CENNI DI COMPATIBILITA` ELETTROMAGNETICA

Corso di Elettrotecnica V.O.
Corso di Laurea di Ingegneria Aerospaziale
a.a. 2001-2002
• Sorgenti di disturbi elettromagnetici
• L’ambiente elettromagnetico
CENNI DI COMPATIBILITA’
ELETTROMAGNETICA
• Controllo delle interferenze
elettromagnetiche (EMI)
• Misure di compatibilità elettromagnetica
(EMC)
Prof. M.S. Sarto
Classificazione delle sorgenti di interferenza
elettromagnetica (EMI)
Sorgenti cosmiche
SORGENTI EMI
NATURALI
ARTIFICIALI
IntenzionalI
SORGENTI NATURALI
Non intenzionali
• EMI su trasmissioni radio nella banda di
frequenze 2-30 MHz
• EMI su comunicazioni satellitarie nella
banda di frequenze tra 150 MHz e 500 MHz
Fulmine
sorgente EM a larga
banda
i(t)
I(ω)
IM
(di/dt)M : tangente massima
Tf : tempo di salita
all’emivalore
Te
: tempo
Negative (descending)
0.9 IM
0.5 IM
0.1 IM
Tf
IM : corrente di picco
Te
time [µs]
0.1
1000
10
frequency [kHz]
SORGENTI ARTIFICIALI
NON INTENZIONALI
• Apparati industriali scientifici e medici
(ISM)
• Elettrodomestici
• Reti di energia
Positive
First stroke
Following strokes
(ascending)
IM [kA]
34
13.4
43
Tf [µs]
8.5
1.2
33
Te [µs]
73
31
300
(di/dt)M [kA/µs]
14
39
2.6
EMI Source
Frequency-range
Commutator motors
up to 300 MHz
Commutation circuit
100 kHz - 30 MHz
Human electrostatic discharge
up to 1 GHz
Solid state commutators
300 kHz - 500 MHz
Switched-mode power supplies
1 kHz – 100 MHz
Digital logic
1 kHz - 500 MHz
Domestic electrical appliance
50 Hz - 230 MHz
Fluorescent lamp
100 kHz - 3 MHz
Apparati industriali, scientifici, medici (ISM)
Elettrodomestici
sorgenti EM a larga banda
• generatori di calore a
radio frequenza e a
micro-onde
• fornaci
• starter di veicoli
• lampade fluorescenti
• dispositivi di
regolazione della
tensione
• apparati di
telecomunicazione
• sorgenti
elettromagnetiche ad
alta frequenza
utilizzate per scopi
diagnostici e
terapeutici
• dispositivi con motore a commutazione
⇒ frullatori, macina-caffè, ventilatori
• dispositivi con motore ad induzione
• condizionatori, climatizzatori
Reti di energia
Reti di alta tensione:
Irregolarità della tensione di alimentazione:
• guasti
•
alimentazione non simmetrica
• operazioni di apertura e chiusura di interruttori
• rottura di isolamenti
•
lente variazioni della tensione
•
variazioni della tensione dovute
all’inserzione o al disinserimento di carichi
intermittenti e a carichi industriali tempovarianti
•
spikes di tensione
•
carichi elettrici con caratteristica non
lineare
• scarica di spinterometri
• microscariche dovute al corona
Reti di media e bassa tensione:
• guasti
• operazioni di apertura e chiusura di interruttori
• fenomeni di arco tra contatti striscianti in
dispositivi elettromeccanici a collettore
SORGENTI ARTIFICIALI INTENZIONALI
Canali di telecomunicazione su
linee di energia
EMI Source
Low frequency communication and
navigation aids
AM broadcast
Sorgenti di interferenza nell’intervallo di
HF amateur
frequenze fino ad alcune centinaia di kilo-hertz
HF communications
Citizen’s band
VHF amateur
Fixed and mobile communications
Television (VHF)
FM broadcast
Television (UHF)
Radar
Scariche elettrostatiche
14 – 500 kHz
500 kHz – 1.6 MHz
18 – 30 MHz
1.6 – 30 MHz
27 – 27.5 MHz
50 – 225 MHz
900 MHz– 1 GHz
54 – 216 MHz
88 – 108 MHz
470 – 890 MHz
1 – 10 GHz
Definizioni
L’addensamento di cariche elettriche sulla superficie di
materiali isolanti può essere originato per frizione,
contatto, ionizzazione, effetto fotoelettrico.
Negli apparati elettronici le scariche elettrostatiche
(ESD) sono generate principalmente dall’operatore.
v [kV]
Frequency range
La compatibilità elettromagnetica è l’abilità di un oggetto,
costituito da un componente, un apparato o un
sistema, a funzionare in modo soddisfacente in un
ambiente elettromagnetico senza generare disturbi che
possono degradare le prestazioni di altri oggetti che
appartengono allo stesso ambiente.
i [A]
L’emettitore denota un oggetto o un fenomeno che
costituisce una sorgente di energia elettromagnetica, il
suscettore è un oggetto che può ricevere energia
elettromagnetica.
L’emissione e la suscettività di un oggetto può essere
condotta o irradiata.
2 - 5 ns
time
2 - 5 ns
time
Definizioni
Sorgente e vittima
Il disturbo EM prodotto dalla sorgente può degradare
le prestazioni della vittima.
RE
RS
Il disturbo è condotto se è guidato lungo un percorso
di propagazione, irradiato se è libero di
propagarsi nello spazio.
E
L’interferenza elettromagnetica (EMI) definisce la
degradazione di una prestazione.
S
CE
CS
I termini disturbo e interferenza sono spesso usati
indiferentemente.
Il livello di compatibilità EM è il livello massimo
specificato di disturbo EM che può essere
applicato ad un oggetto che lavora in condizioni
particolari.
Definizioni
L’immunità e la suscettività rappresentano rispettivamente
l’abilità e l’inabilità di un oggetto a funzionare senza
degradarsi in un ambiente elettromagnetico.
E:
CE :
RE :
Emettitore
Emissione condotta
Emissione irradiata
S:
Suscettore
CS : Suscettività condotta
RS : Suscettività irradiata
AMBIENTE ELETTROMAGNETICO
è descritto dai parametri geometrici ed
elettrici caratteristici della regione nella quale
gli apparati elettrici o elettronici lavorano.
Il limite di emissione è il livello massimo specificato di un
disturbo elettromagnetico.
Il limite di immunità è il livello massimo specificato di
disturbo elettromagnetico per il quale l’oggetto è
capace di operare fornendo le prestanzioni richieste.
Il margine di compatibilità elettromagnetica è la differenza
tra il limite di immunità di un oggetto e il limite di
emissione da una sorgente elettromagnetica.
radio
TV
domestic
electrical
appliances
power
supply
LV/MV
Definizioni
Forme d’onda caratteristiche di
disturbi elettromagnetici
I requisiti “inter-system” di compatibilità
elettromagnetica specificano i vincoli ai quali
il sistema deve soddisfare al fine di garantire
a se stesso di funzionare in modo corretto.
Il disturbo elettromagnetico può essere
costituito da campi elettromagnetici, cariche
elettriche, tensioni e correnti, rappresentate nel
dominio della frequenza o del tempo.
I requisiti “intra-system” di compatibilità
elettromagnetica regolamentano le relazioni
elettromagnetiche tra sistemi.
• periodici
• transitori
• casuali
Disturbi periodici
a(t)
a(t)
I+III
Disturbi transitori
I
I
III
a(t)
V
I+V
a(t)
time
a(t)
time
| A(ω) |
0
f0
t0
time
time
time
t1
frequency
a(t)
Disturbi casuali transitori
| A(ω) |
a(t)
t0
frequency
time
k
| A(ω) |
a(t)
T
0
time
frequency
time
Accoppiamento conduttivo
Id
MODALITÀ DI ACCOPPIAMENTO
EMI
SOURCE
con
propagazione
VICTIM
EQUIPMENT
IRRADIATIVO
CONDUTTIVO
senza
propagazione
Vd
senza
propagazione
capacitivo
(campo elettrico)
con
propagazione
(elettromagnetico)
induttivo
(campo magnetico)
COMUNE
modi di accoppiamento
e
DIFFERENZIALE
Id
VICTIM
EQUIPMENT
Vd
Vd
Id
Id
Vd
Id
VICTIM
EQUIPMENT
Modo di accoppiamento induttivo
Accoppimento conduttivo tra le reti di
terra di due apparati
source
Is
Φs
victim
loop
EQUIPMENT 2
EQUIPMENT 1
Modo di accoppiamento capacitivo
GROUND LOOP
source
Es
victim
Vs
Modo di accoppiamento
irradiativo con propagazione
CONTROLLO DELL’INTERFERENZA
ELETTROMAGNETICA
victim
E, H
source
E, H
I dispositivi di protezione e le tecniche di riduzione
dei disturbi condotti ed irradiati sono sviluppati al
fine di prevenire danni e malfunzionamenti di
apparati e sistemi.
Tecniche di riduzione dell’accoppiamento induttivo
Is
source
Φs
source
victim
loop
Φs
Is
Φp
victim
loop
shielding loop
Is
Is
source
Φs
+
−
+
−
Φs
victim
loop
loop
source
Vs
source
victim
Tecniche di riduzione
dell’accoppiamento capacitivo
Es
Ip
victim
FILTRI E DISPOSITIVI DI PROTEZIONE
La protezione dai disturbi condotti si basa
sull’uso di filtri, scaricatori, soppressori,
che consentono di filtrare, eliminare o
attenuare armoniche, sovratensioni e
sovracorrenti.
Filtri
• Per applicazioni di potenza o di segnale
• Classificazione:
– passa-basso
– passa-alto
– passa-banda
– elimina-banda
• Perdita di inserzione (IL): rapporto tra le tensioni
prima (V1) e dopo (V2) l’inserzione del filtro
Filtro capacitivo passa basso
Zs
R
Es
V 
IL dB = 20 log  1 
 V2 
[dB]
60
40
(1)
(2)
20
(3)
0
1
10
100
Zs = ZL = 50 Ω
R = 0.04 Ω
L=5
nH
(1) : C = 0.1
µF
(2) : C = 10
nF
(3) : C = 1
nF
[MHz]
(—) con parametri parassiti
(—) senza parameteri parassiti
ZL
L
R : resistenza parassita
L : induttanza parassita
In configurazioni pratiche parametri parassiti
possono modificare in modo significativo la perdita
di inserzione del filtro.
Perdita di inserzione del filtro
C
Dispositivi di protezione
Caratterististica tensione-corrente non lineare:
• alta impedenza rispetto al terreno durante le
condizioni normali di funzionamento
• corto circuito a terra in presenza di una
sovratensione
gas arresters
spinterometri
varistori ad ossido di
metallo
diodi soppressori
• alta capacità di assorbimento
dell’energia della sovratensione
• tensione quasi costante sul carico
in presenza della sovratensione
• non possono condurre
correnti elevate
• tensione costante sul carico in
presenza della sovratensione
Sovratensione transitoria
Le caratteristiche diverse di gas arresters, varistori e
diodi soppressori sono combinate nella realizzazione di
circuiti di protezione multistadio
Tf = 1 µs
[V]
CAP 1
~v1
1k Ω
10 Ω
P6T
vv1 1
~v2
UC 230
50 V
VM = 2.1 kV
2500
2000
~v 3
1500
10 Ω
CAP 1
Vv
33
v2
Te = 50 µs
50 Ω
15 V
1000
500
0
0.01
0.1
1
10
time [µs]
100
1000
Schermatura
v1
tensione misurata
sul primo stadio
100 V/div
Le prestazioni di uno schermo dipendono da:
• parametrici elettrici e geometrici dello schermo
• caratteristiche dell’onda elettromagnetica incidente
Le prestazioni di una configurazione schermante sono
espresse in termini dell’efficienza di schermatura:
100 ns/div
SEdBE = 20 log
v3
tensione misurata
sul terzo stadio
E
Eˆ
SEdBH = 20 log
H
Hˆ
E, H : campi elettrico e magnetico in assenza di schermo
5 V/div
100 ns/div
Eˆ , Hˆ : campi elettrico e magnetico nella stessa posizione in
presenza dello schermo
Configurazioni chiuse
Struttura schermante con cavo passante
EQUIPMENT
2
EQUIPMENT
1
Id
Interazione di un’onda piana con uno schermo
piano indefinito
d
Ei
n
i
Hi
Hr
nr
Er
z
σ
ε
µ
Campo lontano ( r > λ )
L’onda piana si propaga nella direzione
normale all’asse dello schermo
t
E
Id
nt
Ht
L’onda incidente è parzialmente riflessa e
parzialmente transmessa attraverso lo schermo
L’efficienza di schermatura al campo elettrico è
coincidente con l’efficienza di schermatura al
campo magnetico:
SEdBE = SEdBH = SEdB
Schermo di elevata conducibilità
(alluminio, rame)
SEdB = AdB + RdB + BdB
AdB : coefficiente di perdita di assorbimento
SEdB ≅ AdB + RdB
RdB : coefficiente di perdita di riflessione
BdB : coefficiente di perdita per riflessioni multiple
BdB trascurabile per d >>
δ
d : spessore dello schermo
f : frequenza [Hz]
δ : profondità di penetrazione
δ = (π µ f σ )−1 2
Efficienza di schermatura di uno schermo in rame
per onda piana incidente
[dB]
300
SEdB
RdB
200
100
AdB
0
 σ 
RdB = 168 + 10 log  r 
 f µr 
AdB = 131.4 d ( f µ r σ r )1 2
d : spessore dello schermo [m]
σ r =σ σ Cu
µ r =µ µ 0
σCu = 5.8⋅107 S/m
µ0 = 4π⋅107 H/m
Material
σ
[S/m]
µr
η
[Ω]
Aluminum
2.8⋅107
1
3.8⋅10-6
Mumetal # 1
1.5⋅106
1.5⋅105
6.3⋅10-3
Mumetal # 2
0.5⋅106
0.5⋅105
6.3⋅10-3
Transformer-grade iron
2.2⋅106
4⋅103
8.5⋅10-4
BdB
-100
1
10
10
2
10
3
10
4
fre que nc y [Hz]
spessore : d = 1.264 mm
10
5
10
6
impedenza intrinseca
dello schermo:
η = ( j ω µ σ )1 2
Coefficiente di assorbimento AdB a 50 Hz
AdB [dB]
100
Campo vicino ( r < λ )
Il coefficiente di assorbimento assume lo stesso
valore in configurazioni di campo vicino e di
campo lontano.
mumetal #1
10
transformer-grade iron
mumetal #2
1
aluminum
0.1
0
0.5
1.5
1
sheet thickness [mm]
2.0
Campi magnetici a bassa frequenza possono
essere schermati utilizzando materiali con:
• alta permeabilità magnetica
• bassa conducibilità elettrica
• minori perdite per riflessione
• maggiori perdite per assorbimento
Il coefficiente di riflessione assume espressioni
differenti per sorgenti di campo elettrico e
magnetico ed è definito come funzione della:
• impedenza d’onda del campo
elettromagnetico Zw
• impedenza intrinseca η
L’efficienza di schermatura cresce:
• con la conducibilità dello schermo, con la
permeabilità e con lo spessore
• utilizzando schermi multistrato realizzati di
materiali differenti
Strati altamente conduttivi e strati fortemente
magnetici sono assemblati per realizzare
schermi elettromagnetici efficienti per un ampio
spettro di frequenza
Modellistica EM di pannelli in
composito in fibra di carbonio
Definizione di pannello equivalente
Tensors of effective
conductivity and permittivity
90°
d
εf, σf
εm, σm
one carrier
{
σ eff = diag σ t
y
…
σ p σ p}
{
ε eff = diag ε t
ε p ε p}
w
x
y
z
z
x
d'
µ0, ε0
d’
y- or z- polarized field “sees” the composite panel as
an effective layer characterized by the same EM
properties along the y- and z-axes
σt , σp and εt , εp are expressed as functions of the:
Matrice in resina, rinforzata da fibre di
• conductivity σf and permittivity εf of the carbon
fibers;
carbonio, boro, Kevlar, vetro ...
• permittivity εm of the epoxy resin;
• fiber volume ratio ρf
Typical values for CF composites:
• σp = 1 kS/m - 10 kS/m
• σt negligible
• εp = (4 - 5) ε0
• εt = (5 - 6) ε0
• ρf = 20% - 50%
• pannelli sottili
multistrato
• ridotta conducibilità
elettrica volumetrica
• forti caratteristiche di
anisotropia elettrica
• elevata resistività
elettrica superficiale
• elevate prestazioni
meccaniche
• uso di vernici metalliche
o griglie conduttrici
Connessione delle masse
Bonding
connessione equipotenziale a o tra
strutture metalliche
La rete di collegamento (bonding) è
generalmente connessa alla rete di terra e
può avere configurazione sia a stella sia a
maglia.
Bonding
Network
struttura metallica costituita da fili e
cavi, che realizza una interconnessione
equipotenziale tra diversi apparati
In reti a stella (o radiali) ogni apparato è
direttamente connesso da un unico
collegamento alla rete di terra.
connessione fisica di apparati a terra
Reti a maglia sono costituite da un grande
numero di conduttori di interconnessione.
Grounding
Grounding
Network
griglie conduttrici ed elettrodi in intimo
contatto con il terreno, che realizzano la
connessione a terra del sistema
I vantaggi di configurazioni radiali e magliate
sono combinati nelle reti di collegamento
ibride.
MISURE DI COMPATIBILITA’
ELETTROMAGNETICA
Le misure di EMC consentono di definire:
POWER
SUPPLY
Misure di
emissione condotta
• la suscettività di un oggetto;
• le prestazioni di filtri e dispositivi di
protezione.
Misure di
suscettività
condotta
EUT
MEASURING
EQUIPMENT
• l’efficienza di schermatura di cavi,
pareti metalliche o strutture;
• i disturbi radiati o condotti dovuti a
sorgenti elettromagnetiche;
COUPLING
NETWORK
POWER
SUPPLY
COUPLING
NETWORK
DISTURBANCE
GENERATOR
EUT
TESTING
EQUIPMENT
MEASURING
EQUIPMENT
Siti di misura in campo aperto
Misure di
emissione irradiata
EUT
MEASURING
EQUIPMENT
Misure di suscettività irradiata
EUT
AMPLIFIER/
SIGNAL
GENERATOR
Sito in campo aperto
minimum area
cleared of
reflecting
objects
Siti di misura in campo aperto sono particolarmente
adatti per misure irradiate perché non sono presenti
oggetti riflettenti.
Il maggiore svantaggio consiste nel fatto che siti in
campo aperto non offrono alcuna protezione contro
le sorgenti di disturbo esterne, naturali o artificiali.
TESTING
EQUIPMENT
La posizione dell’installazione del sito aperto deve
essere caratterizzata da bassi livelli di inquinamento
elettromagnetico.
MEASURING
EQUIPMENT
Siti di misura in spazio chiuso
D
D √3
EUT
antenna
• Camera schermata
• Camera riverberante
foci of the
ellipse
• Camera anecoica
• Cella TEM
2D
Distance [m]
Frequency [MHz]
100
≤ 30
30
30 – 100
• Cella GTEM
10
100 - 300
3
≥ 300
Camera riverberante
Camera schermata
Per prove di immunità si utilizzano camere
reverberanti.
Le camere schermate presentano attenuazione di
circa 100 dB del campo EM esterno nella
banda di frequenza da alcune decine di kilohertz fino a 10 GHz.
Sono realizzate da pareti altamente riflettenti, sia
internamente che esternamente, in modo tale
da potere essere usate per prove condotte al
di sotto di 30 MHz.
Una camera riverberante è una struttura chiusa
nella quale il campo elettromagnetico prodotto
da antenne emittenti è agitato da un dispositivo
di dimensioni confrontabili con la lunghezza
d’onda, quale ad esempio un rotore con pale
metalliche.
Questo dispositivo produce un campo EM
all’interno della camera che si può considerare
mediamente isotropo ed omogeneo.
Camera anecoica
Prove di emissione e suscettività irradiate possono
essere condotte all’interno di camere anecoiche che
sono camere schermate con le pareti interne
ricoperte di materiale assorbente a forma di
piramide.
Cella TEM
Celle TEM (Transverse Electro-Magnetic) o celle di
Crawford sono utilizzate per prove di immunità in
ambiente controllato.
All’interno della cella viene generata un’ onda EM piana
di tipo trasverso magnetico (TM) a frequenze fino
a 300 MHz.
Cross-section
reflecting wall
w
b
t
Top view
insulating
spacers and
supports
Side view
l/2
l
l/2
l
central
electrode
0.92 l
w
access
door
b
insulating spacers
and supports
central
electrode
Cella GTEM
SE Measurements
La cella GTEM (Gigahertz Transverse ElectroMagnetic) consiste di una sezione di linea di
trasmissione a 50 Ω con un piccolo angolo di
apertura di circa 15°.
resistor board
inner conductor
Coaxial Waveguide
Test standard ASTM 4935D:
9 widely used
9 high accuracy and reproducibility
9 limited external influences
⊗ only planar samples
GENERATOR
⊗ limited frequency range: ~ 30 MHz - 1.5 GHz
SE Measurements
Coaxial Waveguide
Shielding Measurements
Anechoic Room
Diagram of test set-up
9 wide frequency range
9 3D samples
Network Analyzer
Sample
Holder
HP 8753E
load
sample
n
Emitting
Antenna
E
H
Sample
Coaxial
Cables
reference
sample
Shielding Measurements
Anechoic Room
Diagram of test set-up
1.2 m
Sample
Under Test
Receiving
Antenna
9 study of the influence
of the bonding system
on SE
SE ⇒ comparison of the
received signal:
⊗ reflection
• open aperture
⊗ limited dynamic range
• sample occluding the aperture
⊗ influence of source
⊗ resonances
Shielding Measurements
Anechoic Room
Diagram of test set-up
1m
Emitting
Antenna
1m
Emitting
Antenna
IN
OUT
1.6 m
Horn Antenna
IN
OUT
IN
FORW
REFL
Far Field
Configuration
OUT
IN
OUT
IN
OUT
Printed Loop
Antenna
(Magnetic
Dipole)
Near Field
Configuration
MISURE DI EFFICIENZA DI SCHERMATURA CON IL METODO
DELLE CAMERE RIVERBERANTI
Camere riverberanti del NIST
(National Institude of Standards and Technology),
Boulder, CO, USA
Apertura, situata sulla superficie superiore della piccola
camera riverberante sulla quale si pone il pannello di materiale
da caratterizzare