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Appunti diAppunti diCompatibilità ElettromagneticaCompatibilità ElettromagneticaCapitolo 2 - Requisiti generali di c.e.

Introduzione ............................................................................................... 2Requisiti di tipo legislativo .............................................................................. 2

Classificazione delle norme ........................................................................ 2Requisiti per prodotti commerciali in vendita negli Stati Uniti ................... 3

Emissioni condotte ed emissioni radiate ............................................... 4Misure e limiti per le emissioni radiate................................................. 5Misure e limiti per le emissioni condotte............................................... 8

Requisiti per prodotti commerciali in vendita al di fuori degli Stati Uniti... 9Misure e limiti per le emissioni radiate................................................. 9

Confronto con le norme FCC......................................................... 10Misure e limiti per le emissioni condotte............................................. 11

Osservazione ................................................................................. 13Confronto con le norme FCC......................................................... 14

Misura di conformità alle norme delle emissioni dei prodotti di commerciali 15Introduzione ............................................................................................. 15Norme FCC per la misura delle emissioni radiate ..................................... 15

Rivelatori di picco e di quasi-picco..................................................... 17Norme CISPR per la misura delle emissioni radiate ................................. 18Emissioni condotte ................................................................................... 18

Caratteristiche principali della rete di distribuzione dell’energia ...... 19Rete LISN e suo utilizzo ...................................................................... 19

Esempio numerico sulle emissioni radiate ................................................ 22Requisiti aggiuntivi per i dispositivi .............................................................. 25

Introduzione ............................................................................................. 25Suscettività radiata ................................................................................... 25Suscettività condotta ................................................................................ 26Scariche elettrostatiche (ESD) .................................................................. 26

Appunti di “Compatibilità elettromagnetica” - Capitolo 2

Autore: Sandro Petrizzelli2

INTRODUZIONE

Nel progettare un sistema elettronico, dobbiamo garantire tutti i requisiti necessari ad otteneresia il funzionamento desiderato sia anche il soddisfacimento dei vincoli imposti dalle norme dicompatibilità elettromagnetica. In altre parole, il sistema deve sia funzionare correttamente sia essereelettromagneticamente compatibile con l’ambiente in cui opera. A tal proposito, ricordiamoche un sistema elettronico può definirsi elettromagneticamente compatibile se e solo se soddisfa treaspetti:

• non causa interferenza verso altri sistemi;

• non è suscettibile alle emissioni elettromagnetiche di altri sistemi;

• non causa interferenza verso se stesso.

Fondamentalmente, i sistemi elettronici devono soddisfare due classi di requisiti di compatibilità:

• requisiti imposti dagli organi legislativi dei vari governi;

• requisiti imposti dal costruttore.

In questa sede siamo ovviamente interessati alla prima classe. I requisiti imposti dagli organilegislativi hanno carattere di legge e quindi non possono essere ignorati se si vuolecommercializzare i prodotti. Bisogna però sottolineare una cosa: il soddisfacimento dellanormativa non può comunque essere preso come garanzia del fatto cheil sistema non causi interferenza. I limiti introdotti dai vari Stati consentono, inqualche modo, di controllare e regolare l’inquinamento elettromagnetico generato dai sistemielettronici.

Requisiti di tipo legislativoRequisiti di tipo legislativo

CLASSIFICAZIONE DELLE NORME

Divideremo i requisiti di compatibilità elettromagnetica imposti dalle varie nazioni in due gruppi:

• requisiti imposti sui prodotti commercializzati negli Stati Uniti:

• requisiti imposti sui prodotti commercializzati sui mercati non statunitensi.

Successivamente, sia per gli Stati Uniti sia per gli altri paesi, effettueremo una ulterioreclassificazione:

• norme rivolte a dispositivi per uso commerciale;

• norme rivolte a dispositivi di uso militare.

Requisiti di compatibilità elettromagnetica per sistemi elettronici


REQUISITI PER PRODOTTI COMMERCIALI IN VENDITA NEGLI STATI UNITI

L’ente statunitense che si occupa di regolamentare le comunicazioni (via radio o su cavo) è laCommissione federale delle comunicazioni (brevemente FCC). Le norme FCC sonoriportate nella Legge 47 del Codice delle Leggi Federali: tali norme contengono diversi articoli,relativi ai dispositivi elettronici per cui non è prevista l’omologazione.

Nel seguito, ci concentreremo soprattutto sul contenuto della Parte 15, che contiene laregolamentazione riguardante i dispositivi a radiofrequenza. A tal proposito, l’intervallo difrequenze che la FCC definisce come “radio” si estende tra 9 kHz e 3000 GHz: questo significache

per dispositivo a radiofrequenza si intende un qualsiasi dispositivo ingrado di emettere energia, in modo intenzionale o non intenzionale,per effetti di irradiazione, di conduzione oppure di altro tipo,all’interno della banda [9 kHz, 3000 GHz].

Nella Parte 15 viene dunque regolamentata l’interferenza dovuta a questo tipo di emittenti; alcontrario, la normativa cui devono sottostare i trasmettitori radio soggetti a licenza viene trattata aparte.

Esempi di dispositivi a radiofrequenza sono:

• motori in corrente continua (c.c.), in cui gli archi elettrici che si formano in corrispondenzadelle spazzole generano energia in un ampio spettro, che comprende la banda di frequenzeindicata dalla norma;

• calcolatori digitali, i cui segnali di temporizzazione (clock) generano emissioni radiate nellasuddetta banda;

• macchine da scrivere elettroniche, che utilizzano anche taluni circuiti digitali;

• ecc.....

Nel 1979 la FCC ha pubblicato, nella Parte 15 delle norme e regole, una normativa specifica per leemissioni radiate e condotte di un cosiddetto dispositivo digitale. Secondo tale normativa, undispositivo digitale è un emettitore non intenzionale (dispositivo osistema) che genera e utilizza segnali di temporizzazione costituitida impulsi che si ripetono con una cadenza superiore a 9000 cicli alseconda e che impiega tecniche di tipo digitale.

Ogni dispositivo elettronico, costituito da circuiti digitali, che utilizza un segnale ditemporizzazione con frequenza superiore a 9 kHz è dunque un dispositivo digitale. Quindi, unsiffatto dispositivo non può essere commercializzato negli USA se le sue emissioni radiate econdotte non rientrano nei limiti imposti dalla legge.

La FCC divide inoltre i dispositivi digitali in due categorie:

• prodotti di classe A: sono tutti i dispositivi usati in ambiente commerciale, industriale e nelmondo degli affari in genere;

• prodotti di classe B: sono tutti i dispositivi destinati ad uso privato e quindi non compresinella classe A.

I dispositivi di classe B sono soggetti a limiti decisamente piùrestrittivi di quelli per la classe A, dato che si presume che sia più facile



eliminare un fenomeno di interferenza dovuto ad un dispositivo usato in ambiente industriale (data lapiù frequente e accurata manutenzione) che non ad uno usato privatamente.

Anche le regole fissate per controllare i fenomeni di interferenza sono più severe per i dispositividi classe B.

Emissioni condotte ed emissioni radiateI limiti fissati dalla FCC riguardano le emissioni condotte e quelle radiate da un dispositivo

digitale.Per emissioni condotte si intendono le correnti che, attraverso il

cavo di alimentazione, abbandonano il dispositivo per essere cosìiniettate sulla rete di distribuzione dell’energia. Tale rete costituisce unaantenna di grandi dimensioni, in grado di permettere la diffusione di tali correnti, causandointerferenza con altri dispositivi.

L’intervallo di frequenza che riguarda le emissioni condotte è

[450 kHz , 30 MHz]

Il soddisfacimento delle norme viene verificato tramite le cosiddetti reti di stabilizzazionedell’impedenza di linea (brevemente LISN), da inserire in serie tra la rete di distribuzionedell’energia e il dispositivo sotto test (DUT: Device Under Test). Della LISN parleremo in seguito.

Nonostante le emissioni condotte siano delle correnti che abbandonano il dispositivo attraverso ilcavo di alimentazione, le norme impongono dei limiti espressi in volt. Questo dipende dal fatto chela LISN rileva una tensione che è correlata alla corrente di interferenza, per cui i limiti riguardanoappunto quella tensione.Per emissioni radiate si intendono invece i campi elettrici e

magnetici irradiati dal dispositivo e che possono essere ricevuti daaltri apparati elettronici, causando di conseguenza fenomeni diinterferenza.

La FCC, così come altri organi legislativi, richiede in questo caso solo la misura del campoelettrico irradiato ed i limiti imposti sono espressi in termini di dBµµV/m.

L’intervallo di frequenza che riguarda le emissioni radiate è

[30 MHz , 40 GHz]

Si tratta dunque dell’intervallo di frequenza contiguo a quello per le emissioni condotte.La conformità alla normativa viene verificata mediante una prova effettuata in una camera

semianecoica oppure in un sito di prova in campo aperto (se ne parlerà più avanti): in particolare,usando una antenna di misura polarizzata sia orizzontalmente sia verticalmente rispetto al piano dimassa del sito in cui viene effettuata la prova, vengono misurati i campi elettrici irradiati dalprodotto. Il risultato ottenuto deve essere all’interno dei limiti fissati per entrambe le polarizzazioni.

Recentemente (in data 23/06/89), la Parte 15 dei regolamenti della FFC è stata modificataintroducendo tre sottoparti:

• Sottoparte A - requisiti generali: contiene informazioni generali;

• Sottoparte B - emettitori non intenzionali: contiene regole specifiche cui devonosottostare quei dispositivi che irradiano campi elettrici a magnetici in modo non intenzionale.Questa categoria è quasi esclusivamente composta da ricevitori radio e dispositivi digitali.



• Sottoparte C - emettitori intenzionali: anche qui le regole sono specifiche ma riguardanogli emettitori intenzionali e cioè i radiotrasmettitori.

Misure e limiti per le emissioni radiateCominciamo dall’esaminare i vincoli relativi alle emissioni radiate.In primo luogo, le emissioni radiate devono essere sempre misurate per mezzo di una antenna

opportuna e la misura va ripetuta sia per polarizzazione orizzontale sia per polarizzazione verticale.Inoltre, bisogna ruotare il dispositivo sotto misura in modo tale che la radiazione misurata sia lamassima tra quelle emesse.

A seconda della classe di appartenenza del dispositivo sotto misura, varia la distanza tra ildispositivo stesso e l’antenna:

• dispositivo di classe B (uso privato): 3 metri

• dispositivo di classe A (uso commerciale e industriale): 10 metri

Per quanto riguarda l’intervallo di frequenze su cui condurre le misure, mentre la frequenzaminima è fissata a 450 kHz, la frequenza massima dipende dalla frequenza operativa del dispositivo,come indicato nella tabella seguente:

Frequenza operativa(max frequenza generata o utilizzata dal dispositivo,oppure alla quale l’apparato opera o è sintonizzato)

(MHz)

Frequenza superioredell’intervallo di misura

(MHz)

< 1,705 30

1,705÷108 1000

108÷500 2000

500÷1000 5000

> 1000 minore tra la 5° armonicadella frequenza operativa

oppure 40 GHz

E’ opportuno chiarire il senso dell’ultimo dato fornito, vale a dire la frequenza superiore di misuranel caso in cui la frequenza operativa dell’apparato sia superiore ai 1000 MHz: indicata con foper lafrequenza operativa dell’apparato (>1000MHz), si tratta semplicemente di calcolare la sua quintaarmonica (5foper) e di confrontare tale valore con 40 GHz; il valore minore tra i due sarà la frequenzasuperiore dell’intervallo di misura.

Una volta fissati i metodi di misura (distanza, tipo di antenna, ecc.) e le frequenze di misura,possiamo infine condurre la misura. Dovremo verificare che i valori ottenuti siano entro i limitiprescritti dalle norme. Andiamo allora ad esaminare tali limiti, che, come anticipato in precedenza,sono diversi per la classe A e per la classe B (questi ultimi più restrittivi). In particolare, l’intervallodi frequenza viene suddiviso in varie bande (4 per l’esattezza) e a ciascuna banda sono assegnati deivalori limite, in accordo alle seguenti tabelle:



• limiti FCC alle emissioni radiate per dispositivi digitali di classe B (a 3 m):

54500960

46200960216

5,4315021688

401008830

m/VdB

elettrico Campo

m/V

elettrico Campo

MHz

Frequenza

>÷

÷÷

µµ

• limiti FCC alle emissioni radiate per dispositivi digitali di classe A (a 10 m):

5,49300960

46210960216

5,4315021688

39908830

m/VdB

elettrico Campo

m/V

elettrico Campo

MHz

Frequenza

>÷

÷÷

µµ

Questi stessi limiti possono essere riportati in modo grafico:

freq30 MHz 88 MHz 216 MHz 960 MHz

100 uV/m

E

150 uV/m

200 uV/m

500 uV/mm/Vµ

(3 metri)


90 uV/m

E

150 uV/m

210 uV/m

300 uV/m

m/Vµ(10 metri)



Per confrontare i limiti per classe A e quelli per la classe B, non sarebbe sensato basarsi sui valori(e relativi diagrammi) appena forniti, per il semplice fatto che le misure sui dispositivi di classe Bvengono effettuate a distanza di 3 metri, mentre invece quelle per i dispositivi di classe A vengonofatte alla distanza di 10 metri. Di conseguenza, per fare un confronto bisognatrovare un metodo che tenga conto delle differenti distanze.

Un modo molto comune di procedere è quello di usare il cosiddetto metodo dell’inverso delladistanza, secondo il quale le emissioni decrescono linearmente con il crescere della distanza traDUT ed antenna di misura. Di conseguenza, si assume banalmente che le emissioni rilevate alladistanza di 3 metri si riducano del fattore 3/10 nel caso in cui l’antenna di misura venga allontanata a10 metri e, viceversa, che le emissioni rilevate a 10 metri aumentino di 10/3 se l’antenna vieneavvicinata a 3 metri.

Rapportando dunque i limiti sui dispositivi di classe A alla distanza di 3 metri, si ottiene ilseguente diagramma comparativo:


100 uV/m

E

150 uV/m

200 uV/m

500 uV/m

m/Vµ

(3 metri)

300 uV/m

500 uV/m

700 uV/m

1000 uV/m

classe A

classe B

Questo diagramma mostra in modo significativo quanto i limiti per i dispositivi di classe B sianopiù stringenti di quelli per i dispositivi di classe A: per ogni banda di frequenza, ci sono circa 10 dBin meno tra la classe B e la classe A.

E’ importante adesso sottolineare una cosa: come è noto, le emissioni radiate risultanoinversamente proporzionali alla distanza dalla sorgente solo se siamo in una regione di campolontano (nella quale, cioè, i campi elettrico e magnetico sono nella configurazione tipica delle ondepiane); d’altra parte, per stabilire se siamo in campo lontano oppure in campo vicino, dobbiamonecessariamente confrontare la distanza considerata (in questo caso 3 metri) e la lunghezza d’onda λdi lavoro: una regola approssimata per individuare la regione di campo lontano è quella che affermache essa ha inizio ad una distanza pari a 3 lunghezze d’onda (3λλ) dalla sorgente. Andiamo allora avedere cosa accade per le frequenze alle quali abbiamo fatto il confronto, tenendo conto chefrequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali(λ=c/f):

• 1° banda: la frequenza inferiore è 30 MHz, cui corrisponde una lunghezza d’onda di 10 metri;quindi, in questa banda, il campo lontano si ha a circa 30 metri dalla sorgente; al contrario,abbiamo considerato misure a soli 3 metri dalla sorgente, il che ci dice che l’estrapolazionefatta probabilmente non è valida;

• 2° banda: la frequenza inferiore è 88 MHz, cui corrisponde λ=3.5m e quindi 3λ≅10m; anchequi, l’ipotesi di campo lontano non è molto corretta, ma senz’altro più plausibile del casoprecedente;



• 3° banda: la frequenza inferiore è 216 MHz, cui corrisponde λ≅1.4m e quindi 3λ≅4.2m; siamodecisamente più vicini, rispetto ai casi precedenti, al campo lontano;

• 4° banda: a frequenza inferiore è 960 MHz, cui corrisponde λ≅0.3m e quindi 3λ≅0.9m; questoè dunque l’unico caso in cui siamo ampiamente nell’ipotesi di campo lontano, per cuil’estrapolazione effettuata risulta sicuramente valida.

Misure e limiti per le emissioni condotteOccupiamoci adesso delle emissioni condotte, la cui misura, come detto in precedenza, si effettua

tramite una LISN (cioè un circuito elettrico) posta tra il dispositivo sotto misura e la rete didistribuzione dell’energia. I limiti, al contrario delle emissioni radiate, sono specificati in termini ditensioni (in particolari di µV e dBµV).

Anche in questo caso, dobbiamo distinguere limiti per dispositivi di classe A e limiti perdispositivi di classe B:

• limiti FCC alle emissioni condotte per dispositivi digitali di classe B:

482503045,0

VdB

Tensione

V

Tensione

MHz

Frequenza

÷

µµ

• limiti FCC alle emissioni condotte per dispositivi digitali di classe A:

5,69300030705,1

601000705,145,0

VdB

Tensione

V

Tensione

MHz

Frequenza

÷÷

µµ

Si nota immediatamente che sui dispositivi di classe B non viene effettuata alcuna suddivisionedell’intervallo di frequenza (compreso sempre da 450 kHz a 30 MHz come detto in precedenza),mentre invece i limiti per i dispositivi di classe A sono riferiti a due distinte bande di frequenza. Ilgrafico seguente chiarisce ancora meglio la situazione:



freq450 kHz 1,705 MHz 30 MHz

250 uV

V (Misure effettuate tramite LISN)

1000 uV

3000 uV

classe A

classe B

Vµ

Ancora una volta, la rappresentazione grafica evidenzia quanto i limiti sui dispositivi di classe Bsiano i più restrittivi: in questo caso, abbiamo 12 dBµV in meno nella prima banda e 21,5 dBµV inmeno nella seconda.

REQUISITI PER PRODOTTI COMMERCIALI IN VENDITA AL DI FUORI DEGLI

STATI UNITI

I requisiti a cui devono soddisfare i prodotti commercializzati aldi fuori degli Stati Uniti variano, almeno per il momento, da paesea paese. Non è perciò possibile fare un discorso generale, se non limitandosi a considerare queirequisiti che sono comuni alla maggior parte di tali paesi.

In passato, ogni Stato aveva una propria normativa per la compatibilità elettromagnetica (EMC).Tuttavia, di recente è sorta l’esigenza di adottare un’unica normativa in tale campo. A tal proposito,il primo candidato a diventare uno standard internazionale di EMC è una norma fissata nel 1985 dalCISPR (sigla che, tradotta dal francese, indica il Comitato Speciale Internazionale sulle RadioInterferenze). Il CISPR è un comitato della IEC (International Electrotechnical Commissione), che èun ente internazionale per la promulgazione di regole che facilitino il commercio tra le nazioni. IlCISPR non è però un organo legislativo, il che significa che esso elabora delle norme che possonoessere adottate o meno nei singoli paesi.

Nel 1985, il CISPR ha pubblicato, sotto il titolo di Pubblicazione 22, una serie di norme cheriguardano le emissioni: in particolare, si fa riferimento ad apparati utilizzati dalla tecnologiadell’informazione (Information Technology Equipment, ITE) e che includono dispositivi digitali.

Molti degli stati europei e delle altre nazioni del mondo hanno adottato gli standard previsti dallenorme CISPR 22 oppure dalle loro varianti ed è quindi prevedibile che queste norme diventino abreve di livello mondiale. E’ per questo che ce ne occupiamo.

Misure e limiti per le emissioni radiateCominciamo anche in questo caso dalle emissioni radiate. Così come accade per le norme FCC,

anche le norme CISPR impongono che le emissioni radiate siano misurate a differenti distanze aseconda delle classe di appartenenza degli apparecchi:



• dispositivo di classe B (uso privato): 10 metri

• dispositivo di classe A (uso commerciale e industriale): 30 metri

Rispetto ai valori previsti dalle norme FCC (rispettivamente 3 metri e 10 metri), si nota dunque ungrosso aumento delle distanze. Di per sé, però, questo non significa molto, in quanto bisognacomunque andare a vedere quali sono i limiti numerici imposti.

Per quanto riguarda, invece, l’intervallo di frequenze su cui estendere le misure, è il seguente:

[30 MHz , 1 GHz]

Rispetto alle norme FCC, la frequenza inferiore è rimasta invariata, mentre quella superiore èdecisamente più bassa (per le norme FCC sono 40 GHz).

Questo intervallo viene poi suddiviso in due sole bande (al contrario delle 4 previste dalle normeFCC), sia per gli apparecchi di classe B sia per quelli di classe A.

Premesso questo, i valori limite sono riportati nelle seguenti tabelle:

• limiti CISPR 22 alle emissioni radiate per dispositivi digitali di classe B (a 10 m):

378,701000230

306,3123030

m/VdB

elettrico Campo

m/V

elettrico Campo

MHz

Frequenza

÷÷

µµ

• limiti CISPR 22 alle emissioni radiate per dispositivi digitali di classe A (a 30 m):

378,701000230

306,3123030

m/VdB

elettrico Campo

m/V

elettrico Campo

MHz

Frequenza

÷÷

µµ

Come si vede, i limiti imposti sono esattamente gli stessi per le due classi, ma cambiano ledistanze di misura: questo fa sì, evidentemente, che siano più stringenti i limiti relativi alla distanzaminore, ossia ancora una volta quelli sui dispositivi di classe B.

Confronto con le norme FCC

Può essere interessante fare un confronto tra i limiti imposti dalle norme CISPR e quellicorrispondenti imposti dalle norme FCC. Ovviamente, date le differenti distanze, dobbiamo anche inquesto caso effettuare una estrapolazione.

Cominciamo con il confronto dei limiti relativi agli apparecchi di classe B; conviene estrapolare ilimiti FCC (riferiti alla distanza di 3 metri) alla distanza di 10 metri: a tal fine, si può facilmentevedere che bisogna sottrarre, dai limiti FCC relativi a ciascuna banda, una quantità pari a 10,46 dB.Con questa operazione, si ottiene il grafico seguente:



freq30 MHz 88 MHz 960 MHz

31,6 uV/m

Em/Vµ

(Classe B - 10 metri)

FCC

CISPR 22

216 MHz

230 MHz 1 GHz

70,8 uV/m

Il grafico evidenzia in modo chiaro, per ciascuna banda, quali limiti (FCC o CISPR) risultano piùrestrittivi.

Analogo grafico possiamo tracciare per i dispositivi di classe A; in questo caso, facciamoriferimento ad una distanza di misura di 30 metri, per cui dobbiamo estrapolare i limiti FCC (relativiinvece alla distanza di 10 metri) a tale distanza, il che si ottiene sottraendo, su ciascuna banda difrequenza, la quantità 9,54dB (quindi approssimativamente 10 dB). Il grafico risultante è il seguente:

freq30 MHz 88 MHz 960 MHz

31,6 uV/m

Em/Vµ

(Classe A - 30 metri)

FCC

CISPR 22

216 MHz

230 MHz 1 GHz

70,8 uV/m

Si tratta di un grafico assolutamente analogo al precedente.

Misure e limiti per le emissioni condotteConsideriamo adesso i limiti imposti dalle norme CISPR 22 alle emissioni condotte degli apparati

elettronici (espresse dunque in termini di tensioni rivelate dalla LISN).Dando sempre per scontata la differenziazione tra dispositivi di classe A e dispositivi di classe B,

c’è qui una prima novità, che riguarda il limite inferiore del campo di frequenza su cui vieneeffettuata la misura:

[150 kHz , 30 MHz]



Quindi, mentre la frequenza superiore è rimasta di 30 MHz, quella superiore è scesa a 150 kHz(rispetto ai 450 kHz previsti dalle norme FCC).

Questo intervallo di frequenza viene poi suddiviso in 3 bande per quanto riguarda gli apparecchidi classe B e in due bande per quanto riguarda gli apparecchi di classe A:

classe B→ [150kHz,500kHz] - [500kHz,5MHz] - [ 5MHz-30MHz]classe A→ [150kHz,500kHz] - [500kHz, 30MHz]

La seconda novità introdotta dalle norme CISPR rispetto alle norme FCC riguarda i valori con cuisono espressi i limiti:

• ci sono limiti forniti in termini di tensione di quasi-picco (QP), qualora il ricevitoreutilizzi un rivelatore di quasi-picco;

• ci sono poi limiti forniti in termini di tensione media (AV), qualora il ricevitore utilizzi unrivelatore a valor medio.

Questi particolari rivelatori saranno trattati in seguito. E’ bene adesso sottolineare che i valorilimite esaminati per le norme FCC (sia per le emissioni condotte sia per quelle radiate) sono proprioin termini di tensioni di quasi picco, per cui un eventuale confronto va fatto sulla base di tali limiti1.

Fatte queste premesse, riportiamo i valori dei limiti:

• limiti CISPR alle emissioni condotte per dispositivi digitali di classe B:

50316601000305

465,1995663155,0

465,199566315,0

5663166199515,0

VdBmedio)(valor V

TensioneVdB

picco) (quasi V

Tensione

MHz

Frequenza

÷÷

µµ

µµ

• limiti CISPR alle emissioni condotte per dispositivi digitali di classe A:

601000734467305,0

661995795,89125,015,0

VdBmedio)(valor V

TensioneVdB

picco) (quasi V

Tensione

MHz

Frequenza

÷

÷

µµ

µµ

1 Anche i limiti alle emissioni radiate imposti dalle norme CISPR sono in termini di quasi picco, per cui possiamo riassumere nel

modo seguente: i limiti forniti dalle norme CISPR e FCC, sia per le emissioni condotte sia per quelle radiate, sono fornite semprein termini di quasi-picco; in più, le norme CISPR per le emissioni condotte sono forniti anche in termini di valor medio ditensione.



Si nota immediatamente che, mentre i limiti relativi ai dispositivi di classe A sono forniti in modotradizionale (vale a dire come valori costanti all’interno di bande specificate), i limiti relativi aidispositivi di classe B presentano una particolarità: infatti, per la prima banda di frequenza,compresa tra 0,15 MHz e 0,5 MHz, vengono forniti i valori estremi. Questo viene fatto perché, intale banda, si assume un andamento lineare (decrescente) dei limiti, come illustrato nella figuraseguente:

freq150 kHz 5 MHz 30 MHz

1995 uV

V (Misure effettuate tramite LISN)classe BVµ

500 kHz

631 uV

1000 uV(QP)

631 uV

199,5 uV

316 uV(AV)

Per quanto riguarda, invece, l’andamento dei limiti per gi apparecchi di classe A, la tabella primaproposta si traduce nel grafico seguente, di tipo più “tradizionale”:

freq150 kHz 30 MHz

8912,5 uV

V (Misure effettuate tramite LISN)classe AVµ

500 kHz

4467 uV(QP)

1995 uV

1000 uV(AV)

Osservazione

Il motivo fondamentale per cui le norme CISPR introducono dei limiti anche per frequenzeinferiori a 450 kHz (fino al limite minimo di 150 kHz) è legato alla crescente importanza deglialimentatori di potenza a commutazione (switching), che stanno soppiantando sempre più,grazie ad una maggiore efficienza ed un minor peso, gli alimentatori di potenza lineari tradizionali.

Il funzionamento di un alimentatore di potenza a commutazione è semplice: senza scendere ineccessivi dettagli, diciamo che esso genera una tensione costante campionando la forma d’ondasinusoidale della tensione di rete.



Le frequenze di lavoro (frequenze di commutazione) di questi dispositivi vanno da 20 kHz a 100kHz. Questo tipo di alimentatori generano dunque emissioni condotte alla frequenza dicommutazione ed alle sue armoniche.

Confronto con le norme FCC

Per concludere, facciamo il solito confronto, relativamente alle emissioni condotte, tra i limitidelle norme CISPR e quelli delle norme FCC, tenendo conto ovviamente che queste ultime partonoda 450 kHz.

La figura seguente propone il confronto relativamente ai dispositivi di classe B (ricordiamo che lenorme FCC fissano un limite costante per tutte le frequenze, pari a 250 µV):

freq150 kHz 5 MHz 30 MHz

1995 uV

V (Misure effettuate tramite LISN)classe BVµ

631 uV

1000 uV(CISPR QP)

631 uV

199,5 uV

316 uV (CISPR AV)

500 kHz

450 kHz

(FCC)

Nella figura seguente è invece proposto il confronto relativamente ai dispositivi di classe A(ricordiamo che, in questo caso, le norme FCC suddividono il campo di frequenza in due bande,ciascuna con un proprio limite):

freq150 kHz 30 MHz

V (Misure effettuate tramite LISN)classe AVµ

(CISPRR QP)

1995 uV

(CISPR AV)

500 kHz

450 kHz

8912,5 uV

1,705 MHz

4467 uV

1000 uV

(FCC)3000 uV

1000 uV



Misura di conformità alle norme delle emissioniMisura di conformità alle norme delle emissionidei prodotti di commercialidei prodotti di commerciali

INTRODUZIONE

Una volta chiariti quali siano i limiti per le emissioni (radiate e condotte) di un dispositivo, ènecessario specificare, in modo chiaro, come si debbano effettuare le misure di conformità allenorme di tali emissioni. Si tratta di un argomento abbastanza complesso: in generale, è evidente che,se le procedure di misura non fossero fissate in modo univoco mafossero lasciate all’interpretazione del personale, allora sarebbepossibile ottenere, per lo stesso dispositivo, insieme diversi didati al variare, per esempio, del sito di misura.

Quindi, in ogni normativa (FCC o CISPR 22) sono definite in modo chiaro le regole per la misura:vengono cioè indicate la procedura per eseguire la prova, la strumentazione da impiegare, lalarghezza di banda degli strumenti, le antenne di misura e così via. Viene anche specificato il metodocon cui vanno raccolti i dati, in modo che l’ente governativo preposto abbia la certezza che i datirelativi ad un prodotto, acquisiti da una certa azienda nel proprio laboratorio o altrove, possanoessere validamente confrontati con i limiti previsti dalla normativa e con i dati di misura rilevati inun altro laboratorio.

Ci occuperemo, nei prossimi paragrafi come in quelli precedenti, di quanto indicato dalle normeFCC e dalle norme CISPR 22.

NORME FCC PER LA MISURA DELLE EMISSIONI RADIATE

La procedura di misura utilizzata per verificare la conformità delle emissioni (sia radiate siacondotte) ai limiti fissati dalla FCC impone, in primo luogo, i seguenti vincoli generali:

• le misure vanno eseguite sul sistema completo;

• tutti i cavi di interconnessione devono essere collegati con gli strumenti periferici;

• il sistema deve essere in una specifica configurazione;

• i cavi ed il sistema devono essere disposti in modo da massimizzare le emissioni: taleparticolare disposizione deve perciò essere determinata dal personale addetto alla misura, chedovrà cercarla tra tutte le posizioni che il sistema può accettare in condizioni reali.

Consideriamo adesso specificamente la misura delle emissioni radiate. I vincoli sono i seguenti:

• in base a quanto già visto, le misure devono essere effettuate alla distanza di 10 metri per idispositivi di classe A e di 3 metri per i dispositivi di classe B;

• le misure devono essere eseguite in un sito di prova in campo aperto, su un piano dimassa;

• l’antenna di misura deve essere una antenna a dipolo, da accordare via via sulle variefrequenze di misura; inoltre, essa dovrà essere posta sia in posizione verticale (cioèperpendicolare al piano di massa) sia in posizione orizzontale (parallela al piano di massa);infine, l’antenna dovrà essere posta ad una distanza da terra variabile tra 1 metro e 4 metri:



fissato un numero discreto di altezze comprese tra 1 m e 4 m, bisognerà considerare, perciascuna frequenza di misura, il massimo segnale rivelato2.

Possiamo cominciare a fare delle osservazioni circa questi vincoli.Innanzitutto, riguardo l’antenna di misura, ci sono problemi legati sia alla automatizzazione sia

all’accordamento alle frequenze di misura: infatti, l’utilizzo di un dipolo sintonizzato impone chela sua lunghezza fisica venga variata in corrispondenza di ogni frequenza di misura, in modo cheessa sia pari sempre a mezza lunghezza d’onda (L=λλ/2), il che non risulta molto comodo. Perovviare a questo inconveniente, si possono usare delle antenne a larga banda, la cui lunghezzanon deve essere variata al variare della frequenza di misura; questo permette di accelerare la raccoltadei dati. Tipiche antenne a larga banda usate per queste misure sono le antenne biconiche e leantenne log-periodiche, di cui si parlerà più avanti.

Anche la richiesta di eseguire la prova in un sito in campo aperto comporta qualche difficoltà:infatti, in un qualsiasi sito di questo tipo, c’è il problema della presenza, in aggiunta alle emissionidel dispositivo sotto misura, di numerosi altri segnali (talvolta anche intensi) dovuti all’ambiente. Senon si tenesse conto della presenza di questi segnali, le misure risentirebbero senz’altro della loropresenza, fornendo valori di campo elettrico (emissioni radiate) e/o di tensione (emissioni condotte)sicuramente maggiori di quelli dovuti al solo dispositivo. Per ovviare a questo inconveniente, èdunque necessario procedere secondo due passaggi:

• per prima cosa, bisogna effettuare delle prove preliminari sul dispositivo in camerasemianecoica, come mostrato nella prossima figura, allo scopo di isolare le componenti difrequenza che caratterizzano le emissioni del dispositivo:

• successivamente, si potrà andare nel sito in campo aperto e si potrà limitare il campo di misuraalle sole frequenze rilevate nelle prove preliminari.

Una camera anecoica è costituito da una camera schermata, le cui pareti ed il cui soffitto sonoricoperti da coni che assorbono i segnali alle frequenze radio; la figura seguente mostra unaschematizzazione di una simile struttura:

2 Da queste considerazioni si comprende subito quanto dispendioso, in termini di tempo, sia un simile processo di misura.



La camera schermata serve ad impedire ai segnali esterni di contaminare l’esito della prova,mentre invece i coni assorbenti non permettono la riflessione delle emissioni del dispositivo inprova sulle pareti perimetrali e sul soffitto. L’unica possibile riflessione può e deve avvenire sulpiano di massa (pavimento) della camera: in tal modo, viene di fatto simulato il comportamento delsito in campo aperto, dove infatti l’unica riflessione avviene in corrispondenza del piano terrestre.

Ricordiamo inoltre che molti laboratori di misura dispongono di apparecchiature che permettonodi automatizzare l’intera procedura di misura: strumenti controllati da un calcolatore spostanoverticalmente l’antenna di misura, cambiandone di volta in volta la polarizzazione e la frequenza eregistrando successivamente i dati; anche i grafici dedotti dai dati rilevati vengono eseguitiautomaticamente. Generalmente, vengono registrate tutte quelle frequenzeper cui le emissioni superano il limite fissato e per tali frequenzeil dispositivo viene provato anche in un sito in campo aperto.

Esiste un altro importante requisito per le prove imposte dalle normative: infatti, la FCC (maanche il CISPR) richiede che l’ampiezza di banda dell’analizzatore di spettro o del ricevitore usatoper misurare le emissioni radiate sia di almeno 100 kHz. Il motivo è il seguente:

• per emissioni con ampiezza di banda molto stretta, come ad esempio quelle associate ad unaarmonica del segnale di temporizzazione, l’ampiezza di banda del ricevitore non è un fattoreimportante;

• al contrario, per emissioni a larga banda, come per esempio quelle dovute all’arco elettricoche si genera in corrispondenza delle spazzole di un motore in corrente continua, l’ampiezza dibanda dello strumento influenza profondamente la misura: quanto maggiore è l’ampiezza dibanda dello strumento tanto maggiore risulta il livello misurato.

Quindi, il richiedere una larghezza di banda di 100 kHz permette lamisura di alcuni segnali a larga banda. Nessuno usa valori superiori a 100 kHz, inquanto, così facendo, aumenterebbe il livello del segnale ricevuto da sorgenti a larga banda e questorenderebbe più arduo il soddisfacimento delle norme.

Rivelatori di picco e di quasi-piccoUn ulteriore aspetto, connesso al requisito sull’ampiezza di banda del ricevitore, riguarda il

rivelatore presente nello stadio di uscita del ricevitore. Tipicamente, gli analizzatori di spettro usanoi cosiddetti rivelatori di picco: questi circuiti registrano il livello massimo del segnale incorrispondenza di ciascuna frequenza di misura. Sia la FCC sia il CISPR impongono invece che leprocedure di misura siano effettuate tramite ricevitori che impiegano rivelatori di quasi-picco: sitratta, in parole semplici, di un circuito RC (quindi con una certa costante di tempo) che memorizzain uscita il massimo del segnale di uscita stesso. La caratteristica di questi circuiti si manifesta incorrispondenza di segnali di breve durata ma con rapide fluttuazioni temporali, come ad esempioimpulsi che si ripetono in modo casuale: questi segnali, andando in ingresso ad un rivelatore diquasi-picco, determinano in uscita al circuito dei livelli inferiori a quelli prodotti da segnaliperiodici.

Per meglio comprendere il motivo della necessità di usare i rivelatori di quasi-picco, dobbiamotener conto che la normativa di compatibilità elettromagnetica sulle emissioni si rivolgespecificamente alle comunicazioni via radio (emissioni radiate) e via cavo (emissioni condotte): diconseguenza, un segnale di breve durata, che si ripete casualmente in modo non frequente, noncostituisce, per un ascoltatore, un fenomeno di interferenza tanto grave quanto quello dovuto ad unsegnale che si ripete in modo periodico. Questo è tenuto conto proprio dalrivelatore di quasi-picco, che risponde con un livello del segnale



di uscita più alto per i segnali periodici che non per quelli nonperiodici. Oltre a questo, dobbiamo anche tener conto che l’orecchio umano ha uncomportamento logaritmico e la costante di tempo del rivelatore di quasi-picco tenta di simulareproprio questo fenomeno.

NORME CISPR PER LA MISURA DELLE EMISSIONI RADIATE

Le procedure di misura utilizzate per verificare la conformitàdelle emissioni radiate ai limiti fissati dalle norme CISPR 22 sonomolto simili a quelle fissate dalle norme FCC. Non ci soffermiamo perciòulteriormente su di esse, salvo a sottolineare nuovamente il fatto che le norme CISPR prevedonodiverse distanze di misura: l’antenna di misura deve infatti trovarsi a 10 metri di distanza daidispositivi di classe B ed a 30 metri di distanza dai dispositivi di classe A.

EMISSIONI CONDOTTE

Come già detto in precedenza, lo scopo dei limiti per le emissioni condotte di un dispositivo èquello di controllare il disturbo dovuto alla corrente che fuoriesce dal dispositivo stesso attraversoil cavo di alimentazione; questo disturbo, infatti, si propaga poi sulla rete di alimentazionedell’installazione: tale rete è costituita da un insieme di fili interconnessi disposti all’interno dellepareti dell’edificio in cui è situato il dispositivo e quindi costituisce una antenna di grandidimensioni; le correnti di disturbo che si propagano sulla rete di alimentazione sono quindi irradiatee possono provocare interferenza su ogni altro genere di dispositivo elettrico o elettronico.

Tanto per fare un esempio tipico, pensiamo alle bande di disturbo che appaiono sullo schermo diun televisore quando nelle vicinanze è presente un elettrodomestico (ad esempio un frullatore o unfon) oppure un qualsiasi altro strumento azionato da un motore in corrente continua: il rumoreelettrico prodotto dall’arco elettrico che si genera in corrispondenza delle spazzole del motore passanel cavo di alimentazione e da qui, attraverso la rete di distribuzione della corrente alternata, vieneirradiato e rivelato sotto forma di interferenza dal televisore.

Quindi, riepilogando, l’emissione condotta da misurare è semplicemente lacorrente di disturbo che fuoriesce dal cavo di alimentazione di undispositivo. Tuttavia, in base a questa “definizione”, sembrerebbe di dover misurarel’emissione condotta in unità di corrente, ossia in Ampere. Al contrario, l’unità di misura dei limitifissati sia dalla FCC sia dal CISPR per le emissioni condotte sono dati in volt. Il motivo è semplice:le prove devono essere eseguite inserendo, in serie con il cavo di alimentazione del dispositivo, unarete di stabilizzazione dell’impedenza di linea (LISN, Line Impedance StabilizationNetwork):

DUTDispositivo in provaLISN

Rete didistribuzionedell'energia

Per capire il funzionamento della LISN, è necessario prima descrivere le caratteristiche principalidella rete di distribuzione dell’energia, che vengono illustrate nel prossimi paragrafo.



Caratteristiche principali della rete di distribuzione dell’energiaNegli stati Uniti, la tensione di rete, per uso domestico e commerciale, ha la frequenza di 60 Hz

ed un valore efficace di 120 V (cui corrisponde, come è noto, una ampiezza di circa 170 V, ottenuta

moltiplicando 120 V per 2 ). Tale tensione viene trasportata, da un luogo all’altro, tramite linee atensione più elevata.

I cavi che portano l’energia lungo il territorio sono costituiti da due conduttori di tensione edun conduttore di massa connesso a terra, ottenendo il classico sistema trifase:


+240 V-

+120 V-

+

120 V

-

Negli USA, la tensione presente tra i due conduttori è di 240 V, mentre quella presente traciascun conduttore ed il filo di massa è di 120 V. In Italia, invece, la tensione presente tra i dueconduttori è di 400 V, mentre quella presente tra ciascun conduttore ed il filo di massa è di 230 V.

Per portare poi l’energia all’interno delle abitazioni, si passa ad un sistema di alimentazionemonofase: la società che gestisce la rete3 mette a disposizione solo uno dei due conduttori ditensione (detto fase, P) ed il conduttore di terra (detto neutro, N). Questo comporta che la tensionedisponibile all’interno delle abitazioni sia di 120V negli USA e di 230 V in Italia.

Oltre la fase ed il neutro, nelle abitazioni è presente anche un terzo conduttore, detto filo disicurezza (simbolo: GND), di colore verde negli USA e giallo-verde in Italia:


P (Fase)

N (Neutro)

GND(Sicurezza)

Dispositivo+120V-

Rete LISN e suo utilizzoLe correnti che rappresentano le emissioni condotte, e che devono quindi essere misurate, sono

quelle che fuoriescono dal dispositivo attraverso la fase ed il neutro. La caratterizzazione delleemissioni condotte avviene perciò attraverso due misure: una sul conduttore di fase e l’altra sulconduttore di neutro.

Lo schema di misura, come anticipato prima, è il seguente:

3 In Italia si tratta dell’ ENEL



DUTDispositivo in provaLISN


La LISN viene utilizzata per tre motivi:

• in primo luogo, analogamente alla scelta di una camera schermata per la misura delle emissioniradiate, la LISN consente di eliminare i disturbi esterni alla zona di misura, ossia quelli giàpresenti sulla rete di alimentazione, al fine di non contaminare i risultati ottenuti;

• in secondo luogo, la LISN garantisce che le misure effettuate in un determinato sito siano deltutto correlabili con quelle effettuate in un altro sito: infatti, la possibilità di non avere questacorrelabilità deriva dal fatto (accertato sperimentalmente) che l’impedenza vista dal dispositivoai morsetti della rete di alimentazione può cambiare da sito a sito; al contrario, la presenzadella LISN garantisce che il dispositivo “veda” praticamente sempre la stessa impedenza;

• infine, la LISN garantisce che l’impedenza “vista” dal dispositivo sia costante, oltre che da sitoa sito, anche con la frequenza4. Volendo dunque riassumere questi ultimi due punti, possiamodire che la LISN serve a garantire che il dispositivo veda unaimpedenza costante, sia con la frequenza sia col sito di prova,tra la fase ed il conduttore di massa così come tra il neutro edil conduttore di massa.

Premesso questo, andiamo a vedere come è fatta una LISN. In particolare, la figura seguenteriporta lo schema elettrico della LISN prevista dalle norme FCC:

4 E’ opportuno ricordare, a questo punto, che lo scopo delle misure non è quello di rilevare il valore della frequenza di rete (60 Hz o

50 Hz), ma quello di misurare i disturbi che si inseriscono nei conduttori che trasportano la corrente di alimentazione,relativamente a frequenze comprese tra 450 kHz e 30 MHz (norme FCC) o tra 150 kHz e 30 MHz (norme CISPR).



La figura, come si vede, mostra non solo lo schema elettrico della LISN, ma anche i collegamenticon il dispositivo in prova (a sinistra) e con la rete di distribuzione dell’energia (a destra).

Si nota inoltre che gli unici elementi circuitali presenti nella LISN sono resistori, induttori econdensatori; in particolare, mentre gli induttori sono presenti solo in serie alla fase ed al neutro, icondensatori ed i resistori sono presenti solo in parallelo tra la fase ed il filo di terra e tra il neutro edil filo di terra.

Abbiamo detto in precedenza che i limiti imposti dalle norme (sia FCC sia CISPR) alle emissionicondotte sono espressi in volt e quindi fanno riferimento a delle tensioni. La figura appena riportatamostra proprio quali siano queste tensioni: lo scopo delle misure è infatti quello di rilevare lacosiddetta tensione di fase, cioè la tensione VP presente tra fase e filo di terra, e la tensione dineutro, cioè la tensione VN presente tra neutro e filo di terra. In base allo schema elettrico, entrambequeste tensioni risultano applicate ai capi del parallelo tra un resistore R1 (da 1 kΩ come si vedrà piùavanti) ed un resistore, non meglio identificato, da 50 ΩΩ (racchiuso da una linea tratteggiata). Questoresistore da 50 Ω non è un elemento della LISN, ma rappresenta semplicemente l’impedenza diingresso dell’analizzatore di spettro che useremo per compiere le misure: ovviamente, per nonsbilanciare il funzionamento della rete, quando inseriremo l’analizzatore di spettro per misurare latensione di fase, dovremo sistemare un resistore da 50 Ω in corrispondenza della tensione di neutroe, viceversa, quando inseriremo l’analizzatore di spettro per misurare la tensione di neutro, dovremosistemare un resistore da 50 Ω in corrispondenza della tensione di fase.

Fatte queste premesse, possiamo analizzare più nel dettaglio la struttura della LISN. A talproposito, dovremo tener conto che, mentre i resistori hanno un valore nominalmente costante con lafrequenza ω, gli induttori ed i condensatori, tramite le rispettive reattanze XL=jωL e XC=1/jωC,danno origine ad impedenze variabili con la frequenza: in particolare, l’impedenza degli induttoriaumenta con la frequenza, mentre quella dei condensatori diminuisce con ω. Dato che stiamoconsiderando le norme FCC, il campo di frequenza di nostro interesse è [450kHz,30MHz].

Esaminiamo allora i “compiti” dei singoli elementi della LISN:

• gli induttori indicati con L1, presenti in serie sia alla fase sia al neutro, hanno lo scopo dibloccare i disturbi provenienti dalla rete di alimentazione (che abbiamo prima chiamatodisturbi esterni alla zona di misura) e, contemporaneamente, di lasciar fluire la corrente a 60Hz necessaria per l’alimentazione; l’induttanza di L1 è di 50 µµH, cui corrispondono valori diimpedenza compresi tra 141 Ω (a 450 kHz) e 9425 Ω (a 30 MHz); alla frequenza di 60 Hz,invece, l’impedenza vale 0.019 Ω, per cui è molto bassa;

• i condensatori indicati con C2, in parallelo sia tra fase e filo di terra sia tra neutro e filo di terra,contribuiscono anch’essi a far passare la corrente a 60 Hz, ma si occupano anche di deviare idisturbi che eventualmente superano L1; la capacità vale 1 µµF e la sua impedenza varia tra0.35 Ω (a 450 kHz) e 0.005 Ω (a 30 MHz); alla frequenza di 60 Hz, invece, l’impedenza vale2653 Ω, quindi abbastanza alta;

• i condensatori indicati con C1 contribuiscono a far vedere al dispositivo una impedenzacostante guardando verso la rete di alimentazione; in particolare, essi impediscono cheeventuali correnti costanti sovraccarichino il ricevitore dello strumento di misura; la capacitàvale in questo caso 0.1 µµF e la sua impedenza varia perciò tra 3.5 Ω (a 450 kHz) e 0.05 Ω (a30 MHz);

• infine, i resistori indicati con R1 (da 1 kΩΩ) permettono ai rispettivi condensatori C1 discaricarsi nel caso che i resistori da 50 Ω non siano connessi.



I valori di L1 e C2 sono tali che l’impedenza vista dal dispositivo guardando verso la rete didistribuzione dell’energia, in corrispondenza delle frequenze previste dalla normativa (450kHz-30MHz) sia praticamente un circuito aperto: questo comporta che il dispositivo veda una impedenza,tra la fase ed il conduttore di terra così come tra il neutro ed il conduttore di terra, pariapprossimativamente a 50 Ω su tutto il campo di frequenza di misura.

La LISN appena descritta vale dunque per prove di conformità alle norme FCC. Se invececonsideriamo la conformità alle norme CISPR, dobbiamo necessariamente apportare deicambiamenti alla LISN, dovuti al fatto che le norme CISPR estendono il campo di misura anche allafrequenze comprese tra 150 kHz e 450 kHz. Per garantire, anche a queste frequenze, gli stessirequisiti prima illustrati, dobbiamo necessariamente aumentare l’induttanza degli induttori ediminuire la capacità dei condensatori. Rimarranno invece invariati i resistori (sempre da 50 Ω), inquanto questa è l’impedenza di ingresso dell’analizzatore di spettro che viene usato per misurare latensione di fase VP e la tensione di neutro VN. Queste tensioni, in base a come è fatta la LISN, sonodirettamente proporzionali alle correnti di rumore (indicate con IP ed IN) che fuoriescono daldispositivo per mezzo, rispettivamente, del conduttore fase e del conduttore di neutro: risulta infatti

PP V50

1I = NN V

50

1I =

Queste relazioni spiegano dunque perché le norme, nel fissare i limiti sulle emissioni condotte,fanno riferimento a delle tensioni piuttosto che a delle correnti.

Entrambe queste tensioni di rumore dovranno essere misurate per frequenze comprese tra 450kHz e 30 MHz ed i valori misurati non dovranno superare i limiti precedentemente descritti. Tantoper fare un esempio, ricordiamo che le norme FCC fissano, per gli apparecchi di classe B, un limite(costante con la frequenza) alle emissioni condotte di 250 µV; in base alle relazioni appena riportate,questo si traduce in correnti massime di 5 µA. In termini logaritmici, abbiamo

( ) ( ) AdB14A1

A5log20IVdB48

V1

V250log20V 10AdBmax

V50

1I

10VdBmax µ≅µµ

= →µ≅µ

µ= µ

=

µ

ESEMPIO NUMERICO SULLE EMISSIONI RADIATE

Supponiamo di dover provare un dato prodotto per verificare il soddisfacimento delle norme FCCrelative alle emissioni radiate per la classe B. Lo schema di misura, da attuarsi in un sito di prova incampo aperto, indicato dalle norme prevede di porre una antenna di misura alla distanza di 3 metridal dispositivo di prova. Supponiamo invece che, per motivi non meglio identificati, la distanza traantenna e dispositivo sia di 6 metri (corrispondenti a 20 ft in unità metriche inglesi5).

In particolare, la figura seguente mostra lo schema di misura che intendiamo adottare:

5 Il fattore di conversione, in questo caso, è 1 metro = 3,28 ft



Come si vede, l’analizzatore di spettro è collegato all’antenna di misura mediante un cavocoassiale RG-58U, lungo 30 ft.

Supponiamo che ci interessi solo la misura alla frequenza di lavoro di 100 MHz (corrispondente aλ=3m). In corrispondenza di questa frequenza, il cavo coassiale introduce una attenuazione di 4.5dB/100 ft, mentre l’antenna ricevente fornisce una tensione di uscita di 6.31 V per ogni V/m delcampo elettrico incidente.

Supponiamo che, in corrispondenza della frequenza di 100 MHz, l’analizzatore di spettro forniscaun valore di tensione di 53 dBµµV. Vogliamo determinare l’entità del campo elettrico ricevutodall’antenna, al fine di verificare se il dispositivo rientra nei limiti previsti per la classe B oppure no.

Per rispondere a questa domanda, dobbiamo evidentemente andare a ritroso, ossia partiredall’indicazione di tensione fornita dall’analizzatore e risalire, sulla base dei dati a disposizione, alcampo elettrico ricevuto dall’antenna.

Per prima cosa, osserviamo le unità di misura delle quantità a nostra disposizione: la misurafornita dall’analizzatore è espressa in dBµV (quindi in termini di tensione), mentre l’attenuazione delcavo è espressa in dB/100ft (quindi in potenza per unità di lunghezza) ed infine le prestazionidell’antenna sono espresse in V (quindi ancora in tensione). Di conseguenza, dovremo fare unadoppia conversione: tensione→potenza→tensione. Per effettuare questa conversione, ci basterà tenerconto della classica formula che lega la potenza dissipata da un carico passivo ed il valore di questostesso carico:

R

VP

2

=

Nel nostro caso, la resistenza R vale sempre 50 ΩΩ: infatti, la prima conversione da fare consistenel trasformare la tensione misurata dall’analizzatore di spettro nella corrispondente potenza, per cuidovremo considerare la resistenza di ingresso dell’analizzatore di spettro, che è appunto al valorestandard di 50 Ω; la seconda conversione consiste invece nel trasformare la potenza ricevutadall’antenna nella corrispondente tensione e quindi dobbiamo coinvolgere la resistenza di ingressodell’antenna, che vale sempre 50 Ω. Andiamo comunque con ordine.

L’analizzatore di spettro, in corrispondenza della frequenza operativa (100 MHz), fornisce unaindicazione di 53 dBµV; convertendo questa tensione in unità naturali, abbiamo che

( )( )

( )( )

V7.44610VV1

Vlog20V 20

V

VmVm

10VdBm

VdBm

µ==→µ

=µ

µµ

µ

In base alla relazione R

VP

2

= , possiamo dunque calcolare la potenza ricevuta dall’analizzatore in

corrispondenza della frequenza specificata:

( )nW4

50

V107.446

R

VP

26

m

2m

m ≅Ω

⋅==

−

Per risalire alla potenza PR ricevuta dall’antenna, dobbiamo tener conto dell’attenuazioneintrodotta dal cavo: essendo quest’ultima fornita in termini di attenuazione specifica (riferita a 100ft) e essendo a noi nota la lunghezza del cavo (30 ft), possiamo scrivere che l’attenuazionecomplessiva vale

( ) dB35.1ft100

30

ft100

dB5.4LSTOT =⋅

=⋅α=α



Adesso, per ottenere PR, ci basta convertire Pm in dB e sommare l’attenuazione appena calcolata:

( ) ( )

( ) ( ) ( ) dB63.82dB35.1dB84PP

dB84W1

Plog10P

dBTOTdBmdBR

Vm10dBm

−=+−=α+=

−≅=

Adesso, usando di nuovo la relazione R

VP

2

= , possiamo risalire alla tensione VR fornita in uscita

dall’antenna; per fare questo, dobbiamo però prima convertire la potenza PR in unità naturali:

( ) ( ) ( )( )

nW46.510PW1

Plog10P 10

P

WRWR

10dBR

dBR

≅=→=

Possiamo dunque scrivere che la tensione fornita in uscita dall’antenna ricevente è

( ) V4.52250W1046.5RPV 9antRR µ≅Ω⋅⋅=⋅= −

A questo punto, sapendo che l’antenna fornisce in uscita una tensione di 6.31 V per ogni V/m dicampo elettrico incidente, possiamo impostare una semplice proporzione per calcolare il campoelettrico effettivamente incidente, ossia corrispondente ad una tensione di uscita di 522.4 µV:

m

V8.82

V31.6m

V1V104.522

EE:V104.522m

V1:V31.6

6

incinc6 µ

≅⋅⋅

=→⋅=

−

−

Questo è dunque il campo incidente sull’antenna di misura (alla frequenza di 100 MHz). Espressoin unità logaritmiche, abbiamo

( )( )

m/VdB36.38m/V1

m/V8.82log20

m/V1

Elog20E 10

m/Vinc

10m/VdBinc µ=µ

µ=

µ= µ

µ

A questo punto, l’ultimo passo è quello di verificare se questo valore di campo elettrico rientra neilimiti previsti dalle norme. Tuttavia, sappiamo che le norme FCC per gli apparecchi di classe Bprevedono una distanza di misura, tra antenna e apparato, di 3 metri, mentre invece noi abbiamoadottato una distanza di circa 6 metri. Dobbiamo allora estrapolare i limiti a 3 metri al valore di 6metri e lo facciamo con la classica regola approssimata per cui il campo a 6 metri è 3/6 del campo a3 metri:

( ) ( ) ( )V/mdB 37.5 m

V75

m

V150

2

1E

6

3E

m3max

incm6max

inc µ⇔µ

=µ

⋅=≅

In questa espressione abbiamo tenuto conto che le norme FCC per le emissioni radiate didispositivi di classe B impongono, alla frequenza di 100 MHz, un limite di campo elettrico di 150µµV/m. Passando da 3 metri a 6 metri, abbiamo dunque ottenuto che questo limite si abbassa a 75µV/m e questo valore è evidentemente più basso del valore da noi registrato (82.8µV/m). Deduciamoche il nostro apparecchio non rispetta le norme.



Facciamo notare che la regola di estrapolazione dei limiti (da 3 m a 6 m) utilizzata poco fa non èperfettamente valida in questo caso: infatti, sappiamo che tale regola vale solo quando il campodecresce linearmente con la distanza (ossia in zona di campo lontano), il che, alla frequenza di 100MHz (cui corrisponde λ=3 metri), avviene ad una distanza dalla sorgente di circa 3λ=9 metri, mentreinvece noi siamo solo a 6 metri. Tuttavia, i risultati ottenuti ci dicono che siamo comunque al limitedelle emissioni da parte del dispositivo in prova e quindi dobbiamo porre qualche rimedio.

Requisiti aggiuntivi per i dispositiviRequisiti aggiuntivi per i dispositivi

INTRODUZIONE

Come più volte sottolineato in precedenza, non ha senso progettare un dispositivo di interessecommerciale che non superi le verifiche di soddisfacimento alle norme di compatibilitàelettromagnetica. Allo stesso tempo, non ha nemmeno senso progettare undispositivo che, pur soddisfacendo le suddette norme in termini diemissioni condotte e radiate, non riesca a funzionare correttamentequando è posto in prossimità di un trasmettitore in modulazione difrequenza di una stazione radio oppure del radar della torre dicontrollo di un aeroporto. Quindi, è importante sia rispettare i limiti imposti dalla leggeper le emissioni sia anche garantire che il dispositivo funzioni correttamente in qualsiasi luogo, aprescindere cioè dall’inquinamento elettromagnetico presente in quel luogo e da eventualidisturbi presenti nella rete usata per alimentare il dispositivo stesso.

Analogamente, altre situazioni spiacevoli per i costruttori di dispositivi elettronici possono esserequelle per cui un prodotto non funziona più correttamente se toccato da un operatore che si è caricatodi elettricità statica (ad esempio perché ha stazionato in un ambiente secco oppure su unpavimento ricoperto di materiale sintetico): in questa situazione, infatti, il contatto tra dispositivo eoperatore genera una scarica elettrostatica che, nella migliore delle ipotesi, può azzerare lamemoria della macchina.

Questi esempi mostrano l’importanza, per un costruttore, di eseguire alcune prove aggiuntiverispetto a quelle espressamente richieste dalle leggi, al fine di assicurare che il dispositivo funzionicorrettamente in ambiti diversi. Nei prossimi paragrafi daremo dunque dei cenni su tali proveaggiuntive, sottolineando, però, che, in questo ambito, non ci sono più leggi governative darispettare, ma semplicemente regolamentazioni stabiliti autonomamente ed internamente (il chesignifica spesso segretamente) dai produttori.

SUSCETTIVITÀ RADIATA

Le prove di suscettività radiata servono a garantire che il dispositivo operi correttamente nelcaso in cui venga installato in prossimità di trasmittenti ad alta potenza. Nella maggior parte dei casi,ci si riferisce a trasmettitori in modulazione di ampiezza o di frequenza ed ai radar delle torri dicontrollo degli aeroporti.

I costruttori provano i propri dispositivi esponendoli a segnali generati da queste trasmittenti,avendo cura di scegliere le forme d’onda ed i livelli in modo da simulare la situazione peggiore difunzionamento. Così facendo, stabiliscono se il comportamento dei dispositivi è soddisfacente omeno. In caso negativo, il costruttore provvede a rimediare al problema ovviamente prima dellacommercializzazione del prodotto.



SUSCETTIVITÀ CONDOTTA

I dispositivi elettronici possono essere sensibili a vari tipi di interferenze che sfruttano, come viadi accesso, i cavi di alimentazione. Per fare un esempio classico, pensiamo a quello che succededurante i temporali: i fulmini che si sviluppano colpiscono spesso le linee di trasmissionedell’energia elettrica e le stazioni di distribuzione di tale energia, inducendo segnali transitori; ascopo di protezione da questi fenomeni, esistono degli speciali interruttori che devonointerrompere temporaneamente il circuito, per poi richiudersi dopo un certo tempo; anche questaapertura/chiusura di interruttori genera dei segnali transitori sulle linee. Di conseguenza, bisogna farein modo che gli apparati elettronici non risentano sia delle interruzioni momentanee di potenza siadei conseguenti transitori indotti sulle linee.

Per fare questo tipo di verifiche, molti costruttori provano i loro prodotti iniettandointenzionalmente degli impulsi nel cavo di alimentazione, in modo da simulare i transitori di cui sidiceva. Ci sono poi altre prove, come ad esempio quello di ridurre e/o interromperemomentaneamente la tensione di alimentazione per verificare che il prodotto continui ad operarecorrettamente anche in tale situazione.

Tutte queste sono tipiche prove di suscettività condotta.

SCARICHE ELETTROSTATICHE (ESD)Questo fenomeno, già citato in precedenza, sta diventando sempre più importante con il

progredire della tecnologia dei circuiti integrati (IC, Integrated Circuits). Esso consistesostanzialmente di due passaggi:

• il primo è quello per cui sul corpo dell’operatore (o anche sugli arredi) si ha un accumulo dicariche elettrostatiche;

• il secondo è invece quello della scarica elettrostatica sul dispositivo nel momento in cuiquest’ultimo viene in contatto con l’operatore (o con gli arredi).

La tensione che genera la scarica può raggiungere anche i 25 kV e la conseguente corrente discarica, che si propaga all’interno del dispositivo, può quindi essere di notevole intensità, tale daalterare il contenuto della memoria dei circuiti integrati.

I produttori controllano la suscettività nei confronti delle scariche elettrostatiche sottoponendo iprodotti a scariche (appositamente generate) analoghe a quelle che potrebbero verificarsinell’ambiente di utilizzo; questo consente di verificare se i dispositivi conservano il loro normalefunzionamento nonostante la scarica oppure no. Talvolta, è tollerabile che il dispositivo, purrisentendo temporaneamente dell’effetto della scarica, riprenda poi il normale funzionamento ascarica terminata. Questo, però, non è ovviamente possibili in determinati ambiti, come per esempioquello delle apparecchiature biomedicali.

Autore: SANDRO PETRIZZELLIe-mail: [email protected]

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