La estabilización de impedancia de línea está en su septuagésimo año y sigue siendo sólida

Apr 11, 2023

Hace setenta años, en mayo, la red de estabilización de impedancia de línea (LISN) de 5 microhenry hizo su debut en MIL‑I‑6181B.2 Aparte del propio receptor EMI, el LISN es uno de los equipos de prueba EMI más antiguos y exitosos en existencia. Y aunque los receptores EMI han cambiado mucho desde 1953 (vea las imágenes en el artículo de aniversario de MIL-I-6181B del mes pasado),3 el LISN de 5 uH no solo sigue con nosotros, sino que casi no ha cambiado y se usa en la aviación comercial y la industria automotriz. , así como aplicaciones militares en todo el mundo.4 Otros LISN han ido y venido, y otros todavía están con nosotros. La forma en que usamos LISN ha cambiado con el tiempo, no siempre para mejor. Pero el LISN llegó para quedarse en el mundo de las pruebas de EMI.

Los receptores de radio utilizados en los aviones del ejército de la Segunda Guerra Mundial eran bastante susceptibles a niveles muy bajos de ruido en su entrada de alimentación principal (28 V CC). Además, las entradas de antena sin blindaje (consulte la Referencia 3) eran muy susceptibles a la diafonía capacitiva de las fuentes de alimentación eléctrica ruidosas de 28 V CC.

Los primeros estándares EMI intentaron controlar estas dos rutas de acoplamiento de interferencias de radiofrecuencia (RFI). Antes de 1953, JAN-I-2255 usaba un par de condensadores de derivación de 4 uF en derivación (capacidad total de 8 uF entre el alimentador de energía y el plano de tierra) y un cable de alimentación de 10' de largo suspendido a no más de ¼" del plano de tierra para lo que llamaron estabilización de la fuente de alimentación (ver Figura 1). Debido a que estos receptores sintonizaron de 0.15 a 20 MHz, las mediciones de emisión radiada y conducida JAN-I-225 cubrieron ese mismo rango. La frecuencia resonante del cableado de 10' y la capacidad de 8 uF ocurrieron debajo del rango de frecuencia de prueba, de modo que la impedancia mirando hacia atrás en los capacitores a través de 10' de cableado fuera de carácter inductivo.

Figura 1: Configuración de prueba EMI JAN-I-225, que muestra detalles de cómo se logró la estabilización de impedancia de línea sin un "LISN en una caja".

JAN-I-225 fue reemplazado en 1953 por MIL‑I‑6181B, que incluía tanto la impedancia requerida (Figura 2) como los planos de construcción (Figura 3) para el LISN de 5 uH. Estos mismos dibujos, con dos ajustes menores, aparecieron en RTCA/DO-160 para aviónica de aviones comerciales, hasta 1989.6 Después de eso, requerían el control de impedancia extendido como en DEF STAN 59-411, pero no incluyen los detalles de construcción de DEF STAN 59-411. Los dos ajustes ya aparecieron en MIL‑I‑6181C7 que reemplazó a MIL‑I‑6181B en 1957: una resistencia de purga de 1 kΩ del conductor central del puerto EMI a la caja y la eliminación de la resistencia de 1 Ω en serie con el lado de entrada 1 uF capacitor de filtro

Figura 2: Diagrama de impedancia LISN MIL‑I‑6181B 5 uH

Figura 3: Detalles de construcción de LISN en MIL‑I‑6181B

La frecuencia superior de la impedancia controlada rebotó a lo largo de los años. MIL‑I‑6181B lo tiene a 25 MHz, al igual que MIL‑I‑6181D8 (1959), pero la "C" intermedia en 1957 lo llevó a 100 MHz. Se había establecido en 30 MHz en la mayoría de las especificaciones y estándares, ya que ese era el límite superior para las emisiones conducidas y radiadas con la antena de varilla. Pero en las últimas décadas, varias especificaciones han llevado el extremo superior hasta 400 MHz para la susceptibilidad conducida de rf, y el mundo automotriz (CISPR 259) lo ha llevado a 100 MHz para emisiones conducidas.

Seguramente sería gratificante para el creador de 5 uH LISN saber que su trabajo ha ganado tanto éxito y aceptación en todo el mundo. ¿Quién era esta persona y cómo surgió el 5 uH LISN en primer lugar? Estamos en deuda con AT Parker (1915 – 2000), por el siguiente fragmento histórico. En 1960, Parker fundó Solar Electronics, un diseñador y proveedor de equipos de prueba EMI. Anteriormente había trabajado en Stoddart Aircraft Radio Company, que fue la empresa que produjo el primer LISN comercial de 5 uH. En las propias palabras de Parker:

"A principios de la Segunda Guerra Mundial, un ingeniero de propulsión de aeronaves llamado Alan Watton que trabajaba para Air Corp estaba preocupado por la radiofrecuencia, que se conducía a lo largo del cableado en un avión militar del tipo Douglas DC-3. Él ideó la primera red de estabilización de impedancia de línea que simuló la impedancia de los cables de alimentación de CC en la aeronave. Utilizó un estrangulador de cinco microhenry y un medio para acoplar los voltajes desarrollados a través de esta inductancia a un receptor de 50 ohmios en el rango de frecuencia de 150 KHz a 25 MHz". 10

Esto es todo lo que Parker tiene que decir sobre su inicio, pero hay hechos y deducciones adicionales que se aplican.

El DC-3 (versión militar C-47 "Skytrain") era todo de aluminio. Corriente de retorno de aeronaves de aluminio en la estructura, excepto donde la inductancia provoque una caída de voltaje excesiva. No ocurre tal problema con la alimentación de CC. La energía eléctrica provenía de generadores montados en motores. Las líneas centrales del motor estaban a unos tres metros de la línea central de la aeronave. Por lo tanto, usando un valor nominal, como un microhenry por metro para un cable suspendido sobre un plano de tierra, 5 uH parece un valor razonable si la medición se tomó en las cajas de interruptores montadas en la cabina, que actúan como el punto de distribución de electricidad. energía en el avión.

Este punto es crítico. La gente a menudo asume que un LISN representa la impedancia que la muestra de prueba ve como instalada en la plataforma. Pero este no es el caso.11 Como se muestra en la Figura 4, un LISN simula la impedancia de barra común vista por todas las cargas, de modo que las corrientes de ruido extraídas por una carga culpable, actuando a través de la impedancia de barra común, generan un potencial de ruido infligido en todas las cargas. otras cargas de víctimas.

Figura 4: un LISN simula la impedancia del bus común, no la impedancia de la fuente de alimentación a la carga.

Es específicamente esta propiedad de un LISN lo que permitió su uso en MIL‑I‑6181B a "D" (la última revisión anterior a MIL‑STD‑461) en roles de imagen especular al medir emisiones conducidas (Figura 5) y conducidas. susceptibilidad (Figura 6).

Figura 5: Configuración de emisión conducida MIL‑I‑6181B (la figura en realidad se copió de MIL‑I‑6181C, porque es más fácil ver lo que sucede con fines instructivos).

Figura 6: Configuración de susceptibilidad realizada por MIL‑I‑6181B (la figura en realidad se copió de MIL‑I‑6181C, porque es más fácil ver lo que sucede con fines instructivos).

En todas las versiones de MIL‑I‑6181B-D, se inserta un LISN en cada alimentador de energía, CA o CC. El retorno es siempre a través del plano de tierra. Pero los barcos de la Armada nunca devuelven corriente a la estructura, y la especificación MIL-I-16910A12 de EMI de la Armada reflejó esa práctica, insertando un LISN de 5 uH tanto en el alimentador como en el retorno.

Cuando todas las especificaciones EMI específicas del servicio y la plataforma publicadas antes de 1967 fueron reemplazadas por los estándares EMI Tri-Service MIL-STD-46113 y MIL-STD-462,14 era práctica de la Armada insertar estabilización de impedancia de línea en cada potencia. conductor que fue adoptado para uso Tri-Service. Es decir, en lugar de hacer retroceder la corriente de retorno a través del plano de tierra, se devuelve a través de un cable y LISN en su lugar.

Esto tiene varias consecuencias problemáticas que repercuten hasta el día de hoy. Pero antes de profundizar en ese tema, debemos tener en cuenta que las versiones MIL-STD-461 y MIL-STD-462 de 1967 siguieron una nueva práctica introducida en MIL-STD-826,15 reemplazando el LISN de 5 uH con una alimentación directa de 10 microfaradios. condensador. Esto luego se convirtió en la práctica estándar durante un cuarto de siglo, hasta que MIL‑STD‑461D16 y MIL‑STD‑462D17 restablecieron el potencial de RF en lugar del control actual. Esto requería un LISN nuevamente, aunque ahora un LISN de 50 uH en lugar del LISN original de 5 uH, por razones relacionadas más adelante.

Volvemos una vez más al Sr. Parker para la justificación detrás de las mediciones de corriente en lugar de medir el potencial de rf a través de un LISN.18 Esto es una continuación del material citado anteriormente de la Referencia 10.

"Así nació la Red de Estabilización de Impedancia de Línea (LISN). Era una simulación bastante buena de ese avión en particular y los sistemas eléctricos que incluía. Pero luego alguien arbitrariamente decidió usar esta impedancia artificial para representar cualquier línea eléctrica.

"En cualquier caso, esta impedancia comenzó a aparecer repentinamente en las especificaciones que exigían su uso en cada línea eléctrica sin conexión a tierra para determinar el voltaje EMI conducido (entonces conocido como RFI) generado por cualquier tipo de dispositivo. Los datos de prueba resultantes, se argumentó, permitió al gobierno comparar directamente los voltajes RFI/EMI medidos de diferentes muestras de prueba y diferentes laboratorios de prueba.

"A nadie le preocupaba el hecho de que el filtrado ideado para suprimir la muestra de prueba se basara en esta impedancia artificial para pasar los requisitos, pero que el mismo filtro podría no tener relación con la realidad cuando se usa con la muestra de prueba en su potencia normal. conexión de línea.

"Es decir, no hasta 1947. En ese momento, este mismo Alan Watton, un ingeniero de propulsión que no tenía conexión con el negocio de RFI/EMI, decidió rectificar la comedia de errores que había aplicado mal su creación original. Estaba en condiciones de colocar un pequeño contrato de investigación y desarrollo con Stoddart para el desarrollo de dos sondas, una sonda de medición de corriente y una sonda de medición de voltaje. Obviamente, sintió que uno necesitaba saber al menos dos parámetros para una verdadera comprensión de la interferencia conducida... 19

"Al final resultó que, Stoddart tuvo éxito en el desarrollo de una sonda de corriente basada en las sugerencias de Alan Watton con respecto al enfoque del transformador toroidal, que sigue siendo la base principal utilizada en la actualidad. Sin embargo, el desarrollo de la sonda de medición de voltaje se vio afectado por la falta de sensibilidad. La esperanza de Watton había sido proporcionar una sonda de voltaje de alta impedancia con mejor sensibilidad que la que estaba disponible entonces para los receptores de medición diseñados para antenas de varilla y entradas de 50 ohmios. Dado que este esfuerzo fracasó y los fondos de Watton (y probablemente su interés en el tema) se desvanecieron de la imagen , el programa se detuvo.

"Esto significaba que el ingeniero de RFI/EMI podía medir el voltaje de EMI a través de una impedancia artificial que variaba con la frecuencia, o podía medir la corriente de EMI que fluía a través de un circuito de impedancia de rf desconocida. De cualquier manera, no se conoce toda la historia. A pesar de de la impedancia desconocida, las especificaciones militares comenzaron a tomar la idea de medir la corriente EMI en lugar del voltaje..."

Se puede inferir que lo que buscaba Watton era un modelo similar al de Thévenin de la muestra de prueba: potencial de rf de salida de "circuito abierto" y corriente de rf de cortocircuito. De esta manera, se podrían predecir potenciales de ruido y corrientes en cualquier impedancia de fuente de alimentación arbitraria. Esta interpretación se ve reforzada por el material del apéndice de MIL‑STD‑462D:

"La impedancia (LISN) está estandarizada para representar las impedancias esperadas en instalaciones reales y para garantizar resultados consistentes entre diferentes agencias de prueba. Las versiones anteriores de MIL-STD-462 usaban capacitores de alimentación directa de 10 microfaradios en los cables de alimentación. La intención de estos dispositivos era determinar la porción del generador de corriente de un modelo de fuente de corriente de Norton. Si también se conociera la impedancia de la fuente de interferencia, el potencial de interferencia de la fuente podría determinarse analíticamente para circunstancias particulares en la instalación. Nunca se estableció un requisito para medir la porción de impedancia del modelo de fuente. Lo que es más importante, surgieron preocupaciones sobre la configuración de la prueba que influye en el diseño del filtrado de la línea eléctrica. Los filtros optimizados se diseñan en función del conocimiento de las impedancias tanto de la fuente como de la carga. Se obtendrán diseños de filtro significativamente diferentes para la carga del capacitor de 10 microfaradios versus la carga de impedancia que se muestra en la Figura 7 del cuerpo principal". (Nota del autor: la figura 7 en MIL‑STD‑462D muestra la impedancia del LISN de 50 uH).

La preocupación por diseñar un filtro EMI para una impedancia de fuente específica (pero diferente) es del mismo tipo que preocupaba a Watton medio siglo antes.

¡Cuanto más cambian las cosas, más permanecen igual!

Completando nuestro tema "a medida que pasa el tiempo", vale la pena señalar por qué MIL‑STD‑462D optó por un LISN de 50 uH en lugar del LISN de 5 uH. De hecho, la propuesta original para MIL-STD-462D fue el LISN de 5 uH. La misma sección del apéndice MIL‑STD‑462D dice:

"Se seleccionó un LISN específico de 50 microhenry para mantener un control estandarizado de la impedancia tan bajo como 10 kHz".

El extremo de baja frecuencia del LISN de 5 uH es de 150 kHz. El deseo de comenzar a realizar mediciones de potencial de RF muy por debajo de 150 kHz anuló la selección del LISN de 5 uH. A su vez, la razón para querer hacer mediciones de potencial de rf hasta frecuencias de audio se basó en el cuarto de siglo anterior de hacer mediciones de CE03 hasta frecuencias de audio. Querían que la ruptura entre CE101 y CE102 fuera aproximadamente la misma que entre CE01 y CE03. Nada de lo cual quiere decir que el LISN de 50 uH es una mejor simulación de la mayoría de las impedancias de bus eléctrico de vehículos...

Desde MIL-STD-826 (1964) en adelante, la práctica de colocar un dispositivo estabilizador de impedancia en cada cable de alimentación sin conexión a tierra (tanto el alimentador como el retorno) resultó en, en el mejor de los casos, datos de utilidad cuestionable. Cuando se utiliza un solo dispositivo, el potencial o la corriente de rf medidos es simplemente el del bucle compuesto por LISN, alimentador de energía, carga (muestra de prueba) y plano de tierra. El uso de dos dispositivos de este tipo da como resultado la medición de sumas vectoriales de corrientes/potenciales de modo diferencial (dm) y modo común (cm).

Las Figuras 7a y 7b muestran rutas de corriente de modo común y diferencial cuando la corriente regresa por encima de la estructura en un cable de tierra dedicado, es decir, aislado de la tierra del chasis dentro de la muestra de prueba. La inspección de las Figuras 7a y 7b indica que, cuando hay una ruta de retorno de corriente por encima del suelo, las corrientes diferencial y de modo común se suman en el alimentador, pero se restan en el retorno, como se indica en la Figura 7c. La Figura 7d muestra cómo toda la corriente, independientemente del mecanismo de generación de corriente, está restringida a fluir en la misma ruta en la configuración LISN de 5 uH de retorno de la estructura original.

Figura 7a: Ruta de corriente de modo diferencial

Figura 7b: ruta de corriente de modo común

Figura 7c: Corrientes CM y DM sumando y restando en alimentador y retorno

Figura 7d: Todas las corrientes de ruido fluyen en el mismo camino cuando la estructura es el camino de retorno.

Esto significa que con el retorno de corriente por encima del suelo, como se muestra en la Figura 7c, las corrientes de línea única medidas o los potenciales de rf parecen similares pero no idénticos. Las trazas son idénticas para el alimentador y el retorno cuando domina uno u otro modo, pero cuando son de amplitud similar y se suman en el alimentador y restan en el retorno, difieren. La separación de los modos cm y dm para ayudar en el diseño de filtros ha sido un tema de interés desde finales de la década de 1970.21,22,23

Es de notar que en la mayoría de los estándares, si hay alguna duda sobre cómo regresará la corriente eléctrica (estructura o cable dedicado), el método de prueba predeterminado es usar un par de LISN y medir las sumas y diferencias de vectores de común y diferencial. señales de modo en cada LISN por separado. No es obvio por qué este es el valor predeterminado. Particularmente para emisiones radiadas, esta técnica disminuye la eficiencia de radiación del componente de modo diferencial del ruido compuesto (especialmente si, como es común, el par de hilos está trenzado). La Figura 7d deja en claro que el uso de un solo LISN mantiene idéntica la eficiencia de radiación de cada modo.

Cuando sabemos que la corriente regresará a un cable dedicado, no a la estructura, una mejor técnica que controlar las emisiones en cada cable individual es controlar las emisiones por modo. La separación de modos se puede realizar directamente desde el LISN (Referencias 20 – 22) o utilizando sondas de corriente. Independientemente, si controlamos las emisiones a través del modo, no de la línea, podemos asignar límites en función de lo que realmente afectan los modos:

Por lo tanto, cuando los cables de alimentación y de retorno están retorcidos o se mantienen juntos en todo el vehículo, es razonable relajar el límite del modo diferencial en comparación con el límite del modo común. Incluso si no hay radios operando en el rango de frecuencia de emisión conducida, puede valer la pena controlar las emisiones de modo común para limitar la diafonía a cables colocados adyacentes que podrían transportar señales de bajo nivel potencialmente susceptibles.24

Un ejemplo concreto y esclarecedor del problema del uso indebido de LISN se puede encontrar en un informe del autor que data de finales de la década de 1990.25 Este informe mostró que el (ahora obsoleto) límite de emisión conducida de 48 dBuV de Clase B de la FCC también era de hecho 20 dB. estricto para el ruido de modo diferencial, pero fue precisamente correcto para el ruido de modo común. El problema surgió porque el trabajo original realizado para establecer el límite de 48 dBuV se realizó con un solo LISN de 5 uH, pero el método de prueba de la FCC se basó en un par de LISN (50 uH).26 No fue la disparidad en la impedancia del LISN pero la separación de modos inherente a un par de LISN que demostró la disparidad.

Otra confusión moderna es el uso de cables de alimentación largos entre el LISN y la muestra de prueba. Dichos valores van desde un metro (para emisiones conducidas) en MIL‑STD‑462 (1967 – 1993), 2 a 2,5 metros en MIL‑STD‑462D y versiones posteriores de MIL‑STD‑461, un metro en RTCA/ DO-160 y 1,5 metros en CISPR 25. A modo de contraste, la longitud especificada en MIL‑I‑6181B era de 24 pulgadas.

Considere las ramificaciones con respecto a la incertidumbre de la medición. Primero, los límites de emisión conducida MIL‑I‑6181B se detuvieron en 20 MHz. La longitud eléctrica de un cable de 24" de largo a 20 MHz es una longitud de onda vigésimo quinta. VSWR será insignificante y, por lo tanto, el LISN de hecho controla la impedancia de la fuente de alimentación vista por la muestra de prueba. MIL-STD-462D y siguientes en las versiones MIL‑STD‑461 que utilizan un cable de alimentación de 2,5 metros de largo y una frecuencia límite CE102 superior de 10 MHz, llegan a menos de una décima de longitud de onda, por lo que el LISN controla la impedancia de la fuente de alimentación.

Pero observe especificaciones como RTCA/DO-160 y DEF STAN 59-411, con LISN de 400 MHz y control de emisiones conducidas de 100 MHz. Un cable de alimentación de un metro de largo es una tercera longitud de onda a 100 MHz. Y para CISPR 25, utilizando un cable de alimentación de dos metros de largo, el LISN está a más de media longitud de onda de la muestra de prueba. Todo el trabajo y los gastos que se invirtieron en el rango de frecuencia extendido LISN se desperdician cuando los parásitos controlados dentro de LISN simplemente se migran a LISN: interconexión de muestra de prueba.27

Alan Watton nos legó un gran regalo hace unos setenta años. Depende de nosotros usarlo sabiamente y bien. Haciendo eco de Parker sobre la comedia de los errores, e intencionalmente citando erróneamente la Ley de Gall, "Invariablemente se descubre que un sistema complejo que funciona mal evolucionó a partir de un sistema simple que funcionó bien".

El autor desea agradecer a los revisores por su tiempo y esfuerzo para hacer que este artículo sea útil. Cualquier error de omisión o comisión es del autor.

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Ken Javor es colaborador sénior de la revista In Compliance y ha trabajado en la industria de EMC durante más de 40 años. Javor es un representante de la industria en los Tri-Service Working Groups que mantienen MIL-STD-464 y MIL-STD-461. Puede comunicarse con él en [email protected].

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