Disturbi EMC e modalità di accoppiamento

Al fine di comprendere meglio la successiva trattazione sui problemi EMC, è bene fare alcuni richiami che descrivono la natura e la tipologia dei disturbi EM, i fenomeni di propagazione e le modalità di accoppiamento.

Qualsiasi circuito elettrico (o in generale un qualsiasi conduttore) percorso da una corrente variabile nel tempo irradia onde elettromagnetiche nello spazio circostante. Un generico filo conduttore di lunghezza L percorso da una corrente I variabile nel tempo produce un campo EM proporzionale alla lunghezza L, alla corrente I ed alla frequenza caratteristica f ed inversamente proporzionale alla distanza d del punto di osservazione. Analogamente, una spira di superficie S percorsa da una corrente I variabile nel tempo produce un campo EM proporzionale alla superficie S, alla corrente I e al quadrato della frequenza f ed inversamente proporzionale alla distanza d del punto di osservazione. L’efficienza di radiazione e di ricezione di campi EM è legato al rapporto tra la grandezza caratteristica del circuito (lunghezza L per i fili, superficie S per le spire) e la lunghezza

d’onda λ; questo parametro viene definito dimensione elettrica. Per avere una prima stima della capacità di un circuito di irradiare e captare onde EM si determina la sua dimensione elettrica; se questa risulta < 1/10 il circuito si dice elettricamente piccolo, intendendo con ciò che è poco soggetto ad irradiare e captare onde EM.

Un’onda EM che incide su un circuito elettrico (o su un generico conduttore) genera in esso una corrente variabile nel tempo. Per i fenomeni EMC vale il principio di reciprocità: se un oggetto è capace di irradiare con efficienza campi EM, allora è anche capace di captare campi EM esterni e viceversa. Ne consegue che tutte le azioni volte a ridurre l’efficienza della produzione di disturbi EM (problema di emissione) servono anche a ridurre la capacità di “ricevere” campi EM (problema di immunità/suscettibilità).

Per quanto riguarda le interferenze di tipo irradiato, in base al tipo di disturbo emesso, gli accoppiamenti potranno essere di due tipi: induttivo o capacitivo.

Il fenomeno dell’accoppiamento induttivo si verifica quando una corrente I, che circola in un conduttore elettrico, crea un campo magnetico che si irradia attorno al conduttore stesso. A questo punto, qualsiasi spira formata da un conduttore elettrico di superficie S e attraversata da un campo magnetico variabile vede apparire una tensione U alternata alle sue estremità. Tali disturbi sono spesso associati ad elevate correnti quindi, molto spesso, responsabili sono i conduttori di potenza o di alimentazione delle varie apparecchiature.

L’accoppiamento capacitivo tra circuito elettrico (cavo, componente, ecc.) ed un altro circuito vicino (conduttore, massa, ecc.) è molto semplice da ottenere, ma molto difficile da evitare, in quanto esiste sempre una capacità non nulla tra le varie parti di un sistema o di un impianto. La differenza di potenziale variabile tra due zone di un unico sistema, o di sistemi diversi, determina la circolazione di una corrente elettrica che passa da uno all’altro attraverso l’isolante, rappresentato dall’aria, formando una capacità parassita. Il valore della corrente parassita I è tanto maggiore quanto più la frequenza della tensione ai morsetti della capacità parassita è elevata, in base alla relazione:

U

I = = U C 2πf Z

dove l’impedenza ai capi della capacità parassita è Z = 1/ωC, C è la capacità parassita, f è la frequenza della corrente parassita e U è la tensione ai capi della capacità parassita. Il valore della capacità parassita, invece, risulterà essere proporzionale alle superfici delle due parti del circuito interessate e inversamente proporzionale alla distanza tra i due circuiti. Va in ogni modo considerato che, se le capacità parassite tra i circuiti

sono praticamente irrilevanti a 50 Hz, hanno tuttavia un’importanza considerevole ad alta frequenza e spesso sono l’origine di funzionamenti anomali dell’impianto. Date le dimensioni dei circuiti integrati, queste capacità sono il principale fattore limitante la loro velocità di funzionamento.

Per quanto riguarda le interferenze di tipo condotto, il tipo di accoppiamento si distingue in accoppiamento di modo comune (CM) e di modo differenziale (DM); è bene richiamare qui alcuni concetti che verranno successivamente approfonditi nell’ottica della specifica applicazione ai convertitori elettronici di potenza ed agli azionamenti elettrici.

I disturbi di modo comune possono essere causati dalla differenza di potenziale esistente tra due distinti punti di terra. Infatti, se vi è una differenza di potenziale tra due punti del sistema di riferimento (si veda la Fig. 2.3), e vi è un’impedenza tra questi due punti, allora scorrerà una corrente nel conduttore di terra. Le emissioni condotte di modo comune viaggiano attraverso le due linee di alimentazione e si richiudono attraverso la terra. L’ampiezza del disturbo sulle due linee di alimentazione è la stessa mentre il segnale che si richiude attraverso la terra ha ampiezza doppia.

Fig. 2.3: Disturbo di modo comune dovuto al sistema di riferimento

Per via delle frequenze elevate, le emissioni di modo comune possono propagarsi anche attraverso le capacità parassite presenti tra i componenti del sistema in esame e la terra. La corrente di disturbo di modo comune percorre i due conduttori che costituiscono il circuito di interesse (ad esempio le linee di alimentazione) nello stesso verso; il percorso di ritorno avviene attraverso le capacità parassite che si vengono a creare tra il sistema e la massa di riferimento. Questa situazione è illustrata in Fig. 2.4.

Fig. 2.4: Disturbo di modo comune attraverso le capacità parassite

I disturbi CM rappresentano uno dei temi cruciali dell’EMC perchè il loro percorso è molto difficile da identificare così come la loro causa. In un sistema elettronico, ad esempio, la semplice presenza di una connessione a massa determina un loop di corrente nel quale si evidenzia una tensione di disturbo che può essere causata dalla non idealità della massa (impedenza finita non nulla) oppure da effetti di induzione da parte di un campo EM esterno. Questo tipo di accoppiamento è in genere molto efficace e, soprattutto alle basse frequenze, è la causa principale di emissioni.

La corrente di disturbo di modo differenziale percorre i due conduttori di riferimento in verso opposto (la loro ampiezza è sempre uguale); percorre una delle due linee, passa attraverso il sistema in esame (generando eventuali malfunzionamenti) e ritorna alla sua origine attraverso l’altro conduttore. L’accoppiamento dovuto a questo fenomeno è mostrato in Fig. 2.5.