Appunti di
Compatibilità Elettromagnetica
Capitolo 9 - Scariche elettrostatiche
Introduzione ............................................................................................... 1
Origine delle scariche elettrostatiche .......................................................... 2
Richiami sul concetto di “capacità” ..................................................... 4
Meccanismi di formazione delle scariche elettrostatiche ...................... 5
Modello semplificato di un circuito di scarica ...................................... 7
Scarica da una persona e scarica da un oggetto ................................... 7
Scariche singole e scariche multiple ..................................................... 8
Effetti di attenuazione ........................................................................... 8
Effetti delle cariche elettrostatiche ............................................................. 8
Protezione dagli effetti delle scariche elettrostatiche .................................. 9
Come impedire la scarica elettrostatica.............................................. 11
Immunità dell’hardware...................................................................... 12
Protezione dalle scariche secondarie.............................................. 12
Protezione dalla conduzione diretta delle correnti di scarica.......... 14
Protezione dall’accoppiamento del campo elettromagnetico con i circuiti interni 23
INTRODUZIONE
Le scariche elettrostatiche (ESD) sono dovute alla separazione di
cariche statiche. Questa separazione si può produrre in vari modi:
• ad esempio, supponiamo di sfregare tra loro due campioni di materiali isolanti diversi; lo
sfregamento provoca il trasferimento di cariche da un materiale all’altro; allontanando
successivamente i due corpi, la separazione delle cariche crea un campo elettrico e quindi una
differenza di potenziale tra i due corpi stessi; se il campo elettrico è sufficientemente elevato,
può dare origine ad una scarica disruptiva attraverso lo strato di aria (o di dielettrico in
generale) che separa i due materiali; l’intensità di tale scarica è generalmente di intensità
elevata;
• un’altra possibilità si verifica quando un corpo che è stato caricato (ad esempio tramite lo
sfregamento appena descritto) viene posto in contatto con un conduttore metallico: in
questa situazione, si crea un percorso conduttivo diretto per la scarica della carica accumulata.
Quest’ultima è una situazione abbastanza familiare: ad esempio, essa si verifica quando una
persona cammina su un tappeto di materiale sintetico in un giorno particolarmente secco e poi
tocca la maniglia (conduttrice) di una porta.
In generale, se la corrente di scarica, detta anche corrente d’arco, raggiunge circuiti
elettronici sensibili (come la maggior parte dei circuiti integrati), l’effetto risultante può andare da
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
un semplice malfunzionamento temporaneo (caso migliore) al danneggiamento permanente (caso
peggiore). I primi apparati elettronici, che funzionavano a valvole termoioniche, possedevano una
elevata immunità intrinseca contro le scariche elettrostatiche. Al contrario, gli attuali circuiti
integrati a semiconduttore hanno una suscettività decisamente maggiore agli effetti delle
scariche elettrostatiche. Per questo motivo, il
problema
delle
scariche
elettrostatiche è sempre di maggiore interesse, tanto da poterlo
paragonare
al
problema
delle
emissioni
radiate
e
condotte,
precedentemente descritto: se una apparecchiatura non è in grado di funzionare regolarmente per la
sua suscettività alle scariche elettrostatiche, è quasi inutile che sia in grado di soddisfare i limiti
imposti dalle norme su emissioni condotte e/o radiate. Quindi, progettare i dispositivi
in modo da ottenere una immunità contro le scariche elettrostatiche
è un altro importante obbiettivo per un progetto di qualità.
ORIGINE DELLE SCARICHE ELETTROSTATICHE
Se due materiali isolanti, inizialmente neutri, vengono posti in
contatto, è possibile che si verifichi un trasferimento di carica
elettrica da uno all’altro. Se questo avviene, nel momento in cui li separiamo, i due
materiali risulteranno elettricamente carichi, uno positivamente ed uno negativamente:
materiali isolanti
neutri e lontani
------- -
+
materiali isolanti
in contato
+ + +++
+++
materiali isolanti
separati e carichi
L’entità del trasferimento di carica nonché il segno delle cariche
trasferite dipendono da numerosi fattori. Una indicazione generale, molto
qualitativa, viene dalla cosiddetta serie triboelettrica: vengono elencati, disponendoli su una scala
in verticale, quali materiali tendono a cedere più facilmente elettroni e a diventare quindi carichi
positivamente (sono i materiali nella parte superiore della tabella) e quali materiali tendono invece
ad accettare elettroni e a diventare carichi negativamente (sono i materiali nella parte inferiore della
tabella). Riportiamo di seguito un piccolo estratto di questa scala, indicando in particolare i materiali
ai due estremi (superiore ed inferiore):
Autore: Sandro Petrizzelli
2
Scariche elettrostatiche (ESD)
aria
pelle umana
amianto
vetro
mica
.........
polietilene
polipropilene
cloruro di polivinile (PVC)
silicio
teflon
I materiale indicati in alto tendono dunque a cedere elettroni,
mentre quelli in basso tendono ad acquistare elettroni. Per esempio, se
strofiniamo mica su teflon, otteniamo un trasferimento di elettroni dalla superficie della mica a
quella del teflon; quest’ultimo acquista perciò una carica netta negativa, mentre la mica acquista una
carica netta positiva (uguale ed opposta all’altro).
Per quanto riguarda, invece, l’entità concreta delle cariche trasferite, dipende da molti fattori e la
serie triboelettrica non è precisa in questo: infatti, se da un lato è vero che i materiali presenti agli
estremi della scala tendono a cedere o acquistare elettroni con molta facilità rispetto ai materiali più
vicini al centro, è altrettanto vero che sono importanti altri fattori, come la levigatezza e la pulizia
delle superfici, l’area di contatto, la pressione di contatto, l’intensità dello sfregamento, la velocità di
separazione dei due materiali ed altro.
Da notare, inoltre, che è possibile avere separazione di carica anche tra due materiali uguali: ad
esempio, è quello che può verificarsi quando si apre una borsa di plastica del tipo usato per la
“spesa”.
Fin qui, dunque, il caso in cui i due materiali coinvolti sono entrambi degli isolanti. Il
trasferimento di cariche statiche si può avere anche ponendo in
contatto un isolante ed un conduttore, anche se l’entità del
trasferimento è in generale minore rispetto al caso di due isolanti;
il motivo è il seguente: le cariche statiche, a prescindere dal materiale, vengono sempre
immagazzinate sulla superficie del materiale stesso; tuttavia, mentre nei materiali isolanti esse
tendono a rimanere vicine al punto di trasferimento, nei materiali conduttori è noto che esse si
distribuiscono, più o meno rapidamente (dipende dal tempo di rilassamento del materiale in
questione), in modo uniforme su tutta la superficie, in modo da renderla equipotenziale; la minore
entità del trasferimento di carica nel caso di isolante e conduttore si ha proprio perché le cariche sul
conduttore tendono a distribuirsi in modo uniforme, mentre invece, in presenza di due isolanti, ci
sono punti in cui tutta la carica tende a concentrarsi.
Non solo, ma il fatto di avere una distribuzione uniforme di cariche
nel conduttore fa’ sì che, connettendo questo a massa, la carica
lasci il conduttore stesso, cosa che invece non avviene collegando a
massa un isolante.
Per evitare che si manifestino scariche elettrostatiche durante la costruzione o l’installazione dei
dispositivi elettronici, spesso l’operatore è dotato di un apposito cinturino da polso, che viene
collegato a terra tramite una elevata resistenza (da circa 1 MΩ): qualsiasi carica statica
immagazzinata sulla pelle (che è un mezzo conduttore) viene così scaricata a terra attraverso questo
collegamento, evitando che si instauri una scarica sui dispositivi che l’operatore sta maneggiando.
3
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
Da notare che il valore di 1 MΩ della resistenza verso terra è tale da permettere alla corrente di
scaricarsi, ma senza raggiungere intensità transitorie troppo elevate.
Richiami sul concetto di “capacità”
E’ noto che la differenza di potenziale che esiste tra due corpi dipende sia dalla carica accumulata
su di essi sia dalla capacità esistente tra di essi, secondo la nota legge
V=
Q
C
(da cui, ovviamente, per derivazione nel tempo scaturisce la relazione di lato del condensatore, ossia
i=Cdv/dt).
Supponiamo allora che due materiali siano posti in contatto e che ci sia un trasferimento di carica
tra di essi; se allontaniamo i due corpi, le cariche rimangono su di essi e cambia così la differenza di
potenziale (che, durante il contatto, era ovviamente nulla), in quanto cambia la capacità tra i due
materiali:
• per piccole distanze, la capacità è grande1 e quindi la tensione tra i due corpi è piccola;
• se invece aumentiamo la distanza, la capacità diminuisce e quindi la differenza di potenziale tra
i due corpi.
Ad esempio, una carica di 1µC (microCoulomb) determina una differenza di potenziale di ben 10
kV se la capacità è di 100 pF.
Quando le distanze sono sufficientemente elevate, il problema è rappresentato dal fatto che ogni
dielettrico ha un campo elettrico di rottura, ossia un valore di campo elettrico superato il quale il
dielettrico perde le proprie caratteristiche isolante e si lascia percorrere da corrente. Nel caso
dell’aria, il campo elettrico di rottura è dell’ordine di 30 kV/cm.
Ricordiamo che la capacità è propriamente definita tra due corpi. Ad esempio, la capacità tra
due piatti paralleli di area S, separati da uno strato di aria di spessore d, è data notoriamente dalla
seguente espressione approssimata (che trascura l’effetto dei bordi dei piatti sul campo elettrico):
C = ε0
S
S
= 8.85 ⋅
(in pF)
d
d
Analogamente, due sfere concentriche di materiale conduttore, di raggio R1 ed R2 (con R1>R2,
possiedono una capacità data da
4πε 0
C=
1
1
−
R1 R 2
D’altra parte, anche la capacità di un corpo isolato può essere definita: infatti, quando
parliamo della capacità di un corpo conduttore singolo intendiamo
implicitamente la capacità tra esso e l’infinito; allora, se ad esempio
consideriamo l’ultima espressione riportata (capacità tra due sfere concentriche) e consideriamo la
1
Si ricordi, ad esempio, che la capacità di un condensatore ad armature piane parallele, avente come dielettrico il vuoto, vale
C=ε0S/d, dove S è l’area delle armature affacciate e d la loro distanza
Autore: Sandro Petrizzelli
4
Scariche elettrostatiche (ESD)
sfera più esterna di raggio infinito (ossia calcoliamo il limite per R2→∞), otteniamo evidentemente
che la capacità di una sfera di raggio R1 immersa nell’aria vale
C≅
4πε 0
= 4πε 0 R 1 = 111 ⋅ R (in pF)
1
R1
Ad esempio, un oggetto della grandezza di una biglia ha una capacità di circa 1 pF (rispetto
all’infinito). Se invece approssimiamo il corpo umano come una sfera di raggio 1 metro, ricaviamo
da quella formula che la sua capacità vale circa 50 pF. In generale, i valori tipici
di capacità del corpo umano vanno da 50 pF a 100 pF.
Da notare, però, che questi discorsi valgono rigorosamente quando il corpo in questione è
sufficientemente lontano da altri oggetti; se, invece, il corpo isolato viene collocato vicino ad altri
oggetti, le capacità mutue con essi determinano una capacità addizionale da tenere presente nei
conti.
Meccanismi di formazione delle scariche elettrostatiche
I corpi isolanti caricati non costituiscono di per stessi un problema,
per il semplice motivo che le cariche non sono libere di muoversi in
essi. Al contrario, ai fini delle scariche elettrostatiche, il
problema viene dall’induzione di carica su un conduttore e dalla
possibilità che questo venga poi avvicinato ad un altro conduttore.
Vediamo qualche dettaglio.
Supponiamo di caricare due corpi di materiale isolante per contatto e poi di allontanarli, così
come illustrato in precedenza:
materiali isolanti
neutri e lontani
------- -
+
materiali isolanti
in contato
+ + +++
+++
materiali isolanti
separati e carichi
Adesso supponiamo di collocare il corpo isolante caricato negativamente vicino ad un conduttore
neutro, come illustrato nella figura seguente:
------- -
Corpo isolante
carico negativamente
per strofinio
+
+
+
+
--Corpo conduttore
carico positivamente
per induzione
Il campo elettrico prodotto dalle cariche presenti sull’isolante causa, per il noto fenomeno
dell’induzione, un trasferimento di carica sulla superficie del corpo conduttore neutro: di
conseguenza, cariche di polarità opposta a quelle presenti sul corpo
5
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
isolante si trasferiscono sul lato più vicino a quest’ultimo, mentre
cariche opposte si trasferiscono sul lato opposto. La carica netta è sempre
nulla, ma adesso c’è una separazione di cariche sulla superficie del conduttore.
Adesso supponiamo di avvicinare il conduttore ad un altro conduttore (collegato o meno a terra):
+
+
+
+
---
Corpo conduttore
carico positivamente
per induzione
Corpo conduttore
inizialmente neutro
La vicinanza dei due conduttori, di cui uno carico, provoca una scarica da uno all’altro. Per
comprendere a pieno il concetto, facciamo un esempio concreto di questa situazione: supponiamo
che una persona cammini su un tappeto di nylon con scarpe aventi la suola in gomma; il nylon è un
materiale isolante situato nella parte superiore della serie triboelettrica; quando è in contatto con la
gomma (che si trova più in basso), esso tende dunque a cedere facilmente elettroni, per cui si crea un
trasferimento di elettroni dal tappeto alle suole delle scarpe, lasciando una corrispondente impronta
di cariche positive sul tappeto stesso. La carica accumulatasi sulle suole delle scarpe induce una
separazione di cariche (appunto per induzione), sul corpo umano, che è un corpo conduttore: in
particolare, la carica negativa sulle suole induce una carica positiva sui piedi e, per mantenere la
neutralità della carica complessiva, una equivalente carica negativa si trasferisce verso le parti
superiori del corpo, come ad esempio le mani. In questa situazione, supponiamo che la persona
avvicini le proprie dita ad una tastiera di computer: la carica negativa sulle dite respinge gli elettroni
presenti sulla tastiera, i quali quindi si allontanano attraverso i fili di terra della tastiera e del cordone
di alimentazione, lasciando una corrispondente carica netta positiva sulla tastiera. A questo punto, se
le dita sono abbastanza vicine alla tastiera, si possono manifestare due fenomeni:
• la separazione di cariche tra le dita e la tastiera produce un campo elettrostatico (talvolta
intenso), il quale è in grado di indurre a sua volta una differenza di potenziale tra due punti
interni dell’apparecchiatura, provocando così malfunzionamenti temporanei o danneggiamenti
permanenti;
• in alternativa, si può produrre una scarica elettrica tra le dita e la tastiera, realizzando così
qualcosa di simile ad un fulmine in miniatura quando il campo elettrico è di intensità tale da
generare una scarica attraverso l’aria. La corrente di scarica che così si è creata potrebbe andare
ad attraversare il calcolatore ed i suoi dispositivi interni, con tutti i rischi che ne conseguono.
La velocità di avvicinamento è un fattore importante per stabilire l’intensità dell’eventuale
scarica: un avvicinamento veloce provoca una scarica più intensa, con tempi di salita più veloci e
correnti di picco più elevato.
E’ importante sottolineare che la scarica di una tensione elettrostatica
inferiore a 3500 V non viene avvertita o vista da una persona,
mentre invece è capace di creare gravi danni sui componenti dei
circuiti elettronici.
Autore: Sandro Petrizzelli
6
Scariche elettrostatiche (ESD)
Modello semplificato di un circuito di scarica
Nella figura seguente è riportato un semplice modello per un circuito di scarica della
corrente, rappresentato da una capacità C, caricata con una tensione iniziale V0, ed una resistenza R
del corpo caricato che si carica:
Apparecchiat ura
R
C
+
V0
-
L
L’apparecchiatura attraverso cui scorre la corrente di scarica è dotata di un collegamento a
terra caratterizzato da un valore L di induttanza. In prima approssimazione, possiamo anche
eliminare l’induttanza del circuito di scarica (cioè l’induttanza del corpo carico), inglobandola
direttamente in L.
Si vede dunque che il circuito è del 2° ordine, per cui, a seconda della combinazione di L con la
resistenza, la forma d’onda della corrente di scarica potrà essere sovrasmorzata o
sottosmorzata:
Queste sono dunque tipiche forme d’onda della corrente di una scarica elettrostatica.
Da notare, comunque, che il circuito appena considerato è un modello molto semplificato, per
quanto corretto, per analizzare il fenomeno.
Scarica da una persona e scarica da un oggetto
Abbiamo prima esaminato il caso in cui si verifica una scarica dalla mano di una persona verso
una apparecchiatura (ad esempio una tastiera): si parla in questo caso di scarica da una persona.
Vi sono altri tipi di scariche, dette scariche da un oggetto: ad esempio, consideriamo una sedia
metallica che viene fatta scorrere sopra un tappeto; lo scorrimento determina una separazione di
cariche nella sedia; avvicinando quest’ultima ad una apparecchiatura elettronica (o semplicemente al
7
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
tavolo metallico su cui essa è posta), può verificarsi una scarica dalla sedia all’apparecchiatura, ossia
appunto una scarica da un oggetto.
Nel caso di una scarica da un oggetto, la resistenza R del
circuito di scarica è più piccola di quella relativa al corpo umano,
per cui la forma d’onda risulta generalmente sottosmorzata, al
contrario della scarica da una persona, nella quale l’alto valore di
R determina una forma d’onda sovrasmorzata.
I tempi di salita tipici sono dell’ordine di 200 ps - 70 ns, con una durata totale della scarica di
circa 100 ns - 2 µs. I livelli di picco della corrente possono infine
raggiungere qualche decina di Ampere per una differenza di
potenziale di 10 kV. Questi elevati valori di intensità mostrano, tra l’altro, che il contenuto
spettrale di una scarica elettrica può avere una grande ampiezza, tanto da estendersi anche di molto
nel campo dei GHz.
Scariche singole e scariche multiple
Il semplice circuito RLC prima esaminato è detto modello a scarica singola. Tuttavia, è stato
osservato che le scariche elettrostatiche tipiche sono invece costituite da scariche multiple.
Effetti di attenuazione
Abbiamo dunque osservato uno scenario generale sulle scariche elettrostatiche. Bisogna
considerare che tutta una serie di effetti di attenuazione fanno sì che la scarica prodotta da una
persona sia diversa da quella prodotta da un’altra. Ad esempio, quando una persona cammina su un
tappeto, la presenza di resistenze di contatto tra la suola delle scarpe ed il tappeto consente un flusso
inverso di cariche, che causa evidentemente una diminuzione del trasferimento di cariche verso le
suole. Non solo, ma l’umidità elevata fa sì che il flusso inverso di cariche aumenti (in quanto riduce
le resistenze di contatto), per cui in un ambiente umido si ha un minore accumulo di cariche e quindi
il fenomeno della scarica elettrostatica è di intensità minore. In aggiunta, esistono anche appositi
spray che, spruzzati sul tappeto, contribuiscono ad aumentare la conduttività del percorso scarpetappeto, facilitando ulteriormente la riduzione delle cariche accumulate sul corpo.
Naturalmente, non ci si può affidare, in un progetto, all’azione dell’umidità e simili, per cui
bisognerà sempre prevedere una opportuna protezione dalle scariche elettrostatiche.
EFFETTI DELLE CARICHE ELETTROSTATICHE
In base alle considerazioni dei paragrafi precedenti, si comprende come gli effetti fondamentali
associati ad una scarica elettrostatica siano i seguenti:
• l’intenso campo elettrostatico creato dalla separazione delle
cariche, precedente la scarica elettrostatica vera e propria;
• l’elevata corrente di scarica nel momento in cui il campo
elettrico supera il valore di rottura del dielettrico (30 kV/cm
per l’aria).
L’enorme differenza di potenziale, corrispondente all’intenso campo elettrostatico creato dalla
separazione di cariche, può sottoporre l’isolante dielettrico dei componenti elettronici ad uno sforzo
8
Autore: Sandro Petrizzelli
Scariche elettrostatiche (ESD)
eccessivo, che può portare alla sua distruzione. Quando questo accade, si verifica la scarica vera e
propria.
L’elevata corrente di scarica può causare problemi di varia natura e gravità, per mezzo
essenzialmente di quattro fenomeni secondari:
• conduzione diretta attraverso i circuiti elettronici: quando una corrente di scarica di
intensità elevata scorre attraverso i circuiti elettronici, possono esserci danni dovuti sia al
surriscaldamento termico sia anche alla generazione di differenze di potenziale che, se
abbastanza elevate, possono anche causare la rottura del dielettrico, con la conseguente
distruzione del dielettrico;
• scariche secondarie: le scariche verso parti metalliche esposte del contenitore di una
apparecchiatura possono provocare scariche secondarie verso i circuiti elettronici interni, con
tutti i rischi di danneggiamento o distruzione di questi ultimi; in altre parole, alla scarica
iniziale vera e propria (ad esempio tra le dita di un operatore e lo schermo
dell’apparecchiatura) possono seguire scariche secondarie (dal contenitore ai circuiti interni);
• accoppiamento
capacitivo
e/o
induttivo
con
i
circuiti
elettronici
dell’apparecchiatura: la corrente di scarica crea campi elettrici e magnetici, di intensità
anche elevata, che si accoppiano con i conduttori dei circuiti stampati e dei cablaggi all’interno
dell’apparecchiatura, inducendovi tensioni e correnti; si tratta sostanzialmente di emissioni
radiate con caratteristiche prevalentemente di campo vicino, data appunto la vicinanza tra i
componenti e il luogo della scarica. Nei circuiti ad alta impedenza, le grandi tensioni
producono un accoppiamento di tipo capacitivo con i dispositivi elettronici; viceversa,
nei circuiti a bassa impedenza, le correnti elevate producono un accoppiamento di tipo
induttivo con gli stessi dispositivi.
In definitiva, quindi, una scarica elettrostatica può causare problemi di
funzionamento sulle apparecchiature sia per conduzione diretta sia
per irradiazione dei disturbi. La conduzione può determinare sia malfunzionamenti
sia danni permanenti ai dispositivi; l’irradiazione, invece, tende a causare solo malfunzionamenti,
anche se comunque non si possono escludere danni: infatti, l’onda elettromagnetica generata dalla
corrente di scarica potrebbe accoppiarsi con un cavo di collegamento con un’altra apparecchiatura e
quindi essere condotta attraverso di esso ai circuiti elettronici interni; ancora una volta, abbiamo cioè
una radiazione seguita dalla conduzione.
PROTEZIONE DAGLI EFFETTI DELLE SCARICHE ELETTROSTATICHE
Supponiamo
di
poter
alloggiare
i
componenti
elettronici
all’interno di un contenitore metallico privo di ogni punto di
ingresso (aperture e/o punti di attraversamento dei cavi). In
presenza di una scarica elettrostatica, la corrente scorrerebbe
sulla superficie esterna del contenitore, raggiungendo poi la massa
attraverso il filo di terra. In questa situazione, non ci sarebbe
alcuna interferenza ed alcun danno ai componenti elettronici interni
al contenitore.
Nella realtà, questa situazione ideale non si potrà mai verificare. Ad esempio, dobbiamo tener
presente che il conduttore di collegamento tra lo schermo e la massa presenta una notevole
induttanza, dovuta alla sua lunghezza; allora, quando la corrente di scarica percorre questa
induttanza, genera su di essa una tensione e quindi il potenziale dello schermo aumenta rispetto a
9
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
quello di terra: il valore di questa tensione può raggiungere anche diverse migliaia di volt. Se invece
il contenitore non fosse collegato a terra, allora la sua tensione potrebbe raggiungere quella della
sorgente, che non supera i 25 kV. Ad ogni modo, in entrambi i casi non abbiamo problemi: infatti,
dato il collegamento tra lo schermo ed i circuiti interni, anche
questi vanno allo stesso potenziale dello schermo, per cui non ci
sono differenze di potenziale tra le varie parti del circuito e
quindi non ci sono rischi di malfunzionamenti. Non solo, ma la corrente di
scarica scorre comunque solo lungo la superficie esterna dello schermo, senza quindi interessare i
circuiti. La situazione non cambia se il contenitore, anziché di metallo, è fatto di plastica: anche in
questo caso, la scarica non può penetrare all’interno e quindi i circuiti risultano protetti.
Purtroppo, sappiamo bene che ogni
contenitore
di
apparecchiature
elettroniche presenta necessariamente numerosi punti di ingresso;
tipicamente, ci sono aperture per la ventilazione e punti di attraversamento dei cavi per la
alimentazione, come indicato nella figura seguente:
Tutti questi punti di ingresso permettono agli effetti di una
scarica elettrostatica di penetrare all’interno dello schermo, così
come vale anche per le emissioni radiate. Ad esempio, gli intensi campi elettrici e
magnetici presenti, durante la scarica, attorno ai punti di ingresso possono dare origine a scariche
secondarie oppure possono direttamente accoppiarsi con i circuiti elettronici interni. Inoltre, la
corrente di scarica elettrostatica potrebbe trovare, proprio attraverso i circuiti, un percorso ad
impedenza minore verso massa, provocando così un danneggiamento. Non solo, ma questa stessa
corrente, pur non scorrendo attraverso i circuiti, produce dei campi che potrebbero comunque
influenzare i circuiti per mezzo di accoppiamenti induttivi e/o capacitivi, provocando altri problemi
di funzionamento.
Le cose non cambiano se il contenitore, anziché di metallo, è fatto di plastica, come oggi
avviene sempre più di frequente. E’ possibile pensare di garantire una certa schermatura, pur con
contenitori di plastica, in vari modi: ad esempio, si possono ricoprire internamente i contenitori
tramite uno strato di vernice conduttiva oppure si può inserire una fibra metallica nella parete di
plastica. Tuttavia, laddove non sia possibile un simile tipo di schermatura, i circuiti interni sono
completamente esposti agli intensi campi elettromagnetici esterni, come appunto quelli generati da
una carica elettrostatica (ma non solo). La figura seguente aiuta a comprendere il concetto:
Autore: Sandro Petrizzelli
10
Scariche elettrostatiche (ESD)
La situazione peggiore è ovviamente quella in cui la conduzione della corrente di scarica avviene
direttamente attraverso i circuiti elettronici. In alternativa, anche se la corrente non attraversa
direttamente i circuiti, essa dà luogo ad un’onda elettromagnetica che si propaga e si accoppia agli
stessi circuiti.
Detto questo, possiamo individuare sostanzialmente tre tecniche per evitare o comunque ridurre al
minimo i problemi causati da una scarica elettrostatica:
• la tecnica più intuitiva è quella di evitare il verificarsi di una scarica;
• una tecnica molto più applicabile, ma spesso difficile da mettere in pratica, è invece quella di
impedire o ridurre l’accoppiamento (sia per conduzione sia per radiazione) con i circuiti
elettronici dell’apparecchiatura; si parla, in questo caso, di ottenere una immunità
dell’hardware alle scariche elettrostatiche;
• infine, si può pensare di creare una immunità intrinseca contro i fenomeni prodotti da una
scarica elettrostatica nei circuiti elettronici, mediante il software (si parla perciò di immunità
tramite software).
Dell’ultima tecnica esposta non ci occupiamo, limitandoci a dire, come nel caso dell’immunità
delle apparecchiature alle emissioni radiate e condotte, che si riduce essenzialmente a prevedere
sempre un trattamento dei dati binari tramite codici a rivelazione e correzione d’errore.
Nei prossimi paragrafi ci occuperemo dettagliatamente della prima e, soprattutto, della seconda
tecnica.
Come impedire la scarica elettrostatica
L’esperienza comune mostra che i componenti elettronici ed i circuiti integrati, durante il loro
trasporto, vengono inseriti in sacchetti di polietilene oppure i loro piedini vengono conficcati in
una schiuma antistatica. I sacchetti di polietilene hanno una resistività superficiale inferiore a
quella dei materiali isolanti ordinari e questo permette una rapida ridistribuzione delle cariche
statiche eventualmente accumulate; in tal modo, non essendoci accumulo di cariche in prossimità di
un punto del sacchetto (la ridistribuzione è infatti uniforme), il rischio di indurre separazione di
cariche elettriche su altri corpi è minimo ed è quindi difficile che si manifesti una scarica
elettrostatica.
Ci sono poi tecniche per impedire completamente la formazione di cariche elettrostatiche. Ad
esempio, è noto che, nelle stampanti, la carta viene costantemente fatta scorrere su rulli di gomma;
la carta si trova, nella serie triboelettrica, al di sopra della gomma, il che significa che tende a
11
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
rilasciare cariche negative sui rulli e ad accumulare così cariche positive. Per evitare questo
accumulo, si può pensare di porre spazzole metalliche a contatto della carta, in modo da scaricare
eventuali cariche accumulatesi.
Ad ogni modo, è spesso difficile, nelle applicazioni, impedire la
formazione di cariche elettrostatiche, per cui è molto più sensato
predisporsi a limitare al minimo gli effetti di una scarica
elettrostatica.
Immunità dell’hardware
Come si è detto, i meccanismi fondamentali di accoppiamento della scarica elettrostatica sono
•
•
•
•
scariche secondarie;
conduzione diretta;
accoppiamento del campo elettrico (accoppiamento capacitivo);
accoppiamento del campo magnetico (accoppiamento induttivo).
Allora, le tecniche per realizzare una immunità dell’hardware devono essenzialmente ridurre o
impedire del tutto questi quattro effetti.
Protezione dalle scariche secondarie
Esistono due fondamentali tecniche per evitare il fenomeno delle scariche secondarie:
• in primo luogo, tutte le parti metalliche del contenitore che rimangono esposte devono
essere connesse alla massa di struttura (il conduttore di terra);
• in secondo luogo, bisogna isolare la parte esposta dai dispositivi elettronici circostanti:
tali dispositivi dovranno trovarsi ad almeno 1 cm dalle parti del contenitore non
collegate a massa e ad almeno 1 mm dalle parti collegate a massa (come ulteriore
misura di prevenzione nei riguardi delle scariche secondarie verso i dispositivi
elettronici).
Vediamo di spiegare il perché di queste raccomandazioni.
Supponiamo che un elemento metallico del contenitore, come ad esempio una targhetta, sia
isolato; se l’operatore tocca questa parte, c’è un trasferimento di cariche (per contatto) che innalza la
tensione dell’elemento metallico, creando così un campo elettrico potenzialmente elevato tra esso e i
dispositivi elettronici posti nelle vicinanze. In particolare, se le distanze tra elemento metallico e
dispositivi sono piccole, il campo elettrico potrebbe essere talmente elevato da determinare la rottura
dello strato d’aria isolante e quindi da innescare la scarica elettrostatica verso i dispositivi
elettronici. Tenendo conto che la resistenza delle parti metalliche è più piccola di quella presentata,
ad esempio, dal corpo umano, l’intensità di queste correnti di scarica potrebbe essere anche molto
più elevata di quella che si ha, ad esempio, tra le dita di un operatore ed una tastiera.
Il campo elettrico di rottura dell’aria è dell’ordine di 30 kV/cm,
mentre il corpo umano può essere caricato al massimo a 25 kV; di
conseguenza, dato che il potenziale di una parte non collegata a massa può innalzarsi fino a quella
del corpo carico, deduciamo che la tensione massima tra le pareti metalliche esposte e i dispositivi
circostanti può essere di circa 25 kV. Affinché non ci sia la rottura dello strato d’aria isolante
compreso tra le parti esposte ed i dispositivi elettronici vicini, occorre allora che i dispositivi siano
12
Autore: Sandro Petrizzelli
Scariche elettrostatiche (ESD)
ad una distanza minima tale da evitare, in presenza di una differenza di potenziale di 25kV, un
campo elettrico di 30 kV/cm: questa distanza è quindi
d min =
∆Vmax
25kV
=
= 0.833cm
E max
30kV / cm
Quindi, se la suddetta distanza è almeno 1 cm, il pericolo di rottura dello strato di aria non c’è e
non si verificherà la scarica.
Adesso consideriamo quanto mostrato nella figura seguente:
Abbiamo detto in precedenza che, se la parte metallica è collegata a massa, l’induttanza del cavo
di collegamento a massa fa’ sì che, in presenza di una corrente di scarica, il contenitore salga ad una
tensione che può raggiungere qualche migliaio di volt. Un valore tipico è di 1500 V. In presenza di
questa tensione, per evitare nuovamente la rottura del dielettrico si devono mantenere i dispositivi ad
una distanza, dallo schermo, data da
d min =
∆V
1500V
=
= 0.05cm = 0.5mm
E max 30kV / cm
Quindi, se mettiamo i dispositivi, ad esempio, ad almeno 1 mm dallo schermo, evitiamo la
scarica secondaria.
Naturalmente, queste sono le distanze raccomandate quando l’isolante dielettrico è costituito
semplicemente dall’aria. In presenza di altri mezzi isolanti, per i quali il campo di rottura è maggiore
di 30 kV/cm, le distanze possono essere più piccole.
Un altro modo per evitare questo tipo di scariche secondarie è
quello di allungare il cammino di scarica. Ad esempio, si possono sovrapporre e
ripiegare le giunzioni tra le parti metalliche dello schermo, come illustrato nella figura seguente:
13
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
Un’altra tecnica ancora consiste nell’usare uno schermo secondario collegato alla massa del
circuito, al fine di spezzare la capacità tra le parti esposte del contenitore ed i dispositivi posti in
prossimità, come illustrato nella figura seguente:
C’è un ulteriore aspetto da considerare. Anche le parti in plastica, come ad esempio le manopole,
possono accumulare delle cariche. Allora, al fine di ridurre gli effetti di una scarica elettrostatica che
parte da una manopola, si può usare uno schermo metallico, collegato a massa, posto al di sotto di
esse, al fine di allontanare ogni scarica dai dispositivi elettronici sensibili. La figura seguente illustra
il concetto:
Lo schermo metallico, posto tra la manopola di plastica ed il circuito stampato, prende il nome di
soppressore di scarica.
Protezione dalla conduzione diretta delle correnti di scarica
L’aspetto più importante, nell’ambito della protezione dagli
effetti delle scariche elettrostatiche, è quello di impedire che la
corrente di scarica fluisca, per conduzione diretta, attraverso i
circuiti elettronici ad essa sensibili. Anche qui possiamo distinguere
sostanzialmente due modi di procedere:
• il primo metodo consiste banalmente nell’interrompere il percorso di scarica attraverso il
circuito elettronico: ad esempio, si può isolare completamente il circuito;
14
Autore: Sandro Petrizzelli
Scariche elettrostatiche (ESD)
• il secondo metodo consiste invece nel deviare la corrente di scarica lungo un percorso
alternativo, separato dai dispositivi elettronici sensibili.
Se il contenitore dell’apparecchiatura è metallico, esso stesso potrebbe già bastare per deviare la
corrente di scarica verso massa, come indicato nella figura seguente:
Sappiamo, infatti, che l’eventuale corrente di scarica scorrerebbe lungo la superficie esterna del
contenitore.
Si tenga conto, però, che ogni punto di ingresso nello schermo (ad esempio le aperture o i
punti di attraversamento dei cavi) costituisce un possibile percorso per la corrente verso i circuiti
interni. Diventa allora molto importante trattare correttamente questi punti di accesso, così come si è
visto, in generale, per la protezione dei circuiti interni dalle emissioni radiate esterne. I due aspetti
sono virtualmente uguali: ad esempio, le aperture praticate nello schermo (per la
ventilazione o quant’altro) devono essere realizzate tramite tanti
piccoli fori e non tramite pochi fori grandi:
Analogamente, le fessure lunghe e strette, come quelle create da
pannelli e sportelli, devono essere interrotte mediante viti
ravvicinate o guarnizioni metalliche, al fine di ottenere fessure
più corte:
15
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
Inoltre, a seguito di una scarica elettrostatica, sappiamo che la corrente che scorre sulla superficie
del contenitore genera un’onda elettromagnetica; questa risulta avere maggiore intensità proprio
attorno alle aperture, per cui i circuiti più sensibili non vanno mai posti vicino alle aperture, a
prescindere da come queste siano state realizzate.
In generale, tutte le tecniche precedentemente illustrate per evitare
la diminuzione dell’efficienza di schermatura risultano efficaci (e vanno
quindi perseguite) per evitare l’accoppiamento di una scarica
elettrostatica con l’interno di un contenitore. In tal modo, una volta che le
aperture sono state adeguatamente trattate, l’unica via di accesso all’interno del contenitore
rimangono i cavi. Di questo parleremo più avanti.
Tornando, invece, ancora alle aperture, ci sono altri discorsi da fare. In particolare, ci mettiamo
nell’ipotesi che una scarica sia penetrata attraverso il contenitore metallico di una apparecchiatura a
causa di una apertura non accuratamente trattata. Cosa succede? Consideriamo ad esempio la
situazione schematizzata nella figura seguente:
Abbiamo qui il circuito interno ad un contenitore metallico, con due possibili collegamenti a
massa con il contenitore: il percorso A ed il percorso B. Una eventuale scarica che penetra
all’interno tramite la prima apertura trova probabilmente un percorso a minore impedenza attraverso
A, mentre invece il percorso B è quello che, con maggior probabilità, può consentire alla corrente di
scarica di attraversare il circuito. Dovremmo perciò fare in modo che la corrente si scarichi lungo il
percorso A e non lungo B.
Tuttavia, determinare il percorso con l’impedenza minore è difficile, considerando anche e
soprattutto che il contenuto spettrale della corrente di scarico è molto esteso. Ad ogni modo, anche
se la corrente di scarica non dovesse attraversare il circuito (ossia, nel caso appena considerato,
dovesse “scegliere” il percorso A), gli intensi campi elettrici correlati a tale corrente costituirebbero
comunque un disturbo rilevante.
Quindi, è molto importante riuscire a localizzare correttamente la
posizione del punto del circuito da connettere con la massa del
contenitore, al fine di garantire non solo che la corrente di
scarica elettrostatica venga incanalata al di fuori dei dispositivi,
ma anche, nei limiti del possibile, che i campi da essa prodotti si
attenuino rapidamente (siamo in condizioni di campo vicino) prima di
accoppiarsi con i circuiti.
Come detto, la complicazione nell’individuazione dei percorsi a minore impedenza è data dal fatto
che la corrente di scarica, costituendo un fenomeno transitorio molto intenso ma anche molto veloce,
presenta un contenuto spettrale molto esteso, per cui anche piccole induttanze potrebbero
determinare invece elevati valori di impedenza (ricordiamo infatti che la reattanza induttiva è jωL,
per cui, a parità di valore di L, è tanto maggiore quanto maggiore è ω).
Autore: Sandro Petrizzelli
16
Scariche elettrostatiche (ESD)
In ogni caso, un altro accorgimento fondamentale è il seguente: tutte le masse dei
circuiti
elettronici
interni
al
contenitore
metallico
vanno
collegate al contenitore stesso, in modo da evitare che il loro
potenziale si trovi ad un livello diverso da quello del contenitore.
Per spiegare bene il concetto, consideriamo la figura seguente, in cui un cavo del circuito attraversa
lo schermo:
Immaginiamo che ci sia una scarica elettrostatica. La corrente di scarica scorre sulla superficie
esterna dello schermo e, tramite il conduttore di collegamento a massa, raggiunge la terra. Dato che il
suddetto conduttore presenta una induttanza non nulla dovuta alla sua lunghezza, il passaggio di
corrente determina una differenza di potenziale tra la terra ed il contenitore, che quindi raggiunge
una tensione che può essere anche di diverse migliaia di volt. Se i circuiti interni non sono collegati
allo schermo come in figura, il loro potenziale non sarà uguale a quello dello schermo, per cui
esisterà una differenza di potenziale ∆V tra circuiti e schermo. Se questa ∆V è sufficientemente
elevata ed i circuiti non sono molto distanti dallo schermo, il campo elettrico risultante potrebbe
determinare una scarica secondaria verso i circuiti.
Anche i contenitori non metallici sono suscettibili dello stesso fenomeno. Infatti, le correnti di
scarica che attraversano le induttanze dei vari percorsi possono anche in questo caso determinare
grandi differenze di potenziale tra i vari componenti elettronici, con il rischio di scariche secondarie
a seguito della rottura dei dielettrici.
In definitiva, tutte le masse dei circuiti interni devono essere
collegate insieme (massa a punto comune) per impedire queste
differenze di potenziale e consentire la dispersione delle cariche
accumulate. Se l’apparecchiatura in questione è a 3 fili, il collegamento deve essere fatto verso
il conduttore di terra, attraverso la struttura dell’apparecchiatura.
Tuttavia, è bene evidenziare che il collegamento a massa a punto comune non è esente da
problemi, specialmente nei riguardi delle emissioni radiate: infatti, se il potenziale ad alta frequenza
del punto in comune non dovesse risultare nullo ma variabile nel tempo, avremmo un tipico
elemento radiante. Ad ogni modo, dato che il collegamento a terra di tutti i circuiti è necessario per
garantire la protezione contro le scariche elettrostatiche, non si può prescindere da esso, per cui
bisognerà attrezzarsi per ridurre le eventuali emissioni radiate.
Abbiamo detto prima che, una volta tratte adeguatamente tutte le aperture del contenitore
metallico di una apparecchiatura, l’unica via di accesso all’interno del contenitore rimangono i cavi.
Vediamo allora qualche dettaglio in più a tal proposito.
I cavi di collegamento con le periferiche (incluso quello per l’alimentazione) sono generalmente
molto lunghi, per cui si comportano come antenne molto efficienti nel ricevere i campi irradiati da
una corrente di scarica e nel condurli all’interno del contenitore e quindi ai circuiti elettronici.
17
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
Bisogna allora utilizzare cavi schermati, ma la schermatura deve essere realizzata nel modo
giusto:
• se lo schermo del cavo è collegato per l’intero perimetro al contenitore, come illustrato nella
prossima figura, esso forma nient’altro che una estensione del contenitore metallico, per cui è
efficace:
Come si vede nella figura, la corrente di scarica percorre la superficie esterna del primo
schermo; parte di essa se ne va verso massa, mentre la rimanente parte prosegue nel suo
cammino attraverso lo schermo del cavo e successivamente lo schermo del secondo circuito,
finendo a massa tramite il collegamento di terra di tale schermo. In nessun caso c’è
penetrazione di corrente o di campi elettromagnetici nelle regioni interne;
• al contrario, se lo schermo del cavo è collegato allo schermo del circuito tramite solo un
ponticello flessibile, come nella prossima figura, la protezione viene meno:
In questo caso, infatti, il problema è rappresentato dal fatto che il ponticello possiede una
propria induttanza (dell’ordine di 15 nH/in): quando questa induttanza viene attraversata dalla
corrente di scarica, si instaura una grande differenza di potenziale su di essa e cioè tra lo
schermo del cavo e l’altro contenitore, che si può accoppiare con i fili ed i circuiti interni.
Ad ogni modo, nonostante sia la soluzione ideale, l’uso di cavi schermati che siano collegati per
l’intero perimetro è spesso irrealizzabile perché troppo costosa. Di conseguenza, rimangono solo due
soluzioni per impedire ai segnali di disturbo di entrare all’interno dei circuiti: bloccarli o deviarli
su percorsi alternativi.
Il modo più banale per bloccare i segnali è quello di inserire una
impedenza di valore elevato lungo i loro percorsi. Considerando che una
scarica elettrostatica induce nei cavi esterni sia correnti di modo comune sia correnti di modo
differenziale, i modi di procedere sono diversi. In particolare, per bloccare le correnti indotte di
modo comune, possiamo usare induttori di modo comune, dei quali abbiamo già parlato a
Autore: Sandro Petrizzelli
18
Scariche elettrostatiche (ESD)
proposito delle emissioni condotte e dei filtri di alimentazione. La figura seguente illustra il
concetto:
I due induttori accoppiati sono inseriti in serie ai due cavi che collegano i due circuiti in
questione: essi impediscono alle correnti di modo comune sia di entrare all’interno
dell’apparecchiatura sia di uscirne attraverso i suddetti cavi (mentre sono praticamente trasparenti
alle correnti di modo differenziale). In tal modo, essi svolgono due funzioni: evitano sia i problemi
di emissioni radiate sia quelli delle scariche elettrostatiche dovuti alle correnti di modo comune.
E’ importante sottolineare che tutti i conduttori del cavo, compresi quindi il conduttore di terra e i
ponticelli flessibili dello schermo, devono attraversare l’induttore di modo comune; se così non
fosse, le correnti di modo comune potrebbero comunque attraversare l’induttore e quindi annullarne
gli effetti.
Al posto di bloccare le correnti di disturbo indotte da una
scarica elettrostatica, si può pensare di deviarne il corso prima
che possano penetrare all’interno di un contenitore schermato
(tramite appunti i cavi periferici). Per esempio, è possibile porre un
condensatore tra il conduttore di segnale e quello di terra e poi collegare il conduttore di terra allo
schermo, come illustrato nella figura seguente:
In questo modo, si può riuscire a deviare la corrente indotta verso il contenitore, prima che giunga
ai circuiti. Tuttavia, è chiaro che il condensatore agisce non solo sul disturbo, ma anche sul segnale,
in quanto non è in grado di effettuare una distinzione. Allora, questa tecnica si dimostra efficace solo
quando il contenuto spettrale della corrente di scarica elettrostatica è maggiore di quello della
corrente di segnale.
19
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
Quando si vogliono deviare le correnti di scarica elettrostatica sia di modo comune sia di modo
differenziale, i condensatori vanno disposti, rispettivamente, tra conduttore e massa e tra conduttore
e conduttore, così come si fa nei filtri di alimentazione.
Bisogna inoltre stare attenti ai percorsi a bassa impedenza: se il collegamento del
contenitore a massa è situato ad una certa distanza dal punto di ingresso in cui il cavo attraversa il
contenitore, le correnti possono trovare un percorso a impedenza minore prima del collegamento a
massa, col rischio di andare ad interessare i circuiti, come accade ad esempio nella figura seguente:
Dato che il condensatore non è stato messo a massa localmente, la corrente di scarica vede un
percorso a minore impedenza, verso la massa del circuito stampato, attraverso il condensatore C ed il
circuito stesso, per cui attraversa quest’ultimo, con tutti i rischi connessi.
Questa eventualità suggerisce di collocare in uno stesso punto del circuito stampato tutti i
connettori dei cavi, in modo da evitare la formazione di percorsi a bassa impedenza indesiderati:
infatti, collegando tutti i conduttori di terra e tutti i dispositivi di deviazione delle correnti ad un
medesimo punto del contenitore, si tende ad eliminare ulteriori percorsi a bassa impedenza, come per
esempio si otteneva nella figura precedente.
L’efficacia dei condensatori nella deviazione della corrente
dipende inoltre dalla impedenza a cui vengono messi in parallelo:
consideriamo infatti un condensatore posto in parallelo ad una impedenza di ingresso Zin bassa:
Dato che l’impedenza fornita dal condensatore è ZC=1/jωC, essa diminuisce all’aumentare della
frequenza; di conseguenza, la corrente di disturbo potrà tutt’al più dividersi in due tra Zin e ZC, in
quanto ZC non riuscirà probabilmente a diventare inferiore a Zin. Quindi, la deviazione prodotta dal
condensatore non sarà poi così rilevante.
Nei circuiti con impedenza di ingresso bassa risulta dunque più efficace la tecnica di bloccare le
correnti mediante una impedenza serie. Non ci sono invece problemi nell’uso di condensatori in
parallelo ad ingressi ad alta impedenza, nel qual caso la deviazione della corrente è ottimale.
Un altro metodo ancora di deviazione delle correnti di disturbo consiste nell’usare i cosiddetti
dispositivi tosatori, come ad esempio i diodi Zener. La figura seguente illustra la protezione
offerta da questi dispositivi, detti anche soppressori di transitorio:
Autore: Sandro Petrizzelli
20
Scariche elettrostatiche (ESD)
Due diodi Zener identici, con tensione di soglia VTH, vengono posti in serie e, nel complesso, in
parallelo all’ingresso del circuito. Fin quando la tensione in ingresso non supera il livello di soglia di
uno dei due dispositivi, non c’è alcuna protezione e quindi i due diodi è come se non ci fossero;
quando invece la tensione di ingresso supera la soglia di uno dei due diodi, quello si accende e crea
un percorso alternativo, a bassissima impedenza, per la corrente, che evita così di passare attraverso
il circuito.
Generalmente, il tempo di attivazione di questi diodi è inversamente proporzionale alla
massima corrente tollerata: dispositivi più veloci sono cioè quelli che tollerano correnti più basse e,
viceversa, dispositivi più lenti sono quelli in grado di tollerare correnti più alte. Per queste
limitazioni, spesso si usa una combinazione in parallelo di un diodo lento con uno veloce.
Altri diodi possono invece essere usati in opposizione come indicato nella figura seguente, al
fine di assicurare che la tensione di ingresso dei componenti rimanga entro livelli di sicurezza
(pericolo di sovratensioni):
Se la tensione della linea di segnale supera i 5 V, si accende il diodo superiore, mentre invece, se
la suddetta tensione supera i 5 V in negativo, si accende il diodo inferiore.
Sia l’uso dei condensatori sia l’uso dei diodi può risultare inefficace, ai fini della deviazione delle
correnti di scarica elettrostatica, a causa delle induttanze parassite presenti nelle terminazioni di
questi dispositivi: infatti, ricordiamo ancora una volta che lo spettro della corrente di
scarica è talmente ampio che anche piccole induttanze attraversate
da tale corrente possono dar luogo ad impedenze elevate, il che
impedirebbe ai suddetti dispositivi di rappresentare percorsi
alternativi a bassa impedenza.
Tutti questi discorsi valgono nel caso di apparecchiature sistemate in contenitori metallici.
Analoghe considerazioni valgono anche per i contenitori di plastica, ma è richiesta una maggiore
cura. Ad esempio, usando contenitori di plastica non si ha il vantaggio di un percorso per le correnti
su un largo piano metallico quale può essere quello dello schermo metallico. Allora, spesso
risulta conveniente sistemare comunque un grande piano metallico sotto
l’apparecchiatura, da usare per la deviazione della corrente di
scarica elettrostatica tramite un condensatore. Riguardo l’uso di tale piano,
sono molto importanti le seguenti raccomandazioni:
21
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
• in primo luogo, esso deve essere collegato a tutte le parti metalliche ed al conduttore
di terra;
• in secondo luogo, le masse di segnale di tutti i connettori di cavi periferici devono
essere collegate a questo piano nel punto in cui il connettore si attacca al circuito
stampato;
• tutti i circuiti stampati devono essere posti vicini e paralleli al piano.
La prima raccomandazione è ovvia in quanto relativa a tutte le parti metalliche di una
apparecchiatura. La seconda raccomandazione, che prevede sostanzialmente l’uso di una massa
locale nel punto in cui i cavi periferici entrano nel prodotto, serve invece ad evitare che si formino
grandi differenze di potenziale tra i conduttori del cavo ed il piano di massa, come illustrato nella
figura seguente:
Consideriamo infine la terza raccomandazione. Consideriamo un’onda elettromagnetica, generata
da una scarica elettrostatica, che si propaga al di sopra del piano di massa o del tavolo metallico su ci
è posta l’apparecchiatura, come illustrato nella figura seguente:
Dato che il tavolo è metallico, il campo elettrico dell’onda elettromagnetica deve risultare
perpendicolare alla superficie del tavolo stesso, in quanto deve soddisfare la nota condizione al
contorno in base alla quale il campo elettrico tangenziale è nullo sulla superficie di un conduttore
perfetto. Supponiamo allora che, come in figura, il circuito stampato sia posto in posizione verticale:
in questo caso, il campo elettrico incidente sul circuito risulta nello stesso piano del circuito stesso e
quindi anche delle varie spire composte dai vari conduttori di tale circuito. Non solo, ma è possibile
che il campo magnetico dell’onda incidente sia ortogonale al piano delle spire del circuito stampato:
in questa situazione, è noto che si manifesta il massimo accoppiamento possibile tra l’onda incidente
e le linee di trasmissione presenti sul circuito, il che ovviamente non ci va bene se vogliamo evitare
o ridurre al minimo le interferenze dell’onda sul circuito.
Autore: Sandro Petrizzelli
22
Scariche elettrostatiche (ESD)
Al contrario, la collocazione migliore dei circuiti stampati è quella
orizzontale
e
vicina
alla
base
ed
al
piano
di
massa
dell’apparecchiatura: in questa situazione, infatti, il campo elettrico risulta perpendicolare
alle spire ed il campo magnetico risulta parallelo, il che impedisce ogni accoppiamento. Ad ogni
modo, questo è un discorso molto teorico, in quanto le linee di campo elettrico sono perpendicolari
al piano di massa solo in prossimità del piano stesso, così come le linee di campo magnetico tendono
ad essere parallele al piano solo in vicinanza di esso; allontanandoci dal piano, l’ortogonalità del
campo elettrico e il parallelismo del campo magnetico vengono meno, per cui l’accoppiamento è
possibile se il circuito stampato non è troppo vicino al piano di massa.
Protezione dall’accoppiamento del campo elettromagnetico con i circuiti interni
I discorsi fatti servono già ad evidenziare che una corretta disposizione dei
componenti all’interno dei contenitori (metallici e non metallici)
contribuiscono ad impedire l’accoppiamento, con i circuiti interni,
del campo elettrico (accoppiamento capacitivo) e del campo magnetico
(accoppiamento induttivo). Altre considerazioni supportano questa tesi.
Così come nel caso della minimizzazione delle emissioni irradiate da un circuito stampato, è
importante che sia le aree delle spire sia le lunghezze dei conduttori risultino il più piccole possibile
al fine di ridurre i fenomeni di accoppiamento. Consideriamo ad esempio il problema delle aree
delle spire. Nella figura seguente è riportata una configurazione sicuramente errata dei componenti
di un circuito stampato:
E’ noto che la forza elettromotrice indotta in una spira da un campo magnetico (variabile nel
tempo) è proporzionale alla superficie della spira stessa. Di conseguenza, per minimizzare questo
accoppiamento di campo magnetico si deve minimizzare l’area della spira. Analogamente, anche la
ricezione del campo elettrico dipende dalla superficie della spira: infatti, il campo elettrico induce un
generatore di corrente tra i due conduttori la cui intensità è proporzionale alla superficie della spira.
Allora, nell’ultima figura è riportata una tipica situazione in cui si crea una grande superficie di
spira, costituita dal circuito di alimentazione (costituito a sua volta dal conduttore a 5 V e da
quello di massa). In questo caso, l’accoppiamento di una eventuale onda elettromagnetica incidente
(prodotta da una scarica elettromagnetica) potrebbe essere molto elevato. Per ridurre l’area della
spira, basta adottare una configurazione del tipo seguente (che, rispetto alla precedente, ha
esattamente lo stesso costo):
23
Autore: Sandro Petrizzelli
Appunti di “Compatibilità Elettromagnetica” - Capitolo 9
Per ridurre ancora di più la superficie di spira (e quindi il grado di ricezione), si possono usare i
cosiddetti circuiti stampati multistrato, come illustrato nella figura seguente:
In pratica, il conduttore a +5V ed il conduttore di massa sono distribuiti, nella scheda, su piani ad
altezze diverse nel circuito stampato; i collegamenti tra questi piani ed i piedini dei circuiti integrati
che li devono sfruttare vengono realizzati mediante fori metallizzati nei circuiti stampati. In tal
modo, si ottengono aree molto piccole comprese tra i conduttori a 5V e quelli di massa. Non solo,
ma si ottengono anche altri due risultati:
• viene ridotta l’induttanza del percorso formato dal conduttore a 5V e da quello di massa (dato
che tali piani costituiscono una linea di trasmissione a piani paralleli): questo è un vantaggio in
quanto, in presenza di una eventuale corrente di scarica, l’impedenza piccola determina una
caduta di tensione piccola tra i capi di questi conduttori;
• in secondo luogo, la vicinanza dei piani aumenta la capacità tra di essi, riducendo così l’effetto
Q
di ogni eventuale tensione indotta: ricordiamo infatti la solita relazione V = .
C
Grandi aree di spira possono essere realizzate non solo dalle linee del circuito di alimentazione,
ma anche da quelle del circuito di segnale. Un esempio è mostrato nella figura seguente:
Autore: Sandro Petrizzelli
24
Scariche elettrostatiche (ESD)
La configurazione del circuito di alimentazione è quella corretta prima descritta, per cui non ci dà
problemi. Al contrario, il circuito di segnale è disposto in modo da creare una grande superficie di
spira: questo è un problema ancora maggiore rispetto alle spire create dal circuito di alimentazione,
in quanto i segnali indotti nelle spire di segnale raggiungono direttamente gli ingressi dei dispositivi.
La tecnica più semplice per ridurre tali aree di spire è quella di deporre la pista di ritorno del
segnale adiacente a quella di andata, come nella figura seguente:
E’ evidente che l’area è notevolmente diminuita.
Un modo ancora migliore consiste nell’usare nuovamente i circuiti stampati multistrato, con una
soluzione del tipo seguente:
Così come visto prima per i circuiti di alimentazione, si usano dei piani, su altezze diverse, in cui
far transitare i segnali e l’alimentazione; si provvede poi a congiungere gli opportuni piedini dei
circuiti stampati con i corrispondenti piani.
Autore: SANDRO PETRIZZELLI
e-mail: [email protected]
sito personale: http://users.iol.it/sandry
succursale: http://digilander.iol.it/sandry1
25
Autore: Sandro Petrizzelli
