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LA COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA NELLA TECNOLOGIA

20/03/2019
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Tra rigore metrologico e sviluppo tecnologico ad alta integrazione e ad alta frequenza.

Carlo Carobbi, Presidente CEI SC 210/77B

Giancarlo Borio, Segretario CEI SC 210/77B

Simone Germani, Segretario Tecnico Referente CEI SC 210/77B

Definizioni e cenni storici

È di fondamentale importanza, ogni qualvolta ci si accinga a scrivere o a discutere di una tematica afferente a questo ambito, riferirsi al concetto di Compatibilità Elettromagnetica (EMC).

Il vocabolario elettrotecnico internazionale definisce Compatibilità Elettromagnetica (ElectroMagnetic Compatibility, EMC) come “la capacità di un sistema di funzionare in modo soddisfacente nel proprio ambiente elettromagnetico senza introdurre disturbi intollerabili”. Appare già intrinseca nella definizione stessa tutta la complessità e la trasversalità della EMC che si occupa di fenomeni elettromagnetici di accoppiamento indesiderati fra sistemi che si trovano ad operare in prossimità e, generalmente, molto diversi fra loro. Le parole chiave sono ambiente elettromagnetico e disturbi, concetti che ben introducono la problematica fondamentale intorno alla quale si sviluppa la EMC: la limitazione dell’interferenza elettromagnetica.

Le prime considerazioni circa le interferenze elettromagnetiche nascevano con le trasmissioni radio (il fulmine ad esempio provoca un disturbo della trasmissione). La maturazione tecnologica degli apparati radio nel drammatico contesto della seconda guerra mondiale incrementò l’importanza della EMC per via dell’impiego congiunto a bordo di una nave o di un aereo di sistemi di radiocomunicazione, sistemi di navigazione e delle prime tecnologie radar.

Mentre in ambito militare si svilupparono i primi standard all’i- nizio degli anni ‘50, l’impulso in ambito civile si ebbe in seguito allo sviluppo dei primi componenti attivi (i transistor) utilizzati nell’elettronica di consumo, sempre negli anni ‘50 e ‘60.

Da quel momento in poi e soprattutto a seguito dell’introduzione della tecnologia a semiconduttore, che ha permesso lo sviluppo di componenti integrati e  microprocessori  in grado di operare a frequenze e velocità di commutazione sempre più elevate, la tematica della compatibilità elettromagnetica si è imposta come elemento progettuale e normativo imprescindibile in tutti gli ambiti dell’elettronica, dalle telecomunicazioni al settore automobilistico e motociclistico, dagli elettrodomestici all’avionica ed in tutti i settori dell’elettronica industriale e “consumer”.

Fin dalla nascita di questa disciplina apparve chiara la sua naturale dicotomia. Da un lato vi è la necessità, a carattere scientifico, di approfondire le conoscenze teoriche e le capacità predittive per la progettazione elettronica secondo i princìpi di compatibilità elettromagnetica. Dall’altro l’esigenza, a carattere normativo, di definire le regole minime e i limiti di emissione e suscettibilità da imporre a tutti gli apparati per permettere la corretta interoperabilità dei sistemi nell’am- biente elettromagnetico in cui sono destinati a operare.

Numerosi enti nazionali ed internazionali (FCC, ANSI, IEC, CISPR, ISO, ETSI, CENELEC, VDE, CEI, etc.) hanno negli anni contribuito allo sviluppo di norme tecniche che permettessero la definizione di metodi di misura riproducibili e rappre- sentativi dei fenomeni fisici coinvolti nell’ambito della compatibilità elettromagnetica, un ambito molto particolare, dove la ricerca dei disturbi prodotti non intenzionalmente dagli apparati ha spesso fatto sì che alla figura dei tecnici del settore venisse associata quella degli acchiappa-fantasmi.

L’evoluzione metrologica e le tematiche attuali

Le  tematiche  di   riproducibilità   e   rappresentatività sono estremamente importanti e sempre da tener presenti nello sviluppo delle norme tecniche. Di regola riproducibilità e rappresentatività sono due esigenze contrapposte. Da un lato affinché un metodo di prova  sia rappresentativo deve riprodurre la realtà, con i suoi dettagli rilevanti e i gradi di libertà associati al normale uso dell’apparato in prova. Dall’altro affinché un metodo di prova sia riproducibile occorre congelare alcune possibili variabili di influenza attraverso un allestimento di prova relativamente rigido ed una esecuzione della misura in condizioni di riferimento definite. La contrapposizione fra riproducibilità e rappresentatività si è, in tempi più recenti, sbilanciata a favore della riproducibilità. È infatti cresciuta l’importanza degli aspetti metrologici, in particolare la riferibilità delle misure e il calcolo dell’incertezza di misura, cioè di quegli aspetti essenziali che rendono le misure confrontabili fra di loro e con un riferimento (limite o tolleranza). È innegabile che questa spinta sia causata a sua volta dall’accreditamento della competenza dei laboratori di prova e taratura (con rife- rimento alla Norma CEI UNI EN ISO/IEC 17025) e quindi dalla necessità di dare evidenza oggettiva (cioè quantitativa) della validità dei risultati di prova e di misura e della capacità di mantenerla nel tempo. Non c’è più spazio per metodi di prova non riproducibili, per i quali quindi non è possibile calcolare l’incertezza di misura. Nel dover scegliere fra testare con un metodo non riproducibile e non testare per niente la scelta potrebbe facilmente cadere sulla seconda opzione.

Avendo in mente la premessa presentiamo le  tematiche in discussione attualmente nel SottoComitato CEI SC 210/77B, “Fenomeni in alta frequenza”. Il SC segue l’aggiornamento e lo sviluppo delle norme di base nel settore dell’immunità ai fenomeni EMC in alta frequenza. Le norme di base definiscono le caratteristiche delle apparecchiature di prova e i metodi di prova. Le norme di base sono richiamate dalle norme di prodotto. I fenomeni in alta frequenza si distinguono in due categorie: fenomeni impulsivi e fenomeni ad  onda continua. I fenomeni impulsivi riprodotti in laboratorio simulano,  ad esempio, gli effetti della fulminazione indiretta, della scarica di elettricità statica (comunemente, anche se non rigorosamente, denominata scarica elettrostatica), delle raffiche di transitori veloci che si originano dalla disconnessione di carichi induttivi. I fenomeni ad onda continua riproducono invece l’accoppiamento del dispo- sitivo in prova con i campi elettromagnetici generati dalle sorgenti radio (essenzialmente radio, TV, cellulari).

Una piccola ma importante precisazione.  Nelle  prove EMC si deve verificare “la capacità di un sistema di funzionare in modo soddisfacente nel proprio ambiente elettromagnetico” e quindi durante le prove di immunità il dispositivo in prova è in funzione e supera le prove se, durante l’applicazione del disturbo, continua a fun- zionare in modo accettabile. Lo scopo delle prove EMC non è verificare la capacità di resistere alle sollecitazioni elettromagnetiche (ad esempio agli effetti di un fulmine che cade ad una certa distanza dalla “vittima”, ove per vittima si definisce l’apparato sottoposto al disturbo elettromagnetico). La verifica della “resistibilità” è demandata alle prove di sicurezza elettrica, durante le quali la vittima non deve necessariamente essere in funzione. È altresì evidente che se una vittima non resiste (si danneggia) per uno stimolo previsto per le prove EMC non supererebbe nemmeno la prova di resistibilità.

Per ognuno dei fenomeni di pertinenza del SC sono attualmente aperte delle tematiche legate allo sviluppo tecnologico sia dei dispositivi in prova sia delle apparecchiature di misura. Ad esempio, per quanto riguarda la prova di immunità all’impulso che simula gli effetti in- diretti del fulmine si è molto discusso in relazione ai moderni alimentatori “switching” che, per aumentare l’efficienza e ridurre i costi vengono fatti operare con frequenze di commutazione sempre più elevate e con filtri di alimentazione sempre più “leggeri”. Il  punto è che le reti di accoppiamento/disaccoppiamento che accoppiano la sovratensione indotta dal fulmine, simu- lata in laboratorio, alla porta di alimentazione di questi alimentatori (e al contempo isolano la rete elettrica del laboratorio dallo stesso fenomeno) introducono induttori in serie alla porta di alimentazione degli alimentatori di valore così grande da provocare instabilità nell’alimentatore stesso. Tale instabilità si manifesta non appena l’alimentatore è collegato al simulatore di disturbo e in assenza del disturbo simulato. In alcuni casi l’instabilità è tale che l’alimentatore si danneggia. È stato perciò discusso e approvato l’uso di reti di accoppiamento/disaccoppiamento a bassa induttanza in questi casi specifici.

Ancora in relazione ai fenomeni impulsivi, è emblematica nella relazione fra rappresentatività e riproducibilità della prova la discussione tuttora in corso circa lo spostamento dal testo normativo ad un annesso informativo della norma sulla scarica elettrostatica della prova della scarica in aria. La scarica in aria, a differenza della scarica a contatto, è un fenomeno non ripetibile e non riproducibile perché dominato da fattori quali la velocità con cui l’operatore avvicina il generatore di scarica alla vittima, l’angolo di avvicinamento, le caratteristiche fisiche e geometriche delle superfici conduttive fra cui si genera la scarica, oltre che da temperatura, umidità e pressione atmosferica.

Perché il fenomeno sia ripetibile l’arco che si forma fra la punta del simulatore e la vittima dovrebbe avere sempre la stessa lunghezza. Dato che non esiste un metodo di taratura (riproducibile) del simulatore di scarica nel funzionamento in aria è in esame la possibilità che questa tecnica di prova venga resa facoltativa e quindi potrebbe essere non adottata dai comitati di prodotto. Il cambiamento è “epocale” se si pensa che la scarica in aria è nel testo normativo dalla prima edizione della IEC 801-2 del 1984.

Per completare questa rassegna con un esempio circa lo sviluppo normativo in relazione alla evoluzione delle tecniche ed apparecchiature di prova ci piace far presente il caso della prova di immunità ai campi radiati.  È attualmente allo studio la possibilità di eseguire la prova generando simultaneamente campi  interferenti a diverse frequenze sia per velocizzare l’esecuzione della prova sia per simulare l’effetto simultaneo sulla vittima di più trasmissioni radio. Ciò è reso possibile in forma agevole grazie allo sviluppo di amplificatori allo stato solido che consentono di generare la potenza necessaria per generare campi a più “toni” nelle stesse condizioni di linearità (armoniche trascurabili, potenza di picco adeguata a supportare una modulante con elevata profondità di modulazione) con cui viene generato attualmente il “tono” singolo.

I lavori del CEI SC 210/77B

Le norme in carico al Sotto Comitato CEI SC 210/77B sono perciò le norme  di base di immunità ai fenomeni impulsivi  e ad onda continua. In ordine di numerazione le norme dei fenomeni fondamentali sono le IEC 61000-4-2 (Immunity to Electrostatic Discharge), IEC 61000-4-3 (Immunity to radiated EM fields), IEC 61000-4-4 (Immunity to Electrical Fast Transient/Burst), IEC 61000-4-5 (Immunity to Surge), IEC 61000-4-6 (Immunity to RF Currents Induced by EM Fields), IEC 61000-4-12 (Immunity to Ring Waves), IEC 61000-4-18 (Immunity to Damped Oscillatory Waves). A queste norme fondamentali (e diremmo “storiche”) del SC se ne aggiungono altre relative a fenomeni derivati dai fondamentali (che nella tecnica di prova impiegano gli stessi simulatori ma connessi ad antenne per generare un campo magnetico) oppure a nuovi fenomeni (come i  disturbi condotti  a larga banda generati dai “Power Line Carrier”, IEC 61000-4-31, oppure i campi radiati in stretta prossimità alla vittima, IEC 61000-4-39).

Altre norme importanti in carico al comitato sono quelle relative non a fenomeni ma ad “ambienti di prova” che sono le celle TEM (IEC 61000-4-20) e le camere riverberanti (IEC 61000-4-21). Le celle TEM sono strutture guidanti (chiuse, si pensi ad un enorme cavo co- assiale) nelle quali viene generata un’onda che si propaga lungo la direzione longitudinale e ha i campi elettrico e magnetico sul piano trasversale, come nelle onde piane generate all’interno di una camera anecoica. Il vantaggio delle celle TEM rispetto alle camere anecoiche è che sul dispositivo in prova, purché di piccole dimensioni) possono essere fatte incidere onde di elevata  intensità erogando una potenza relativamente modesta (quindi con un costo anche relativamente modesto dell’amplificatore di potenza).

Le camere riverberanti sono camere schermate all’interno delle quali si generano campi a struttura (polarizzazione, direzione di propagazione, intensità, fase) variabili grazie all’uso di superfici metalliche di forma complessa e in continuo movimento (mescolatori di modi). La complessità del campo elettromagnetico interno ad una camera riverberante è tale da potersi considerare aleatorio. Questo tipo di strutture è particolarmente promettente per prove di immunità ai campi che simulino la complessità dell’ambiente elettromagnetico reale. Inoltre dato che sono strutture praticamente prive di perdite (le uniche perdite significative sono prodotte dallo stesso dispositivo in prova) si prestano anch’esse a generare campi di elevata intensità erogando una modesta potenza. Probabilmente per via della complessità concettuale associata all’impiego delle camere riverberanti, che è perlopiù dovuta alla natura aleatoria del campo elettromagnetico, questo ambiente di prova non è ancora richiamato dalle norme di prodotto più comuni e l’uso è riservato a settori specifici (automotive, aereonautico e militare). La riferibilità delle misure ed il calcolo dell’incertezza non sono state ad oggi sufficientemente esplorate per un impiego diffuso della camera riverberante. È per questo motivo che CEI ha proposto alla comunità europea un progetto di ricerca relativo alla riferibilità delle misure di emissione e le prove di immunità in camera riverberante di concerto con gli istituti metrologici nazionali europei e l’organismo europeo di normazione elettrica CENELEC. Sono infatti disponibili fondi messi a disposizione dall’Unione Europea per l’adeguamento delle norme ai requisiti metrologici (progetti STAIR EMPIR).

Il Comitato ha nominato rappresentanti Italiani nei gruppi di lavoro internazionali che sviluppano e sono impegnati nella manutenzione delle norme IEC di base di immunità ai fenomeni impulsivi e ad onda continua e sulle camere riverberanti. In particolare attualmente abbiamo tre esperti nel gruppo di lavoro internazionale IEC TC 77/SC 77B/MT 12 (Transient phenomena immunity tests), un esperto in IEC TC 77/SC 77B/WG 10 (Radiated and conducted continuous phenomena immunity tests) ed un esperto in IEC TC 77/SC 77B/JTF REV (Joint Task Force CISPR/A/SC77B on Re- verberation chambers).

Una menzione speciale deve essere dedicata alla attività di revisione, commento e voto delle norme emesse da IEC TC 77/SC 77C e in carico al SC 210/77B. Il SottoComitato 77C internazionale ha come scopo la protezione di apparecchiature, sistemi e installazioni (anche su larghissima scala,  come  ad esempio la rete di distribuzione dell’energia di una nazione) dai fenomeni transitori ad elevata intensità intenzionali e non intenzionali, quali ad esempio l’impulso elettromagnetico nucleare ad alta quota, le correnti di disturbo indotte dall’attività solare e le sorgenti di interferenza elettromagnetica intenzionale (Intentional Electromagnetic Interference, brevemente IEMI). Attualmente sono pochissimi gli esperti in questo ambito tuttavia riteniamo sia necessario mantenere viva l’attenzione sulle norme prodotte dal SottoComitato 77C perché queste tematiche si prevede possano assumere (purtroppo) sempre maggiore importanza in futuro. È indiscutibile infatti la sempre più cruciale dipendenza delle nazioni sviluppate dalla continua disponibilità delle reti di distribuzione dell’energia e dalle reti di telecomunicazioni e quindi la necessità della loro difesa da attacchi elettromagnetici. Il SC 77C ha quattro gruppi  di lavoro presidiati da un esperto Italiano.

A tutti i nostri esperti che rappresentano l’Italia nei comitati internazionali va la nostra sincera gratitudine.

La teoria e le regole progettuali

La disciplina EMC non ha ricadute importanti soltanto nell’ambito normativo, fin qui illustra- to in relazione alla specifica attività del SC 210/77B, ma anche nell’ambito scientifico in relazione allo sviluppo delle conoscenze e del- le capacità predittive necessarie a progettare dispositivi elettromagneticamente compatibili sia internamente che con altri dispositivi.

L’attività scientifica internazionale si svolge prevalentemente nell’ambito della organizza- zione professionale americana IEEE  (Institu- te of Electrical and  Electronics  Engineers)  e in particolare della “IEEE EMC Society” con numerosi convegni organizzati ogni anno, una rivista scientifica (IEEE Transactions on Elec- tromagnetic Compatibility) ed un periodico a carattere più divulgativo e applicativo (IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine) che trattano temi di ricerca più o meno applicata.

Dato che un apparato elettronico complesso è costituito dall’integrazione di schede a circuito stampato (PCB) è evidente che una proget- tazione attenta ai princìpi EMC dei PCB è un punto di partenza imprescindibile per ottene- re un dispositivo complesso compatibile con l’ambiente elettromagnetico in cui andrà ad operare. L’importanza del progetto di PCB che preservino l’integrità (qualità) delle alimentazioni e dei segnali (“Signal Integrity – Power Integrity”, SIPI) è rimarcata dal fatto che negli ultimi anni il convegno internazionale più importante del settore porta nel titolo la combi EMC & SIPI.

Col passare degli anni la figura dello “EMC engineer” visto come un acchiappa-fantasmi (o “EMC guru”) sta sempre più lasciando spazio ad una figura tecnica di elevata professionalità in grado di gestire strumentazione di misura, tecniche di misura e prova, simulatori circuitali ed elettromagnetici e conoscenze in ambito normativo e della certificazione in continua e rapida evoluzione.

Le telecomunicazioni e i radar del terzo millennio: la frontiera dell’alta frequenza

Altre tematiche stanno emergendo sulla spinta della pervasività delle comunicazioni radio e dell’elaborazione numerica di ingenti quantità di dati che inevitabilmente portano all’integrazione a bordo di uno stesso PCB o di un chip di tecniche analogiche tipiche delle radio-frequenze, microonde e onde millimetriche con tecniche digitali.

Nella EMC tendono quindi a confluire e trovano un fertile terreno di sviluppo le tecniche progetto e indagine basate su simulatori elettromagnetici e sofisticate tecniche di misura vettoriali di grandezze condotte (onde incidenti e riflesse) e dei campi (“Over The Air”, OTA) tipiche delle moderne comunicazioni radio.

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