Ein Problem (und eine Lösung) mit MIL

Vor zehn Jahren fügte MIL-STD-461F CS114 eine Niederfrequenzerweiterung hinzu, die Gleichtaktrauschen modelliert, das von Gleichstromsystemen auf Marineschiffen erzeugt wird. Ein elektromechanischer Generator liefert ein Hochspannungs-Gleichstrompotential, wobei geringere Gleichstrompegel durch Halbleiter-Gleichstrom-zu-Gleichstrom-Umwandlungen aus dem ursprünglichen Hochspannungsbus abgeleitet werden. Eine solche Leistungsumwandlung führt zu großen Mengen an Gleichtaktrauschen. Die Erweiterung beträgt einen Pegel von 77 dBuA von 4 kHz auf 1 MHz. Um die neue Anforderung zu unterstützen, wurde Abbildung CS114-2 erweitert, um die Einfügungsdämpfung der Injektionsklemme unter 10 kHz zu kontrollieren. Aber die Erweiterung war zu streng und, was noch wichtiger ist, das Konzept hinter der Erweiterung ist nicht die optimale Möglichkeit, den Test bei Audiofrequenzen durchzuführen. Die optimale Methode verwendet ein paar Watt Leistung von einer Audioquelle anstelle von 100 Watt Leistung von einer 50-Ohm-Quelle, wobei letzteres kein typisches Testgerät ist.

Analyse der maximalen Einfügedämpfungskurve unter 10 kHz

Der Zweck der maximalen Einfügedämpfungskurve, wie im entsprechenden MIL-STD-461-Anhang angegeben, besteht darin, die erforderliche Klemmleistung auf 100 Watt zu begrenzen, eine übliche maximale Nennleistung für solche Geräte. Ein Grenzwert, der diese Funktion unterhalb von 10 kHz ausführt, ist jedoch eine logarithmisch lineare Erweiterung des Grenzwerts von 10 bis 100 kHz und nicht die unterschiedliche Steigung wie in der vorliegenden Abbildung CS114-2. Abbildung 1 gibt Abbildung CS114-2 wieder und zeigt den aktuellen Grenzwert mit einer gestrichelten roten Überlagerung des vorgeschlagenen Grenzwerts.

Abbildung 1: MIL-STD-461F/G Abbildung CS114-2 mit Anmerkungen versehen, um die lineare Extrapolation der Einfügedämpfungsgrenze basierend auf der Magnetisierungsinduktivität zu zeigen

Abbildung CS114-2 Einfügedämpfungsgrenzen über 10 kHz klammern die Leistung des Modells 95236-1 von Eaton (später Tegam und jetzt ETS-Lindgren) unter etwa 6 MHz und des Modells 95242-1 über dieser Frequenz ein. Dies waren die Injektionsklemmen, die in den 1980er Jahren erhältlich waren, als sich Techniken zur Massenkabelinjektion entwickelten. Der Abfall unter 100 kHz beträgt 20 dB pro Dekade, was auf die Magnetisierungsinduktivität als Faktor zurückzuführen ist, der den Abfall verursacht. Diese Steigung ändert sich bei 10 kHz nicht wie von Zauberhand und jede Abweichung der Steigung vom maximal zulässigen Einfügungsverlust ist bei der Entwicklung nachgiebiger Klemmen problematisch. Die folgende einfache Analyse zeigt, dass die Abweichung von 20 dB pro Dekade nicht notwendig ist.

Wir berechnen den maximal zulässigen Einfügungsverlust, der es einem 100-Watt-Verstärker ermöglicht, 77 dBuA in der Kalibriervorrichtung zu induzieren, unter der Annahme, dass alle 50-Ohm-Geräte vorhanden sind (klassischer CS114-Ansatz).

77 dBuA + 34 dB Ohm = 111 dBuV

an beiden Enden der Kalibriervorrichtung, wenn sie mit 50 Ohm (34 dB Ohm) abgeschlossen sind.

111 dBuV über 50 Ohm sind 4 dBm unter Verwendung des 107-dB-Umrechnungsfaktors zwischen dBuV und dBm bei einem 50-Ohm-Widerstand.

Die Differenz zwischen den 4 dBm, die bei jeder 50-Ohm-Last an der Kalibriervorrichtung verloren gehen, und den 100 Watt (50 dBm), die vom Verstärker verfügbar sind, ist per Definition die maximal zulässige Einfügungsdämpfung. Dieser Wert:

50 dBm – 4 dBm = 46 dB

Wie in der kommentierten Abbildung CS114-2 zu sehen ist, liegt sie genau auf der linear extrapolierten maximalen Einfügedämpfungsgrenze. Dieser grafische Wert stimmt mit dem Wert überein, der mithilfe einer analytischen Extrapolation unter Verwendung einer Extrapolation von 20 dB pro Dekade aus der maximalen Einfügungsdämpfung von 38 dB bei 10 kHz ermittelt wurde:

38 dB + 20 log (10 kHz/4 kHz) = 46 dB

Wir sehen also, dass keine Notwendigkeit besteht, die Kurve von den physikalisch vorgeschriebenen 46 dB auf einen strengeren Grenzwert von 43 dB gemäß MIL-STD-461F/G Abbildung CS114-2 zu ändern.

Leistungsbedarf bei Verwendung von Nicht-50-Ohm-Testgeräten

Es ist ungewöhnlich, bei Audiofrequenzen 50-Ohm-Leistungsverstärker zu sehen. Viel häufiger sieht man Audioverstärker mit Ausgangsstufen, die so konfiguriert sind, dass sie sehr niedrige Lastwiderstände ansteuern, die bei herkömmlichen Audioverstärkern zwischen 2 und 8 Ohm liegen. Verstärker, die für den Antrieb von 2–8 Ohm ausgelegt sind, haben eine Ausgangsimpedanz, die nur einen Bruchteil der Lastimpedanz beträgt; Dieser Anteil wird als Dämpfungsfaktor bezeichnet und beträgt bei einem Verstärker guter Qualität einen Faktor von zehn oder sogar mehr.

Bevor der Testaufbau und die Messung beschrieben werden, ist es sinnvoll, sich anzusehen, warum Audiogeräte mit niedriger Impedanz unter 10 kHz viel besser funktionieren als 50-Ohm-Geräte. Es kommt auf die Impedanz an, die die Injektionsklemme bei diesen niedrigen Frequenzen darstellt, wie bereits erwähnt, die die Magnetisierungsinduktivität widerspiegelt. Man könnte diese Induktivität messen, aber das ist nicht notwendig. Der Einfügungsverlust einer Klemme gemäß Abbildung CS114-2 bedeutet, dass die Impedanz der Klemme bei 10 kHz in der Größenordnung von 1 Ohm liegt. Daher die enorme Belastung (Einfügedämpfung ~ 35 dB bei 10 kHz) in einem 50-Ohm-System, aber es sollte sofort klar sein, dass ein Audiosystem mit einer Ausgangsimpedanz in der Größenordnung von 1 Ohm viel effizienter ist, um Strom in das System zu bringen Klemme und in die Kalibriervorrichtung mit 50-Ohm-Lasten.

Eine letzte Anmerkung, bevor wir uns mit dem Testaufbau und den Ergebnissen befassen. Einige könnten befürchten, dass der Austausch von 50-Ohm-Geräten durch Geräte mit viel niedrigerer Impedanz die Kopplungseffizienz in andere Schaltkreise als die Kalibriervorrichtung verändert und zu einer schlechten Wiederholbarkeit führt. Aber das ist nicht der Fall. Die sehr niedrige Impedanz der Magnetisierungsinduktivität überbrückt die 50-Ohm-Ausrüstung, was unabhängig von der Impedanz der Treiberschaltung zu einer sehr niedrigen Einfügungsimpedanz führt.1

Bei dieser Untersuchung wurde ein 100-Watt-Audioverstärker Modell 6552-1 von Solar Electronics verwendet, der speziell für die Bereitstellung einer Ausgangsimpedanz von 2,4 Ohm entwickelt wurde. Gekoppelt an eine Klemme Modell 95236-1 über einen 2:1-Abwärtstransformator Solar Modell 6220-1 (CS01/101-Anwendbarkeit) wandelt es die Ausgangsimpedanz in 0,6 Ohm um, wie für die MIL-STD-461-Anforderung CS01/101 wünschenswert .

Als erster Schritt ist in Abbildung 2a die klassische 50-Ohm-System-Einfügungsdämpfung der Klemme dargestellt. Der zweite Schritt bestand darin, ein Paar Abwärtstransformatoren in Reihe zu schalten, um die 50-Ohm-Quellenimpedanz des Netzwerkanalysators HP 4195A auf 0,5 Ohm zu reduzieren und die Einfügungsdämpfung mit der niedrigeren Ausgangsimpedanz zu messen. Diese Ergebnisse sind in Abbildung 2b dargestellt. Ein Vergleich der Ergebnisse der Einfügungsdämpfung von 50 Ohm und 0,5 Ohm zeigt eine geringere Einfügungsdämpfung und erfordert viel weniger Strom, um den Zielstrom von 77 dBuA in der Kalibrierungshalterung zu erreichen.

Abbildung 2a: 95236-1-Einfügedämpfungsmessung mit 50-Ohm-Quelle und 50-Ohm-Lasten auf der Kalibrierungshalterung. Im Vergleich zu Abbildung 1 / CS114-2 wird die IL-Grenze bei 10 kHz erreicht, bei 4 kHz ist sie jedoch zu hoch.

Abbildung 2b: Messung der Einfügungsdämpfung 95236-1 unter Verwendung einer Quellenimpedanz von 0,5 Ohm und einer Last von 50 Ohm an der Kalibrierungshalterung. Vergleichen Sie mit Abb. 2a: eine Verbesserung um 7,5 dB bei 4 kHz und eine Verbesserung um 6 dB bei 10 kHz.

Der Aufbau zur Messung der Einfügungsdämpfung und der tatsächlichen Leistungsmessungen, abzüglich der Signalquelle des Netzwerkanalysators und des Empfängers des geräteinduzierten Potenzials, ist in den Abbildungen 3a und 3b dargestellt.

Abbildung 3a: Messung der Einfügungsdämpfung der 95236-1-Injektionsklemme von 4 bis 10 kHz unter Verwendung der Solar-Abwärtstransformatoren Modell 7033-1 50 Ohm: 2,4 Ohm und Modell 6220-1 2 Ohm bis 0,5 Ohm. Die klassische 50-Ohm-Einfügedämpfungsmessung ist mit der oben beschriebenen identisch, außer dass die beiden Abwärtstransformatoren entfernt werden. Koaxialkabel mit gelber Zugentlastung, das von unten in das Bild eintritt, ist der Ausgang der HP 4195A-Quelle, und das Koaxialkabel, das die Kalibrierungshalterung oben links verlässt, geht zum HP 4195A-Testanschluss.

Abbildung 3b: Messung der Leistung, die zum Induzieren eines Stroms von 77 dBuA in der CS114-Kalibriervorrichtung unter Verwendung der Injektionsklemme 95236-1 von 4 bis 10 kHz mit einem Audioverstärker erforderlich ist. Der Koaxanschluss am Verstärkereingang (durch den Kopplungstransformator verdeckt) ist der Ausgang der HP 4195A-Quelle, und der Koaxanschluss, der die Kalibrierungshalterung oben links verlässt, geht zum HP 4195A-Testanschluss.

In Abbildung 3a ist der 50-Ohm-Ausgang des HP 4195A das Koaxialkabel mit gelber Zugentlastung unten in der Abbildung. Der Transformator, an den es angeschlossen wird, ist die Primärseite eines Solarmodells 7033-1, das eine Impedanz von 50 Ohm auf 2,4 Ohm herabsetzt. Die Sekundärseite des Abwärtstransformators Modell 7033-1 ist mit der Primärseite eines Abwärtstransformators Modell 6220-1 von Solar verbunden, der eine Primärseite von 2 Ohm in eine Sekundärseite von 0,5 Ohm umwandelt und das Modell 95236-1 antreibt direkt.

In Abbildung 3b ist der Audioverstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 2,4 Ohm auf der rechten Seite mit dem davor liegenden Kopplungstransformator Modell 6220-1 verbunden, und der 0,6-Ohm-Ausgang des Kopplungstransformators treibt die Injektionsklemme Modell 95236-1 in einer Kalibrierungshalterung an links. Die Koaxialübertragungsleitung zwischen dem Kopplungstransformator und der Injektionsklemme ist mit einer Stromsonde und einer Kalibriervorrichtung ausgestattet, die in Reihe geschaltet sind, um den an die Injektionsklemme gelieferten Strom zu überwachen, und das Ausgangspotential des Kopplungstransformators wird ebenfalls überwacht. Sowohl der Strom als auch die Spannung werden auf einem isolierten Oszilloskop abgelesen (nicht nur von der Erde isoliert, sondern auch die Masse jedes einzelnen Kanals ist vom anderen isoliert).

Abbildung 4 zeigt das mit einem 50-Ohm-Empfänger (HP 4195A) gemessene Potenzial zur Überwachung des Potenzials auf einer Seite der Kalibriervorrichtung. Ein Nennwert von 111 dBuV ist der Grenzstrom von 77 dBuA, der durch eine Last von 50 Ohm (34 dB Ohm) fließt.

Abbildung 4: Instrumentierte Kalibriervorrichtung mit 50-Ohm-Lastpotenzial und 77 dBuA, die in der Kalibriervorrichtung unter Verwendung von 95236-1 fließt.

Abbildung 5a ist eine Oszilloskop-Messung des Ausgangspotentials des Kopplungstransformators (obere Kurve) und des Stroms (untere Kurve) in die Einspeiseklemme Modell 95236-1, wenn das Potenzial von Abbildung 4 in der Kalibrierungshalterung induziert wird. Abbildung 5b ist ein Maß für die Phasenverschiebung zwischen angelegtem Potenzial und resultierendem Strom zum Zweck der Berechnung der tatsächlichen Verlustleistung in der Klemme im Vergleich zur Scheinleistung. (Die Phasenverschiebung zwischen dem angelegten Potenzial und dem resultierenden Strom, als die Klemme durch eine 50-Ohm-Last ersetzt wurde, betrug unter Verwendung der Stromsonde Modell 3525 von Pearson, wie auf den Fotos des Testaufbaus gezeigt, Null.)

Abbildung 5a: Die obere Spur ist das angelegte Potenzial aus dem Kopplungstransformator und die untere Spur ist der Strom in die Injektionsklemme 95236-1, wenn in der Kalibrierungshalterung 77 dBuA induziert werden. An die Einspritzklemme werden 3,5 W Scheinleistung angelegt. Die tatsächliche Verlustleistung in der Klemme beträgt 3,3 W, basierend auf einer Phasendifferenz von 23°.

Abbildung 5b: Phasendifferenzmessung der angelegten Spannung und des Stroms in der Injektionsklemme. Die obere Leiterbahn ist das angelegte Potenzial aus dem Kopplungstransformator und die untere Leiterbahn ist der Strom, der in die Einspeiseklemme 95236-1 fließt. Der Phasenunterschied beträgt 23°.

Abschluss

Abbildung CS114-2 sollte so geändert werden, dass die maximale Einfügungsdämpfungsgrenze wie die rote Linie in Abbildung 1 aussieht. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit verringert, dass ein übereifriger Prüfer vollkommen gute Testgeräte ablehnt oder eine Kaufentscheidung auf einer zu strengen Grundlage basiert Spezifikation.

Zweitens ermöglicht die Verwendung desselben Verstärkers und Kopplungstransformators wie für CS101, der die Injektionsklemme unter 10 kHz antreibt, die Spezifikationsgrenze mit nur wenigen Watt Leistung zu induzieren, anstatt die Grenzen der Leistungsbelastbarkeit der Klemme zu überschreiten und die meisten zu verbrennen von 100 Watt zwischen den Lasten des Verstärkers und der Kalibriervorrichtung.

Der Autor möchte den Ingenieuren danken, die sich die Zeit genommen haben, die Entwürfe dieses Artikels vor der Veröffentlichung zu prüfen. Etwaige Fehler oder Auslassungen liegen ausschließlich in der Verantwortung des Autors.

Endnoten

Ken Javor ist seit über 30 Jahren in der EMV-Branche tätig. Er ist als Berater für Regierung und Industrie tätig, leitet eine Einrichtung für EMI-Vorabprüfungen und kuratiert das Museum of EMC Antiquities, eine Sammlung von Radios und Instrumenten, die für die Entwicklung der Disziplin wichtig waren, sowie eine Bibliothek mit wichtiger Dokumentation . Javor ist Branchenvertreter in den Tri-Service-Arbeitsgruppen, die MIL-STD-464 und MIL-STD-461 pflegen. Er hat zahlreiche Veröffentlichungen veröffentlicht und ist Autor eines Handbuchs zu EMI-Anforderungen und Testmethoden. Javor kann unter [email protected] erreicht werden.

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Ken Javor ist leitender Autor des In Compliance Magazine und seit über 40 Jahren in der EMV-Branche tätig. Javor ist Branchenvertreter in den Tri-Service-Arbeitsgruppen, die MIL-STD-464 und MIL-STD-461 pflegen. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

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