LISN nedir?

LISN, İngilizce “Line impedance stabilization network” kelimelerinin baş harfleri olan; Türkçe’ye birebir olarak “şebeke empedansı dengeleme ağı” şeklinde çevirilebilecek, EMC testlerinde kullanılan bir test ekipmanıdır. Ekipmanın özellikleri standartlar ile belirlenmiştir ve ölçüm yapılacak sisteme göre çeşitli versiyonları bulunmaktadır. LISN’ler, tasarlanan elektronik bir ürünün iletim yoluyla yayılan diferansiyel ya da common (ortak) mod akımlar kaynaklı elektriksel gürültüsünü toprağa karşı ölçmeye yarar.

Şimdi bu şaşalı son cümlenin içerisindeki terimleri cımbızla çekip ne demek olduklarına bakalım:

Tasarlanan elektronik bir ürün: AC ya da DC enerji ile çalışan, tasarımı yapılmış, test altına alınacak üründür.

İletim yoluyla yayılan … elektriksel gürültü: Ürünün enerjisini aldığı iletken kablolar üzerinden enerji kaynağına doğru yayılan ve ürünün çalışmasıyla oluşan elektriksel gürültüdür.

Diferansiyel mod akımlar: Ürünün normal çalışması için gerekli olan, gidiş ve dönüş olarak adlandırılan akımlardır.

Common (ortak) mod akımlar: Ürünün normal çalışması için gerekli olmayan; ancak akışını tamamen önleyemediğimiz; ürün içerisinde istem dışı akan akımlardır.

En temelinde baktığımızda ise LISN, gerekli giriş, çıkış ve ölçüm portları bulunan oldukça güçlü bir EMC filtresinden ibaret bir ekipmandır. Yani LISN, normal şartlarda ürününüzdeki EMC filtresiyle filtreleyemediğiniz elektriksel gürültüyü filtreler ve ölçüm cihazına (EMI receiver) gönderir.

Yani LISN’ler ürünününüzün şebekeye yaydığı en küçük elektriksel gürültüleri bile filtrelerler ve bu gürültü gerilimlerini ölçüm cihazına göndererek ölçülmesini sağlarlar.

Talk is cheap. Show me the code

Linus Torvalds

LISN Devre Şeması

Konuşmak kolay… Daha anlaşılır olması için devre şemasını hemen aşağıda paylaşıyorum.

Görselde LISN yazılı kısım, ekipmanın içerisindeki temel devre elemanlarını göstermektedir. MAINS yazılı kısım, şebeke tarafındaki L-N-PE bağlantısını; DUT (device under test) yazılı kısım ise test edilecek ürünün bağlanacağı L-N-PE noktalarını göstermektedir. Devre şemasında bakıldığında C-L-C elemanlarından oluşan bir EMC filtresi olduğu görülebilir. Faz-toprak ve nötr-toprak arası simetrik devre elemanlarından oluşmaktadır. Yani devrenin üst yarısı ile alt yarısı simetriktir. Vsense_N ve Vsense_L noktaları EMI receiver cihazının girişine giden ölçüm noktalarıdır. Ölçüm cihazı tarafından sırasıyla faz toprak arası ve nötr toprak arası ölçümler alınır.

Şebekeden gelen yüksek frekanslı gürültüler devrenin (L1 ve L2 bobinlerine göre) sol tarafındaki komponentler ile filtrelenmekte ve ölçüm tarafını etkilememektedir. Benzer şekilde ölçüm altındaki cihazdan yayılan yüksek frekanslı gürültüler devrenin sağ tarafı ve EMI receiver tarafında kalmakta; şebekeye çok yansımamaktadır.

LISN Komponent Değerleri

Farklı standartlara göre değerleri değişmek ile birlikte bir LISN içerisinde bulunan temel komponentlerin tipik değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. (CISPR 16-1-2, EN 55016-1-2 standartlarına göre)

Komponent	Değeri
L_LISN	50 μH
Cy_mains	8 μF
Cy_dut	250 nF
R_mains	5 ohm
R_dut	1 Kohm

Farklı standartlara göre, ölçüm frekansı ve anma akım değerleri farklı LISN’ler mevcuttur. Yazının sonunda bununla ilgili özet bir tablo verilmiştir.

Komponent değerleri ve ölçüm frekans bölgesi ürün tipine ve ilgili standarda göre değişmesine rağmen konunun daha iyi anlaşılması için örnek olarak bu yazı boyunca 150 KHz – 30 MHz bölgesi ve yukarıdaki tablo değerlerine sadık kalacağım.

LISN Tam Olarak Nasıl Çalışır?

Konunun belki de en kritik ve akıllarda en çok soru işareti bırakan noktasına geldik. Ben bunun sebebinin LISN ve EMI receiver devrelerinin nasıl olduğunun bilinmemesinden kaynaklı olduğunu düşünüyorum. Tasarlanan devrenin şeması çok iyi biliniyor; ancak ölçüm devresi bilinmiyor.

Bir önceki bölümde LISN devresini vermiştim. Şimdi de EMI receiver devresinin olaya nasıl dahil olduğunu aşağıda veriyorum.

Receiver yazan bölgedeki direnç, EMI receiver’ın girişindeki 50 ohmluk direnci temsil ediyor. Bu kadar.

Şimdi devrenin yorumlamasına geçebiliriz!

Yazının en başında LISN ile hem diferansiyel hem de common (ortak) mod akımların ölçülebildiğini yazmıştım. Şimdi de arkasındaki mekanizmayı devre üzerinden aktaracağım.

Diferansiyel Mod Akımlar

Diferansiyel mod akımlar devrenin normal çalışmasından kaynaklanan akımlardır. En basit anlamda faz iletkeninden gidip nötr iletkeninden dönen akım olarak düşünebiliriz.

Devrenin yeterli filtrelemeye sahip olmadığını varsayarsak Şekil 3 üzerindeki devre üzerinde diferansiyel akımın izleyebileceği bir kaç patika vardır.

Bunlardan birincisi kırmızı oklar ile gösterilmiştir. Akımın bir kısmının da Receiver’ın 50 ohm giriş direnci üzerinden geçtiğine dikkat çekmek isterim. Bu patikadan geçişi sırasında 50 ohm üzerinde bir gerilim oluşturur. Receiver da bu gerilimi okuyarak ekranda gösterir. İşte bu kırmızı patika ile gösterilen yol, diferansiyel mod akımların teste etkidiği patikayı göstermektedir.

Bir diğer akım patikası Cy_mains kapasiteleri üzerinden olabilir. Farklı bir akım patikası ise şebeke kabloları ve AC kaynak üzerinden olabilir.

Bu patikaların tamamı endüktif ve kapasitif elemanlar içerdiği için frekans bağımlıdır. Akımın aktığı patika frekansı göre değişmektedir. Bu değişim basit bir SPIC frekans taraması ile görülebilir.

Devrenin diferansiyel mod akımlarının gördüğü empedansın ilgili frekans bandındaki değişimi aşağıdaki SPICE modeli ile bulunmuştur.

Görüldüğü gibi empedans gittikçe artmış; 1000 ohm’un çok az üzerinde sabitlenmiştir.

Common (ortak) mod akımlar

Bu konulara yeni başlayan mühendislerin en çok zorlandığı kısma geldik. Çünkü bu noktada artık devreye kendi koyduğumuz devre elemanlarını değil, koymadığımız; ancak olmasını da tamamen engelleyemediğimiz parasitik komponentleri düşünmeye başlıyoruz. Bu akımların nasıl oluştuğunu daha sonra yazacağım Common (ortak) mode akımlar nasıl oluşur? yazımda bulabilirsiniz.

Hızlıca özet geçersek, devremiz üzerinde yüksek hızlı anahtarlama ve/veya yüksek gerilimde anahtarlama ve parasitik olarak adlandırdığımız kapasitörler nedeniyle devreden toprağa karşı sürekli olarak bir akım akışı bulunur. Bu akımlar common (ortak) mode akımlardır. Şekil 6’da görüleceği üzere faz ve nötr hatlarından toprağa doğru akarlar. Burada önemli olan gerilimin ya da zamanın değişim miktarından çok birbirine oranlarıdır.

Yani $dV = 500 \:V$ ya da $dV = 5 \:V$ veya $dt = 100 \:ns $ ya da $dt = 1 \:ns $ den çok bu ikisinin birbirine olan oranı önemlidir.

$$ \frac {dV}{dt} = \frac {500 \:V}{100 \:ns} =5 \:V/ns $$

$$ \frac {dV}{dt} = \frac {5 \:V}{1 \:ns} = 5 \:V/ns $$

Bu iki anahtarlama olayının yaratacağı common (ortak) mod akımlar aynıdır. Literatürde “slew rate” olarak geçer.

Yine bir devre üzerinden örnek verecek olursak: Devrenin sağ tarafında, MOSFET’in drain bacağı ile earth arasındaki kapasitör parasitik bir kapasitörü modellemek amacıyla koyulmuştur. Bu devrenin bir offline flyback olduğunu düşünürsek drain bacağı her anahtarlama periyodunda 0 V ile 500 V arasında 100-200 nanosaniye mertebelerinde anahtarlanmaktadır. Bu akım faz ve nötr hatlarından gelip drain bacağından toprağa doğru akmaktadır. LISN ise yine akım patikasında bulunduğu için bu akımları ölçüp ekranda gösterebilmektedir.

Bu akım tamamen önlenememekte; ancak özellikle PCB çizimi ve sistem tasarımı yaparken bazı noktalara dikkat edilerek azaltılabilmektedir.

---

Son olarak yazının başlarında bahsettiğim farklı standartlara göre LISN parametreleri tablosunu da aşağıda veriyorum:

Frekans Aralığı [MHz]	Endüktans [$\mu H$]	Anma Akımı [A]	EMI standardı
0.15 – 30	50	25	FCC, CISPR, 11/22/13-/14-/15 /EN/AS/NZS
0.15 – 30	50	50	FCC, CISPR, EN, AS/NZL
0.15 – 400	5	25	FAA – RTCA DO160C,D,E,F
0.01 – 10	50	30	MIL-STD 461D, E, F
0.01 – 108	5	50	CISPR 25
0.15 – 30	50	15	FCC, CISPR, EN, AS/NZS
0.01 – 30	250 & 50	15	CISPR, EN
0.01 – 30	250 & 50	10	CISPR, EN

Sonuç

LISN’ler EMC testlerinin vazgeçilmez bir ölçüm ekipmanıdır. Ürününüzün ürettiği elektriksel gürültüyü süzerek EMI receivera gönderir ve ölçülmesini sağlarlar.

Konuyu toplarlayacak olursak, bu yazıda:

• LISN’in ne olduğu ve ne amaçla kullanıldığını,
• Bir LISN’in devre şeması ve devre elemanlarının tipik değerlerini ve bir EMI receiver ile elektriksel olarak nasıl bağlandığını,
• LISN içerisinde diferansiyel ve coomon /orta) mod akımların hangi akım patikalarını izlediğini ve nasıl okunduğunu,
• Son olarak da farklı standartlardaki LISN parametreleri tablosunu aktarmış oldum.

Bir sonraki yazıda LISN’lerin neden gerekli olduğunu bir örnek üzerinden aktarmayı düşünüyorum.

En kısa sürede görüşmek üzere, ARGE’yle kalın!

---