La stabilisation de l'impédance de ligne en est à sa soixante-dixième année et continue de fonctionner

Apr 11, 2023

Il y a soixante-dix ans en mai, le réseau de stabilisation d'impédance de ligne 5 microhenry (LISN) faisait ses débuts dans MIL‑I‑6181B.2 Mis à part le récepteur EMI lui-même, le LISN est l'un des équipements de test EMI les plus anciens et les plus performants au monde. existence. Et tandis que les récepteurs EMI ont beaucoup changé depuis 1953 (voir les images dans l'article anniversaire MIL‑I‑6181B du mois dernier),3 le LISN 5 uH est non seulement toujours avec nous, mais presque inchangé et utilisé dans l'aviation commerciale et l'industrie automobile , ainsi que des applications militaires dans le monde entier.4 D'autres LISN sont venus et sont partis, et d'autres sont toujours avec nous. La façon dont nous utilisons les LISN a changé au fil du temps, pas toujours pour le mieux. Mais le LISN est là pour rester dans le monde des tests EMI.

Les récepteurs radio utilisés sur les avions de l'armée de la Seconde Guerre mondiale étaient assez sensibles à de très faibles niveaux de bruit sur leur entrée d'alimentation principale (28 Vcc). De plus, les entrées d'antenne non blindées (voir référence 3) étaient très sensibles à la diaphonie capacitive des alimentations électriques bruyantes de 28 Vcc.

Les premières normes EMI ont tenté de contrôler ces deux voies de couplage des interférences radioélectriques (RFI). Avant 1953, JAN-I-2255 utilisait une paire de condensateurs de dérivation de 4 uF en shunt (capacité totale de 8 uF entre l'alimentation électrique et le plan de masse) et une longueur de fil d'alimentation de 10' suspendue à moins de ¼" du plan de masse pour ce qu'ils ont appelé la stabilisation de l'alimentation (voir la figure 1).Parce que ces récepteurs ont été réglés de 0,15 à 20 MHz, les mesures d'émission conduites et rayonnées par JAN-I-225 couvraient la même plage.La fréquence de résonance du câblage de 10' et la capacité de 8 uF se sont produites en dessous de la plage de fréquences de test, de sorte que l'impédance regardant les condensateurs à travers 10' de câblage était de caractère inductif.

Figure 1 : Configuration du test EMI JAN-I-225, montrant les détails de la façon dont la stabilisation de l'impédance de ligne a été obtenue sans « LISN dans une boîte ».

JAN-I-225 a été remplacé en 1953 par MIL-I-6181B, qui comprenait à la fois l'impédance requise (Figure 2) et les dessins de construction (Figure 3) pour le LISN 5 uH. Ces mêmes dessins, avec deux modifications mineures, sont apparus dans RTCA/DO‑160 pour l'avionique des avions commerciaux, jusqu'en 1989.6 Après cela, ils ont exigé le contrôle d'impédance étendu comme dans DEF STAN 59-411, mais n'incluent pas les détails de construction de DEF STAN 59-411. Les deux ajustements sont déjà apparus dans MIL‑I‑6181C7 qui a remplacé MIL‑I‑6181B en 1957 : une résistance de fuite de 1 kΩ du conducteur central du port EMI au boîtier et la suppression de la résistance de 1 Ω en série avec le côté entrée 1 uF condensateur de filtrage.

Figure 2 : Tracé d'impédance LISN MIL‑I‑6181B 5 uH

Figure 3 : Détails de construction du LISN dans MIL‑I‑6181B

La fréquence supérieure de l'impédance contrôlée a rebondi autour de certains au fil des ans. MIL-I-6181B l'a à 25 MHz, tout comme MIL-I-6181D8 (1959), mais le "C" intervenant en 1957 l'a poussé à 100 MHz. Il s'était installé à 30 MHz dans la plupart des spécifications et normes, car c'était la limite supérieure pour les émissions conduites et les émissions rayonnées avec l'antenne tige. Mais au cours des dernières décennies, diverses spécifications ont poussé la limite supérieure jusqu'à 400 MHz pour la susceptibilité conduite RF, et le monde automobile (CISPR 259) l'a poussée à 100 MHz pour les émissions conduites.

Il serait certainement gratifiant pour le créateur du 5 uH LISN de savoir que son travail a remporté autant de succès et d'acceptation dans le monde entier. Qui était cette personne et comment le 5 uH LISN a-t-il vu le jour ? Nous sommes redevables à AT Parker (1915 - 2000), pour l'extrait historique suivant. En 1960, Parker a fondé Solar Electronics, un concepteur et fournisseur d'équipements de test EMI. Auparavant, il avait travaillé à la Stoddart Aircraft Radio Company, qui était la société qui a produit le premier LISN 5 uH commercial. Selon les propres mots de Parker :

"Au début de la Seconde Guerre mondiale, un ingénieur en propulsion d'avions nommé Alan Watton travaillant pour l'Air Corp était préoccupé par le rf, conduit le long du câblage dans un avion militaire de type Douglas DC-3. Il a conçu le premier réseau de stabilisation d'impédance de ligne qui simulait le impédance des câbles d'alimentation en courant continu dans l'avion. Il utilisait une bobine d'arrêt de cinq microhenry et un moyen pour coupler les tensions développées à travers cette inductance à un récepteur de 50 ohms sur la gamme de fréquences de 150 KHz à 25 MHz."10

C'est tout ce que Parker a à dire sur sa création, mais il y a des faits et des déductions supplémentaires qui s'appliquent.

Le DC-3 (version militaire C-47 "Skytrain") était tout en aluminium. Courant de retour des avions en aluminium sur la structure, sauf là où l'inductance provoque une chute de tension excessive. Aucun problème de ce type ne se produit avec l'alimentation en courant continu. L'alimentation électrique provenait de générateurs montés sur le moteur. Les axes des moteurs se trouvaient à environ trois mètres de l'axe de l'avion. Ainsi, en utilisant une valeur nominale, telle qu'un microhenry par mètre pour un fil suspendu au-dessus d'un plan de masse, 5 uH semble une valeur raisonnable si la mesure a été prise dans les disjoncteurs montés dans le cockpit, qui servent de point de distribution pour l'électricité. puissance dans l'avion.

Ce point est critique. Les gens supposent souvent qu'un LISN représente l'impédance que l'échantillon de test considère comme installé sur la plate-forme. Mais ce n'est pas le cas.11 Comme le montre la figure 4, un LISN simule l'impédance du bus commun vue par toutes les charges, de sorte que les courants de bruit tirés par une charge coupable, agissant à travers l'impédance du bus commun, génèrent un potentiel de bruit infligé à toutes les charges. autres charges victimes.

Figure 4 : Un LISN simule l'impédance du bus commun, et non l'impédance entre la source d'alimentation et la charge.

C'est précisément cette propriété d'un LISN qui lui a permis d'être utilisé dans MIL‑I‑6181B à "D" (la dernière révision avant MIL‑STD‑461) dans des rôles d'image miroir lors de la mesure d'émissions conduites (Figure 5) et conduites. susceptibilité (Figure 6).

Figure 5 : Configuration des émissions conduites MIL‑I‑6181B (figure en fait copiée de MIL‑I‑6181C, car plus facile à voir ce qui se passe à des fins pédagogiques).

Figure 6 : Configuration de susceptibilité conduite MIL‑I‑6181B (figure en fait copiée de MIL‑I‑6181C, car plus facile à voir ce qui se passe à des fins pédagogiques).

Dans toutes les versions de MIL‑I‑6181B-D, un LISN est inséré dans chaque alimentation, ca ou cc. Le retour se fait toujours par le plan de masse. Mais les navires de la marine ne renvoient jamais de courant sur la structure, et la spécification EMI de la marine MIL-I-16910A12 reflétait cette pratique, insérant un LISN de 5 uH à la fois dans l'alimentation et le retour.

Lorsque toutes les spécifications EMI spécifiques au service et à la plate-forme publiées avant 1967 ont été remplacées par les normes EMI tri-service MIL‑STD‑46113 et MIL‑STD‑462,14 c'était la pratique de la Marine d'insérer une stabilisation d'impédance de ligne dans chaque alimentation. conducteur qui a été adopté pour une utilisation Tri‑Service. C'est-à-dire qu'au lieu de renvoyer le courant de retour à travers le plan de masse, il est renvoyé via un fil et LISN à la place.

Cela a plusieurs conséquences problématiques qui se répercutent jusqu'à nos jours. Mais avant d'approfondir cette question, notons que les versions MIL‑STD‑461 et MIL‑STD‑462 1967 suivaient une nouvelle pratique introduite dans MIL‑STD‑82615, remplaçant le LISN 5 uH par une traversée 10 microfarads. condensateur. Cela est ensuite devenu la pratique courante pendant un quart de siècle, jusqu'à ce que MIL‑STD‑461D16 et MIL‑STD‑462D17 rétablissent le potentiel RF au lieu du contrôle du courant. Cela a nécessité à nouveau un LISN, bien que maintenant un LISN de 50 uH au lieu du LISN original de 5 uH, pour des raisons expliquées plus loin.

Nous revenons une fois de plus à M. Parker pour la justification des mesures de courant au lieu de mesurer le potentiel rf à travers un LISN.18 Ceci fait suite au matériel cité précédemment à partir de la référence 10.

"Ainsi, le réseau de stabilisation d'impédance de ligne (LISN) est né. C'était une assez bonne simulation de cet avion particulier et des systèmes électriques qu'il comprenait. Mais ensuite, quelqu'un a arbitrairement décidé d'utiliser cette impédance artificielle pour représenter n'importe quelle ligne électrique.

"Quoi qu'il en soit, cette impédance a soudainement commencé à apparaître dans les spécifications qui exigeaient son utilisation dans chaque ligne électrique non mise à la terre pour déterminer la tension EMI conduite (alors connue sous le nom de RFI) générée par tout type de gadget. Les données de test résultantes, a-t-on soutenu, a permis au gouvernement de comparer directement les tensions RFI/EMI mesurées à partir de différents échantillons de test et de différents laboratoires de test.

"Personne ne s'est inquiété du fait que le filtrage conçu pour supprimer l'échantillon de test était basé sur cette impédance artificielle afin de satisfaire aux exigences, mais que le même filtre pourrait n'avoir aucun rapport avec la réalité lorsqu'il est utilisé avec l'échantillon de test dans sa puissance normale. connexion de ligne.

"Ce n'est qu'en 1947, c'est-à-dire. A cette époque, ce même Alan Watton, un ingénieur en propulsion sans lien avec l'entreprise RFI/EMI, décide de rectifier la comédie d'erreurs qui avait mal appliqué son idée originale. Il était en mesure de passer un petit contrat de R&D avec Stoddart pour le développement de deux sondes, une sonde de mesure de courant et une sonde de mesure de tension.Évidemment, il a estimé qu'il fallait connaître au moins deux paramètres pour une véritable compréhension des interférences conduites…19

"Il s'est avéré que Stoddart a réussi à développer une sonde de courant basée sur les suggestions d'Alan Watton concernant l'approche du transformateur toroïdal qui est toujours la base principale utilisée aujourd'hui. Cependant, le développement de la sonde de mesure de tension a souffert d'un manque de sensibilité. L'espoir de Watton avait été de fournir une sonde de tension à haute impédance avec une meilleure sensibilité que celle qui était alors disponible pour les récepteurs de mesure conçus pour les antennes à tige et les entrées de 50 ohms.Depuis que cet effort a échoué et que les fonds de Watton (et probablement son intérêt pour le sujet) se sont estompés , le programme s'est arrêté.

"Cela signifiait que l'ingénieur RFI / EMI pouvait soit mesurer la tension EMI à travers une impédance artificielle qui variait avec la fréquence, soit mesurer le courant EMI traversant un circuit d'impédance rf inconnue. De toute façon, toute l'histoire n'est pas connue. Malgré de l'impédance inconnue, les spécifications militaires ont commencé à reprendre l'idée de mesurer le courant EMI au lieu de la tension…"

On peut en déduire que ce que Watton recherchait était un modèle de type Thévenin de l'échantillon d'essai: potentiel rf de sortie "en circuit ouvert" et courant rf de court-circuit. Par ce moyen, on pourrait alors prédire les potentiels et les courants de bruit dans n'importe quelle impédance de source d'alimentation arbitraire. Cette interprétation est étayée par des éléments contenus dans l'annexe de la norme MIL‑STD‑462D :

"L'impédance (LISN) est normalisée pour représenter les impédances attendues dans les installations réelles et pour garantir des résultats cohérents entre les différentes agences de test. Les versions précédentes de MIL‑STD‑462 utilisaient des condensateurs de traversée de 10 microfarads sur les câbles d'alimentation. L'intention de ces dispositifs était de déterminer la partie générateur de courant d'un modèle de source de courant Norton. Si l'impédance de la source d'interférence était également connue, le potentiel d'interférence de la source pourrait être déterminé analytiquement pour des circonstances particulières dans l'installation. Une exigence n'a jamais été établie pour mesurer la partie d'impédance du modèle de source. Plus important encore, des inquiétudes ont surgi concernant la configuration de test influençant la conception du filtrage de la ligne électrique. Les filtres optimisés sont conçus en fonction de la connaissance des impédances de source et de charge. Des conceptions de filtre considérablement différentes en résulteront pour le chargement du condensateur de 10 microfarads. par rapport à la charge d'impédance illustrée à la figure 7 du corps principal." (Note de l'auteur : la figure 7 dans MIL‑STD‑462D montre l'impédance du LISN 50 uH.)

La préoccupation concernant la conception d'un filtre EMI pour une impédance de source spécifique (mais différente) est du même type que Watton s'inquiétait un demi-siècle plus tôt.

Plus les choses changent, plus elles restent les mêmes !

En complétant notre "au fil du temps par thème", il convient de noter pourquoi MIL‑STD‑462D a opté pour un LISN 50 uH au lieu du LISN 5 uH. En fait, la proposition initiale pour MIL‑STD‑462D entrant était le 5 uH LISN. La même section de l'annexe MIL‑STD‑462D indique :

"Un LISN spécifique de 50 microhenry a été sélectionné pour maintenir un contrôle standardisé sur l'impédance aussi basse que 10 kHz."

L'extrémité basse fréquence du LISN 5 uH est de 150 kHz. Le désir de commencer à effectuer des mesures de potentiel rf bien en dessous de 150 kHz a annulé la sélection du LISN 5 uH. À son tour, la raison de vouloir effectuer des mesures de potentiel RF jusqu'aux fréquences audio était basée sur le quart de siècle précédent de mesures CE03 jusqu'aux fréquences audio. Ils voulaient que la rupture entre CE101 et CE102 soit à peu près la même qu'entre CE01 et CE03. Rien de tout cela ne veut dire que le LISN 50 uH est une meilleure simulation de la plupart des impédances de bus électriques de véhicules…

À partir de la norme MIL‑STD‑826 (1964), la pratique consistant à placer un dispositif de stabilisation d'impédance dans chaque câble d'alimentation non mis à la terre (à la fois d'alimentation et de retour) a abouti au mieux à des données d'une utilité douteuse. Lorsqu'un seul appareil est utilisé, le potentiel ou le courant RF mesuré est simplement celui de la boucle composée du LISN, de l'alimentation électrique, de la charge (échantillon de test) et du plan de masse. L'utilisation de deux dispositifs de ce type permet de mesurer les sommes vectorielles des courants/potentiels en mode différentiel (dm) et en mode commun (cm).

Les figures 7a et 7b montrent les trajets de courant en mode différentiel et en mode commun lorsque le courant revient au-dessus de la structure sur un fil de terre dédié, c'est-à-dire isolé de la terre du châssis dans l'échantillon de test. L'examen des figures 7a et 7b indique que, lorsqu'il existe un chemin de retour de courant au-dessus du sol, les courants de mode différentiel et commun s'additionnent dans la ligne d'alimentation, mais se soustraient dans le retour, comme indiqué sur la figure 7c. La figure 7d montre comment tout le courant, quel que soit le mécanisme de génération de courant, est contraint de circuler dans le même chemin dans la configuration LISN 5 uH de retour de structure d'origine.

Figure 7a : Chemin de courant en mode différentiel

Figure 7b : Chemin de courant en mode commun

Figure 7c : Courants CM et DM additionnés et soustraits dans l'alimentation et le retour

Figure 7d : Tous les courants de bruit circulent dans le même chemin lorsque la structure est le chemin de retour.

Cela signifie qu'avec un retour de courant au-dessus du sol, comme le montre la figure 7c, les courants de ligne simples mesurés ou les potentiels rf semblent similaires mais pas identiques. Les traces sont identiques pour le départ et le retour lorsque l'un ou l'autre mode domine, mais lorsqu'elles sont d'amplitude similaire et s'additionnent sur le départ et se soustraient sur le retour, elles diffèrent. La séparation des modes cm et dm pour faciliter la conception des filtres est un sujet d'intérêt depuis la fin des années 1970.21,22,23

Il est à noter que dans la plupart des normes, s'il y a une question sur la façon dont le courant de puissance reviendra (structure ou fil dédié), la méthode de test par défaut consiste à utiliser une paire de LISN et à mesurer les sommes vectorielles et les différences de commun et différentiel. signaux de mode sur chaque LISN séparément. La raison pour laquelle il s'agit de la valeur par défaut n'est pas évidente. En particulier pour les émissions rayonnées, cette technique diminue l'efficacité de rayonnement de la composante de mode différentiel du bruit composite (surtout si, comme c'est courant, la paire de fils est torsadée). La figure 7d montre clairement que l'utilisation d'un seul LISN maintient l'efficacité de rayonnement de chaque mode identique.

Lorsque nous savons que le courant sera renvoyé sur un fil dédié, et non sur la structure, une meilleure technique que le contrôle des émissions sur chaque conducteur individuel est de contrôler les émissions par mode. Les modes de séparation peuvent être effectués directement à partir du LISN (références 20 à 22) ou à l'aide de sondes de courant. Quoi qu'il en soit, si nous contrôlons les émissions via le mode, et non la ligne, nous pouvons alors attribuer des limites en fonction de ce que les modes affectent réellement :

Par conséquent, lorsque les fils d'alimentation et de retour sont torsadés ou maintenus étroitement ensemble dans tout le véhicule, il est raisonnable d'assouplir la limite de mode différentiel par rapport à la limite de mode commun. Même si aucune radio ne fonctionne dans la gamme de fréquences d'émission conduite, il peut être utile de contrôler les émissions en mode commun pour limiter la diaphonie aux câbles adjacents susceptibles de transporter des signaux de faible niveau potentiellement sensibles.24

Un exemple concret et éclairant du problème de l'utilisation abusive du LISN peut être trouvé dans un rapport de l'auteur datant de la fin des années 1990.25 Ce rapport a montré que la limite d'émission conduite (désormais obsolète) FCC Classe B 48 dBuV était en fait de 20 dB trop élevée. stricte pour le bruit de mode différentiel mais était précisément correcte pour le bruit de mode commun. Le problème est survenu parce que le travail initial effectué pour établir la limite de 48 dBuV a été effectué à l'aide d'un seul LISN de 5 uH, mais la méthode de test FCC était basée sur une paire de LISN (50 uH).26 Ce n'était pas la disparité dans l'impédance du LISN mais la séparation de mode inhérente à une paire de LISN qui a démontré la disparité.

Une autre confusion moderne consiste à utiliser de longs câbles d'alimentation entre le LISN et l'échantillon de test. Ces valeurs vont d'un mètre (pour les émissions conduites) dans MIL‑STD‑462 (1967 - 1993), 2 à 2,5 mètres dans MIL‑STD‑462D et les versions suivantes de MIL‑STD‑461, un mètre dans RTCA/ DO-160 et 1,5 mètre dans CISPR 25. En revanche, la longueur spécifiée dans MIL‑I‑6181B était de 24 pouces.

Considérez les ramifications en ce qui concerne l'incertitude de mesure. Tout d'abord, les limites d'émission conduites MIL‑I‑6181B se sont arrêtées à 20 MHz. La longueur électrique d'un fil de 24" de long à 20 MHz est une longueur d'onde vingt-cinquième. Le VSWR sera négligeable et, par conséquent, le LISN contrôle en fait l'impédance de la source d'alimentation vue par l'échantillon de test. MIL-STD-462D et suivants- sur les versions MIL‑STD‑461 utilisant un câble d'alimentation de 2,5 mètres de long et une fréquence limite CE102 supérieure de 10 MHz entrent à moins d'un dixième de longueur d'onde, de sorte que le LISN contrôle l'impédance de la source d'alimentation.

Mais regardez les spécifications telles que RTCA/DO-160 et DEF STAN 59-411, avec des LISN à 400 MHz et un contrôle des émissions conduites à 100 MHz. Un cordon d'alimentation d'un mètre de long correspond à une troisième longueur d'onde à 100 MHz. Et pour CISPR 25, en utilisant un câble d'alimentation de deux mètres de long, le LISN est à plus d'une demi-longueur d'onde de l'échantillon de test. Tout le travail et les dépenses consacrés à la gamme de fréquences étendue LISN sont gaspillés lorsque les parasites contrôlés au sein du LISN sont simplement migrés vers le LISN - interconnexion des échantillons de test.27

Alan Watton nous a légué un grand cadeau il y a environ soixante-dix ans. A nous de l'utiliser à bon escient, et bien. Pour faire écho à Parker à propos de la comédie des erreurs, et citer intentionnellement la loi de Gall, "Un système complexe qui fonctionne mal s'avère invariablement avoir évolué à partir d'un système simple qui fonctionnait bien."

L'auteur tient à remercier les relecteurs pour le temps et les efforts qu'ils ont consacrés à rendre cet article utile. Toute erreur d'omission ou de commission appartient à l'auteur.

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Ken Javor est un contributeur principal du magazine In Compliance et travaille dans l'industrie EMC depuis plus de 40 ans. Javor est un représentant de l'industrie auprès des groupes de travail triservices qui maintiennent les normes MIL-STD-464 et MIL-STD-461. Il peut être contacté à l'adresse [email protected].

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