Compatibilità elettromagnetica
Compatibilità elettromagnetica
(App. V, i, p. 691)
La c. e. viene definita come l'idoneità di un dispositivo, di un apparecchio o di un sistema, a funzionare correttamente nel proprio ambiente elettromagnetico senza produrre disturbi elettromagnetici per ciò che si trova in tale ambiente. Poiché però i requisiti di compatibilità sono sempre più rilevanti in relazione allo sviluppo crescente di applicazioni elettriche ed elettroniche e alla loro diffusione in tutti i settori della vita e delle attività della società, diventa essenziale la conoscenza reale dei fenomeni in gioco e la capacità di definire modelli affidabili ed efficaci per l'analisi dei sistemi e per la corretta predizione delle loro prestazioni dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica. La conformità ai requisiti di c. e. permette di ottenere un controllo su aspetti critici di qualità dei prodotti elettrici ed elettronici, favorendo così la loro diffusione in tutti i mercati e proteggendo soprattutto l'utilizzatore finale dai problemi derivanti da guasti di componenti, da interventi imprevisti di organi di controllo e regolazione e da errato funzionamento, indotti da disturbi elettromagnetici. È difficile definire criteri generali per rendere compatibili i sistemi, in quanto questi sono spesso complessi e gli ambienti elettromagnetici in cui operano sono molto vari. Vi è comunque una forte tendenza a seguire indirizzi simili per le varie situazioni, ponendone in evidenza gli elementi comuni, con riflessi sull'uniformità delle norme, dei processi e degli strumenti di sviluppo e di prova, e delle caratterizzazioni dell'ambiente elettromagnetico.
Il raggiungimento degli obiettivi di compatibilità è quasi sempre il risultato del miglior compromesso fra diverse esigenze, spesso contrastanti, sulle caratteristiche tecniche, di prestazioni e di costo della soluzione prescelta. Questo presuppone l'utilizzo di competenze in più discipline scientifiche per risolvere efficacemente problemi in campi di frequenze e con livelli di energia molto differenziati. Nel prossimo futuro si può prevedere una sempre maggiore importanza degli aspetti di c. e. negli apparati e sistemi industriali, scientifici, militari, aerospaziali, delle telecomunicazioni, dei trasporti e del mercato dei servizi e dei beni di consumo. Tale sviluppo è accompagnato da un maggiore livello di integrazione, mirato a ridurre volumi, pesi, ingombri e consumi di energia, da frequenze di funzionamento sempre più elevate, da crescente sensibilità, dovuta all'impiego di componenti funzionanti con bassi livelli di tensione, e dalla frequente presenza contemporanea di componenti che sono sorgenti di disturbo e di componenti sensibili ad esso. Il quadro è completato dal crescente inquinamento elettromagnetico dell'ambiente terrestre e dello spazio circostante, generato soprattutto dall'attività dell'uomo.
Le attività fondamentali nella gestione dei problemi relativi alla c. e. si possono sinteticamente così distinguere: creazione di modelli dell'ambiente elettromagnetico, dei dispositivi e delle relazioni intercorrenti, simulazione delle prestazioni e analisi dei meccanismi di disturbo; definizione delle normative, delle procedure e dei sistemi di prova da utilizzare; realizzazione di impianti di prova e di sistemi di raccolta ed elaborazione dei dati di misura.
La descrizione del campo elettromagnetico con le equazioni dell'elettromagnetismo classico, nota da molti anni, ha avuto un grande sviluppo con la disponibilità delle elevate capacità di calcolo offerte dai moderni elaboratori elettronici. Esistono molti metodi numerici per rappresentare i meccanismi dell'irraggiamento, propagazione e accoppiamento di energia elettromagnetica e ricavare soluzioni per sistemi anche complessi. L'uso di modelli e di analisi mediante simulazione si affianca alla verifica sperimentale, spesso imposta da direttive e normative, come, per es., per la certificazione di prodotti.
Classificazione dei disturbi e normativa
Il disturbo elettromagnetico è il fenomeno che può provocare abbassamento della qualità delle prestazioni, rischi di guasti e danni ai dispositivi. Esso può essere di origine naturale, come quello derivante da una scarica atmosferica (Lightning Electro-Magnetic Pulse, LEMP), o di origine artificiale, quali i disturbi generati da apparecchiature che emettono energia elettromagnetica come modalità normale di funzionamento (sorgenti trasmittenti), o presentarsi come effetto secondario (irraggiamento spurio di circuiti elettrici e linee di trasmissione di energia, scarica elettrostatica o ElectroStatic Discharge, ESD), o derivante da altri fenomeni fisici, quali l'impulso elettromagnetico da esplosione nucleare ad alta quota (Nuclear Electro-Magnetic Pulse, NEMP). In tutti questi casi l'origine, i livelli, gli andamenti nel tempo, i contenuti dello spettro di frequenze sono diversi, ma le interferenze dovute a queste sorgenti di disturbo hanno molti aspetti comuni e i meccanismi attraverso i quali si attuano sono descrivibili con modelli simili. La stessa considerazione sulla base fondamentalmente comune del fenomeno vale per la distinzione fra disturbo condotto e disturbo irradiato, che fa riferimento al meccanismo di propagazione del disturbo, distinguendo il primo, come trasportato prevalentemente da linee di trasmissione e di connessioni circuitali, dal secondo, associato a campi elettromagnetici non guidati. Sono invece generalmente diversi nei due casi gli accorgimenti per ridurne gli effetti a livelli accettabili.
Per applicazioni di tipo militare esiste una serie di norme di riferimento originate negli Stati Uniti, che definiscono i requisiti per l'ambiente elettromagnetico, cioè l'emissione e la suscettibilità, il controllo e la misura delle caratteristiche di interferenza, che sono fonti di rischio, per es., per apparati e sistemi (Hazards of Electromagnetic Radiation to Equipments, HERE), per le persone (Hazards of Electromagnetic Radiation to Personnel, HERP), per i carburanti (Hazards of Electromagnetic Radiation to Fuel, HERF) ecc. Sono state emesse norme nazionali per i vari aspetti della c. e. in applicazioni militari anche in altri paesi, quali la Francia (per es. GAM-EG 13) e la Germania (per es. VG95 373). Ma l'accresciuta rilevanza dei problemi di compatibilità in tutti i settori di attività della società ha determinato la messa a punto di normative e standard di riferimento, anche internazionali, per campi di applicazione civili e commerciali.
La Comunità Europea ha elaborato una Direttiva (89/336 con l'emendamento 92/31) che è stata accolta per la sua attuazione a livello legislativo nazionale dal d.l. 4 dic. 1992 nr. 476 e dal successivo d.l. 12 nov. 1996 nr. 615. In essi si stabiliscono i requisiti generali di c. e. e di protezione, i criteri di verifica della conformità e le autorità e gli organismi competenti, responsabili della redazione delle norme di base di carattere generale e delle norme applicative di natura generica per famiglie di prodotti non soggetti a norme specifiche. La normativa di base definisce i metodi di misurazione e il tipo di attrezzatura, classifica l'ambiente elettromagnetico e dà indicazioni sui criteri da adottare nell'installazione dell'apparato o sistema, con riferimento alle caratteristiche di immunità ed emissione in bassa e alta frequenza. Le norme generiche fanno riferimento a quelle di base per le metodologie di prova e vanno progressivamente sostituite da norme specifiche. Non rientrano nel campo di applicazione gli apparati e sistemi costruiti per usi esclusivamente militari e quelli non commerciali utilizzati da radioamatori.
Dispositivi e sistemi di misura
Il sistema di prova, ossia l'insieme dell'ambiente e delle procedure di misura, della strumentazione e della relativa taratura e dei sistemi automatici di controllo e gestione, è definito quindi in funzione del tipo di caratteristica da verificare. Per prove irradiate l'ambiente di prova dovrebbe approssimare il più possibile una condizione di campo elettromagnetico con andamento uniforme in ampiezza e fase in una zona intorno all'antenna ricevente nelle misure di emissione e intorno all'unità in prova (Unit Under Test, UUT) per le misure di immunità. Poiché queste condizioni non sono praticamente realizzabili, specialmente alle frequenze più basse, e comunque non corrispondono alle effettive condizioni di funzionamento, come per es. nel caso dell'ambiente terrestre, a causa della presenza del terreno, si adottano parametri correttivi, basati su caratterizzazioni sperimentali dell'ambiente di prova, per il quale esistono prescrizioni sulla non uniformità ammissibile e sulla sua configurazione.
L'ambiente per le prove irradiate nelle misure di emissione è un sito in campo libero (Open Area Test Site, OATS, fig. 1), con un piano riflettente, per simulare il terreno interposto fra il dispositivo in prova e l'antenna ricevente. Per ridurre effetti non desiderati da disturbi esterni, estranei alla misura, e anche per l'indipendenza dalle condizioni meteorologiche esterne, si utilizza la camera schermata semianecoica (fig. 2), costituita da un ambiente schermato dal punto di vista elettromagnetico, con le pareti e il soffitto rivestiti di materiale assorbente nel campo delle frequenze di misura e il pavimento riflettente. Per le prove di immunità irradiata si adotta generalmente una camera schermata anecoica (fig. 3), ossia completamente rivestita di materiale assorbente. Nel caso che si adotti una camera semianecoica, la presenza del pavimento riflettente è causa di significative non uniformità della distribuzione di campo in verticale, per la variazione della fase del segnale diretto e di quello riflesso alle varie altezze. È stato quindi introdotto il concetto di area uniforme, definita come una superficie verticale di dimensioni prescritte ed elevata rispetto al terreno, nella quale l'intensità di campo è contenuta entro limiti definiti dalla norma. La zona dov'è stato rilevato il livello minimo di campo, è il riferimento per la misura, con criteri conservativi. Una soluzione alternativa è quella della cella TEM (Transverse electromagnetic; fig. 4), dove un campo elettromagnetico, vicino a quello di propagazione nello spazio libero, è generato in una struttura coassiale e guidato gradualmente in un volume confinato, dov'è posto il dispositivo sotto misura. Questo deve essere fatto ruotare, perché sia sottoposto a campi elettromagnetici con piani di polarizzazione diversi. Un'altra soluzione per l'ambiente di prova è la camera riverberante (fig. 5), costituita da un volume di spazio di dimensioni grandi rispetto alla lunghezza d'onda massima, racchiuso entro pareti conduttive, nel quale la distribuzione del campo elettromagnetico viene variata continuamente per effetto della rotazione di corpi metallici (pale) al suo interno. Il dispositivo in prova risulta così sottoposto a un campo medio costituito da onde piane di diversa direzione e polarizzazione, che simula un maggior numero di condizioni effettive di disturbo.
Le misurazioni di emissione e di immunità condotte non presentano particolari requisiti per l'ambiente di prova, nel caso di funzionamento continuo e uniforme, salvo la cura per un'efficace massa elettrica comune. Gli apparati elettronici analogici sono generalmente più critici di quelli digitali, nei quali esiste un'intrinseca soglia propria di sensibilità. Nel caso di misure relative a fenomeni rapidamente variabili, quali le scariche elettrostatiche, i segnali di tipo impulsivo o con transitori veloci, sono prescritte o consigliabili condizioni di schermatura per l'ambiente di prova. In questi casi gli apparati digitali sono sfavoriti rispetto a quelli analogici per la somiglianza della forma del disturbo con il segnale proprio.
Esistono molti aspetti comuni fra i problemi di c. e. - in particolare quelli di emissione, con le relative tecniche di protezione - e i requisiti di sicurezza e di riservatezza nei sistemi che gestiscono informazioni. Negli USA è stata introdotta, per determinate applicazioni militari, una normativa nota sotto il nome di Tempest (Transient electromagnetic pulse emanation standard). Essa definisce i criteri per controllare le emissioni e proteggere da interferenze ambienti, dispositivi elettronici, sistemi di elaborazione di dati, apparati di telecomunicazioni, che possono essere soggetti a intercettazione o disturbo. La strumentazione per le prove di emissione, sia condotta sia irradiata, è costituita essenzialmente da un sistema ricevente, capace di rivelare e misurare le caratteristiche dei segnali propri e di quelli spuri dell'apparato in prova.
Il tipo di ricevitore dipende dalle caratteristiche di tali segnali e dalle grandezze che si debbono rilevare, come livelli medi e di picco del campo elettromagnetico, contenuto energetico, spettro di frequenze, andamento nel tempo della forma d'onda. Generalmente si fa uso di ricevitori del tipo a supereterodina, nei quali i segnali da misurare sono convertiti in un campo frequenze più basso, dove sono più agevoli le operazioni di amplificazione, filtraggio ed estrazione dei parametri di interesse. La conversione di banda dei segnali di ingresso avviene combinando gli stessi in un 'dispositivo non lineare' (mixer) con il segnale generato da una sorgente (oscillatore locale), funzionante a una frequenza spostata rispetto alla banda dei segnali da misurare ed estraendo, tra i segnali risultanti, quelli pari alla loro differenza. Se la frequenza dell'oscillatore locale viene variata periodicamente, per es. con un comando di tensione variabile, in un campo la cui estensione corrisponde a quella prevista per i segnali da misurare, si ottiene uno spettro di segnali che riproduce periodicamente, dopo la conversione di frequenza, la stessa struttura di quelli di ingresso. Su questo principio è basato il funzionamento dell'analizzatore di spettro, nel quale, mediante sincronizzazione del sistema di presentazione con la variazione della frequenza dell'oscillatore locale, si ottiene la rappresentazione dello spettro di frequenze dei segnali generati dal dispositivo in prova. Per ottenere adeguata risoluzione delle varie componenti dello spettro e alta sensibilità, lo strumento deve essere capace di filtrare con banda molto stretta il segnale. In base al tipo di rivelatore a diodo il ricevitore/analizzatore ha la capacità di misurare il valore di picco, quasi picco e medio del segnale. La differenza fra i vari tipi di misurazione è legata alle diverse costanti di tempo, alle caratteristiche di filtraggio del circuito e alla natura del segnale (singola frequenza, impulsivo, periodico, rumore). L'analizzatore FFT (Fast Fourier Transform) è utilizzato per le frequenze più basse dello spettro, ed è basato sull'analisi dei segnali nel dominio del tempo, mediante campionamento e filtraggio con trasformata di Fourier. I dati della misura di un sistema ricevente possono essere analizzati ed elaborati mediante opportuni algoritmi con l'aiuto di un calcolatore che, oltre a gestire e controllare il processo della misurazione e della raccolta dei dati, fornisce automaticamente una loro sintesi, e il confronto con i requisiti della normativa.
I segnali provenienti dal dispositivo in prova sono prelevati da sensori di campo, costituiti essenzialmente da antenne per l'emissione irradiata e per quella condotta da sonde di corrente, che operano come circuiti accoppiati con il percorso del segnale interferente. È conveniente che l'antenna o la sonda abbiano una banda di funzionamento la più estesa possibile, per ridurre i tempi di prova e garantire una migliore ripetibilità e affidabilità. Tali dispositivi debbono essere tarati per consentire una misura assoluta del livello del campo.
Alle frequenze più basse (fino a 30 MHz) si adoperano antenne a stilo o a dipolo per i campi elettrici, e a telaio per i campi magnetici. Nel campo delle frequenze superiori, sono generalmente usati dipoli e antenne a tromba a banda larga e antenne log-periodiche. Il dipolo elettrico è la struttura radiante più semplice e più nota. La sua larghezza di banda è legata al rapporto diametro/lunghezza, poiché la variazione dell'impedenza di ingresso è tanto minore quanto maggiore è quel rapporto. Se poi i bracci del dipolo assumono una forma conica, si accentua la caratteristica di banda larga, avvicinandosi alla struttura dell'antenna detta biconica (fig. 6). Un altro tipo di antenna a banda larga è quello costituito da due setti contrapposti, che formano una linea di trasmissione bilanciata, che si trasforma progressivamente in una struttura a tromba (fig. 7), con due pareti metalliche contrapposte e divaricate, collegate fra loro da elementi lineari, opportunamente distanziati, per formare pareti non completamente schermanti. La gradualità della transizione e la conformazione delle pareti laterali consentono di utilizzare l'antenna in una banda di frequenze adeguatamente estesa, con buona uniformità delle sue caratteristiche di irradiazione e impedenza. Un tipo di antenna largamente diffuso per prove di compatibilità è quella denominata log-periodica, la cui geometria è caratterizzata da una ripetizione periodica di elementi in scala logaritmica fra loro, determinando un'analoga periodicità di irraggiamento con la frequenza. Tale antenna, usata soprattutto per onde corte e cortissime, è costituita (fig. 8) da un allineamento di dipoli a mezz'onda paralleli la cui lunghezza l e la cui distanza reciproca d soddisfano la relazione ln/ln₋₁=dn,n₋₁/dn₋₂,n₋₁=k, con n numero d'ordine dei dipoli; il rapporto tra le frequenze estreme che delimitano la banda di utilizzazione è pari a kl⁻n (per es., n=10 e k=0,85 tale rapporto è circa 4,3, come dire, sempre per es., una banda passante da 6 MHz a circa 26 MHz). L'ampiezza di tale banda può essere aumentata combinando un'antenna log-periodica con, per es., un'antenna biconica.
Nelle prove di immunità è necessario generare un campo elettromagnetico, alla distanza dove è posto l'apparato in prova, nell'area uniforme, con il livello prescritto dalla normativa specifica. Generalmente i livelli di campo elettrico previsti sono compresi fra 3 e 10 V/m, ma in molti casi di prodotti destinati ad applicazioni più critiche, come nei sistemi di controllo e negli attuatori a bordo di aerei, in dispositivi per usi clinici o militari, il livello di prova può essere anche dell'ordine di 200 V/m. Il tipo di antenne adoperate è lo stesso usato in ricezione per le prove di emissione irradiata, con il requisito aggiuntivo di sostenere livelli di potenza elevati. Quanto maggiore è la direttività dell'antenna, tanto minore è il livello di potenza richiesto.
Elemento importante nelle misure di immunità è l'amplificatore di potenza, per fornire i livelli richiesti di campo nella banda di frequenze di prova. Si adoperano per questo scopo dispositivi a stato solido, come transistori di potenza, e, soprattutto per frequenze superiori a 1 GHz, tubi a onda progressiva (Travelling Wave Tube, TWT). Sono importanti le caratteristiche di linearità (per ridurre segnali a frequenze armoniche e spurie e prodotti di intermodulazione estranei alla prova), di larghezza di banda, di potenza di uscita e di efficienza. Occorre predisporre protezioni del dispositivo contro le riflessioni dovute a disadattamenti di impedenza del sistema radiante o all'ambiente di prova. L'integrazione dell'amplificatore in un sistema automatico di prova consente il suo controllo, la gestione in maniera programmata dei livelli di funzionamento e le correzioni di linearità e dei fattori dipendenti dalla frequenza.
Sistemi di protezione
Per combattere e controllare gli effetti dei disturbi esiste una grande varietà di soluzioni, basate su opportune scelte architetturali e circuitali del dispositivo e sull'utilizzo di componenti capaci di ridurre le interferenze. Esse hanno in generale un effetto peggiorativo sui costi e possono influenzare le caratteristiche elettriche, meccaniche e strutturali del dispositivo. Le interfacce elettriche di un apparato, ossia i punti in cui esso è connesso elettricamente al mondo esterno, come la massa elettrica, i collegamenti per l'alimentazione e il trasporto dei segnali, sono spesso le aree più critiche. Poiché l'emissione di energia elettromagnetica nell'ambiente da parte di apparati e sistemi per il loro normale funzionamento è in continua crescita, la tendenza è quella di agire nella direzione di accrescere le caratteristiche di immunità delle potenziali 'vittime'.
Collegamenti in fibra e isolatori ottici, per la loro insensibilità ai campi elettromagnetici, rappresentano un'efficace soluzione di isolamento, quando il loro uso è possibile. Per la schermatura di apparati esistono varie tecniche per i contenitori e i punti di interfaccia con l'ambiente esterno, quali adesivi e vernici conduttive, tessuti a trama metallizzata, vetri con rete metallica inglobata, lastre per pareti e vetri al piombo, guarnizioni elastiche in rame al berillio, materiali plastici conduttivi. La scelta dipende dal tipo di installazione, dal campo di frequenze e dalle esigenze di stabilità nel tempo. L'effetto della schermatura è dovuto a una creazione di percorsi a bassa impedenza verso la massa elettrica, o di elevate differenze dei valori di impedenza alla superficie di separazione rispetto a un campo elettromagnetico incidente.
Per il controllo delle interferenze dovute a disturbi condotti, si usano filtri, spesso associati a un sistema più generale di schermature, curando la scelta di adeguate geometrie e tipi di collegamenti. La scelta del filtro è determinata dai requisiti della normativa da soddisfare, o dagli obiettivi del costruttore o dell'utilizzatore, quali il campo di frequenze, la natura dei segnali e i percorsi lungo i quali esso va inserito.
Nel caso di filtri inseriti lungo la linea del segnale (passa-alto, passa-basso, passa-banda o arresta-banda, con circuiti a componenti concentrati o distribuiti, in funzione della frequenza dei disturbi), i parametri rilevanti sono il coefficiente di riflessione, la perdita d'inserzione e l'andamento del ritardo di tempo nella banda utile del segnale, e l'attenuazione fuori banda. Essi operano sia nel caso di controllo delle emissioni indesiderate, sia nella protezione del dispositivo da disturbi esterni. I disturbi condotti, che si trasmettono sulle linee di alimentazione, sono particolarmente pericolosi, perché possono raggiungere tutte le parti del sistema; si propagano secondo meccanismi di 'modo comune' o di 'modo differenziale' (v. compatibilità elettromagnetica, in App. V). I filtri di alimentazione debbono operare a partire da frequenze molto basse e quindi la loro dimensione può risultare notevole, se non si adottano opportune soluzioni tecnologiche. Inoltre essi non funzionano nelle condizioni di buon adattamento di impedenza, in quanto non operano con carichi definiti e uniformi verso l'ingresso e l'uscita. Per la caratterizzazione dei filtri per alimentatori le normative prevedono l'uso di speciali reti di stabilizzazione dell'impedenza (Line Impedance Stabilization Network, LISN).
I 'soppressori' sono una particolare famiglia di filtri, che operano essenzialmente per la protezione da disturbi transitori, e quindi sono caratterizzati da una capacità di intervento veloce, per scaricare verso la massa l'elevata corrente del fenomeno, che ha caratteristiche impulsive o di variazione molto rapida.
Nuove possibilità per la soluzione di problemi di compatibilità sono offerte dallo sfruttamento delle capacità elaborative e logiche eventualmente già presenti nell'apparato. Nel caso, per es., di sistemi basati sull'uso di microprocessori, con adatto software, che usa dati rilevati nello stesso dispositivo, si può spesso realizzare internamente il controllo e la correzione degli effetti indesiderati.
bibliografia
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