introduzione alle misure di compatibilita` elettromagnetica

Definizione di compatibilità
elettromagnetica (EMC)
Scienza che studia la capacità di una qualsiasi
apparecchiatura di funzionare in modo
soddisfacente in un ambiente soggetto a
disturbi elettromagnetici, senza produrre
disturbi intollerabili ad altri apparati durante
il loro normale funzionamento.
Condizioni necessarie per la
verifica della EMC
– senza produrre disturbi intollerabili: l’apparecchiatura
emette disturbi che non inficiano il funzionamento di altri
dispositivi presenti nello stesso ambiente;
– funzionare in modo soddisfacente: il funzionamento
dell’apparecchiatura non viene pregiudicato dai disturbi
emessi da altri dispositivi presenti nello stesso ambiente
Affinché sia compatibile
elettromagneticamente il dispositivo deve
verificare entrambe le condizioni !!
Condizioni necessarie per la
verifica della EMC
Criteri da soddisfare
Non causare interferenze con altri sistemi (EMISSIONI)
Non essere suscettibile alle emissioni di altri sistemi
(IMMUNITA’)
Non causare interferenze con se stesso (COMPATIBILITA’
INTERNA)
Le origini
• 1920: appaiono i primi articoli specialistici sulle
interferenze radio
• 1930: interferenze dovute a motori elettrici, linee
ferroviarie elettriche
• II guerra mondiale: radio, sistemi elettronici di
navigazione e radar. Soluzione: organizzare
meglio le frequenze dello spettro, all’epoca poco
affollato, o spostare i cavi lontano dalle sorgenti.
Le origini
• Anni ‘50 -> ’70: transistor bipolare, circuito
integrato, circuiti a microprocessore.
• Elaborazione numerica dei segnali: aumento
della velocità di commutazione dei dispositivi,
generazione di disturbi a banda larga, vicinanza
dei dispositivi a causa dell’integrazione.
Successivamente…
• …l’aumento nel numero di dispositivi elettronici
presenti in ambienti residenziali estese il
panorama di applicabilità dell’EMC anche in
questi ambienti
Esempio: i processori operanti a 100 MHz possono
emettere disturbi nella banda destinata alla
trasmissione FM, riducendo la qualità del segnale
ricevuto
Esempi
dai meno gravi…
• Bande di interferenza sulla TV quando è acceso
un motore elettrico: radiazione diretta o
accoppiamento via cavo.
• Raddrizzatori in una fotocopiatrice si
sovrapponevano al segnale di sincronizzazione di
orologi a muro, azzerandoli
• Antifurto, cancello elettrico non funziona in
presenza di forti campi EM
…ai tragici
• A bordo della nave HMS Sheffield il sistema di rilevazione
antimissile interferiva con la comunicazioni radio: i piloti
lo spensero e la nave fu affondata…
• Molte missioni fallite dell’ elicottero Black Hawk furono
attribuite alla suscettibilità ai segnali emessi dai radar
• Sulla Forrestal, nel Luglio ‘67, un incendio sul ponte
provocò la perdita di uomini e mezzi; la causa fu attribuita
a un segnale radar che fece scoccare una scintilla su un
connettore.
Legislazione
Europea e Italiana
• Pubblicazione nel maggio 1989 della Direttiva del Consiglio Europeo 89/336
sulla compatibilità elettromagnetica, modificata dalle Direttive 92/31, 93/68,
91/263 e 93/97, entrata definitivamente in vigore nel gennaio del 1996
• Recepimento in Italia della Direttiva 89/336 con Decreto Legislativo n° 615
del 12/11/96 e Circolare ministeriale GM 1030558/4207 del 29/5/97
• Pubblicazione di Guide di applicazione UE (1997) e CEI (1998), per
l’interpretazione della Direttiva Europea
• Costituzione, subito dopo la pubblicazione della Direttiva Europea, del CT 210
“Electromagnetic Compatibility” nel CENELEC e del CT 210 “Compatibilità
Elettromagnetica” nel CEI (prima esisteva un CT corrispondente al CISPR e un
CT corrispondente al TC 77)
• Direttiva 108/04/CE a valle del progetto SLIM di semplificazione della
legislazione
Dispositivi interessati
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
elettrodomestici
trasmettitori radio e televisivi
ricevitori radio e televisivi
apparecchiature radio mobili
apparecchiature elettromedicali
apparati per illuminazione
lampade fluorescenti
macchine industriali
apparecchiature elettroniche per scopi didattici
apparati della tecnologia dell’informazione
ricetrasmettitori CB e LPD
KIT per montaggio “fai-da-te”
componenti con funzione intrinseca ai fini dell’utilizzatore finale
….
Misure da eseguire per verificare
l’EMC
– Misure di emissione
• Disturbi (generati) radiati
• Disturbi (generati) condotti
– Immunità (o al contrario suscettibilità)
• Disturbi (esterni) radiati
• Disturbi (esterni) condotti
Misure da eseguire per verificare l’EMC
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
misure di emissione
- condotte
- radiate
prove di immunità
- condotta
- radiata
Misure da eseguire per verificare l’EMC
EMISSIONI CONDOTTE
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
Misure da eseguire per verificare l’EMC
EMISSIONI RADIATE
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
Misure da eseguire per verificare l’EMC
IMMUNITA’ CONDOTTA A DISTURBI TRANSITORI
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
Misure da eseguire per verificare l’EMC
IMMUNITA’ CONDOTTA A DISTURBI CONTINUI
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
Misure da eseguire per verificare l’EMC
IMMUNITA’ RADIATA
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
Organismi di Normazione
International Electrotechnical
Commission
IEC (Internazionale)
ADVISORY
COMMITTEE
ON EMC
CISPR
TC 77
TC 210
ETSI
PRODUCT
COMMITTEES
STANDARDS
OVERVIEW
GROUP
PRODUCT
COMMITTEES
CENELEC (Europeo)
CISPR:
International
Special
Committee on
Radio
Interference
CEI (Italiano)
COMITATI DI
PRODOTTO
CT 210
Comitato
Elettrotecnico
italiano
European Committee
for Electrotechnical
Standardization
Tipi di norme
• Norme di base: contengono la descrizione delle configurazioni di prova, le
caratteristiche della strumentazione e le prescrizioni sui metodi di misura; poiché
non fissano dei limiti, non possono essere armonizzate, per cui non ci si può
certificare rispetto ad esse.
• Norme generiche: fissano i requisiti che le apparecchiature dovranno avere a
seconda dell’ambiente a cui sono destinate, senza tener conto del particolar tipo
di prodotto. Definiscono la strumentazione da impiegare in ambienti specifici.
Ad esempio viene spesso differenziato l’ambiente domestico e di industria
leggera (in cui l’energia elettrica viene fornita attraverso una linea condivisa da
altri impianti, causando maggiori problemi di EMC) dall’industria pesante (in cui
l’energia elettrica è fornita attraverso apposita cabina di trasformazione).
• Norme di prodotto (famiglia di prodotti): come le Norme generiche, fissano dei
limiti ma per specifici prodotti o categorie di prodotti.
• Norme Armonizzate: possono essere sia generiche che di prodotto, ovvero
norme che fissano dei limiti, le quali vengono emanate dalla Comunità Europea
al fine di essere poi armonizzate dagli stati membri, ovvero incluse nella
legislazione vigente.
Tipi di norme
ESEMPIO DI NORME DI BASE
Tipi di norme
ESEMPIO DI NORMA GENERICA
Tipi di norme
ESEMPIO DI NORMA DI PRODOTTO
Principali norme per le misure di emissione
Principali norme per le misure di emissione
Principali norme per le misure di emissione
La conformità con le norme si ha se le emissioni sono inferiori a
predeterminate soglie all’interno di predeterminate bande di
frequenza
Emissioni condotte: 150 kHz – 30 MHz
dBV
79
73
CLASSE A
66
60
56
CLASSE B
0.15
0.50
5
30
MHz
Principali norme per le misure di emissione
La conformità con le norme si ha se le emissioni sono inferiori a
predeterminate soglie all’interno di predeterminate bande di
frequenza
Emissioni radiate:
30 MHz – 1 GHz
dBV / m
47
CLASSE A
40
37
CLASSE B
30
0.03
0.23
1
GHz
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni condotte sulla linea di alimentazione
Responsabili delle emissioni sono sia i livelli delle correnti e/o tensioni
disturbanti ma anche il loro contenuto frequenziale (determinato soprattutto
dagli slew-rate dV/dt, dI/dt)
EMC PRE-COMPLIANCE
- Sonde di corrente e/o tensione
- Oscilloscopio digitale
- Analizzatore di spettro
EMC COMPLIANCE
- Line Impedance Stabilization Network (LISN)
- Ricevitore EMI
cavo di
alimentazione
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni condotte sulla linea di alimentazione
LISN
Principali funzioni della LISN:
1) Mantenere costante
l’impedenza vista dall’EUT
verso la rete elettrica
2) Filtrare disturbi esterni
provenienti dalla rete
elettrica
Misure significative e riproducibili !
RICEVITORE EMI
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni condotte
CONFRONTO ANALIZZATORE DI SPETTRO – RICEVITORE EMI
Nei ricevitori
l’input filter è un
BPF
Nei ricevitori EMI il VCO controlla
anche la sintonia dell’input filter
In ingresso è anche presente un Pre-Amplificatore per migliorare la
rivelazione di segnali a bassa potenza
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni radiate
Responsabili delle emissioni sono sia i livelli delle correnti e/o tensioni
disturbanti ma anche il loro contenuto frequenziale (determinato soprattutto
dagli slew-rate dV/dt, dI/dt)
EMC PRE-COMPLIANCE
- Sonde di campo vicino
- Oscilloscopio digitale
- Analizzatore di spettro
EMC COMPLIANCE
- Antenne di misura
- Ricevitore EMI
involucro
cavo di
alimentazione
EUT (equipment under test)
cavi di I/O
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni radiate
ANALIZZATORE DI
EMC PRE-COMPLIANCE
SPETTRO
NEAR FIELD PROBES
EUT
-Utili per individuare sorgenti di campo elettrico e/o magnetico
- Non idonee per misure assolute dei valori di campo elettrico e/o magnetico
- Utili per misure comparative (a parità di posizione si identificano le condizioni
operative più gravose, a parità di condizioni operative si identificano i “punti
caldi”) con analizzatore di spettro funzionante in modalità “Max Hold”
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni radiate
ANTENNA BI-LOG
EMC COMPLIANCE
RICEVITORE EMI
30MHz < f < 1 GHz
ANTENNA HORN
f > 1 GHz
Set-up ammesso per la
verifica del superamento dei
limiti applicabili
Antenna posta a distanza ed
in posizione predefinita
rispetto all’EUT
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni radiate
EMC COMPLIANCE
RIVELATORI DEL RICEVITORE EMI
Rivelatore di PICCO (peak detector)
E’ sensibile all’inviluppo del segnale
in ingresso, per cui spesso viene anche detto
rivelatore di inviluppo. Disturbi che si
ripetono con diversa frequenza danno
sostanzialmente la stessa indicazione.
Costante di carica “nulla”
Costante di scarica “piccola”
D
Vi
Rc
C
Rd
Costante di carica “nulla”
Costante di scarica “lunga”
Vd
Rivelatore di QUASIQUASI-PICCO
(quasi-peak detector)
Poiché il QP dipende dalla frequenza di
ripetizione del disturbo, il rivelatore QP
dà informazioni connesse con la reale
“pericolosità” del disturbo.
Strumenti di misura per la valutazione delle
emissioni radiate
EMC COMPLIANCE
RIVELATORI DEL RICEVITORE EMI
V
RIV. PICCO
V0
V
V0
V0
V0
t
V
RIV. QUASI PICCO
V0
V0
V0
t
V
t
V0
RIV. PICCO
V
V0
V
t
V0
t
RIV. QUASI PICCO
t
Ambienti di prova per la misura delle
emissioni radiate
Per ottenere misure affidabili e riproducibili è necessario garantire 2 condizioni
fondamentali:
1) Misurare solo le emissioni provenienti dall’EUT
2) Misurare le emissioni provenienti dall’EUT in condizioni di propagazione
standardizzate di “spazio libero” (almeno nel volume di misura)
OPEN AREA TEST SITE (OATS)
VANTAGGI
-Costi
- Possibilità di testare
dispositivi di grandi
dimensioni
SVANTAGGI
-Difficoltà nel rendere
trascurabile le
interferenze esterne
- Difficoltà nel realizzare
condizioni di
propagazione di “spazio
libero”
Ambienti di prova per la misura delle
emissioni radiate
Per ottenere misure affidabili e riproducibili è necessario garantire 2 condizioni
fondamentali:
1) Misurare solo le emissioni provenienti dall’EUT
2) Misurare le emissioni provenienti dall’EUT in condizioni di propagazione
standardizzate (almeno nel volume di misura)
CAMERA COMPATTA SCHERMATA e SEMIANECOICA
SVANTAGGI
VANTAGGI
- Assenza di interferenze
esterne
- Condizioni di
propagazione “costanti”
- Costi
- Dimensioni non
trascurabili (in relazione
alle distanze di misura)
- Difficoltà nel testare
dispositivi di grandi
dimensioni
Principali norme per le misure di immunità
Principali norme per le misure di immunità
Principali norme per le misure di immunità
IL CONCETTO DI “CRITERIO DI PRESTAZIONE”
E’ necessario inoltre definire il/i parametro/parametri da valutare per il monitoraggio
delle prestazioni secondo i 4 criteri sopra elencati
Principali norme per le misure di immunità
CONDOTTA
-Electrical Fast Transients (EN 61000-4-4)
- Surge transients (EN 61000-4-5)
- RF Continuous Wave (EN 61000-4-6)
- Dips and Interrupt (EN 61000-4-11)
IMMUNITA’
RADIATA
-Electrostatic Discharge (EN 61000-4-2)
- RF Continuous Wave (EN 61000-4-3)
- 50 Hz Magnetic field (EN 61000-4-8)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-4 (Transitori elettrici veloci a bassa energia)
CAUSE
Apertura/chiusura di switch/relay
su carichi induttivi
CONSEGUENZE
-Saturazione amplificatori nei
circuiti analogici
- Transizioni non desiderate nei
circuiti digitali
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-4 (Transitori elettrici veloci a bassa energia)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-4 (Transitori elettrici veloci a bassa energia)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-5 (Transitori ad alta energia)
CAUSE
-Transitori di commutazione
- Propagazione di impulsi di
fulminazione
CONSEGUENZE
- Distruzione degli apparati
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-5 (Transitori ad alta energia)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-6 (Disturbi a onda continua a RF)
CAUSE
-Campi e.m. intenzionali e non
che si accoppiano sui cavi
dell’apparato
CONSEGUENZE
- Saturazione amplificatori nei circuiti analogici
- Interferenze con sistemi di telecomunicazione
- Frequenza portante:
150 kHz – 80 MHz
-Modulante: sinusoidale AM
- Frequenza modulante: 1 kHz
- Profondità di modulazione: 80 %
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-6 (Disturbi a onda continua a RF)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-11 (Buchi di tensione e brevi interruzioni)
CAUSE
- Commutazioni di carichi
- Guasti sulla rete
CONSEGUENZE
- Malfunzionamento e/o spegnimento
degli apparati
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-11 (Buchi di tensione e brevi interruzioni)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-11 (Buchi di tensione e brevi interruzioni)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-11 (Buchi di tensione e brevi interruzioni)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-2 (Scariche elettrostatiche)
CAUSE
-Scariche elettrostatiche prodotte
da operatori che toccano gli
apparati
- Scariche elettrostatiche da
oggetti posti in prossimità degli
apparati
CONSEGUENZE
- Possibilità di distruzione dei circuiti
elettronici
- Possibilità di reset di apparati elettronici
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-2 (Scariche elettrostatiche)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-3 (Disturbi a onda continua a RF)
CAUSE
-Campi e.m. intenzionali dovuti a
trasmissioni RADIO, TV, Radio
amatori, comunicazioni militari
CONSEGUENZE
- Saturazione amplificatori nei circuiti analogici
- Interferenze con sistemi di
telecomunicazione
- Frequenza portante:
80 MHz – 2.4 GHz
-Modulante: sinusoidale AM
- Frequenza modulante: 1 kHz
- Profondità di modulazione: 80 %
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-3 (Disturbi a onda continua a RF)
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-8 (Campo magnetico a frequenza di rete)
CAUSE
-Trasformatori
- Linee di alimentazione
CONSEGUENZE
- Problemi per: video CRT, sensori a effetto
Hall, dispositivi sensibili al campo magnetico
Principali norme per le misure di immunità
EN 61000-4-8 (Campo magnetico a frequenza di rete)