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COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA: NOTE TECNICHE

 

 

2. CAMPI ELETTROMAGNETICI

2.1 Generale

2.2 Protezione dai campi elettromagnetici

2.2.1 Protezione dei circuiti

2.2.2 Schermatura

2.2.3 Protezione dei circuiti stampati

2.1 Generale

L'onda e.m. nasce dalla coesistenza delle due grandezze, campo elettrico e campo magnetico costantemente variabili e sfasate fra loro di 90°, essa si propaga nel vuoto alla velocità della luce.
Quando incontra un circuito l'onda e.m. vi induce correnti e tensioni dipendenti dalla vicinanza della sorgente e dalle dimensioni ed orientamento del circuito, se questi segnali indotti superano il livello di sensibilità del circuito ne deriva un malfunzionamento.
A distanze ridotte dalla sorgente i campi magnetico ed elettrico agiscono indipendentemente ed in tale condizione, definita come "campo vicino", si può avere un disturbo dovuto ad accoppiamento magnetico e/o elettrico indipendentemente.
Vicino alla sorgente pertanto si ha un "campo di induzione" le cui caratteristiche sono legate a quelle della sorgente; l'accoppiamento sarà di tipo magnetico se la sorgente è ad alta corrente, di tipo elettrico se è ad alta tensione.
La condizione di campo vicino termina a distanza dalla sorgente dell'onda pari a d = l/2p; dopo di che si entra nella regione definita di "campo lontano" dove l'onda e.m. si comporta come onda piana e si manifesta attraverso un "campo di radiazione".
Quando incontra un ostacolo l'onda e.m. subisce una riflessione nell'impatto con la superficie e poi una perdita di energia per assorbimento nell'attraversare l'ostacolo, la parte che ha attraversato l'ostacolo prosegue il suo cammino dopo aver subito una seconda deviazione.
L'entità delle parti riflessa ed assorbita è legata alle caratteristiche elettriche e magnetiche dell'ostacolo oltre che alle sue dimensioni e dipende anche dalla distanza dell'ostacolo dalla sorgente.
L'onda e.m. si propaga subendo una attenuazione proporzionale alla distanza percorsa, in particolare: Il campo radiato si riduce di un fattore proporzionale a 1/r Il campo di induzione elettrico si riduce di un fattore proporzionale a 1/r² Il campo di induzione magnetico si riduce di un fattore proporzionale a 1/r³.

 

2.2 Protezione dai campi elettromagnetici

2.2.1 Protezione dei circuiti

Per ridurre il livello dei segnali indotti sui circuiti dall'onda e.m. si ricorre ad appropriati interventi come da elenco seguente:

  • riduzione dell'area del circuito colpito dall'onda, cioè avvicinamento dei conduttori attivo e di ritorno;
  • nei circuiti stampati questo impone l'impiego di più strati e di una massa distribuita;
  • ricorso a circuiti bilanciati;
  • ricorso a cavi schermati, meglio se con doppio schermo, con schermo opportunamente collegato;
  • ricorso a cavi coassiali, meglio se semirigidi;
  • ricorso alla schermatura dell'intero circuito.

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 2.2.2 Schermatura

Lo schermo, per essere efficace, non deve lasciare aperture all'onda e.m., come soddisfare questa condizione se il contenitore deve avere una apertura di accesso, aperture per ventilazione, passaggio cavi eccetera?
L'apertura di accesso (coperchio o portello) quando è chiusa deve presentare dei punti di buon contatto elettrico distanziati fra loro di almeno 1/10 della massima lunghezza d'onda da abbattere.
Per frequenze che superano 500MHz è conveniente ricorrere a guarnizioni RF installate lungo il perimetro dell'apertura in modo che a portello chiuso vengono compresse assicurando un buon contatto elettrico su tutto il perimetro.
L'apertura della ventilazione viene schermata interponendo tra la stessa ed il ventilatore un filtro a "nido d'ape" costituito da tanti fori con rapporto spessore /diametro tale da assicurare l'effetto guida d'onda.
L'ingresso delle linee di alimentazione e/o segnali viene schermato con l'impiego di opportuni filtri e/o connettori filtrati
Lo schermo va scelto in base al campo da cui ci si deve difendere.
Per i campi radiati ( condizione di campo lontano) l'attenuazione è principalmente per riflessione alle basse frequenze e per assorbimento alle alte frequenze (oltre 10MHz).
Ad alte frequenze diminuisce la profondità di penetrazione e pertanto sono sufficienti schermi sottili in genere per ottenere l'abbattimento desiderato.
Nella condizione di campo vicino invece i campi elettrico e magnetico vengono abbattuti come segue:

  • il campo elettrico, principalmente per riflessione alle basse frequenze e per assorbimento alle alte frequenze;
  • il campo magnetico, principalmente per assorbimento alle frequenze più basse dove, per aumentare l'attenuazione vengono impiegati materiali ad alta permeabilità che convogliano più facilmente le linee di flusso deviandole dal volume protetto.


Detti materiali però già a frequenze inferiori a 100KHz perdono le loro proprietà. Pertanto ad alte frequenze, lontano dalla sorgente, è quasi ininfluente il tipo di materiale schermante purchè metallico e ad alta conducibilità.
A basse frequenze, vicino alla sorgente, occorre selezionare il materiale più adatto a seconda che sia da ridurre il campo elettrico, quello magnetico od entrambi.

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2.2.3 Protezione dei circuiti stampati


I problemi di interferenza e.m. più comuni nascono già a livello di circuito stampato dove diffuso è l'impiego di circuiti logici e conseguenti segnali digitali sempre più veloci e pertanto di contenuto armonico sempre più esteso.
I maggiori problemi che sorgono a livello di circuito stampato scaturiscono dai seguenti motivi :
  • la corrente dei segnali scorre lungo le piste di alimentazione richiudendosi attraverso l'alimentatore; dette piste, assimilabili a delle induttanze per la r.f., si comportano come elementi radianti;
  • correnti di diversi dispositivi (per esempio circuiti integrati) percorrono tutte insieme un tratto comune di pista causando una d.d.p. ai suoi estremi; questo tratto di pista diviene una impedenza comune a più circuiti.
Come intervenire sul circuito stampato
  • Tenere le piste dei segnali logici più corte possibile, può essere necessario raggrupparle e racchiuderle staccate dal circuito stampato e lontane dai punti di I/O del circuito stesso
  • Impiegare clocks con tempi di salita/discesa più lenti possibile;
  • Impiegare circuiti stampati "multistrato" per avere massa estesa e ridurre l'area di accoppiamento con l'onda e.m.
  • Separare le varie linee di alimentazione e massa (ritorno) relative a circuiti diversi ritenuti critici;
  • Alternare conduttori di segnale e massa sia nel cavo ( impiego di flat cable) che nel connettore;
  • Impiegare connettori di segnale filtrati;
  • Impiegare anelli di ferrite.

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EMC

COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA: NOTE TECNICHE


3. COLLEGAMENTO A TERRA

Una appropriata messa a terra può risolvere molti problemi di interferenze, pertanto è conveniente già in fase di progetto studiare il modo migliore di mettere a terra un circuito. Esistono due "terre" :

1. terra di sicurezza (per il telaio, l'involucro ecc.)
2. terra di segnale (per le correnti di segnale)

La terra di segnale rappresenta il potenziale di riferimento per i segnali in gioco e deve esser a più bassa impedenza possibile (idealmente zero), in modo da mantenere fisso il potenziale di riferimento per tutti i circuiti ad essa collegati.

Il collegamento a terra dei circuiti può essere fatto come segue:

  • Collegando le singole terre ad un unico punto.
  • Collegando le singole terre fra loro in sequenza e poi in un singolo punto.
  • Collegando le singole terre in più punti (ad esempio in più punti di un piano diffuso).

I modi a), b) sono di semplice realizzazione ma a causa della lunghezza dei conduttori sono validi a frequenze basse (fino a circa 1 MHz).
Il modo a) è migliore perchè non c'è accoppiamento fra le singole terre.
Il modo c) è valido ad alte frequenze perchè i singoli collegamenti effettuati su un piano di massa diffuso sono molto corti e pertanto a bassissima induttanza.
In un circuito stampato è bene che circuiti diversi abbiano terre separate che poi confluiranno in un punto comune in prossimità dei connettori di collegamento delle linee.
I circuiti diversi sono quelli a basso segnale da quelli di potenza, quelli analogici da quelli digitali, ecc...
Lo schermo dei cavi, se impiegato a basse frequenze, va collegato a terra in solo punto allo scopo di ridurre le interferenze magnetiche e per non far scorrere sullo schermo correnti a 50 Hz. Ad alte frequenze lo schermo va collegato a terra ad entrambi i lati.


 

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Perchè occorre la marcatura CE ?

Perchè esistono direttive CEE che , recepite in Italia con decreti legislativi ed altri atti, lo impongono. Ciò allo scopo di uniformare la sicurezza dei prodotti che possono essere utilizzati nei paesi della Comunità Europea.

Cosa sono le direttive CEE ?
Sono documenti che fissano i requisiti essenziali dei prodotti e rinviano a norme specifiche, norme di prodotto, per tutte le altre caratteristiche che devono possedere.

Come individuare le direttive da applicare?

In base al tipo di prodotto o famiglia di prodotti da realizzare. Ci sono direttive riguardanti 
"i dispositivi medici", "i giocattoli", "le apparecchiature a gas", ecc.. Esistono direttive più generali quali ad esempio quella sulla "compatibilità elettromagnetica" la quale si applica a tutti i prodotti di tipo elettrico /elettronico. Altra direttiva di carattere generale è la "direttiva bassa tensione".

Come effettuare la marcatura CE ?
La marcatura CE apposta ad un prodotto presume che quel prodotto sia conforme alle direttive e norme applicabili. Pertanto l'apposizione della marcatura avviene come atto finale solo dopo aver provato la conformità.

Come provare la conformità ?
La conformità viene provata attraverso procedure che possono coinvolgere il solo produttore oppure un ente terzo a seconda che sia richiesta la DICHIARAZIONE oppure la CERTIFICAZIONE di conformità. Le procedure sono contenute in moduli (modulo A, B, C,.....H) scaturiti da una Decisione Comunitaria.

Cosa è la "dichiarazione di conformità" ?

E' un atto con il quale il costruttore (o chi per lui) dichiara che quel prodotto è conforme alla direttiva ( o direttive ) e norme armonizzate applicabili.

Cosa sono le norme "armonizzate" ?
Sono norme le quali , dopo pubblicazione sulla Gazzetta Ufficiale della comunità Europea, vengono recepite dagli stati membri. La loro applicazione garantisce la presunzione di conformità del prodotto.

Come si applica la direttiva 2004/108/CE sulla compatibilità elettromagnetica ?
La direttiva 2004/108/CE (la direttiva EMC 2004/108/CE sarà sostituita dalla direttiva 2014/30/EU a partire dal al 20-04-2016) è fra quelle che ritengono sufficiente la dichiarazione di conformità. Pertanto il produttore deve (salvo alcune eccezioni):

Progettare e costruire l'apparato affinchè sia immune ai disturbi e non provochi disturbi agli altri prodotti.

Eseguire prove e misure di compatibilità e.m. applicando le norme di prodotto armonizzate.

- Redigere e firmare la dichiarazione di conformità. 

- Apporre la marcatura CE.

- Tenere a disposizione per eventuali controlli tutta la documentazione relativa al progetto e costruzione del prodotto, ai risultati delle prove ed alla loro modalità di esecuzione per un periodo di 10 anni.

Nota: Oltre alla direttiva sulla compatibilità elettromagnetica un prodotto elettrico/elettronico è soggetto almeno alla direttiva riguardante la sicurezza contro i rischi

elettrici; è inteso che la marcatura CE deve coprire anche questa direttiva.

Come soddisfare la direttiva 2004/108/CE se per quell'apparato non esistono norme armonizzate ?
In tal caso si applicano le norme armonizzate generiche, valide per tutti gli apparati.

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