilir. Şekil l(b)'de gösteril diği gibi im ve güç topraklarını ayırıp bunları tek noktada birleştirmek yada l(c)'deki gibi bağ lantılar yapmak olumlu sonuç verecektir.

Toprak bağlantılarının sırasındaki yanlışlık da benzer bir sakınca doğurabilir. Örneğin Şekil 2(a)' da görülen devrede sığacın dalgalanma akımının FG'den geçmesi sonucunda yine giriş imi ile top lanan bir gerilim oluşmaktadır. Yükselteç çıkı şında kaynak sıklığının iki katı sıklıkta vuruş lar gözlenir. Bu durumu önlemek için Şekil 2(b)' deki topraklama bağlantıları başarılı olacaktır.

1. GÎRÎŞ

Elektronik aygıtlarda devre tasarımı devre ele manlarının bağlantısı, baskı devre üzerine, kutu lar içine yerleştirilmeleri aşamalarında toprak lama ekranlama ve süzme konuları büyük önem taşımaktadır. Bu incelemede dört grup altında toplanan örnek olaylarla konunun önemi sergilen mekte ve önlemler tartışmaktadır.

2. TOPRAK BAĞLANTILARINDA İSTENMEYEN EMPEDANS

Bir noktanın toprağa bağlanması için kullanılan iletkenler çoğu kez önemli sayılabilecek bir em pedans oluşturabilirler. Örneğin 30 cm uzunluğun da 0,25 mm çaplı iletkenin (14 a.W.g.) 2,5 mohm' luk bir direnci vardır. İmin (signal) sıklığı 3 kHz'in üzerine çıkınca 0,6 yH'lik endüktansı belirgin olacaktır. Baskı devrenin direnci ise bundan çok daha fazladır. Kalınlığı 36 ym, geniş liği 0,4 mm kadar olan bakır baskı devre izinin ay nı uzunluktaki bir parçasının direnci 360 mohm'u bulmaktadır.

Kaya. Yazgan, TCDD Elektronik Araştırma Merkezi ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 242

Şekil 1.

çıkış guç toprağı

yetersizliğine dayanır. Çelik yapısal elemanlar, su veya havagazı boruları zararlı akımların ay gıtlara ulaşmasında iletken olarak yer alabilir ler. Yıldırım yada güç arızalarının iki toprakla ma arasında oluşturabileceği 100 100 000 V l u k gerilimler çok seyrek olaylar değildir. Güç diz gesinin topraklamasından ayrı, daha düşük empe danslı "elektronik aygıt topraklamaları", zener diyotlar, kıvılcım aralıkları, gaz boşalma lamba ları kullanımı akla gelen önlemler arasındadır.

Şekil 2.

Belirli sayıda birimin bağlanmasından oluşan dev relerde de topraklama ilişkileri birçok kez önem li zorluklar oluşturmaktadır. Şekil 3(a)'daki 1 ve 2 sayılı yükselteçlerin ayrı iki kutuda oldu ğunu varsayalım. İkinci yükseltecin çıkışında bes leme sıklığında bir gürültü beklenebilir. Simge sel Cı ve Qz sığaçları transformatör sarımlarının sığaçlarıdır. 240 V 50 Hz 60 W'lık bir transfor matörde birincil sargıdan sarımlar arası ekrana böyle bir ekran yoksa ikincil sargıya 50 uA do layında bir akım geçer. Bu akım kaynağa iki koşut yoldan, NM ve NJKLM yollarından döner. JK bölümün de oluşturduğu gerilim 2 sayılı yükseltecin giri şi ile toplanır. ML veya MN yollarını kesmek iyi sonuç verecektir. Şekil 3(b)'de görüldüğü gibi dar bantlı bir T ayırma transformatörü yada özellikle sayısal dizgelerde optik ayırıcılar kullanılabilir.

Topraklama yanlışlarındaki kimi nedenler ise doğ rudan aygıtın kullanıldığı yerdeki topraklamanın

3. SIĞA ETKÎLERÎ ve GERÎBESLEME

Sıklığın ve devre empedansmın yüksek olduğu du rumlarda küçük sığaçlar bile büyük önem kazana bilmektedir, örneğin 15 pF'lık bir sığacm 1 MHz' de 10 k ohm'luk bir reaktans oluşturacağı belirti lebilir. Bu sığaç ise 15 cm uzunluğundaki ekran lı veya eşeksenli (coaxial) bir kablo yada 1 m uzunlukta 0,75 mm aralıkla çizilmiş 0,4 nm kalın lığında iki baskı devre izi ile elde edilebilir.

Şekil 4(a)'da görülen, yükselteç yada sayısal tam pon devresinin yüksek kaynak empedansı ve büyük kazançxbantgenişliği çarpımı varsa, salınım, beklenmedik kazanç faz veya yükselme süresi özel likleri gözlenebilir. Çoğunlukla Miller sığacı olarak adlandırılan giriş ile çıkış arasındaki sığa etkisi temel nedendir. Topraklanmamış metal parçalar hatta aygıtın üzerine yapıştırılan metal etiket bile bu etkiyi önemli oranda artırabilir. Sakıncanın giderilmesi için kaynak direncinin azaltılması, bant genişliğinin sayısal dizgeler de yükselme süresinin azaltılması, devre ele manlarının fiziksel yerlerinin değiştirilip sığa cın azaltılması, Şekil 4(b)'de görüldüğü gibi giriş çıkış arasına topraklanmış bir ekran yer leştirilmesi düşünülebilir. Ekranın iyi toprak lanmış olmasına dikkat edilmelidir yoksa Şekil 1' de tartışılan nedenle kararsızlık durumu yeniden belirebilir. Sığa etkisinin azaltılması için özel likle sayısal voltmetrelerde çok uygulanan bir teknik Şekil 4(c)'de gösterilmiştir. A kazançlı yükselteç şekildeki gibi bağlandığında (1 1/A) kazançlı bir birim oluşturur, sığa etkisi ve gi riş kablosundaki kaçak direnç üzerindeki gerilim,

Şekil 3.

ELEKTRÎK MÜHENDİSLİĞİ 242

ekran

toprak akımların in oluşturdugu geril im

K

Şekil 4.

imin A'da birine indirilmiş olur. Yayıcı izleyi ci (eaitter follotrer) bu amaçla kullanılabilecek bir yükselteçtir. Şekil 4(c)'de görülen dış ekran da çoğunlukla sürülen ekranın üzerine eklenir.

Şekil 3'de tartışılan örneğe sığa etkilerini de göz önüne alarak yeniden bakmamız bizi ilginç uygulamalara yöneltecektir. Şekil 5(a)'da göste rildiği gibi JK üzerinde toprak akımlarının oluş turduğu gerilim Cı ve C ile 2 sayılı yükseltece yansımaktadır. Dengeli bir dizge kurmak bu konu da yapılacak en başarılı uygulama olmaktadır. Şe kil 5(b)'de görüldüğü gibi 1 sayılı yükseltecin çıkışı dengeli yapılırsa, dengeli ikiz kablo kullanılırsa ve 'yiikselteç 2' nin girişi de den geli bir it çek (push pull) olarak tasarımlanır sa, Cı in C2 yi C3 ün de Cı, ü dengelemesi sağla nacaktır. Özellikle alçak empedans mikrofonları nın transformatörlerini sürmekte bu tür yöntem ler çok kullanılmaktadır.

Şekil S.

4. ÇEVREDEN ETKİLENME SORUNLARI Çevredeki elektriksel, elektromıknatıssal koşul lardan zarar görme durumu elektronik aygıt tasa rımlayıcılarının sık karşılaştıkları bir zorluk tur. Bağlantı tellerinin anten olarak çalışması, giriş ucumuzun başka iletkenlere sığaç etkisi ile bağ lanması ve bu alçak veya yüksek sıklıklı gürültü nün herhangi bir doğrusal olmayan (nonlinear) elemanda demodüle edilmesi devremizi etkileyecek tir. Klasik yaklaşımlar olarak kaynak direncini azaltıp sığacını artırmak, bant genişliğini da

Şekil 6.

(a) M

(b) ekran dönüş <; di renci i birincil sarım

(C)

orta uç

orta uç

|2'nci ] ekran 1' inci ekran

bi rinci1 sarım

elektrikl i matkap

antenden kapma

mmn

iletim V

L

Şekil 7.

Şekil 8.

raltmak, topraklanmış mıknatıslanmayan (non fer rous) ekran veya kutu içine almak, çevredeki her iletkeni topraklamak önerilebilir.

Sorunla yakından ilişkili bir durum da Şekil 6(a)'da görüldüğü gibi elektrostatik etkilenme ye karşı yerleştirilen ekranın yetersiz olduğu durumdur, ikincil sarımın iç ucu ile ekran ara sındaki sığa etkisinin önüne geçmek için ya Şe kil 6(b)'de gösterildiği gibi sarımı ters sarıp orta ucu ekrana yakın tutmak veya 6(c)'deki gibi ikinci bir ekran kullanmak düşünülebilir.

Bir elektronik aygıtın örneğin bir televizyon alıcısının çevreden etkilenmesi güç hattı üze rinden yada anteninden olabilir (Şekil 7 ) . Ge nellikle uluslararası standartlar elektromıkna tıssal yayılmayı sınırlarlar ve yüksek sıklık alanında her 10 kHz bantgenişliğinde 1 6 mV sı nırını, seyrek olarak 1 V'luk geçici durumları onaylarlar. Fakat el matkapları, floresan lamba lar gibi birçok elektromıknatıssal gürültü yayı cısının etkisini ölçmek oldukça zordur. Daha iyi bir verinin bulunmadığı durumlarda 1 100 mV/met re/kHz gibi bir değer alınabilir. Beyaz gürültü ise bantgenişliğinin kareköküyle orantılı olarak artar, örneğin 10 MHz bantgenişlikte 100 kat bü yüme beklenebilir.

Gürültülerin anten etkisiyle alınmasında karışan imin dalga uzunluğu ile kablo uzunluğunun dolay sız bir ilişkisi vardır. Kablonun uzunluğu dört te bir dalga uzunluğuna çıkıncaya kadar anten et kisi artar, bu uzunlukta en yüksek değere çıkar, bu noktadan sonra yine sıfır ile en yüksek değer arasında salınarak devam eder. Bu nedenle önce dizgemizin etkilendiği en yüksek sıklığı hesap layıp, dalga boyunun dörtte birini buluruz. Eğer kablolarımız bundan küçükse kapılan gerilim (uzunluk x alan) çarpımınca belirlenecek ve sık lıktan bağımsız olacaktır. Aksi durumda,yani kablo uzunlukları çok daha fazlaysa alçak sıklık larda etkilenmenin artacağı beklenmelidir.

5. MIKNATISSAL ETKİLENME

Alçak empedans, alçak sıklık devrelerinde, bir devredeki elektrik akımının başka bir devrede elektromıknatıs!ık yasaları uyarınca gerilim oluş

turması beklenebilir. Güç kaynakları, dinamik mikrofonlar bazı endüstriyel aygıtlar sık sık bu tür etkilenmelerin gözlenebileceği uygulamalar dır.

Şekil 8(a)'daki gibi iki devrenin mıknatıs etki lenmesini önlemek amacıyla alanın küçültülmesi, iletkenlerin örülmesi ilk akla gelen çözümlerdir (Şekil 8(b)).

Transformatör, motor, doyurulabilen bobinler, rö leler birçok etkileme sorunu yaratabilir. Mıkna tıssal bir malzeme ile transformatörün ekranlan ması çok olumlu sonuç verir. Şebeke sıklığı ola rak 50 Hz gözönüne alınırsa 30 60 dB'lik bir za yıflama normal sayılmalıdır. Bakır yada alümin yum kutular bu zayıflamayı yalnızca 10 kHz üze rinde sağlayabilirler. Mıknatıs ekranlaması yük sek permeabilitelı bir malzemeden yapılmalı ve küçük boyutlu olmalıdır. Tüm transformatörün çev resini saran sarımlarla eşeksenli kalın bakır bir halka sınırlı zayıflama sağlar ve mıknatıs sal bir malzemenin aksine doyuma gitmez. ABD te levizyon yapımcıları bu bakır halka tekniğini çok kullanmaktadır.

bi rinci1 ikinci 1 sarım 1 sarım 1

Şekil 9.

ikincili bi rinci1

Birden fazla transformatörün birbirini etkileme mesi için yöneltilmelerine büyük özen gösteril melidir. Yönlendirme çalışmalarının sonuç verme mesi durumunda transformatörün toroid veya, iki bobinli (Şekil 9) sarılması, im transformatörü yerine dengeli giriş uçlu yükselteçler kullanıl ması önerilebilir.

(R.C.Marshall, "Hireless World" Ağustos, Eylül, Kasım, Aralık 1976 sayılarından özetlenmiştir.)