ラインインピーダンス安定化は 70 年目を迎え、依然として強力です

Apr 11, 2023

70 年前の 5 月、5 マイクロヘンリーラインインピーダンス安定化ネットワーク (LISN) が MIL-I-6181B でデビューしました。2 EMI 受信機自体は別として、LISN は、EMI テスト装置の中で最も古く、最も成功したものの 1 つです。存在。また、EMI 受信機は 1953 年以来大きく変化しましたが (先月の MIL‑I‑6181B 記念記事の画像を参照)、3 5 uH LISN は今でも私たちに残っているだけでなく、ほとんど変わっておらず、民間航空や自動車業界で使用されています。 4 他の LISN は生まれては消えていきますが、他の LISN はまだ残っています。 LISN の使用方法は時間の経過とともに変化してきましたが、必ずしも良い方向に進んだわけではありません。しかし、LISN は EMI テストの世界に留まり続けます。

第二次世界大戦の陸軍航空機で使用された無線受信機は、一次 (28 Vdc) 電源入力の非常に低レベルのノイズの影響を非常に受けやすかった。さらに、シールドされていないアンテナ引き込み線 (参考文献 3 を参照) は、ノイズの多い 28 Vdc 給電による容量性クロストークの影響を非常に受けやすかった。

最初の EMI 規格は、これら両方の無線周波数干渉 (RFI) 結合パスを制御しようとしました。 1953 年以前、JAN-I-2255 では、シャントに 4 uF のバイパスコンデンサのペア (給電線とグランドプレーン間の総容量 8 uF) と、グランドプレーンから 1/4 インチ以下で吊り下げられた長さ 10 フィートの電源線が使用されていました。彼らは電源安定化と呼んでいます (図 1 を参照)。これらの受信機は 0.15 ～ 20 MHz に同調しているため、JAN-I-225 の伝導および放射妨害波の測定は同じ範囲をカバーしました。10 フィートの配線の共振周波数と 8 uF の容量が発生しました。テスト周波数範囲を下回っているため、10 フィートの配線を通ってコンデンサを振り返ったインピーダンスは誘導性の性質を持っています。

図 1: JAN-I-225 EMI テストのセットアップ。「LISN in a box」を使用せずにラインインピーダンスの安定化がどのように達成されたかを詳細に示します。

JAN-I-225 は 1953 年に MIL-I-6181B に置き換えられました。MIL-I-6181B には、5 uH LISN の必要なインピーダンス (図 2) と構造図 (図 3) の両方が含まれていました。これらと同じ図面は、2 つの小さな調整を加えて、1989 年 6 月まで民間航空機アビオニクス用の RTCA/DO-160 に登場しました。その後、DEF STAN 59-411 と同様に拡張インピーダンス制御が必要になりましたが、構造の詳細は含まれていませんでした。デフスタン59-411。 2 つの調整は、1957 年に MIL-I-6181B を置き換えた MIL-I-6181C7 にすでに現れています。EMI ポートの中心導体からケースまでの 1 kΩ ブリーダ抵抗と、入力側 1 uF と直列の 1 Ω 抵抗の除去です。フィルターコンデンサー。

図 2: MIL-I-6181B 5 uH LISN インピーダンスプロット

図 3: MIL-I-6181B の LISN 構造の詳細

制御されたインピーダンスの上限周波数は、長年にわたって多少変動しました。 MIL-I-6181B は MIL-I-6181D8 (1959 年) と同様に 25 MHz ですが、1957 年に介在する「C」により 100 MHz に押し上げられました。ほとんどの仕様および規格では 30 MHz に落ち着いていました。これは、ロッドアンテナによる伝導妨害および放射妨害の上限でした。しかし、過去数十年にわたり、さまざまな仕様により、RF 伝導感受性の上限が 400 MHz にまで引き上げられ、自動車業界 (CISPR 259) では、伝導放射の上限が 100 MHz にまで引き上げられました。

5 uH LISN の創始者にとって、彼の作品が世界中でこれほどの成功と受け入れを得たことを知るのは、間違いなく喜ばしいことでしょう。この人は誰ですか?そもそも 5 uH LISN はどのようにして生まれたのですか? 以下の歴史的断片については、AT パーカー (1915 – 2000) に感謝します。 1960 年に、パーカーは EMI 試験装置の設計および供給会社である Solar Electronics を設立しました。以前は、最初の商用 5 uH LISN を製造した会社である Stoddart Aircraft Radio Company で働いていました。パーカー自身の言葉では次のように述べられています。

「第二次世界大戦の初期、航空隊に勤務していたアラン・ワットンという名前の航空機推進技術者は、ダグラス DC-3 タイプの軍用機の配線に沿って伝わる無線周波数を懸念していました。彼は、無線周波数をシミュレートする最初の回線インピーダンス安定化ネットワークを考案しました。これは、5 マイクロヘンリーチョークと、このインダクタンスの両端で発生した電圧を 150 KHz ～ 25 MHz の周波数範囲で 50 オームの受信機に結合する手段を使用しました。」

パーカーがその創設について述べなければならないことはこれだけですが、適用される追加の事実と演繹があります。

DC-3 (軍用バージョン C-47 "スカイトレイン") はすべてアルミニウム製でした。アルミニウム航空機は、インダクタンスが過度の電圧降下を引き起こす場合を除き、構造上に電流を戻します。 DC 電源ではそのような問題は発生しません。電力はエンジン搭載の発電機から供給されました。エンジンの中心線は航空機の中心線から約 3 メートルでした。したがって、接地面上に吊り下げられたワイヤの 1 メートルあたり 1 マイクロヘンリーなどの公称値を使用すると、電気の配電点として機能するコックピットに取り付けられたブレーカーボックスで測定が行われた場合、5 uH が妥当な値であると思われます。航空機内の電力。

この点は重要です。多くの場合、LISN はプラットフォームに設置されたテストサンプルから見えるインピーダンスを表していると考えられます。しかし、これは当てはまりません。11 図 4 に示すように、LISN はすべての負荷で見られる共通バスインピーダンスをシミュレートするため、原因となる負荷によって引き出されるノイズ電流は、共通バスインピーダンスを通じて作用し、すべての負荷に影響を与えるノイズ電位を生成します。他の犠牲者の負荷。

図 4: LISN は、電源から負荷へのインピーダンスではなく、共通バスインピーダンスをシミュレートします。

特に、MIL-I-6181B から "D" (MIL-STD-461 より前の最後のリビジョン) まで、伝導性放射 (図 5) を測定する際に鏡像の役割で LISN を使用できるようにしたのは、LISN のこの特性です。感受性（図6）。

図 5: MIL-I-6181B 伝導性放射のセットアップ (図は、教育目的で何が起こっているかを理解しやすいため、実際には MIL-I-6181C からコピーしたものです)。

図 6: MIL-I-6181B による感受性セットアップ (教育目的で何が起こっているかを理解しやすいため、図は実際に MIL-I-6181C からコピーされました)。

MIL-I-6181B-D のすべてのバージョンでは、LISN が AC または DC の各給電線に挿入されます。戻りは常にグランドプレーンを経由します。しかし、海軍の艦船は構造上電流を返すことはなく、海軍の EMI 仕様 MIL-I-16910A12 はその慣行を反映しており、フィーダとリターンの両方に 5 uH LISN を挿入しています。

1967 年より前にリリースされたすべてのサービスおよびプラットフォーム固有の EMI 仕様がトライサービス EMI 規格 MIL-STD-46113 および MIL-STD-462,14 に置き換えられたとき、海軍では各電源にラインインピーダンス安定化を挿入することが慣行でした。 Tri‑Service用に採用された導体です。つまり、リターン電流はグランドプレーンを介して流れるのではなく、ワイヤと LISN を介して返されます。

これはいくつかの問題を引き起こし、現在にまで影響を及ぼしています。しかし、その問題を掘り下げる前に、MIL-STD-461 および MIL-STD-462 1967 リリースは、5 uH LISN を 10 マイクロファラッドのフィードスルーに置き換える MIL-STD-826,15 で導入された新しい慣行に従っていることに注意する必要があります。コンデンサー。その後、MIL-STD-461D16 および MIL-STD-462D17 で電流制御の代わりに RF 電位が復活するまで、これは四半世紀にわたって標準的な慣行となりました。このため、再び LISN が必要になりましたが、後で関連する理由により、元の 5 uH LISN の代わりに 50 uH LISN が使用されました。

LISN の高周波電位を測定する代わりに電流測定を行う根拠について、パーカー氏にもう一度戻ります。18 これは、参考文献 10 から以前に引用した資料の続編です。

「そこで、回線インピーダンス安定化ネットワーク (LISN) が誕生しました。これは、その特定の航空機とそれに含まれる電気システムの非常に優れたシミュレーションでした。しかしその後、誰かが任意の電力線を表すためにこの人工インピーダンスを使用することに決めました。」

「いずれにせよ、このインピーダンスは、あらゆる種類の機器によって生成される伝導EMI（当時はRFIとして知られていた）電圧を決定するために、各非接地電力線での使用を要求する仕様に突然現れ始めました。結果として得られたテストデータは、次のように主張されました。これにより、政府はさまざまな試験サンプルやさまざまな試験機関から測定された RFI/EMI 電圧を直接比較できるようになりました。

「テストサンプルを抑制するために考案されたフィルタリングは、要件を満たすためにこの人工インピーダンスに基づいているが、同じフィルタが通常の出力でテストサンプルに使用された場合には現実とは何の関係もない可能性があるという事実については誰も心配していませんでした」ライン接続。

「それは 1947 年までのことでした。当時、この同じアラン・ワットンは、RFI/EMI ビジネスとは関係のない推進エンジニアでしたが、当初の発案を誤って適用したミスの喜劇を正すことを決意しました。彼は次のような立場にありました。」電流測定プローブと電圧測定プローブの 2 つのプローブの開発についてストッダートと小規模な R および D 契約を締結しました。明らかに、伝導性干渉を真に理解するには少なくとも 2 つのパラメータを知る必要があると感じていました…19

「結局のところ、ストッダートは、今日でも使用されている主な基礎であるトロイダルトランスのアプローチに関するアラン・ワットンの提案に基づいた電流プローブの開発に成功しました。しかし、電圧測定プローブの開発は感度の欠如に悩まされました。ワットンの希望ロッドアンテナと50オーム入力用に設計された測定受信機で当時利用可能だったものよりも感度の高い高インピーダンス電圧プローブを提供することが目的であったが、この努力は失敗し、ワトンの資金（そしておそらくこの主題への関心）は全体像から消え去った。、プログラムは停止しました。

「これは、RFI/EMI エンジニアが、周波数によって変化する人工インピーダンスの両端の EMI 電圧を測定できるか、未知の RF インピーダンスの回路を流れる EMI 電流を測定できることを意味します。いずれにしても、全容は不明です。インピーダンスが未知であるため、軍用規格では電圧の代わりに EMI 電流を測定するという考えが採用され始めました…」

ワットンが求めていたのは、テストサンプルのテブナンに似たモデル、つまり「開回路」出力 RF 電位と短絡 RF 電流であると推測する人もいるかもしれません。これにより、任意の電源インピーダンスへのノイズ電位と電流を予測できるようになります。この解釈は、MIL‑STD‑462D の付録の資料によって裏付けられています。

「(LISN) インピーダンスは、実際の設置で予想されるインピーダンスを表し、異なる試験機関間で一貫した結果を保証するために標準化されています。MIL‑STD‑462 の以前のバージョンでは、電源リード線に 10 マイクロファラッドの貫通コンデンサが使用されていました。これらのデバイスの目的は、ノートン電流源モデルの電流発生器部分を決定します。干渉源のインピーダンスもわかっていれば、施設内の特定の状況に応じて源の干渉電位を分析的に決定できます。インピーダンス部分を測定するための要件は確立されていませんでした。ソースモデルの影響を受けています。さらに重要なのは、電力線フィルタリングの設計に影響を与えるテスト構成に関して懸念が生じたことです。最適化されたフィルタは、ソースインピーダンスと負荷インピーダンスの両方の知識に基づいて設計されています。10 マイクロファラッドのコンデンサ負荷では、大幅に異なるフィルタ設計が結果として生じます。本体の図 7 に示すインピーダンス負荷との比較。」 (著者注: MIL‑STD‑462D の図 7 は、50 uH LISN のインピーダンスを示しています。)

特定の (ただし異なる) ソースインピーダンスに合わせた EMI フィルターの設計に関する懸念は、ワットンが半世紀前に懸念していたのと同じ種類のものです。

物事が変われば変わるほど、変わらないものになります。

「時間の経過とともにテーマ」を完了すると、MIL‑STD‑462D が 5 uH LISN ではなく 50 uH LISN を採用した理由に注目する価値があります。実際、MIL-STD-462D の当初の提案は 5 uH LISN でした。 MIL‑STD‑462D 付録の同じセクションには次のように記載されています。

「10 kHz という低いインピーダンスの標準化された制御を維持するために、特定の 50 マイクロヘンリー LISN が選択されました。」

5 uH LISN の低周波端は 150 kHz です。 150 kHz をはるかに下回る周波数での RF 電位測定を開始したいという要望により、5 uH LISN の選択が決まりました。次に、可聴周波数までの RF 電位測定を行いたい理由は、過去四半世紀にわたって可聴周波数まで CE03 測定を行ってきたことに基づいています。彼らは、CE101 と CE102 の間の休憩を CE01 と CE03 の間の休憩とほぼ同じにすることを望んでいました。いずれも、50 uH LISN がほとんどの車両の電気バスインピーダンスのシミュレーションとして優れているというわけではありません。

MIL‑STD‑826 (1964) 以降、接地されていない各電源リード (フィーダーとリターンの両方) にインピーダンス安定化デバイスを配置するという慣行は、せいぜい有用か疑わしいデータしか得られませんでした。単一のデバイスを使用する場合、測定される RF 電位または電流は、LISN、給電線、負荷 (テストサンプル)、およびグランドプレーンで構成されるループ内の単なるものです。このようなデバイスを 2 つ使用すると、ディファレンシャルモード (dm) とコモンモード (cm) の電流/電位のベクトル和が測定されます。

図 7a と 7b は、電流が専用アース線上の構造上に戻るとき、つまりテストサンプル内のシャーシアースから絶縁されたときの差動およびコモンモード電流経路を示しています。図 7a と 7b を調べると、図 7c に示すように、グランドより上の電流リターンパスがある場合、差動モード電流とコモンモード電流はフィーダ内で合計されますが、リターン内では減算されることがわかります。図 7d は、電流生成メカニズムに関係なく、すべての電流が元の構造リターン 5 uH LISN 構成で同じ経路を流れるようにどのように制約されるかを示しています。

図 7a: 差動モードの電流経路

図 7b: コモンモード電流経路

図 7c: フィーダとリターンで加算および減算される CM および DM 電流

図 7d: 構造がリターンパスである場合、すべてのノイズ電流は同じパスを流れます。

これは、図 7c に示すように、グランドより上の電流リターンでは、測定された単線電流または RF 電位は類似しているように見えますが、同一ではないことを意味します。どちらかのモードが優勢な場合、トレースはフィーダとリターンで同一ですが、振幅が類似しており、フィーダで加算され、リターンで減算される場合は異なります。フィルター設計を支援するための cm モードと dm モードの分離は、1970 年代後半から注目されてきました。21、22、23

ほとんどの規格では、電力電流がどのように戻るか (構造または専用ワイヤ) について疑問がある場合、デフォルトのテスト方法は LISN のペアを使用し、コモンと差動のベクトルの合計と差を測定することに注意してください。各 LISN で個別にモード信号を送信します。なぜこれがデフォルトなのかは明らかではありません。特に放射の場合、この技術は複合ノイズの差動モード成分の放射効率を低下させます (特に、よくあることですが、ワイヤペアがねじれている場合)。図 7d は、単一の LISN を使用することで各モードの放射効率が同一に保たれることを明らかにしています。

電流が構造ではなく専用のワイヤに返されることがわかっている場合、個々のリード線でエミッションを制御するよりも優れた手法は、モードごとにエミッションを制御することです。分離モードは、LISN (参考文献 20 ～ 22) から直接実行することも、電流プローブを使用して実行することもできます。いずれにしても、ラインではなくモードで排出量を制御する場合は、モードが実際に与える影響に基づいて制限を割り当てることができます。

したがって、フィーダーワイヤとリターンワイヤが車両全体でねじれたり、しっかりと固定されている場合は、コモンモードの制限と比較してディファレンシャルモードの制限を緩和するのが合理的です。伝導性放射周波数範囲で動作する無線機がない場合でも、コモンモード放射を制御して、影響を受けやすい低レベル信号を伝送する可能性がある隣接して配置されたケーブルへのクロストークを制限することは価値があるかもしれません。24

LISN 誤用の問題の具体的でわかりやすい例は、1990 年代後半の著者による報告書に見られるかもしれません。25 この報告書は、(現在は廃止されている) FCC クラス B の 48 dBuV 伝導性放射制限も実際には 20 dB であることを示しました。ディファレンシャルモードノイズに対しては厳しいですが、コモンモードノイズに対しては正確でした。この問題は、48 dBuV 制限を確立するために行われた当初の作業は 1 つの 5 uH LISN を使用して実行されましたが、FCC テスト方法は 2 つの (50 uH) LISN に基づいていたために発生しました。26 LISN インピーダンスの不一致ではありませんでした。しかし、一対の LISN に固有のモード分離が不一致を示しました。

最近のもう 1 つの混乱は、LISN とテストサンプルの間に長い電源リードを使用していることです。このような値の範囲は、MIL-STD-462 (1967 – 1993) では 1 メートル (伝導性放射の場合)、MIL-STD-462D および MIL-STD-461 の後継バージョンでは 2 ～ 2.5 メートル、RTCA/ では 1 メートルです。 DO-160、CISPR 25 では 1.5 メートルです。対照的に、MIL-I-6181B で指定された長さは 24 インチでした。

測定の不確かさに関する影響を考慮してください。まず、MIL-I-6181B の伝導性放射制限は 20 MHz で停止されました。 20 MHz における長さ 24 インチのワイヤの電気長は 25 番目の波長です。VSWR は無視できるため、実際には LISN はテストサンプルで見られる電源インピーダンスを制御します。MIL-STD-462D および以下に準拠します。長さ 2.5 メートルの電源リード線と 10 MHz の CE102 上限周波数を使用する MIL-STD-461 バージョンでは、10 分の 1 波長未満になるため、LISN は電源インピーダンスを制御します。

しかし、400 MHz LISN と 100 MHz 伝導性放射制御を備えた RTCA/DO-160 や DEF STAN 59-411 などの仕様を見てください。長さ 1 メートルの電源リード線は、100 MHz の 3 番目の波長です。また、CISPR 25 の場合、長さ 2 メートルの電源線を使用すると、LISN はテストサンプルからの半波長を超えます。 LISN 内で制御される寄生成分が LISN (テストサンプルの相互接続) に単純に移行されると、拡張周波数範囲 LISN に投入された作業と費用はすべて無駄になります。27

アラン・ワットンは約70年前、私たちに素晴らしい贈り物を遺してくれました。それを賢く、上手に活用できるかどうかは私たち次第です。エラーの喜劇についてパーカーの言葉を繰り返し、ゴールの法則を意図的に誤って引用すると、「うまく機能しない複雑なシステムは、常にうまく機能する単純なシステムから進化したことがわかります。」

著者は、この記事を有益なものにするために時間と労力を費やした査読者に感謝の意を表します。省略または手数料による誤りは著者自身のものです。

emiken javor回線インピーダンス安定化ネットワークリストテスト装置

Ken Javor は、In Compliance Magazine の上級寄稿者であり、EMC 業界で 40 年以上働いています。 Javor は、MIL-STD-464 および MIL-STD-461 を維持する Tri-Service Working Groups の業界代表です。彼への連絡先は [email protected] です。

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