Fungsi dan Cara Kerja LISN

Hampir semua peralatan elektronik dan elektrik (kecuali peralatan yang menggunakan elemen resistif saja, seperti setrika listrik dan bohlam) mengeluarkan emisi gelombang elektromagnetik (EM) dalam operasinya. Tergantung peralatannya, emisi EM ini bisa jadi merupakan fungsi utama peralatan tersebut (misal, handphone yang mengeluarkan emisi EM pada frekuensi GSM), atau bisa juga merupakan efek samping dari cara kerja alat. Mungkin Anda pernah mengalami gambar televisi yang terganggu saat menyalakan bor listrik, blender, atau sejenisnya. Gangguan terjadi karena putaran motor listrik ternyata mengeluarkan emisi EM yang menyebabkan interferensi pada frekuensi televisi.

Efek samping emisi EM ini tidak bisa dihilangkan sepenuhnya, tapi bisa diredam sampai pada level yang tidak mengganggu peralatan lain. Standar internasional, seperti CISPR, FCC, & IEC, memberikan rekomendasi berapa nilai batasan emisi EM yang dapat diterima agar meminimalkan interferensi.

Emisi EM dapat merambat secara konduksi (conducted emission) melalui kabel atau secara radiasi (radiated emission) melalui udara. Untuk mengetahui berapa besar emisi EM yang dikeluarkan oleh peralatan, maka perlu dilakukan pengukuran. Pada pengukuran conducted emission (CE), salah satu instrumen utama yang digunakan adalah Line Impedance Stabilization Network (LISN).

Ada berbagai macam LISN. Dari segi sumber daya, ada LISN yang dipakai untuk pengukuran EUT yang disuplai dari tegangan AC maupun DC. Dari segi impedansi, ada LISN yang 50Ω (pengukuran emisi yang merambat melalui kabel power) dan 150Ω (pengukuran emisi EM pada kabel data, seperti kabel telepon dan LAN). Dari segi struktur, LISN dibagi menjadi tipe V dan Delta. Rentang frekuensi kerja LISN juga bervariasi dari 9kHz hingga 1GHz, tergantung standar yang diacu. Beberapa tipe produk LISN dapat dilihat di sini dan sini.

LISN, yang disebut juga Artificial Mains Network (AMN), memiliki beberapa fungsi penting, yaitu:

  1. Menyediakan impedansi RF yang tertentu bagi EUT
  2. Menyediakan daya bagi EUT (equipment under test), dan saat yang bersamaan memungkinkan alat ukur (spectrum analyzer maupun EMI receiver) dapat mengukur emisi EM dengan aman
  3. Mencegah emisi atau noise EM dari jala-jala (grid, mains) masuk ke dalam pengukuran
LISN-3
NNB41 – LISN tipe V untuk sumber AC

Gambar di atas adalah sebuah contoh V-LISN dengan sumber daya AC dan memiliki rentang frekuensi kerja 9kHz-30MHz. Gambar di bawah menunjukkan skematik port-port utama sebuah LISN serta koneksinya.

path4160
Port utama LISN dan koneksinya

Selanjutnya kita akan membahas satu per satu fungsi dari LISN.

1. Menyediakan impedansi RF yang tertentu bagi EUT

Berdasarkan penelitian dalam paper [1], impedansi jarigan jala-jala pada frekuensi 10kHz-30MHz adalah berkisar 1-300Ω. Impedansi jala-jala di tempat atau negara lain mungkin berbeda pula, mengikuti karakteristik beban dan instalasi yang ada.  Dengan kondisi impedansi jala-jala yang fluktuatif ini, maka akurasi dan repeatability pengukuran CE tidak bisa dijamin. Salah satu fungsi LISN adalah menyediakan impedansi RF (misal, LISN NNB41 pada frekuensi 9kHz-30MHz) yang tertentu, terlepas dari impedansi jala-jala yang fluktuatif.

Jika mengacu pada Standar CISPR 16-1-2:2006 tentang persyaratan alat ukur CE, besar impedansi LISN ditetapkan sebagai berikut, dengan toleransi magnitudo ±20% dan toleransi fase ±11.5°

Gambar di bawah ini adalah rangkaian dan ketentuan impedansi pada frekuensi 9kHz-150kHz. (klik gambar untuk memperbesar)

LISN di atas merupakan tipe V-network. Jadi pengukuran tegangan emisi EM nya adalah antara fase dan earth. Bayangkan dua lengan huruf V adalah tegangan antara L-E dan N-E. Kedua lengan pengukuran adalah identik. Artinya, saat melakukan pengukuran L-E, rangkaian L-E diterminasi 50Ω melalui impedansi masukan dari spectrum analyzer. Sedangkan rangkaian N-E juga diterminasi 50Ω, melalui switch dan R4. Oya, R5 yang ada dalam kotak besar (bukan di dalam measuring receiver) sepertinya typo-error. Itu seharusnya R3.

Agar lebih mudah dibaca, rangkaian di atas dapat disusun ulang menjadi seperti di bawah ini.

LISN skematik LTSPICE

Untuk menghitung impedansi LISN yang terlihat oleh emisi EM dari EUT, kita bisa melakukan simulasi menggunakan program LTSpice IV seperti di bawah ini.

  1. Tambahkan sumber tegangan V1, yang mensimulasikan emisi EM yang dipancarkan oleh EUT.
  2. Klik kanan pada V1 dan set amplitude 1V pada bagian Small signal AC Analysis
  3. Lalu tambahkan SPICE directive untuk menjalankan simulasi pada mode AC analysis. Sebagai contoh: .ac dec 100 9k 30Meg untuk melakukan sweeping dari frekuensi 9kHz-30MHz.
  4. Eksekusi simulasi
  5. Klik pada node V(n019), atau sesuai rangkaian Anda. Maka akan muncul grafik tegangan terhadap frekuensi
  6. Lalu klik kanan pada tulisan V(n019) yang berada di atas grafik. Kemudian edit persamaannya menjadi V(n019)/I(V1), atau sesuai nama dalam rangkaian Anda. Yang dilakukan di sini adalah membuat plot tegangan/arus (V/I) yang adalah impedansi.
    • Catatan: jika fase impedansinya bergeser 180°, persamaannya dibuat negatif V(n019)/-I(V1) untuk kompensasi perbedaan acuan arah arus.
  7. Sumbu Y nya mungkin masih dalam satuan dB. Untuk mengubah satuannya menjadi Ω, klik pada bagian sumbu Y grafik. Lalu pilih Linear.

pengukuran L-E-3

impedansi pengukuran L-E 2

Terlihat bahwa sebetulnya impedansi LISN yang dirasakan oleh emisi dari EUT tidak fix di 50Ω, tapi naik dari 5Ω — 47.6Ω sepanjang rentang frekuensi 9kHz-30MHz. Puncaknya tidak pernah mencapai 50Ω karena ada resistor R4 yang paralel dengan 50Ω tersebut. Untuk alasan safety, R4 ini dipasang sebagai jalur discharge muatan bagi C3 ketika instrumen (50Ω) dicabut.

Simulasi impedansi LISN di atas adalah dengan kondisi impedansi jala-jala (mains) terbuka. Kembali mengacu pada paper [1], kita akan melakukan simulasi LISN dengan impedansi mains bervariasi 1-300Ω. Impedansi mains mungkin perpaduan komponen resistif dan reaktif, namun untuk simplifikasi kita pakai impedansi resistif saja. Dalam LTSPICE kita bisa melakukan step variabel. Dalam hal ini, kita akan menvariasikan nilai impedansi mains 0.1, 1, 10, 300Ω dengan directive: step param R list 0.1 1 10 300

variable mains impedance

Grafik di bawah ini menunjukkan impedansi yang akan terlihat oleh emisi EM dari EUT dengan kondisi impedansi mains yang bervariasi. Jelas terbaca bahwa variasi impedansi mains dari 0.1Ω sampai 300Ω hampir tidak berdampak pada impedansi yang terlihat oleh emisi EM dari EUT. Sedikit saja pengaruhnya pada frekuensi rendah. Karena pada frekuensi rendah, nilai reaktansi kapasitor shunt (C1, C2) dan induktor seri (L1, L2) masih comparable dengan impedansi mains.

effects of varying mains impedance 1

effects of varying mains impedance -zoom
Zoom-in pada frekuensi rendah dari grafik di atas

Info extra:

Gambar di bawah ini adalah rangkaian dan ketentuan impedansi pada frekuensi 150kHz-30MHz. (klik gambar untuk memperbesar). Dalam CISPR 16-1-2 disebutkan bahwa walaupun rangkaian yang kita simulasikan di atas adalah untuk frekuensi 9kHz-150kHz, jikalau impedansinya juga memenuhi syarat impedansi pada frekuensi 150kHz-30MHz, maka ia juga dapat digunakan pada frekuensi 150kHz-30MHz.

2. Menyediakan daya bagi EUT, sekaligus agar instrumen dapat mengukur dengan aman

EUT akan mengeluarkan emisi EM hanya jika ia dalam kondisi beroperasi. Artinya, EUT membutuhkan daya. Sementara itu, pengukuran CE adalah pengukuran emisi EM langsung pada kabel. Alat ukur seperti spectrum analyzer (SpA) adalah instrumen yang sangat sensitif dan dynamic range yang tinggi, dari orde nanovolt sampai beberapa volt. Namun tegangan catu 220 volt jelas melebihi batas ukur SpA. Jika tegangan sebesar ini masuk ke dalam RF input port SpA, maka akibatnya bisa fatal… 😦

Untuk mengetahui berapa besar tegangan catu 220V/50Hz yang lolos sampai ke instrumen, kita coba lakukan simulasi seperti di bawah ini.

LF decoupling-2

Hasilnya, tegangan 50Hz yang masuk ke instrumen, V(n005) sebesar ~580mVp. Ini merupakan angka yang sudah jauh teredam jika dibandingkan dengan 310Vp. Namun 580mV masih tergolong tinggi mengingat sensitifitas SpA yang mencapai orde nanovolt. Idealnya, perlu ada high pass filter lagi sebelum masuk ke SpA untuk meredam frekuensi rendah tersebut. Mungkin internal SpA sudah ada HPF juga (?) Di bagian terakhir kita akan melihat skematik LISN NNB41 yang menggunakan HPF dimaksud.

LF decoupling waveform

Fungsi peredaman pada frekuensi rendah (DC, 50Hz, dan sekitarnya) sebelum masuk ke SpA merupakan tugas kapasitor C3. Impedansi C3 (0.25uF) pada frekuensi 50Hz adalah sebesar 12,74kΩ. Jadi tegangan 220V/50Hz yang masuk ke SpA bisa juga dihitung secara analitik:

V 50Hz di SpA

Di sisi lain, emisi EM dari EUT yang diukur oleh SpA juga melewati C3. Artinya, pada frekuensi 9kHz-30MHz impedansi C3 haruslah jauh lebih kecil daripada impedansi SpA (50Ω). Impedansi C3 pada frekuensi 9kHz adalah sebesar 70,7Ω. Ini bukanlah angka yang ideal, karena akan ada jatuh tegangan yang cukup signifikan pada C3. Sedangkan pada frekuensi 150kHz dan 30 MHz, impedansi C3 turun jadi 4,2Ω dan 21mΩ.  Semakin tinggi frekuensi, keberadaan C3 semakin menyerupai ‘short’. Artinya, semakin mendekati kondisi ideal, dimana drop tegangan pada C3 semakin minimum.

Sementara itu, tegangan catu 220V/50Hz (V(n003)-V(n015)) dapat dilewatkan dengan mudah ke port power EUT, seperti ditunjukkan dalam gambar di bawah ini. Induktor L1 dan L2 akan terlihat sebagai impedansi yang sangat kecil (~95mΩ) bagi frekuensi 50Hz, sehingga tegangan catu 220V/50Hz dapat mencapai port power EUT tanpa mengalami peredaman.

LF decoupling waveform supply

Well, besar kecil peredaman tergantung juga pada impedansi beban yang terpasang. Misal, jika terpasang beban resistif yang impedansinya sama besar dengan total reaktansi induktif  pada L-N, yaitu 95mΩ x 2 = 190mΩ, maka tegangan pada beban mengalami peredaman 30% dari tegangan catu. Tapi beban resistif 190mΩ seri dengan reaktansi 190mΩ  berarti mengalir arus 1162 ampere !!

Dengan demikian, LISN telah menjalankan fungsinya dalam menyediakan daya bagi EUT, sekaligus memungkinkan SpA dapat mengukur dengan aman 🙂

3. Mencegah noise EM dari jala-jala masuk ke dalam pengukuran

Berdasarkan CISPR 16-1-2, LISN harus mampu meredam noise EM dari mains masuk ke dalam port pengukuran. Besarnya atenuasi / isolasi ditetapkan sebagai berikut:

CISPR minimum isolation

Untuk mengetahui besarnya atenuasi noise EM dari jala-jala yang masuk ke port pengukuran, kita lakukan simulasi sebagai berikut. Dalam kenyataannya, sumber noise pasti memiliki impedansi, namun kita tidak tahu berapa besarnya. Untuk simplifikasi, kita asumsi sumber noise V3 memiliki impedansi nol.

isolation measurement

Grafik di bawah ini adalah besarnya atenuasi yang terukur pada port pengukuran. Kurva merah merupakan atenuasi minimum yang dipersyaratkan dalam CISPR 16-1-2.

mains noise isolation

Real LISN…

Rangkaian skematik LISN yang telah kita pelajari di atas merupakan rangkaian inti sebuah LISN. Namun produk LISN yang ada di pasaran memiliki rangkaian yang lebih kompleks, misal NNB 1600 produksi TTi. Artikel ini membedah isi NNB 1600.

Sedangkan gambar di bawah ini adalah skematik rangkaian LISN NNB 41. Terlihat bahwa selain komponen inti, terdapat juga coupling board, attenuator 10dB, artificial earth, remote control, dan amplitude limiter 130dBuV.

  1. Coupling board tersebut merupakan high pass filter dengan frekuensi cut-off 8107Hz. HPF ini akan lebih jauh meredam komponen frekuensi catu 50Hz.
  2. Attenuator 10dB berfungsi untuk meningkatkan impedance matching antara LISN-coupling board dan instrumen pengukur.
  3. Amplitude limiter berfungsi untuk clamp (membatasi) tegangan yang melebihi 130dBuV, sehingga instrumen pengukur dapat terproteksi. Dalam keadaan normal, amplitude limiter ini bersifat transparan. Hanya bekerja saat ada lonjakan tegangan. Biasanya terjadi saat memasang dan mencabut kabel daya LISN.
  4. Artificial earth berfungsi untuk mensimulasikan manusia yang memegang bor listrik. Digunakan pada pengujian bor listrik.
  5. Remote control berfungsi untuk memindahkan pengukuran L-E atau N-E dari jarak jauh, alih-alih menekan tombol yang ada pada LISN.

NNB41-1NNB41-2

 

Comparison of D Flip-Flop Based Pulse Generators

In this post I would like to share our experience in making comb generators. Comb generator is basically a periodic sharp pulse generator. There are a number of methods to generate pulses, such as using step recovery diode (SRD), tunnel diode, non linear transmission line (NLTL), etc. However, according to this paper we found another simple and clever trick to generate short pulses, i.e. by exploiting the asynchronous reset feature of D Flip-Flop. We have made 3 types of D Flip-Flop based pulse generators using different logic families:

  1. 74LS74. Low power Schottky TTL device. It has typically maximum operating clock frequency at 25 MHz.
  2. 74ACT74. Advanced CMOS with TTL compatibility device. The maximum operating frequency is at 210 MHz.
  3. MC100EP31. Emitter Coupled Logic (ECL) device. Maximum frequency is 3 GHz.
74LS74 kecil
74LS74 based pulse generator. Made by: Haryo Dwi Prananto.
74ACT74 kecil
74ACT74 based pulse generator. Made by: Haryo Dwi Prananto
board_comb_re_edit
MC100EP31 based pulse generator. Made by: M. Imam Sudrajat

The device’s maximum frequency is related to its rise time and fall time capability. Higher maximum frequency means faster rise/fall time. As for our pulse generator, faster  edge transition will result in shorter pulse.  Longest to shortest generated pulse is in order: 74LS74 –> 74ACT74 –> MC100EP31.

pulse 40 khz square zoom - edit-final
Pulse generated at 74LS74 output
pulsa 74ACT74
Pulse generated at 74ACT74 output. Pulsewidth: +/- 6 ns
pulse comb_re_out
Pulse generated at MC100EP31 output. Pulsewidth: +/- 1 ns

All three pulses shown above are generated periodically at certain frequencies. So when viewed from frequency domain measured using spectrum analyzer, they look like this:

spectrum 74LS74
Frequency spectrum of 74LS74 periodic pulse output. Pulse period: 40 kHz.
spectrum 74ACT74
Frequency spectrum of 74ACT74 periodic pulse output. Pulse period: 200 kHz.
spectrum frequency MC100EP31
Frequency spectrum of MC100EP31 periodic pulse output. Pulse period: 10 MHz.

Frequency spectrum of 74LS74 and 74ACT74 may look the same. However if we extend the frequency measurement range, it will be evident that the spectrum content of 74ACT74 is higher than that of 74LS74. This is because the pulse of 74ACT74 is shorter than that of 74LS74.

More details about the circuit diagram, how it works, and also deeper analysis can be found in our paper:

  1. Yoppy, Haryo Dwi Prananto. “Comb Generator for Verification of  Terminal Disturbance Voltages Measurement According to CISPR 14-1”. Annual Meeting on Testing and Quality (AMTeQ), 2015, pp. 143-151.
  2. Yoppy, M. Imam Sudrajat. “Design of Radiated Comb Generator Using Single-Ended Positive Emitter Coupled Logic (PECL) D Flip-Flop”. Progress in Electromagnetics Research Letters, Vol. 70, September 2017, pp. 67-73.