Calibration System for Electrostatic Discharge Immunity Testers

Työssä on kehitetty staattisen sähköpurkauksen (ESD) sietokyvyn testauslaitteen kalibrointijärjestelmää. ESD on suurjännitesuure johtuen sen yli 1 kV:n jännitetasoista. IEC:n ESD-sietokyvyn testausta käsittelevässä standardissa 61000-4-2 ESD-impulssin kontaktipurkauksen jännitetasot ovat korkeintaan ±8 kV. IEC-standardin ESD-impulssin nousuajat ovat 0,7 – 1 ns. ESD-impulssin nopeudesta johtuen kalibrointijärjestelmän ominaisimpedanssiepäsovitukset vaikuttavat mittauksiin aiheuttaen taajuusvastevirhettä korkeilla taajuuksilla. Heijastuksien merkittävyys arvioidaan ja vaikutus tarvittaessa korjataan. Kalibrointijärjestelmää on kehitetty käyttäen lähtökohtana olemassa ollutta referenssijärjestelmää, IEC-standardia 61000-4-2 ja sen luonnoksia. Referenssijärjestelmästä puuttui kohtioadapteri, kohtion, vaimentimen ja kaapelin taajuusvastemittaukseen piirianalysaattorilla. Työssä on kehitetty kohtioadapteri. Kohtioadapterin vaatimustenmukaisuus todettiin mittaamalla kahta kohtioadapteria vastakkain. Kohtioadapterin mahdollistamien kohtion, vaimentimen ja kaapelin mittauksista saatavasta taajuusvasteesta ja oskilloskoopin impedanssivasteesta lasketaan kalibrointijärjestelmän taajuusvastevirheen korjauskerroin. Kohtioadapteri täyttää IEC-standardin luonnosehdotuksen 2007 vaatimukset 3 GHz:n taajuuskaistalla. Kehitetyn kalibrointijärjestelmän kalibrointimenetelmä ja sen työkalut: kohtioadapteri, taajuusvasteen korjausmenetelmä, Monte Carlo -menetelmä ovat yksinkertaisia ja dokumentoituja. Yksinkertaisuus ja dokumentointi parantavat toistettavuutta. Kehitetty kohtioadapteri on valmistuskustannuksiltaan kaupallisiin vastaaviin verrattuna edullinen, koska sen valmistamiseen ei vaadita erikoisosaamista ja tarvittavat työkalut ovat yksinkertaisia. Kohtioadapteri on modifioitu N-tyypin radiotaajuusliitin. Taajuusvasteen korjausmenetelmää ei tarvitse käyttää, jos kalibrointijärjestelmän taajuusvastevirhe on riittävän pieni. Taajuusvasteen korjausmenetelmää käytettäessä epävarmuudet arvioidaan Monte Carlo- menetelmällä. Työn keskeinen tulos on paremmin jäljitettävä mittausjärjestelmä staattisen sähköpurkauksen sietokyvyn testauslaitteiden kalibrointiin TKK:n sähköverkot ja suurjännitetekniikan laboratoriossa.MIKES (Centre for Metrology and Accreditation in Finland) is responsible for conservation of Finnish measurement standards. Since 1995 the Laboratory of Power Systems and High Voltage Engineering in Helsinki University of Technology has been responsible for conservation of the Finnish high-voltage measurement standards under coordination of MIKES. Electrostatic discharge (ESD) is high voltage quantity in excess of 1 kV and therefore calibration of electrostatic discharge testers is on the responsibility area of TKK's High Voltage Laboratory. Highest contact discharge level according to IEC-standard is ±8 kV. However, another international standard ISO 10605:2001 requires a maximum discharge level of ±25 kV. This master's thesis describes development of a calibration system for electrostatic discharge immunity testers. The rise time of an ESD impulse according to IEC standard 61000-4-2:1995 is from 0.7 ns to 1 ns. Such a fast rise time means high frequencies. High frequencies cause reflections in calibration system. Significance of the reclections is evaluated and frequency error correction factor is developed. A target adapter line for measuring the frequency response of the target, together with attenuator and cable chain, has been developed. Frequency response correction method has been verified. The target adapter line is a simple, short and symmetrical transmission line for connection of a high frequency signal analyzer to the target. Development of the target adapter line and frequency response correction method focused on simplicity. The project delivered a simple target adapter line consisting only one N type radio frequency male connector with a minor modification. Frequency response correction factor can be calculated directly from the S parameters of the transmission line, and input impedance of the measuring oscilloscope. Simplicity enables easy understanding, easy system upkeep, further development and effective calibration of testers. The outcome of the project includes the development of a target adapter line, method for determination of uncertainty, method for realizing traceability to national measurement standard and a method for realizing international comparability. This thesis provides methods for improvement of electrostatic discharge measurement accuracy