La compatibilità elettromagnetica o EMC (inglese, compatibilità elettromagnetica o EMC ) è la capacità di un dispositivo o sistema elettrico , o elettronico , di funzionare come previsto nell'ambiente elettromagnetico per il quale il dispositivo è stato progettato senza produrre di per sé disturbi elettromagnetici intollerabili.
Una buona compatibilità elettromagnetica descrive uno stato di "buon vicinato elettromagnetico":
Le varie normative richiedono il rispetto di un livello di compatibilità elettromagnetica ( direttive europee , FCC per gli Stati Uniti, ecc.). A sostegno di queste normative, gli standard hanno stabilito metodi per la valutazione dei disturbi, nonché limiti al livello di disturbo da non superare o da tollerare in un dato ambiente.
La compatibilità elettromagnetica non riguarda gli effetti biologici e ambientali dei campi elettromagnetici .
Fenomeno elettromagnetico suscettibile di creare disturbi funzionali di un dispositivo, apparato o sistema o di influenzare negativamente la materia vivente o inerte. Un disturbo elettromagnetico può essere un rumore, un segnale indesiderato o una modifica del mezzo di propagazione stesso.
La maggior parte delle apparecchiature elettriche ed elettroniche genera campi elettromagnetici percepibili nel loro ambiente; tutti questi campi creano un vero e proprio inquinamento che a volte interrompe il funzionamento di altre apparecchiature.
Poiché la compatibilità deve essere assicurata in entrambe le direzioni, siamo portati a definire due tipi di fenomeni:
Quando si manifesta un'incompatibilità elettromagnetica, questi tre elementi devono essere considerati:
Quando manca almeno uno di questi elementi, il CEM viene ripristinato.
La configurazione del modello "sorgente / accoppiamento / vittima" dipende dalla scala alla quale viene visualizzato:
Questo tipo di decomposizione non è indefinito: si finisce sempre per arrivare a sorgenti ultime (segnali funzionali, fenomeni naturali o intenzionali). Idem per le vittime.
Al fine di caratterizzare il comportamento di un dispositivo indipendentemente dagli altri , gli accoppiamenti sono necessariamente scomposti in due sottoaccoppiamenti: sorgente / ambiente e ambiente / vittima, motivo per cui le norme prevedono differenti tipologie di ambienti. Residenziale, commerciale leggero o industriale nella maggior parte dei casi nel settore civile.
Gli accoppiamenti sono classificati in due categorie:
Il confine tra i due ha un elemento di arbitrarietà, certi standard classificano certi accoppiamenti per campo elettrico o magnetico (ma non tutti…) nella casella “conduzione”.
Inoltre, per gli accoppiamenti per radiazione, gli standard distinguono anche tra campi vicini e campi lontani: una fonte di disturbi elettromagnetici spesso crea inizialmente un campo elettrico o un campo magnetico. Ma a una certa distanza da questa sorgente, l'onda osservata sarà un'onda elettromagnetica "piana" (detta anche "distante"), combinazione di un campo H e un campo E, con rapporto E / H = 120 π (≈377 Ω). Questa distanza è dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda. Pertanto, per le alte frequenze, avremo sempre un'onda piana non appena ci allontaneremo un po 'dalla sorgente.
Lo standard può richiedere un test di suscettibilità al campo E, al campo H o all'onda piana (o campo lontano). Gli standard richiederanno test di onde piane alle frequenze più alte, poiché nel caso delle alte frequenze, nella pratica avremo sempre un'onda "piana".
Questi sono i disturbi provenienti principalmente da:
In generale, nelle normative, l'immunità del dispositivo dovrebbe essere sufficiente per evitare il degrado delle funzioni oltre le specifiche durante l'esposizione a questo tipo di disturbo.
Disturbi transitoriSi tratta di disturbi provenienti principalmente da:
Nella normativa è generalmente accettato che la suscettibilità del dispositivo consenta un degrado temporaneo della funzione, ma con il ripristino automatico di questa funzione una volta terminato il disturbo (senza intervento dell'utente).
L'accoppiamento è il processo mediante il quale l'energia del disgregatore raggiunge la vittima. Ogni volta che parliamo di corrente, tensione o campo, non dimenticheremo che si tratta di grandezze elettriche che variano nel tempo.
Accoppiamento di impedenza comuneIn questo caso, il circuito elettrico del disturbatore ha un'impedenza comune con il circuito elettrico della vittima. Ai terminali di questa impedenza comune c'è una tensione generata dalla corrente che scorre nel circuito disturbante. Poiché questa impedenza è presente anche nel circuito della vittima, questa vittima sperimenta questa tensione parassita. Esempio: due dispositivi sono collegati alla rete 230 V : un disgregatore che genera tensioni parassite sulla tensione di rete e una vittima che utilizza la tensione di rete e che allo stesso tempo recupera questa tensione parassita.
Accoppiamento capacitivoIn questo caso è presente una tensione su un circuito disturbante in grado di produrre disturbi. C'è anche una capacità tra questo circuito disturbante e un altro circuito, che sarà la vittima. Con questa capacità, l'energia elettrica disturbante raggiunge il circuito della vittima.
Esempio: il fenomeno del crosstalk capacitivo . Un conduttore appartenente al circuito disturbante si trova nello stesso cavo di un conduttore appartenente al circuito vittima. Essendo questi due conduttori vicini, c'è una capacità tra loro, responsabile dell'accoppiamento. Maggiore è l'impedenza del circuito vittima, maggiore sarà l'accoppiamento, a causa del ponte partitore di tensione costituito dalla capacità e dall'impedenza della vittima.
Accoppiamento induttivoIn questo caso è presente una corrente nel circuito perturbatore in grado di produrre disturbi. Vicino a questo circuito c'è un circuito vittima. La corrente del conduttore del circuito disturbante produce attorno ad esso un campo magnetico. Questo campo magnetico induce una corrente nel circuito della vittima.
Esempio: diafonia induttiva . Il conduttore del circuito disturbante è nello stesso cavo del conduttore del circuito vittima e induce una tensione parassita in quest'ultimo. Più bassa è l'impedenza del circuito vittima, più questa tensione indurrà un'energia di disturbo significativa nel circuito vittima.
Accoppiamento per campo elettricoQuesto accoppiamento è anche chiamato accoppiamento campo-filo.
È un campo elettrico incidente che produrrà un disturbo sul circuito della vittima. Notiamo subito che l'accoppiamento capacitivo di cui sopra è della stessa natura, poiché la capacità di accoppiamento porta le linee di campo alla vittima. La differenza qui è che il disgregatore è più lontano: invece di identificare il disgregatore stesso, identifichiamo il campo elettrico che ne deriva.
Esempio: il campo elettrico impulsivo di una candela del motore raggiunge l'antenna di un ricevitore dell'autoradio.
Accoppiamento del campo magneticoQuesto accoppiamento è anche chiamato accoppiamento field-to-loop.
È un campo magnetico, proveniente da un disturbo, che attraversa un circuito vittima, e quindi induce una tensione parassita in questo circuito. È l' induzione . Notare anche qui che questo accoppiamento è della stessa natura dell'accoppiamento induttivo sopra citato ... Invece di identificare il disturbatore stesso, identifichiamo il campo magnetico che ha generato.
Esempio: un fulmine vicino alla vittima (e non sopra). Il fulmine è una scarica elettrostatica caratterizzata da una corrente di diverse decine di migliaia di ampere e un tempo di salita dell'ordine di un microsecondo. La tensione indotta in un loop è quindi elevata a causa della grande variazione dell'intensità della corrente, ma anche della rapidità di salita di questa corrente.
Accoppiamento tramite campo elettromagneticoSpesso un disturbatore emette sia campi elettrici (dovuti a tensioni) che campi magnetici (dovuti a correnti); È la combinazione di questi due campi che raggiunge la vittima. Tuttavia, anche se un disgregatore emette inizialmente solo un campo elettrico, le equazioni di Maxwell mostrano che a una certa distanza da questa sorgente apparirà anche un campo magnetico, per formare un'onda elettromagnetica piana (vedi onda elettromagnetica ). Lo stesso vale se il disturbatore emette solo un campo magnetico all'inizio. Questa trasformazione avviene ad una distanza corrispondente ad una frazione non trascurabile della lunghezza d'onda. È quindi grande per le basse frequenze, ma abbreviato per le alte frequenze. Questo è uno dei motivi per cui le misurazioni EMC non sono le stesse per le basse frequenze e per le alte frequenze. Per le alte frequenze, avremo quasi sempre a che fare con un'onda elettromagnetica piana.
Si sente spesso parlare dei due modi di propagazione: il modo differenziale e il modo comune. Queste due definizioni avrebbero potuto essere incluse nelle modalità di accoppiamento, ma l'importanza di questi due termini, in particolare il modo comune, merita di essere definita con precisione.
Propagazione in modalità differenzialeConsidera due conduttori collegati a un dispositivo elettrico o elettronico. Si dice che una tensione venga applicata in modo simmetrico (o differenziale) a questo dispositivo se la tensione è presentata tra i due conduttori. Ad esempio, la tensione di alimentazione di rete viene applicata in modalità differenziale. O anche la tensione presente su una coppia di cavi telefonici.
Se consideriamo il cavo costituito dall'insieme di due conduttori, la somma algebrica delle correnti in questo cavo è zero, poiché nel primo conduttore c'è una corrente di "uscita" e una corrente di "ritorno" della stessa intensità, ma di fronte, nel secondo conduttore.
Per evitare problemi di compatibilità elettromagnetica è sufficiente che i due conduttori siano sufficientemente vicini.
Propagazione in modo comuneLa propagazione di un disturbo di modo comune è considerata dalla maggior parte degli ingegneri EMC il problema principale con EMC.
Oppure un cavo composto da più conduttori, collegato a un dispositivo elettrico o elettronico. Supponiamo che i campi elettromagnetici esterni inducano una corrente parassita in tutti i conduttori di questo cavo. Questa corrente entra nel dispositivo della vittima attraverso questo cavo. Si noti che nel modo differenziale, nel cavo è presente un conduttore per la corrente "in uscita" e un conduttore per la corrente "di ritorno". Non è questo il caso qui: il campo elettromagnetico ha correnti indotte in fase in tutti i conduttori del cavo. Poiché in questo cavo non è presente un conduttore di ritorno di questa corrente, è necessario chiedersi con quale percorso si chiuderà la corrente di modo comune, poiché in linea di principio una corrente viaggia attraverso un circuito chiuso ...
Poiché questa corrente è "entrata" nel dispositivo, uscirà necessariamente dal dispositivo:
Questa corrente, attraverso questi tre possibili percorsi, alla fine tornerà "alla terra". Quindi circolerà nella terra e tornerà a completare il circuito, in linea di principio all'altra estremità del cavo in questione. L'estremità del cavo sarà il dispositivo da cui proviene il cavo, ad esempio l'alimentazione, ecc. Il circuito è così chiuso.
Si dice che questa corrente sia "modalità comune". Il suo circuito può essere molto ampio:
Quindi la superficie di questo circuito può essere grande, ne risulta:
Di conseguenza, i disturbi esterni possono creare correnti elevate in questo circuito e disturbare il dispositivo (dispositivo vittima). Infatti, questa corrente di disturbo che entra nel dispositivo, se non si interviene, attraverserà la scheda elettronica e disturberà i circuiti elettronici che essa comprende.
Fino ad ora, abbiamo considerato il dispositivo come una vittima. Immagina che sia il dispositivo stesso a generare un disturbo in questo circuito, ad esempio generando una corrente RF sul suo cavo. Questa corrente fluirà nel circuito di modo comune menzionato sopra. Poiché questo circuito è molto grande, svolgerà il ruolo di un'antenna e creerà disturbi in lontananza. Il dispositivo sarà un importante distruttore.
Per ridurre gli effetti di questi disturbi di modo comune, sia che il dispositivo sia vittima o dannoso, il dispositivo deve essere adeguatamente trattato alle connessioni di ingresso, mediante appropriate tecniche di protezione EMC. Ad esempio, le correnti che entrano attraverso ciascun conduttore del cavo dovranno andare direttamente a terra del dispositivo, e quindi evitare di passare attraverso le funzioni della scheda. È anche preferibile collegare la massa del dispositivo al suolo o al piano di massa (vedi sotto). Oppure, tenteremo di impedire a queste correnti di entrare nel dispositivo infilando un nucleo di ferrite chiamato "soppressore di modo comune" attraverso il cavo. È inoltre possibile schermare tutti i conduttori del cavo, e collegare la schermatura alla terra del dispositivo, all'ingresso del cavo. La corrente di modo comune, che passa solo sulla superficie esterna della schermatura, viene così deviata a massa, e non passa più attraverso la scheda elettronica. Vedere più avanti per ottenere EMC, rimozione delle correnti di modo comune)
Fino ad ora abbiamo considerato che il ritorno della corrente di modo comune avvenisse tramite la “terra”. Nei sistemi complessi è spesso presente un piano di massa comune ai vari dispositivi (banchi di misura da laboratorio, veicoli, ecc.). È ovviamente quindi questo piano che prende il posto della "terra". In questo caso, i disturbi di modo comune possono essere ridotti mantenendo i cavi di ingresso il più vicino possibile al piano di massa del sistema, in modo da ridurre la superficie dell'anello di modo comune.
Abbiamo affrontato il problema del modo comune considerando le correnti. Nella letteratura tecnica, a volte non si considerano le correnti, ma le tensioni di modo comune. Queste tensioni sono presenti tra i conduttori del cavo e la "terra". Questo è ovviamente un duplice punto di vista.
Si riscontrano problemi di modo comune anche per frequenze di diverse centinaia di megahertz. Possiamo anche dire che questi sono i problemi che si sono moltiplicati di più dalla proliferazione delle emissioni radioelettriche. Su queste alte frequenze, si noterà semplicemente una differenza rispetto al loop di modo comune: poiché questo loop è di dimensioni maggiori della lunghezza d'onda, non è più necessario tenere conto della superficie del loop, ma considerare tutto semplicemente che il cavo che entra nell'apparato è un'antenna che raccoglie le radiazioni di disturbo. La protezione di modo comune della vittima consisterà sempre nell'impedire che queste correnti entrino nella scheda elettronica. Se il dispositivo è considerato distruttivo, eviteremo che le correnti interne escano dalla scheda, sapendo che il filtraggio sarà lo stesso.
Nel laboratorio di prova EMC, è comune differenziare un'onda in base alla sua natura distruttiva o meno. Vale a dire in base ai rischi associati sull'elettronica (o più in generale sul dispositivo in prova). Alcune onde sono così energiche che possono "rompere" i componenti situati nel "percorso" dell'onda. Ad esempio, un'onda di tensione (diversi kV) può rompere l'isolamento e "rompere" componenti sensibili (caso di DES o EFT).
Onda distruttivaUn'onda d'urto, un transitorio elettrico veloce (TERS o EFT in inglese) o una scarica elettrostatica (ESD), a causa della natura dell'onda (diversi kV o kA) possono alterare (affaticare) il comportamento o addirittura distruggere i componenti di un Prodotto. Questi test, infatti, vengono generalmente lanciati al termine della campagna di test per evitare che questi fenomeni alterino il comportamento di un dispositivo e il giudizio (conformità). Talvolta alcuni laboratori (su richiesta del progettista o del produttore) devono eseguire prima questi test (si tratta di dibattiti sulla rappresentatività di un test e sul ciclo di vita del prodotto).
Generalmente, questi fenomeni sono transitori e / o casuali.
nota: le onde magnetiche non sono considerate distruttive. D'altra parte, hanno la capacità di cancellare la memoria di alcuni componenti (ROM, RAM) e quindi rendere inoperativo un prodotto (es. Cancellare il firmware di un PLC). Tuttavia, il prodotto non viene distrutto (anche se il risultato può essere lo stesso, per un arresto di produzione su una linea automatizzata).
Onda non distruttivaAl contrario delle onde distruttive. Tutte le onde che non distruggono un componente o non influenzano in modo permanente il comportamento dell'EST (Equipment Subject to Test).
Di solito quando l'onda non distruttiva influisce sul comportamento di un prodotto. Quando questo disturbo viene interrotto, il prodotto torna immediatamente al comportamento previsto. A volte è necessario riavviare l'apparecchiatura. Questo cambiamento nel comportamento o nel funzionamento non è definitivo.
È una fonte naturale di parassita, probabilmente la più diffusa.
Il meccanismo è il seguente:
Il fenomeno "scarica elettrostatica di origine umana" è modellato, nella standardizzazione, da:
Con i fulmini , non usciamo dal campo della triboelettricità, cambiamo semplicemente scala.
Ad esempio nel cumulonembo , dopo poche decine di minuti, la quantità di cariche elettriche cumulative è colossale. Queste cariche sono distribuite casualmente in zone positive o negative, creando potenziali differenze dell'ordine di un megavolt. Ciò può danneggiare seriamente il dispositivo.
Se le cariche elettrostatiche si accumulano su un oggetto isolato, può verificarsi una scarica elettrostatica non appena il potenziale di questo oggetto raggiunge un certo valore: ci sarà una scarica tra questo oggetto e un altro oggetto nel suo ambiente. L'aria stessa contiene cariche: piccole cariche, costituite da ioni di luce, sono dovute alla ionizzazione delle molecole di gas mediante radiazione UV del sole. I carichi più grandi sono polvere caricata o goccioline d'acqua caricate. Pertanto, un oggetto che si muove nell'aria può recuperare queste cariche, il che aumenterà il suo potenziale elettrostatico in relazione al suo ambiente. Anche un oggetto fermo ma isolato sarà in grado di raccogliere cariche, se l'aria si muove. Per tutti questi motivi, accade spesso che un oggetto che rimane isolato possa generare una scarica elettrostatica con l'ambiente circostante (isolanti, ecc.). Se l'oggetto fa parte di un dispositivo elettronico, la scarica può avvenire tramite un condensatore di isolamento, e distruggere quest'ultimo. È per questo motivo che le antenne dei sistemi di telecomunicazione non sono mai perfettamente isolate in modo continuo, e che i test EMC vengono applicati anche alle antenne dei terminali radio.
Le apparecchiature radio, la principale fonte di campi elettromagnetici irradiati, sono disciplinate dalla Direttiva Europea 2014/53 / UE, nota come RE-D .
Qualora siano soggetti a deroghe alla direttiva EMC, in particolare per il livello massimo di emissione (per adempiere alle loro funzioni), devono fornire le stesse garanzie degli altri dispositivi in termini di compatibilità elettromagnetica (art. 3, requisito essenziale 1b della direttiva RE-D ).
Lo standard fondamentale di immunità ai campi elettromagnetici (IEC / EN 61000-4-3) prevede la possibilità di test fino a 6 GHz , in modo da tenere conto delle frequenze più elevate dei trasmettitori (Wifi in 802.11a, WIMAX ... ). È prevista un'evoluzione a lungo termine per far evolvere lo standard fondamentale fino a 18 GHz . La modulazione normalmente utilizzata da questo standard (AM 80% 1 kHz ) non è tuttavia rappresentativa di apparecchiature a banda larga, anche se la semplice modulazione AM è riconosciuta come la più fastidiosa per l'apparecchiatura.
I limiti di immunità del campo civile e medico sono determinati secondo i casi attuali in un ambiente "tipico". I livelli di immunità richiesti sono 1 V / m (in un ambiente protetto), 3 V / m (residenziale), 10 V / m (industriale) e 30 V / m (eccezionale). In ambito automobilistico, aeronautico o militare alcune specifiche richiedono livelli di immunità espressi in kV / m.
Questi livelli di immunità dell'apparecchiatura consentono all'apparecchiatura di funzionare come previsto in presenza di un trasmettitore nelle vicinanze. La normativa prevede, attraverso norme di prodotto, l'utilizzo di una categoria di elettrodomestico (elettrodomestico, TV, industriale, telefono, ecc.) In un ambiente "tipico" (residenziale, industriale, ecc.). Tuttavia, i livelli di immunità "tipici" non consentono di garantire l'immunità di un dispositivo in tutte le condizioni in cui potrebbe essere eccezionalmente collocato.
Inoltre, i livelli limite di immunità delle apparecchiature raccomandati negli standard civili sono inferiori ai limiti di esposizione umana. Pertanto, è possibile che nelle immediate vicinanze di un emettitore (mentre questo è conforme alla normativa in tutti i suoi aspetti), un'apparecchiatura (anch'essa conforme alla normativa) possa essere disturbata. Ciò può causare problemi alla sicurezza elettronica o alle apparecchiature di supporto vitale.
Ad esempio, immagina:
Tuttavia, 1.500 km corrispondono a un quarto di lunghezza d' onda (λ / 4) di un segnale a 50 Hz . Per motivi di manutenzione solo una delle due linee è aperta in prossimità della centrale. Infine si formano una linea di andata e una di ritorno simili ad un circuito sintonizzato su λ / 2: la tensione prodotta dall'impianto è in opposizione di fase al termine dei 3000 km di linea rispetto alla tensione proveniente direttamente da la centrale elettrica. È possibile ottenere facilmente 800.000 volt rms, separati da un interruttore aperto.
Quando l'interruttore è chiuso, le tensioni in opposizione di fase vengono assimilate dalla centralina ad un cortocircuito.
Fino a quando non si stabilirà un nuovo equilibrio (almeno 10 ms per la parte aperiodica), i 5 GW prodotti dalla centralina verranno consumati (per intero al momento della chiusura) dal cortocircuito dinamico.
Nella rete elettrica europea a maglie e completamente interconnessa, questo tipo di manovra viene eseguita più volte al giorno. Tuttavia, poiché la risonanza non è mai esatta, la natura distribuita dei carichi e di altre sorgenti fornisce lo smorzamento. Nonostante tutto, a ciascuna di queste chiusure di grandi anelli, l'intera rete europea è fortemente sbilanciata per diversi secondi. I paesi "in fondo alla linea" svolgono in particolare il ruolo di riflettore (quindi pancia di tensione, anche se nessuna onda stazionaria ha davvero il tempo di imporsi).
Questo tipo di fenomeno, seppur mitigato il più possibile, lascia tracce fino all'utilizzatore finale. A questi residui è inoltre necessario aggiungere tutti i fenomeni simili (anche se in scala minore) che interessano le varie reti a tensione sempre più bassa fino all'utenza.
L'archetipo di questo tipo di sorgente è l'onnipresente "alimentatore switching".
La maggior parte delle schede elettroniche moderne utilizza circuiti logici veloci. Questi circuiti integrati e le connessioni che li associano sono sede di correnti dai fronti ripidi, capaci di irradiare onde elettromagnetiche ad ampio spettro. Sebbene a livelli abbastanza bassi, questa radiazione può in particolare disturbare i ricevitori radio posti nelle vicinanze.
Per convincersene, è sufficiente posizionare un ricevitore radio vicino ad un computer ... I progettisti di questi sistemi devono rispettare le direttive EMC relative all'irraggiamento dei dispositivi, e alle emissioni condotte che potrebbero essere presenti sui dispositivi. cavi di questi dispositivi.
Dobbiamo rendere giustizia ai militari di tutti i paesi: poiché Archimede ei suoi specchi infuocati , che avrebbero dato fuoco alla flotta romana di fronte a Siracusa , hanno generosamente finanziato molte idee di "Raggio di morte" , con risultati variabili ( ea volte completamente inaspettato, come il Radar , se dobbiamo credere alla biografia di Nikola Tesla ).
Tra la moltitudine di idee serie o folli in questo settore, ce ne sono 3 in particolare riguardanti il CEM:
Già nel 1946 il governo degli Stati Uniti aveva acquisito due certezze:
Un vasto programma di test sulle armi nucleari è stato quindi lanciato dalle forze armate statunitensi. Il New Mexico dove sono stati effettuati i primi test, con una densità di popolazione troppo alta per continuare l'irradiazione, e il Giappone è diventato un alleato, questi test sono stati condotti sull'atollo di Bikini . Queste campagne di prova includevano diversi tipi di fuoco: a livello del suolo, sott'acqua, in aria, bombe di aerei, proiettili di artiglieria o mine, inclusi due colpi successivi nell'alta atmosfera .
Dopo ognuno di questi scatti, si è verificata una caduta di tensione alle Hawaii, situata a più di 2.000 km di distanza, causata da un gigantesco impulso elettromagnetico, che, accoppiato alle linee elettriche, ha fatto scattare tutti gli interruttori automatici. I funzionari militari statunitensi hanno così colto il potenziale di un gigantesco impulso elettromagnetico come arma.
Guerra elettronicaGli attacchi elettromagnetici intenzionali vengono utilizzati nel contesto della guerra elettronica per disturbare le comunicazioni dell'avversario o per causare malfunzionamenti del suo equipaggiamento.
Armi elettromagnetiche (MFP)Non stiamo cercando di stabilire un elenco esaustivo (impossibile), ma solo di fornire alcuni esempi.
Qualsiasi segnale con un fattore di forma elevato (ad esempio un segnale a impulsi), che moduli o meno una portante, può causare un cambiamento di stato di un circuito "logico" . Se questo circuito fa parte di un automa sequenziale (come un computer), lo stato interno può essere modificato.
Questa è una variazione estremamente insidiosa del caso precedente. Va ricordato che il concetto di "circuito logico" è puramente artificiale. Si tratta infatti di circuiti analogici con trasmittanza non lineare. Come risultato di un disturbo, un'uscita può trovarsi nello stato "½" ("da qualche parte tra 0 e 1") per un tempo che può ammontare a millisecondi.
Aiutando la “Legge di Moore”, questo fenomeno, evidenziato con i primi circuiti logici CMOS, presenta ora un rischio per tutte le tecnologie dei circuiti integrati che utilizzano l'isolamento della giunzione inversa. Durante la fabbricazione di un circuito integrato, si creano, di passaggio, più strutture PNPN aventi un guadagno sufficiente per costituire un tiristore . È sufficiente che un fenomeno impulsivo (segnale elettrico o fotone o particella ionizzante) inneschi uno di questi tiristori perché quest'ultimo metta in cortocircuito l'alimentazione. Da lì, possono accadere diverse cose:
La compatibilità elettromagnetica, per definizione, riguarda solo gli effetti sulle apparecchiature e non sulle persone o altre entità biologiche.
Tuttavia, è necessario considerare diversi fenomeni elettromagnetici:
Per ottenere o migliorare la compatibilità, possiamo giocare sui 3 termini della triade "sorgente / accoppiamento / vittima":
Ciò consisterà spesso nel trattare l'ambiente delle schede elettroniche del dispositivo in questione, sia che si tratti della vittima che di chi inquina. Esistono 6 metodi per separare le vittime dalle fonti:
La schermatura elettromagnetica serve a dividere lo spazio in campi elettromagnetici separati, alcuni "puliti" e altri "sporchi" senza alcuna comunicazione tra di loro. In pratica, una scheda elettronica verrà inserita in una custodia metallica che la proteggerà dalle radiazioni esterne.
La schermatura è teoricamente molto efficace non appena le frequenze coinvolte superano un megahertz. In pratica è ben diverso, perché una scheda elettronica è generalmente in relazione con l'esterno da cavi elettrici, se non altro dalla sua alimentazione. Si osserva poi che l'efficacia della schermatura può ridursi a nulla se le correnti di “modo comune” non vengono bloccate a livello degli ingressi cavi.
Vedere il paragrafo "modo comune" per la definizione. La protezione contro i segnali di modo comune consiste, per un dispositivo vittima, nell'impedire che le correnti indotte sui cavi entrino nella scheda elettronica e ne disturbino le funzioni. Per i dispositivi interferenti, questa protezione consiste nell'impedire che correnti parassite escano dalla scheda e circolino sui cavi esterni. La protezione del modo comune ha quindi gli stessi obiettivi di uno scudo e spesso rende quest'ultimo efficace. Infatti, come abbiamo visto, non ha senso schermare un dispositivo se i disturbi passano attraverso i collegamenti che entrano nella schermatura.
Ecco alcune regole di protezione contro i segnali di modo comune, valide sia per le sorgenti che per le vittime.
Se il dispositivo in questione ha una custodia metallica e se la scheda ha uno strato di terra, la protezione sarà più facile da ottenere: i cavi che entrano nella scheda devono essere schermati, se possibile, collegando questo conduttore. Schermatura alla terra della scheda e, soprattutto alla cassa metallica dove entra nella cassa. Pertanto, la corrente di modo comune, che scorre solo sulla superficie dello schermo, viene deviata verso la superficie esterna dell'alloggiamento, senza entrarvi.
Ma non è sempre possibile schermare il cavo di ingresso. Quindi, sarà necessario effettuare un filtraggio delle correnti di modo comune. Naturalmente, i segnali di modo comune possono essere filtrati, bloccati o disaccoppiati solo se i segnali utili trasportati dal conduttore sono di frequenza inferiore (questo è il filtraggio della frequenza, vedi sotto). Se i segnali desiderati sono nella stessa banda dei segnali di modo comune, la schermatura del cavo potrebbe risolvere il problema.
Per bloccare i segnali di modo comune, un nucleo di ferrite di soppressione di modo comune può essere posizionato attorno al cavo comprendente tutti i conduttori. È la soluzione per trattare un dispositivo completo e i suoi cavi, senza modificare il dispositivo.
In caso contrario, per una maggiore efficienza, tratteremo ogni conduttore del cavo in modo che le correnti ad alta frequenza in arrivo dal conduttore vengano bloccate oppure deviate a massa della scheda e alla custodia metallica, per il più breve percorso possibile.
Il disegno sopra mostra ad esempio il percorso della corrente di modo comune nel caso di una scheda all'interno di un involucro metallico, con disaccoppiamento di ogni conduttore da parte di un condensatore: Il percorso della corrente di modo comune risultante dall'esterno è il seguente: Entra attraverso ogni conduttore del cavo, passa dal conduttore alla scheda (1), quindi passa attraverso il condensatore di disaccoppiamento (2), quindi passa nello strato di terra, quindi unisce la custodia attraverso il paletto di terra (3) quindi circola su la superficie interna dell'alloggiamento e infine fuoriesce dall'alloggiamento attraverso il foro nel cavo. Non dobbiamo infatti dimenticare che la corrente circola solo sulla superficie del metallo, e non passerà mai attraverso la parete della cassa! La corrente di modo comune viaggia quindi attraverso un anello all'interno della custodia.
Pertanto, se il disaccoppiamento viene effettuato sulla scheda, sarà necessario ridurre il più possibile il loop attraverso il quale la corrente di modo comune viaggia all'interno della scatola, per evitare radiazioni all'interno di questa scatola. Per questo, avrai bisogno di:
Per frequenze molto alte, l'impedenza del condensatore di disaccoppiamento non è mai totalmente zero e il condensatore di disaccoppiamento non sarà abbastanza efficiente da deviare la corrente di modo comune a terra. Per questo motivo è consigliabile porre in serie al conduttore un'impedenza di stop ad alta frequenza, appena arriva sulla scheda.
Se il dispositivo non ha una custodia metallica , la protezione sarà più difficile da ottenere: posizioneremo il filtraggio su ogni conduttore, e raggrupperemo tutti gli ingressi dei cavi sullo stesso lato della scheda: infatti, la corrente di modo comune , che va da un connettore all'altro passando per la massa della scheda, prenderà così il percorso più breve possibile e non attraverserà l'intera scheda. Anche con un unico ingresso cavo, la corrente di modo comune tenderà a passare attraverso la capacità tra i componenti della scheda e l'ambiente, per accoppiamento capacitivo. Spostando la corrente di modo comune dall'inizio verso il suolo della scheda, si riduce la corrente che passa attraverso gli altri componenti. Se il dispositivo è già stato progettato, una seconda migliore opzione è inserire nel cavo una ferrite di soppressione di modo comune con un'impedenza sufficiente.
Se la scheda del dispositivo non ha un piano di massa , sarà molto difficile ottenere la protezione. È opportuno imporre un unico ingresso cavo, in modo da ridurre al minimo le correnti di modo comune attraverso la scheda.
Il dominio delle frequenze “utili” è separato da quello delle frequenze “inquinate”; a patto che non siano uguali, ovviamente, perché non tutti i segnali sono "filtrabili". Abbiamo visto ad esempio nel paragrafo la rimozione del modo comune che potremmo "disaccoppiare" da un condensatore alcune connessioni. Questi sono generalmente collegamenti per segnali a bassa frequenza o anche per DC. Questo "disaccoppiamento" non è altro che un filtro passa-basso.
Il filtraggio può essere implementato per la modalità simmetrica o per la modalità comune.
Sfortunatamente, le tecniche moderne utilizzano segnali utili sempre più veloci e spesso ci imbattiamo nel fatto che segnali utili e segnali di disturbo occupano bande di frequenza comuni.
Se il segnale inquinatore non è permanentemente presente (e la sua presenza può essere prevista con sufficiente preavviso), è sufficiente mettere al riparo la vittima in caso di maltempo. Per esempio :
In generale, questo è indicato come clipping di tensione .
Quando il segnale disturbante è di grande ampiezza, l'apparecchiatura vittima rischia di subire danni irreversibili; il clipping consiste nel limitare l'ampiezza del segnale interferente in modo da proteggere i componenti elettronici.
A tale scopo si trovano componenti cosiddetti “limitatori” posti in parallelo sui collegamenti (in modo comune o in modo differenziale). È generalmente accettato che la funzionalità del dispositivo venga interrotta al momento del disturbo (ciò dipende dalla criticità delle funzioni dell'apparecchiatura interessata all'interno del sistema in cui è installato; un computer di bordo montato su un aeromobile è non deve in nessun caso presentare il minimo malfunzionamento durante un fulmine), la componente clipping avendo soprattutto una funzione di “sopravvivenza”. Non è infatti possibile discriminare il segnale utile e il segnale interferente al momento del clipping. Verranno utilizzati diversi tipi di componenti, a seconda dei seguenti criteri:
In generale, i componenti utilizzati sono componenti non lineari: diodi, tiristori, resistenza non lineare (varistore), spinterometri, ecc.
Ciò comporta tipicamente la protezione di un segnale analogico contando sull'effetto di mascheramento (il rumore viene notato solo quando il segnale utile è debole o assente. Ad esempio:
Quando si studia la compatibilità elettromagnetica di un nuovo prodotto, è essenziale iniziare conoscendo l'ambiente in cui è previsto che il prodotto venga utilizzato. La direttiva EMC definisce "requisiti essenziali" che sono obblighi di risultato. In sostanza, il prodotto non deve disturbare né essere disturbato dall'ambiente in cui è destinato ad essere utilizzato.
Secondo la procedura di valutazione definita nella direttiva, il produttore del prodotto deve iniziare con una valutazione EMC del suo prodotto. Il produttore deve quindi definire l'ambiente in cui è previsto l'uso del suo prodotto (residenziale, industriale, automobilistico, ecc.), Stabilire a quale famiglia il suo prodotto corrisponde alla destinazione d'uso del prodotto (ad esempio dispositivo multimediale, elettrico domestico, illuminazione) e su questa base stabilisce se le norme armonizzate (o altre norme o specifiche tecniche) siano sufficienti per dimostrare la conformità del proprio prodotto ai requisiti essenziali della direttiva.
L'applicazione di uno standard non è obbligatoria. Tuttavia, gli standard pubblicati da CENELEC e ETSI stabiliscono lo stato dell'arte che è riconosciuto a livello globale da tutte le parti interessate. La direttiva EMC stabilisce il collegamento tra le norme armonizzate e lo stato dell'arte in materia di compatibilità elettromagnetica, definendo la conformità ai requisiti essenziali. Inoltre, la conformità di un dispositivo alle norme armonizzate citate nella Gazzetta Ufficiale dell'Unione Europea garantisce in Europa una presunzione di conformità ai requisiti essenziali della direttiva.
Tuttavia, la valutazione EMC del produttore può anche considerare i seguenti elementi che giustificano una specifica tecnica specifica per il suo prodotto che garantisce la conformità ai requisiti essenziali della direttiva oltre allo standard pubblicato:
Senza essere obbligatorio, il fabbricante può anche fare riferimento a un organismo notificato che consente di convalidare l'intero fascicolo tecnico EMC e di ottenere un certificato di esame UE del tipo che offra una presunzione di conformità.
Sono inoltre necessari vari obblighi formali per essere conformi (marchio CE, numero di modello, indirizzo del produttore e dell'importatore sul prodotto, dichiarazione di conformità, istruzioni EMC che accompagnano il prodotto nella lingua del prodotto destinatario..).
Esistono due approcci principali:
Qualunque sia l'approccio, deve essere trovato un ottimo tra requisiti contraddittori:
Esistono due famiglie di tecniche:
Qualsiasi apparecchiatura elettrica o elettronica, a parte il suo funzionamento di base, fabbrica a nostra insaputa la corrente alternata o l'impulso il cui spettro in frequenza può essere molto ampio (da pochi hertz a diversi gigahertz). Queste correnti circolano nei vari cavi o circuiti stampati del dispositivo e quindi quando questi conduttori sono, per la loro lunghezza, antenne più o meno buone, si ha un'emissione di campo elettromagnetico.
Le emissioni vengono misurate o condotte (fenomeni di frequenza piuttosto bassa) o irradiate (fenomeni di frequenza piuttosto alta) con il dispositivo in prova nella modalità di funzionamento più disturbante.
Modificando il design del dispositivo, il livello emesso può essere notevolmente ridotto. Tuttavia, una cattiva progettazione dal punto di vista CEM può richiedere modifiche di vasta portata, anche in termini di routing. È essenziale che la questione EMC venga presa in considerazione sin dall'inizio del progetto di design.
I livelli accettabili sono generalmente standardizzati. Pertanto, l'equipaggiamento elettrico degli aeromobili civili è trattato dallo standard RTCA / DO160F (ultima versione, DO160G in versione bozza), l'apparecchiatura di consumo europea è trattata dagli standard europei (copie quasi conformi delle pubblicazioni CISPR e IEC) e sono soggette alle Marcatura CE.
Tecniche che trattano le suscettibilità TerminologiaIl livello di suscettibilità di un dispositivo è il livello di disturbo al quale il dispositivo non funziona correttamente.
Il livello di immunità è il livello al quale il dispositivo è stato sottoposto durante i test e per il quale deve funzionare normalmente.
Il livello di abilità (o criterio di prestazione ) è il livello dei parametri osservati sul prodotto considerato come il funzionamento previsto del prodotto. (Esempi: la variazione della velocità del motore non deve essere modificata di oltre il 5% rispetto al setpoint, il rapporto segnale / rumore del sistema deve rimanere migliore di 50 dB , la luminosità, ecc.). La maggior parte degli standard di prodotto (ad esempio EN 55014-2, EN 55035) definiscono i livelli di abilità per le funzioni principali dei dispositivi. Tuttavia, per le funzioni non standard, solo il progettista del prodotto è in grado di definire i livelli di abilità e le funzioni da considerare durante i test di immunità. Può riflettere questi parametri nella documentazione che accompagna il prodotto all'utente finale.
GeneraleAlcuni dispositivi utilizzati in ambienti altamente inquinati hanno un livello di immunità molto più elevato, ad esempio quelli utilizzati sotto il cofano delle automobili.
Esistono tecniche per modificare il design del dispositivo in modo che sia conforme allo standard.
Come si può immaginare, la convivenza di numerosi dispositivi in un aeroplano o in un'automobile, implica che tutta questa apparecchiatura non sia integrata nel veicolo senza che siano effettuati severi test.
Il CEM determinerà: gli spazi tra i cavi, la composizione dei cavi, i filtri da installare sull'apparecchiatura, la struttura meccanica che circonda l'apparecchiatura, ecc.
I test previsti dalle norme consentono di verificare il rispetto del livello di immunità, ma se il test è conforme (nessun malfunzionamento), non consentono di conoscere il livello di suscettibilità del dispositivo.
Criteri di qualificazioneA seconda del fenomeno simulato durante il test, si definisce se l'apparecchiatura:
Altre apparecchiature elettroniche e trasmettitori intenzionali producono campi elettromagnetici. L'apparecchiatura in prova dovrebbe funzionare normalmente se soggetta a questi campi elettromagnetici.
Il dispositivo in prova configurato nella sua modalità di funzionamento più probabile è posto in una camera anecoica (o in una camera di miscelazione in modalità riverberante (CRBM)). In questa gabbia è collocata un'antenna trasmittente, collegata ad un amplificatore di potenza, esso stesso alimentato da un generatore di segnali a radiofrequenza. L'intero spettro richiesto viene quindi spazzato in frequenza con il livello di campo e la modulazione richiesti.
La stragrande maggioranza dei dispositivi elettronici attualmente sul mercato consumer europeo ha un livello di immunità ai campi elettromagnetici irradiati di 3 V / m per frequenze da 80 MHz a 2,7 GHz .
Il livello di immunità di 10 V / m è richiesto per dispositivi destinati all'uso in un ambiente industriale e dispositivi elettromedicali di sostentamento vitale (il cui malfunzionamento può uccidere immediatamente).
Vengono testati diversi fenomeni:
In generale, il protocollo di test consiste nel collegare un generatore di disturbi dedicato, tramite una rete di accoppiamento / disaccoppiamento, all'apparecchiatura in prova.
Tutte le apparecchiature che comprendono l'elettronica attiva sono soggette agli obblighi delle direttive e dei regolamenti EMC. I dispositivi immessi sul mercato europeo (indipendentemente dal fatto che siano venduti, donati, dati in prestito, ecc.) Devono ricevere una marcatura CE , che attesta la conformità ai requisiti derivanti da tutte le direttive e regolamenti europei applicabili, inclusa la direttiva EMC .
Dal punto di vista della direttiva EMC , gli impianti fissi, non soggetti a marcatura CE, devono comunque fornire le stesse garanzie dei dispositivi ad essa soggetti grazie all'applicazione di buone pratiche ingegneristiche.
Inoltre, ci sono altri segni:
I materiali montati sugli aeroplani sono soggetti a certificazioni mondiali (FAR / JAR), nonché a requisiti specifici dei costruttori di aeromobili, verificati sotto il loro controllo (del resto sono loro che avranno il loro nome sui giornali in caso di problemi ).
La certificazione sostituisce la marcatura CE.
D'altra parte, l'attrezzatura aeronautica rimasta a terra è marcata CE come l'attrezzatura industriale "ordinaria" che è.
Requisiti speciali anche per veicoli spaziali e attrezzature militari. Se lo status del primo è chiaro, l'esenzione del secondo (nella maggior parte dei paesi europei) deriva da una delle clausole del Trattato di Roma, che autorizza un governo a non applicare una decisione comunitaria all'equipaggiamento militare. In Francia, questa decisione, relativa solo alla direttiva EMC "vecchio modello" (obsoleta nel 2007) è concretizzata da una circolare interministeriale, che, a quanto pare, non è mai stata notificata alla Commissione europea.