Compatibilità Elettromagnetica nei sistemi elettronici

Compatibilità Elettromagnetica nei sistemi elettronici:
Collaudo e Certificazione
(con particolare riferimento ad EMI).
Guidi Ester.
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1. Introduzione.
Esistono innumerevoli esempi di interferenza elettromagnetica (EMI), che vanno dal
ricorrente allo straordinario, come del resto gli effetti da essi provocati , che possono arrivare anche
al catastrofico [1].
Gli effetti delle EMI qualche volta hanno valenza relativa, quale ad esempio la distorsione
della ricezione radio-televisiva, ma possono avere effetti secondari anche disastrosi attraverso il
guasto del prodotto. La mancanza di compatibilità tra i prodotti ed il relativo ambiente
elettromagnetico stà diventando un problema serio, e lo sarà sempre più con l'espansione dell'uso
delle telecomunicazioni mobili e dei dispositivi che incorporano controlli a microprocessori.
Le interferenze elettromagnetiche stanno diventando parte quotidiana della nostra esistenza,
e stanno crescendo sempre di più gli studi circa gli eventuali effetti negativi sulla salute umana
dell'esposizione prolungata e continua a campi elettromagnetici di una certa entità [2].
E' da tenere in forte considerazione nel mondo in cui viviamo oggi, in cui lo spettro delle
frequenze stà arrivando velocemente alla saturazione, anche l'inquinamento da campi
elettromagnetici. Oggigiorno bisogna valutare il parametro ambientale compatibilità
elettromagnetica così come se ne valutano gli altri come il rumore (fenomeno molto simile a quello
elettromagnetico, anche se più complesso, perchè le frequenze in gioco sono molto più elevate), le
vibrazioni, la temperatura, l'umidità, etc. La compatibilità elettromagnetica è infatti il risultato della
coesistenza senza interferenza reciproca degli apparecchi in uno stesso ambiente.
La direttiva dell'Unione Europea EMC 89/336/CEE che si applica alla quasi totalità degli
apparecchi elettrici e/o elettronici (dal macina caffè al telefono satellitare), è stata emessa nel 1989
ed opera dal 1° gennaio 1996. Essa prescrive di eliminare, o almeno di ridurre ai minimi termini, la
possibilità di generare interferenze e di essere disturbati dalle stesse, tramite la corretta
progettazione e realizzazione dei sistemi elettronici. Prevede, quindi, che tutti gli apparecchi
elettrici e/o elettronici commercializzati nel mercato dell'Unione Europea per usi civili ed industriali
debbano essere stati testati anche dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica per ottenere
la marcatura CE di conformità. L'impatto industriale di questa normativa è evidente e con questo
l'importanza di una progettazione elettromagneticamente compatibile.
2. Compatibilità Elettromagnetica e sue problematiche.
La compatibilità elettromagnetica è un fenomeno ben noto, ed esiste da quando le prime
antenne ed i ricevitori radio furono messi in opera; però fino a pochi anni fa, era un problema
esclusivo del settore delle telecomunicazioni, per il quale si sono anche studiati efficaci metodi per
la correzione dei segnali dalle interferenze di tipo elettromagnetico.
Durante e immediatamente dopo la seconda guerra mondiale, l'uso sempre più frequente di
dispositivi elettronici come le radio, gli strumenti di navigazione ed i radar nonché tutti quegli
apparecchi contenenti valvole a vuoto, rese l'interferenza un fenomeno altrettanto frequente. La
correzione della stessa, tuttavia, era ancora abbastanza facile, potendo essere effettuata sia tramite la
semplice riassegnazione delle frequenze di trasmissione che tramite un analisi 'caso per caso'.
Con andamento proporzionale rispetto al progresso della tecnologia, i problemi legati
all'interferenza elettromagnetica sono andati progressivamente aumentando, prima con
l'introduzione dei sistemi di calcolo ed elaborazione dati di tipo digitale, poi con il passaggio della
tecnologia a valvole con quella dei circuiti integrati e, soprattutto, con l'accelerazione incredibile,
iniziata verso la fine degli anni '70, della tendenza a passare dalla tecnologia di elaborazione dati di
tipo analogico a quella digitale.
Nel mondo odierno, la sempre crescente diffusione ed importanza dell'elettronica nelle più
svariate applicazioni ha portato ad avere una tale concentrazione di sorgenti di rumore
elettromagnetico, oltretutto così ricco di contenuto spettrale, da saturare tutte le frequenze
disponibili e da generare un livello di interferenza reciproca del tutto inaccettabile. A questo punto,
il problema delle interferenze elettromagnetiche non è più ristretto solo al campo delle
telecomunicazioni, ma va a toccare virtualmente qualunque settore in cui ci sia dell'elettronica
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coinvolta.
Il problema fisico della compatibilità elettromagnetica nasce quando, nello stesso ambiente,
coesistono apparecchi con componenti elettrici e/o elettronici che possono generare campi
elettromagnetici. I campi elettromagnetici vengono infatti prodotti da correnti e tensioni variabili,
sono funzione della frequenza, ed interagiscono con l'ambiente circostante, in cui sono già presenti
altri campi elettromagnetici, inducendo correnti e tensioni indesiderate, tali da poter creare
interferenze.
Un sistema elettronico che sia in grado di funzionare compatibilmente ad altri sistemi
elettronici e che non produca o sia suscettibile alle interferenze è un sistema elettromagneticamente
compatibile con il suo ambiente, cioè soddisfa essenzialmente tre criteri:
1. non causa interferenza con altri sistemi;
2. non è suscettibile alle emissioni degli altri sistemi;
3. non causa interferenze interne.
Questa è la definizione scientifica di compatibilità elettromagnetica.
La direttiva prevede due requisiti essenziali, il requisito di 'emissione di disturbi
opportunamente limitata' ed il requisito di 'massima immunità ai disturbi', che insieme soddisfano i
tre precedenti criteri.
3. Schema logico del fenomeno elettromagnetico: come nasce e come prevenirlo e/o limitarlo.
Il fenomeno EMC si sviluppa sempre secondo lo schema fisico seguente, in cui devono esser
presenti:
1. una sorgente.
2. un percorso di propagazione.
3. un ricevitore di energia elettromagnetica.
Fig.1: Schema logico del fenomeno elettromagnetico.
La sorgente (o emittente) emette segnali e disturbi, la cui energia viene trasferita tramite un
certo percorso di propagazione ad un ricevitore, dove è possibile che si manifesti un comportamento
indesiderato o un degrado delle sue prestazioni, nel qual caso si parla di interferenza
elettromagnetica. Naturalmente il trasferimento non intenzionale di energia elettromagnetica porta
ad interferenza solo a patto che l’energia ricevuta abbia frequenza e/o ampiezza di spettro tale da
influenzare le informazioni in ingresso al ricevente e causarne quindi un funzionamento scorretto.
Tenendo presente questo schema, si evidenziano tre metodi per prevenire o, almeno, limitare
le interferenze:
1. cercare di sopprimere o limitare le emissioni direttamente alla sorgente;
2. rendere il percorso di propagazione il più inefficiente possibile;
3. rendere il ricevente meno suscettibile alle interferenze.
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Questi tre metodi sarebbero da utilizzare in cascata, in quanto se il risultato del primo fosse
un'emissione nulla, il percorso di propagazione non potrebbe essere efficiente e non ci sarebbe
motivo di schermare un qualche modo il ricevente.
Purtroppo, di solito non è così semplice. Per esempio, l'efficienza del percorso di
propagazione è direttamente proporzionale alla frequenza del segnale generato dalla sorgente in
quanto tempi di salita troppo brevi e quindi segnali troppo veloci sono i maggiori responsabili del
contenuto spettrale ad alta frequenza degli stessi. Un'idea potrebbe essere quindi quella di
aumentare il più possibile il tempo di salita dei segnali impulsivi emessi dalla sorgente, ma non si
può eseguire questa operazione in maniera indiscriminata: esiste un limite al di sopra del quale il
segnale diventa troppo 'lento' ed il circuito entra in errore. Inoltre, ridurre il contenuto spettrale ad
alta frequenza di un'emissione, riduce l'efficienza del percorso di propagazione e quindi riduce il
livello di segnale che perviene al blocco ricevente, e ciò non è sempre un effetto desiderabile né,
tanto meno, voluto.
In generale, i metodi per aiutare la compatibilità elettromagnetica vanno dall'uso di
dispositivi adeguati di isolamento (ad esempio dei soppressori), al disaccoppiamento, all'elevazione
dell'immunità intrinseca del prodotto (cioè si cerca di limitare la banda di ricezione dei segnali).
Bisognerebbe anche fare in modo che ogni connessione di segnali presenti un ritorno di cammino
adiacente e utilizzare dei filtri per sopprimere i segnali indesiderati, fino ad arrivare a quelle
soluzioni che impediscano il passaggio dei segnali quale, ad esempio, la schermatura tramite un
contenitore metallico del ricevente.
4. I diversi tipi di interferenza elettromagnetica.
I meccanismi di propagazione dell'energia elettromagnetica sono sostanzialmente tre:
1. conduzione;
2. accoppiamento reattivo (induttivo e capacitivo);
3. radiazione elettromagnetica.
La conduzione di energia avviene attraverso i cavi di alimentazione, i cavi di segnale, il
conduttore di terra ed altri percorsi a bassa impedenza. L'accoppiamento reattivo dipende
essenzialmente dalla distanza (in particolare quello capacitivo, di solito associato ad alte tensioni e
ad alte impedenze), dall'orientamento (quello induttivo, con alte correnti e basse impedenze), dalle
dimensioni e dall'impedenza del circuito accoppiato.
Al fine di risolvere ogni problema di compatibilità elettromagnetica, la si può pensare divisa
in quattro sottoproblemi:
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•
•
•
emissioni irradiate, (RE)
suscettibilità irradiata, (RS)
emissioni condotte, (CE)
suscettibilità condotta, (CS)
Pensando ad un tipico sistema elettronico, esso consiste di solito di diversi sottosistemi che
dialogano tra loro via cavo ed è alimentato dalla rete civile a corrente alternata.
L'alimentatore ha poi il compito di convertire la corrente alternata a 220V, 50Hz che proviene dalla
rete esterna, ai vari livelli di tensione in continua richiesti dai diversi componenti elettronici interni
al sistema. Tramite connessioni mediante cavi interni, poi, l'alimentazione a questi livelli di
tensione viene portata dove serve. I cavi interni sono di solito particolarmente efficienti
nell'emissione e/o ricezione di energia elettromagnetica, e la loro lunghezza è direttamente
proporzionale a questa efficienza.
I segnali di interferenza possono quindi passare direttamente da un sottosistema ad un altro
tramite questa loro connessione fisica interna. Se poi i sottosistemi sono racchiusi in contenitori
metallici, su di essi si può verificare la presenza di correnti indotte da segnali interni o esterni ad
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essi, e queste possono irradiare energia sia all'esterno che all'interno del contenitore.
Sta diventando prassi sempre più diffusa, specialmente per sistemi elettronici non troppo
costosi, l'utilizzo di schermi non più metallici, ma di plastica (non conduttrice): in questo caso però,
i circuiti elettronici presenti nei contenitori, sono completamente esposti alle emissioni
elettromagnetiche, il che significa che possono irradiare direttamente oppure essere soggetti alle
interferenze esterne.
Le emissioni elettromagnetiche possono essere generate da un cavo di alimentazione, da uno
schermo metallico contenente un sottosistema, da un cavo interno che collega sottosistemi diversi,
oppure da un componente elettronico situato all'interno di un contenitore non metallico. Questo tipo
di emissioni sono ne le emissioni radiate (fig.2,a): si tratta perciò di onde elettromagnetiche che si
propagano nel mezzo circostante e sono frutto dell’irradiazione di correnti che circolano lungo
elementi conduttori (schermi o cavi).
Il cavo di alimentazione (o un qualsiasi cavo di interconnessione) può anche funzionare da
'antenna', captando le emissioni radiate da altri sistemi elettronici localizzati più o meno nelle
vicinanze. Le emissioni captate dal cavo inducono nel cavo stesso, con una determinata efficienza,
delle correnti di disturbo che possono così giungere fino ai componenti interni del sistema e dare
origine a fenomeni di interferenza. Il problema è dunque, in questo caso, una sensibilità alle
emissioni presenti nell'ambiente di lavoro, ossia di suscettività radiata (fig.2, b).
Le emissioni e la suscettività all'energia elettromagnetica non avvengono però solo
attraverso onde elettromagnetiche che si propagano nell'aria. Esistono anche altri fenomeni di
propagazione diretta nei conduttori metallici. Nella maggior parte dei casi, questo tipo di
accoppiamento è più efficiente di quello che si ha per effetto della propagazione in aria; di
conseguenza, il progetto dei dispositivi deve sempre prevedere apposite barriere alla propagazione
dei disturbi, ossia dei filtri, lungo il percorso di accoppiamento, in modo da bloccare la trasmissione
di energia non voluta.
I segnali indesiderati emessi da un sistema e che si propagano da esso ad altri sistemi tramite
i cavi di interconnessione prendono il nome di emissioni condotte (fig.2, c). Viceversa, la sensibilità
di un sistema a segnali di disturbo che gli arrivano tramite il cordone di alimentazione o tramite altri
cavi di interconnessione, prende il nome di suscettività condotta (fig.2, d).
Fig 2: I diversi tipi di interferenza elettromagnetica.
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Un problema di suscettività attualmente sempre più frequente nei circuiti integrati su piccola
scala è legato alle cosiddette scariche elettrostatiche (ESD, Electrostatic Discharge). [3]
Inoltre, dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica, è da considerare il fenomeno
di impulso elettromagnetico (NEMP, nuclear electromagnetic pulse) irradiato da un esplosione
nucleare. La differenza fondamente con altri fenomeni, è l’alto valore di energia sprigionata da
un’esplosione nucleare, e quindi l’alto valore di campo elettromagnetico da essa generato. Questi
campi elettromagnetici possono provocare malfunzionamenti nei circuiti elettronici fino ad arrivare
alla distruzione dei componenti stessi dovuto all’eccessiva energia che investe il componente nelle
parti delle giunzioni. [4]
Infine, qualche accenno meritano anche lo studio degli effetti provocati da un fulmine.
Anche in questo caso, sia gli effetti diretti che quelli indiretti (in cui i campi elettromangetici
generati coinvolgono il sistema per accoppiamento con la rete di distribuzione dell’energia,
raggiungendo così il sistema attraverso il cavo di alimentazione) possono provocare gravi danni.
Per questo motivo è importante progettare i sistemi in maniera tale che variazioni di tensione e di
frequenza nel cavo di alimentazione non disturbino il corretto funzionamento del sistema.
In conclusione, i principali disturbi elettromagnetici, si possono classificare in:
• Naturali:
- Fulmini, scariche elettrostatiche, Attività cosmica, etc.
•
Artificiali Intenzionali:
- Emissioni radiotelevisive, Ponti radio, Telefonia cellulare e cordless, Sistemi di
radionavigazione e radars.
•
Artificiali non voluti:
- Qualunque circuito elettrico percorso da correnti variabili nel tempo emette disturbi
elettromagnetici.
Tra questi ultimi tipi di disturbi si ricordano le emissioni dovute ai circuiti di clock,
all’attività dei BUS e delle schede digitali, agli alimentatori a commutazione, alla brusca
interruzione di correnti su carichi induttivi, alle spazzole dei motori in continua, alle scariche
nei gas, etc.
In genere l’entita del disturbo artificiale cresce con la rapidità di variazione della corrente o
della tensione che lo ha generato.
Le norme prevedono una serie di prove sia per verificare l’entità dei disturbi artificiali
emessi, sia per testare la suscettibilità degli apparati e sistemi alle diverse tipologia di
disturbo.
5. Principali meccanismi di emissione elettromagnetica.
Un paragrafo a parte meritano i meccanismi di emissione dovuti ai dipoli, ai problemi di grounding
(affrontati anche in seguito più specificatamente nel caso di PCB), e alle vie di accoppiamento tra
apparato ed ambiente EM [5]:
Dipoli elettrici:
Se due conduttori (o un conduttore rispetto ad un’ampia superficie metallica), sono
mantenuti ad una differenza di potenziale a radiofrequenza che varia nel tempo, nello spazio
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circostante si crea un campo elettrico che varia anch’esso nel tempo, e che si propaga come
irradiazione di tipo elettromagnetico. Questo effetto è particolarmente sentito quando non si riesce a
mantenere equipotenziali a radiofrequenza tutti i conduttori considerati ‘a massa’, cioè a 0V. Se
infatti, ad esempio, il piano a 0V di una scheda non è equipotenziale a RF con quello di un’altra
scheda, o con il contenitore metallico dell’apparato, se creano dei dipoli elettrici che, purtroppo,
sono molto efficaci nell’irradiare nello spazio circostante. Questo tipo di emissione, molto frequente
nelle realizzazioni pratiche, è uno dei meccanismi di ‘emissione di modo comune’. Tutti e circuiti e
dipoli, infine, possono, dualmente, funzionare anche con altrettanta efficacia da antenne riceventi e
quindi esser causa di suscettibilità ai disturbi irradiati.
Problemi di ‘Grounding’:
Nella pratica comune si è soliti chiamare con il nome di ‘massa’ o di ‘terra’
indifferentemente molte strutture che invece hanno significato ben diverso l’una dall’altra e che è
bene non confondere:
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Riferimento di tensione a 0V: i circuiti, per scambiarsi informazioni, devono
misurare le tensioni rispetto ad un riferimento comune, che si definisce a 0V. Esso è
costituito da una rete di conduttori che si diffonde in tutto l’apparato, e che
dovrebbe essere equipotenziale. Purtroppo, le cadute di potenziale dovute
all’impedenza dei conduttori, e alle correnti a RF che li percorrono, rendono non
equipotenziale il riferimento.
Masse: dette così tutti gli oggetti metallici presenti (contenitori, dissipatori di calore,
etc.) che non hanno funzione elettrica ma che possono presentare accoppiamenti
parassiti con i circuiti dell’apparato.
Terra: tutte le masse accessibili da un utente, per ragioni di sicurezza elettrica,
devono esser riferite alla terra dell’edificio o dell’impianto.
In ogni apparato, poi, non esiste un solo riferimento a 0V, ma più alimentazioni, e quindi
diversi sistemi di riferimento. Tutti questi, insieme alla loro interconnessione, devono esser
realizzati in modo da esser i più equipotenziali possibile, per evitare da un lato errori nella
trasmissione di segnali e diafonie, dall’altro irradiazioni di modo comune.
Inoltre occorre chiedersi, di caso in caso, se conviene che le masse siano connesse allo 0V (e nel
caso in quali punti), e se il collegamento deve esser in continua o tramite un condensatore. La
presenza simbolica di quell’interruttore in figura vuole proprio indicare questo dilemma. In ogni
caso, anche se si lasciano le masse flottanti, occorre ricordare che, data l’estensione delle superfici
interessate, vi sarà una capacità parassita non trascurabile ad alte frequenze tra masse e 0V.
La scelta della miglior realizzazione di ‘grounding’ è fondamentale per quanto riguarda il
comportamento di sistemi ed apparati nei confronti di EMC.
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Meccanismi di accoppiamento tra apparato ed ambiente EM:
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Disturbi condotti sulla rete:
In figura sono evidenziati, in modo schematico, il riferimento di tensione, le masse e la
terra, nonché le connessioni. Si ipotizzi di avere due apparati (o due parti o schede dello stesso
apparato) che devono scambiarsi informazioni. Gli apparati ed i sistemi, se non alimentati da
batteria interna, ricevono l’alimentazione da fonte esterna di potenza che serve anche altri
utilizzatori. Da un lato, l’apparato non deve emettere, su questi fili, segnali non voluti di entità
superiore a quanto ammesso dalle norme; dall’altro, l’apparato deve poter funzionare correttamente
pur in presenza di disturbi condotti sui fili di alimentazione, dovuti all’attività degli altri utilizzatori
o da fenomeni naturali (es fulmini) o dal non perfetto funzionamento dell’alimentatore.
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Disturbi condotti sulla terra:
Sull’impianto di terra circolano correnti dovute alla emissioni di modo comune di tutti gli
apparati connessi allo stesso impianto. Poiché l’impedenza dei conduttori di terra non è nulla, ma è
sensibile soprattutto alle alte frequenze, le correnti che vi transitano provocano cadute di potenziale
che si presentano come tensioni di disturbo tra i riferimenti di tensione a 0V degli apparati che
devono scambiarsi segnali, con possibili errori o diafonie. Questo effetto è maggiormente sentito se
le masse sono connesse ai riferimenti di tensione a 0V.
I segnali condotti sulla terra sono detti ‘segnali di modo comune’.
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Disturbi condotti sulle interconnessioni:
Sulle linee di interconnessione viaggiano i segnali che gli apparati devono scambiarsi, sia
sotto forma di informazione, sia di regolazione di potenza. Purtroppo però possono esser presenti
anche segnali non voluti, e quindi disturbi, dovuti a:
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accoppiamenti parassiti che avvengono all’interno degli apparati stessi con circuiti
molto emittenti (ad es. Clock, circuiti PWM, alimentatori a commutazione, etc.)
- accoppiamenti parassiti di tipo induttivo o capacitivo con linee di connessione, si
altri sistemi o apparati, che viaggiano nelle vicinanze e che sono sedi di correnti o di
tensioni fortemente variabili nel tempo.
L’introduzione di filtri passa-basso all’ingresso di ogni apparato può limitare la banda
passante a quella strettamente necessaria per il segnale utile, riducendo fortemente l’entità di tutti i
disturbi che hanno componenti in frequenza al di fuori della banda passante del filtro.
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Disturbi irradiati di modo differenziale:
I disturbi elettromagnetici presenti nello spazio circostante possono accoppiarsi con le linee
di interconnessione, che funzionano da antenne, e traducono questi segnali in equivalenti tensioni
che, presentandosi come modo differenziale, sono del tutto indistinguibili dai segnali utili e quindi
possono disturbare il funzionamento degli apparati.
D’altro lato, la presenza di segnali (sia voluti, sia non voluti) sotto forma di tensioni e
correnti variabili sulle linee di interconnessione, comporta un segnale irradiato che costituisce
l’emissione irradiata di modo differenziale.
In prima approssimazione, e per segnali a frequenza non troppo elevata, l’accoppiamento
cresce con la frequenza e con l’area della spira, per cui si riduce drasticamente rallentando i fronti di
commutazione e soprattutto intrecciando tra di loro i fili di connessione.
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Disturbi irradiati di modo comune:
Esiste però un altro anello , in genere di area molto maggiore del precedente, costituito dalla
linea di connessione del riferimento di tensione, dalle masse e dalla terra, che, concatenando un
campo elettromagnetico di disturbo, può tradurlo in un segnale elettrico che si trova, come modo
comune, tra i due riferimenti di tensione degli apparati che devono scambiarsi informazioni.
Dualmente, in presenza di una corrente di modo comune che circoli sull’impianto di terra,
l’anello di cui sopra può divenire un’antenna trasmittente che emette segnali irradiati.
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Questo tipo di accoppiamento, a causa della notevole area dell’anello, è in genere molto
efficace, soprattutto alle frequenze meno elevate, ed è una delle cause più importanti sia di
emissione che di suscettibilità.
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Analisi dello spettro di una successione periodica di impulsi:
La conoscenza dello spettro del segnale, è molto importante per valutare l’entità del disturbo
emesso, nonché per poter predisporre le opportune misure di prevenzione all’atto del progetto
dell’apparato o sistema.
Molto spesso, i segnali più pericolosi dal punto di vista EMC, hanno forma di onda pseudoquadra, come nel caso di segnali di clock digitali, o di quelli dovuti all’attività di alimentatori a
commutazione. L’analisi di Fourier di una successione periodica di impulsi, porta ad uno spettro
rigato, con righe distanti tra di loro 1/T, e con ampiezza An dell’ennesima riga come indicato dalla
formula in figura.
In questa si può notare un fattore del tipo sen(x)/x, dove x=nπτ/T, dipende dal duty cicle τ/T,
seguito da un altro fattore dello stesso tipo, ma dipendente dal tempo di salita (e di discesa) tr, della
forma d’onda.
Per poter effettuare stime con facilità, si può semplificare questo modello matematico dello
spettro, considerandone l’inviluppo e commettendo così un errore per eccesso nella valutazione
dell’ampiezza delle righe.
In scale logaritmiche (Bode), l’ampiezza delle righe è contenuta al di sotto della curva
indicata, con uno spettro che è considerabile constante sino ad una frequenza 1/πτ, che decresce 20
dB/decade (inversamente proporzionale alla frequenza) sino ad f=πtr, e quindi decresce con
pendenza 40 dB/decade.
Poiché sia l’irradiazione di un circuito, sia i disturbi indotti sui circuiti vicini crescono con la
frequenza, si desume che, dato un segnale, la porzione dello spettro interessante per i fenomeni
EMC, si estende almeno sino alle frequenza 1/ πtr, e quindi più che la frequenza di ripetizione del
segnale, interessa il tempo minimo di salita e di discesa della forma d’onda.
6. Direttiva EMC.
Tutti questi aspetti hanno reso la compatibilità elettromagnetica un fattore determinante per
la commerciabilità di un apparato elettrico e/o elettronico: un prodotto che non soddisfi i requisiti
fissati dalla direttiva EMC, non può essere commercializzato in nessun Stato appartenente allo
Spazio Economico Europeo (SEE), indipendentemente dalla sua utilità o dalla propensione dei
consumatori all’acquisto.
Il principale scopo della direttiva EMC è di garantire la libera circolazione degli apparecchi
(nella loro accezione più ampia, come recita l'art.1 punto1) e di creare un ambiente
elettromagneticamente accettabile nel territorio dello Spazio Economico Europeo (SEE). Per
arrivare a ciò, la direttiva, basata sull'articolo 100A del Trattato dell'Unione Europea, richiede un
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alto livello armonizzato di protezione [6].
•
•
I principali obiettivi si possono così riassumere:
garantire che i disturbi elettromagnetici prodotti dagli apparecchi elettrici e/o elettronici non
impediscano l'adeguato funzionamento né di altri apparecchi né delle reti di radio e
telecomunicazione con relativi dispositivi collegati, o delle reti di distribuzione dell'energia
elettrica;
assicurare che gli apparecchi abbiano un livello adeguato di immunità intrinseca ai disturbi
elettromagnetici tale da permetter loro di funzionare adeguatamente.
Per soddisfarli, la direttiva EMC prevede dei requisiti di protezione e delle procedure
attraverso le quali il fabbricante, da solo o tramite l'ausilio di una terza parte, possa valutare il suo
apparecchio e renderlo conforme alla direttiva stessa.
Ovviamente, l'obiettivo del livello di protezione non è quello di garantire la protezione
assoluta dell'apparecchio (ad esempio livello zero di immissione o immunità totale). Questi requisiti
devono tenere comunque in conto sia fatti fisici sia ragioni pratiche. In questo modo, il processo è
aperto a ogni futuro sviluppo tecnico, in quanto la direttiva EMC descrive solo i requisiti di
protezione lungo linee generali.
Gli apparecchi elettrici ed elettronici, in conformità con i requisiti della direttiva, possono
essere messi sul mercato in tutto il territorio del SEE, possono circolare liberamente ed essere
utilizzati conformemente alla loro progettazione ed uso inteso nell'ambiente elettromagnetico atteso.
7. Analisi EMC .
Il fabbricante, il suo mandatario o in alcuni casi il responsabile dell'immissione del prodotto
sul mercato del SEE o della sua messa in servizio, deve definire se lo stesso ricada o meno nel
campo di applicazione della direttiva EMC ed applicarne di conseguenza i requisiti. Il fabbricante
(sempre inteso nell'accezione più ampia prevista dalla direttiva) deve perciò eseguire un esame
elettromagnetico (analisi EMC) sulla base della direttiva stessa [7].
Egli è il primo ed ultimo responsabile della conformità del suo prodotto alla direttiva e
anche della valutazione dei potenziali problemi EMC che lo stesso potrebbe presentare qualora
utilizzato conformemente alla sua destinazione d'uso nell'ambiente EMC atteso. E' comunque da
ricordare che, data la particolare natura, il fenomeno EMC può produrre rischi che non dipendono
solo dal prodotto in sé, ma dal suo ambiente, dal modo in cui è stato installato, etc.
Il diagramma decisionale dato in figura 3 è uno strumento pratico e sintetico che permette
una semplificazione dell'analisi EMC, definendo quali tipi di dispositivi elettrici e/o elettronici
siano o meno inclusi nella direttiva EMC. Le norme europee giocano un ruolo chiave, non solo
perchè semplificano considerevolmente le procedure di valutazione della conformità se utilizzate
completamente (art.10, par.1 della direttiva), ma anche perchè forniscono una soluzione tecnica
armonizzata, unica, decisa per consenso.
Anche se l'analisi EMC è piena responsabilità del fabbricante, è assolutamente necessario
che le autorità di controllo degli Stati membri e tutti gli operatori economici e sociali investiti dalla
direttiva EMC (si intendono anche normatori, certificatori, responsabili del controllo di mercato,
etc.) arrivino allo stesso livello di comprensione se si vuole che il mercato interno funzioni senza
intoppi.
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Fig.3:Diagramma di flusso decisionale per l'applicazione della direttiva EMC.
Qui di seguito verranno brevemente descritti i passi successivi ed i criteri del diagramma di
flusso che descrive l'analisi EMI (per una trattazione completa, si rimanda a ...):
I)
II)
III)
IV)
V)
VI)
Determinare se il prodotto contenga parti o componentistica elettrica e/o elettronica.
Esaminare le totali esclusioni/inclusioni citate nella direttiva EMC: essa si applica agli
apparecchi che possono causare disturbi elettromagnetici o il cui normale funzionamento
può esser influenzato da tali disturbi. In questo contesto, gli apparecchi EM-passivi* (cavi e
sistemi di cablaggio, accessori per cavi, apparecchi contenenti solo carichi resistivi senza
alcun dispositivo automatico di switch, batterie ed accumulatori), sono esclusi dal campo di
applicazione della direttiva EMC.
Esaminare le parziali esclusioni/inclusioni citate nella direttiva EMC; nel caso di esclusioni
parziali, va identificata la misura in cui i requisiti di protezione sono armonizzati da altri
regolamenti specialmente da direttive specifiche.
Determinare se il prodotto elettrico possa esser considerato come passivo dal punto di vista
del suo comportamento EMC o meno.
Determinare se il prodotto è citato esplicitamente nell'allegato III delle direttive
89/336/CEE, 92/31/CEE, 93/68/CEE e 93/97/CEE.
Controllare se esista qualche norma armonizzata di prodotto o di famiglia di prodotto
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pubblicata sulla Gazzetta Ufficiale delle Comunità Europee ai sensi della direttiva EMC.
VII) Determinare se il prodotto può esser considerato esente dalla direttiva EMC per consenso
degli Stati membri e delle altre parti sociali coinvolte nella redazione della guida di
applicazione.
VIII-IX-X) Il fabbricante deve determinare la classificazione del suo prodotto elettrico, se sia un
componente, un prodotto finito, un sistema o un impianto. Per questa classificazione
tecnico-commerciale si rimanda alle definizioni fornite dalla [1, par.5.2].
I componenti con una funzione diretta devono essere sempre accompagnati dalle istruzioni
per l'uso così come richiesto nell'Allegato III della direttiva, e solo se hanno una funzione
diretta e sono immessi sul mercato come singola unità commerciale per la distribuzione e/o
l'uso finale, sono soggetti agli altri obblighi previsti dalla direttiva.
I sistemi e gli impianti sono coperti dalla direttiva EMC.
Se il fabbricante si avvale del diagramma di flusso sopra descritto e se conclude che il suo
prodotto è escluso dalla direttiva EMC, non è obbligato a fornire una dichiarazione CE di
conformità e quindi a marcare CE il prodotto. Però, è caldamente consigliato che egli stesso (o il
suo mandatario, l'importatore o qualsiasi altra persona che immette il prodotto sul mercato) tenga la
documentazione relativa all'analisi EMC effettuata a disposizione delle autorità competenti, per
scopi ispettivi, come avviene per la dichiarazione CE di conformità, nella quale scriverà le ragioni
della sua decisione di non applicare la direttiva. Ciò è particolarmente importante se conclude che il
suo prodotto è escluso per consenso (VII).
Infine, dato che il diagramma di flusso è una semplificazione, è limitato a prodotti nuovi. I
prodotti usati, di seconda mano o riparati, insieme alle parti di ricambio, sono trattati in maniera
diversa [1, par.5.3].
8. Marcatura CE.
Tutti i prodotti conformi ai requisiti di protezione previsti dalla direttiva, devono essere
provvisti della marcatura CE, composta dalla sigla CE riportata nell'Allegato I della direttiva (fig.4)
e deve essere posta dal fabbricante o dal suo mandatario stabilito nella Comunità.
fig.4
Quando un prodotto ricade nel campo di applicazione di più direttive, la marcatura CE
indica la sua conformità a tutti i requisiti da esse previsti.
La marcatura CE deve esser leggibile, visibile ed indelebile e deve esser apposta sul
prodotto, sulle istruzioni per l'uso o, in alternativa, sul tagliando di garanzia e, facoltativamente,
sull'imballaggio. E' proibito apporre dei marchi che possano confondersi con la marcatura CE di
conformità [8].
*apparecchi EM-passivi: apparecchio che, utilizzato conformemente alla sua destinazione d'uso (senza misure interne
di protezione quali schermature o filtri), e senza alcun intervento da parte dell'utilizzatore, non crea o produce nè
fenomeni di switch, né oscillazione di corrente ed il suo funzionamento non è compromesso da disturbi
elettromagnetici.
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9. Controllo di EMI nel progetto di PCB.
La progettazione EMC è assai complessa. Ci sono tanti fattori interconnessi che
intervengono, e la maggior parte di essi sono difficile da predire, specialmente se si manifestano in
concomitanza. Un punto fondamentale perchè il progettista non faccia confusione nell’osservare
tutte le sorgenti di EMI che si possono avere in una PCB nel suo insieme, è quello di assicurarsi per
prima cosa che ogni potenziale sorgente di EMI venga considerata individualmente, ed in un
secondo momento, adottare delle tecniche di progettazione diverse, ognuna orientata verso una
sorgente [9].
In fase di progettazione, ci si imbatte in una miriade di trade-offs ingegneristici, ma se il
progettista ha chiari gli obiettivi, e capisce dove si manifestano le emissioni EMI e come
controllarle, allora sarà possibile effettuare il progetto corretto.
Il metodo più efficace per ridurre le emissioni di EMI è controllare i segnali in gioco sulla
PCB alla loro origine, contando che la maggior parte di questi segnali vengono originati dalle
correnti di commutazione negli ICs.
Tutte le correnti tempo-varianti in un sistema, sia che siano o non siano intenzionali
(necessarie per il funzionamento del prodotto), irradiano. Per capir meglio il fenomeno di EMI,
bisogna pensare in termini di corrente e frequenza, piuttosto che di voltaggio e tempo. Le correnti
irradiano di più ad alte frequenze, e piccole correnti possono causare più radiazione di quelle di
intensità maggiore. Per esempio, poiché i cavi possono fungere da vere e proprie antenne, le
correnti di rumore indotte su di essi possono esser molto piccole, ma possono anche irradiare
significativamente. Tenendo presente che il fenomeno di EMI a livello di sistema deriva
direttamente da quello nelle PCB, è essenziale progettare al meglio la PCB stessa per il controllo di
EMI del sistema totale [10, 11].
Dei molteplici meccanismi di EMI, quello nelle PCB è dominato dalla radiazione cosiddetta
differenziale (Differential Mode Radiation, DMR), mentre quella a livello di sistema è dominata
dalla radiazione di modo comune (Common Mode Radiation, CMR). La DMR risulta da segnali e
correnti di ritorno, che sono strettamente correlati. Queste correnti differenziali, possono esser di
ampiezza elevata, ma agendo su cancellazione di fase si può ridurre significativamente la potenza di
campo irradiata. Invece, la CMR è la risultante delle correnti di perdita dei cavi. Queste correnti
posson esser piccole, ma il ritorno di esse alla sorgente, può esser di intensità molto elevata,
avvenendo su una regione molto ampia, e quindi irradiare notevolmente.
A basse frequenze, non è insolito che le correnti di modo-comune sui cavi, sebbene più
piccole di quelle di modo differenziale su una PCB, irradiano maggiormente, dovuto primariamente
al fatto che la lunghezza fisica dei cavi e la loro lunghezza d’onda è tipicamente di molti ordini di
grandezza maggiori dell’area di loop della DM. Ad alte frequenze, al contrario, la DMR diventa
molto più importante perché è proporzionale al quadrato della frequenza, mentre quella di modo
comune cresce linearmente con la frequenza.
Sia nel modo differenziale che in quello comune, le quantità direttamente controllabili sono
le correnti e le dimensioni dei cavi (antenne). Quindi, per raggiungere l’obiettivo di un buon design
a livello di EMI, bisogna controllarle in modo da includere nel loro spettro di frequenza solo quelle
armoniche necessarie per la corretta operatività del sistema, riducendo in tal modo notevolmente la
possibilità di avere armoniche ad alta frequenza causanti emissioni non volute.
Un altro aspetto notevole da considerare durante la progettazione di una PCB, è l’effetto
dovuto alle induttanze, nelle quali circolano in loop delle correnti. A volte, il percorso totale delle
stesse non è ben chiaro, e considerando che una sua parte potrebbe essere parzialmente radiata,
anche il concetto di induttanza parziale diventa importante. Poichè, come è facile intuire, la
combinazione delle induttanze parziali, restituisce quella totale, una riduzione della prima porta
inevitabilmente ad una riduzione della seconda. Entrambi i due tipi di induttanze sono ora più che
mai di importanza fondamentale, vista la crescita delle velocità dei segnali in gioco, e visto che
persino un perfetto semiconduttore può esser dotato di induttanza. L’impedenza propria
dell’induttanza fa sì che si crei un potenziale non nullo nel passaggio della corrente attraverso essa;
questo potrebbe esser fonte di disturbi attraverso i piani di massa, sulle ampiezze dei segnali, e
quindi sommarsi alle emissioni EMI.
14
Nello sviluppo di un sistema, la scelta delle interfacce elettriche, ha sempre rappresentato un
argomento di specifico interesse a causa del rilevante numero di implicazioni di cui occorre tener
conto. La massa elettrica (‘Ground’) rappresenta l’interfaccia più importante, ed, al tempo stesso, è
una grossa fonte di equivocità, soprattutto per i diversi significati che può assumere. La scelta della
massa ha impatto sui costi e sui pesi, sulla disposizione dei cavi, sull’installazione e dislocazione
degli apparati all’interno del sistema, sulle prestazioni operative, ed anche sulle tecniche di misura
di EMC. Con questo termine si intende tutto ciò che si mantiene allo stesso potenziale elettrico. Il
termine ‘Ground’ definisce il punto dello zero potenziale (anche se questo in pratica non esiste), e
con esso si designa allo stesso modo il riferimento della messa a terra (per convertitori di potenza
AC a 50/60 Hz), il segnale di riferimento per cammini ad alta velocità, oppure una via di ritorno
per i circuiti di segnale, o ancora, nel caso di una schermatura, l’involucro di riferimento, o più
semplicemente la messa a terra, come il piano di massa di un Open Area Test Site (OATS), dove
spesso vengono misurate le emissioni EMI. Per questo si utilizzano diversi suffissi, quali earthground, ground-reference, power-reference, chassis-reference, etc.
Le interfacce elettriche rappresentano il punto più critico nel controllo delle prestazioni
EMC del sistema ed, al tempo stesso, l’area dove maggiormente si impone il criterio del ‘trade-off’
[12]. Esse sono una via preferenziale attraverso la quale le interferenze penetrano nell’apparato. E’
essenziale pertanto selezionare i componenti idonei che risultano meno suscettibili alle inteferenze
sia continue sia transitorie.
Altra area di confusione nella trattazione EMC è il concetto di schermatura, importante,
poichè nei tipici sistemi, la sorgente di energia è strettamente accoppiata allo schermo di copertura e
all’apertura. La presenza di capacità, induttanze ed accoppiamenti elettromagnetici induce correnti
sulla schermatura, le quali, trovando aperture nello schermo, potrebbero trasferire energia fuori
della chiusura [13].
10. Influenza dell’EMC test sul time-to-market.
In teoria ogni dispositivo dovrebbe essere costruito in modo tale da soddisfare sia i limiti
imposti dagli enti governativi sia i requisiti di suscettività autoimposti dal costruttore.
I metodi per ridurre il livello delle emissioni radiate e condotte di un dispositivo possono
essere molteplici e devono essere considerati caso per caso. Tuttavia l'inserimento di componenti,
schermature e filtri comporta un costo aggiuntivo che va sommato al costo di produzione del
dispositivo stesso. In questo caso il costo di produzione rappresenta un vincolo particolarmente
importante per i costruttori. Un altro importante vincolo di progetto é dato dalla commerciabilità del
prodotto. Attraverso indagini di mercato si cerca di capire quali siano i prodotti che i consumatori
intendono acquistare: l'aspetto e la facilità di utilizzo di un dispositivo sono fattori fondamentali
sotto questo aspetto. L'accettabilità di un prodotto da parte del consumatore viene di solito
considerata un fattore di primaria importanza, senza la quale ogni altro risparmio sui costi risulta
irrilevante. Un altro vincolo di progetto consiste nella possibilità di fabbricazione del prodotto in
maniera automatica. I componenti elettronici e altre parti di un apparecchio sono montati per mezzo
di robot. Tuttavia, anche se attualmente esistono robot in grado di inserire piccolissimi componenti
elettronici sulle piastre dei circuiti stampati, alcuni componenti, quali i cavi, possono essere
facilmente disposti manualmente dal personale addetto ma non assemblati con metodi automatici.
Di conseguenza i componenti che vengono aggiunti per ridurre le emissioni devono poter essere
facilmente inseriti nel processo di produzione per evitare che si perdano i vantaggi di un
assemblaggio automatico.
Da ultimo occorre ancora tenere presenti la tempistica dello sviluppo di un prodotto. I
costruttori stabiliscono l'opportunità della commercializzazione di un nuovo prodotto per mezzo di
indagini di mercato; queste hanno anche lo scopo di indicare la tendenza del mercato nei confronti
degli apparecchi che in tempi successivi saranno realizzati anche da altre aziende. Per poter trarre
vantaggio dalle esigenze dei consumatore, un articolo deve essere commercializzato in un preciso
momento per non favorire prodotti concorrenti. La pianificazione non é solo rivolta al controllo del
processo di realizzazione del prodotto ma serve anche ad assicurare che la disponibilità sul mercato
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di tale prodotto si realizzi in concomitanza con il momento di massima richiesta. Ritardi nel
processo di produzione comportano ovviamente una diminuzione della commerciabilità del
prodotto: più tali ritardi sono gravi e più aumenta il costo del prodotto stesso.
I problemi di compatibilità elettromagnetica possono essere causa, e di solito lo sono, di
ritardi nel processo di sviluppo. La procedura tipica prevede che le prove per la verifica della
conformità alla normativa e dei requisiti autoimposti di compatibilità elettromagnetica siano
successive al completamento del processo di sviluppo del prodotto. Se a questo punto si scopre che
il dispositivo non soddisfa i requisiti richiesti, è necessario correre ai ripari e cercare di risolvere il
problema che si é presentato. Di solito la parte più difficile della soluzione del problema é costituito
dalla diagnosi della causa che lo ha generato.
Per individuare sia la causa delle emissioni, sia i modi di accoppiamento di queste, si
possono utilizzare vari strumenti quali la LISN (Line Impedance Stabilization Network) e le camere
schermate. Il saper fare una diagnosi corretta ed immediata di un problema é cruciale per il
rispetto del tempi previsti dalla pianificazione dello sviluppo del prodotto.
11. Vantaggi di una Progettazione che Soddisfi la Compatibilità Elettromagnetica.
I principali vantaggi di una progettazione che tenga conto dei problemi di compatibilità
elettromagnetica sono [10]:
• minimizzare i costi richiesti dall'aggiunta di elementi o da successive fasi di progetto
necessarie per il soddisfacimento delle normative
(minimizzando così il costo complessivo del prodotto);
• rispettare i tempi previsti dalla pianificazione di sviluppo del prodotto
(minimizzando gli eventuali ritardi);
• assicurare che il dispositivo funzioni correttamente in presenza delle inevitabili sorgenti
esterne di rumore elettrico localizzate nei pressi del luogo in cui tale prodotto viene
installato (minimizzando le lamentele degli acquirenti).
È importante sin dalla fase progettuale di un prodotto tenere presente i problemi di compatibilità
elettromagnetica che si possono presentare: per esempio nella fase di concepimento del progetto é
possibile spostare cavi, modificare la posizione dei convettori sulle piastre dei circuiti stampati,
riorganizzare la disposizione delle piastre all'interno del prodotto ecc. in quanto in tale fase il
progetto avviene solo "su carta", quando si ha il maggior numero di gradi di libertà [applicazione
della direttiva CEE sulla compatibilità elettromagnetica alle apparecchiature elettriche ed
elettroniche].
Una volta che si siano costruiti prototipi diventa progressivamente più difficile e più costoso
fare modifiche strutturali in quanto ciò comporta variazioni di molti altri aspetti del progetto. Il
rivolgere una continua e coerente attenzione ai problemi di compatibilità elettromagnetica
permette di minimizzare i costi e i ritardi di realizzazione e costituisce il miglior approccio per il
soddisfacimento delle normative da parte del prodotto che si intende realizzare [14].
Inoltre una volta completato il primo prototipo, per quanto esso possa essere rozzo, é consigliabile
effettuare le prove per evidenziarne gli eventuali problemi di compatibilità elettromagnetica del
dispositivo sia dal punto di vista della suscettibilità sia della irradiazione.
16
Bibliografia:
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[9]
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[10]
M.I.Montrose, Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance : A
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[11]
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2002.
[12]
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[14]
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Development, Design Automation Conference 1997. Proceedings of the ASP-DAC.
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Esposizione
ai
campi