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LABORATORIO DI

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIAPolo Scientifico e Didattico di Terni

Facoltà di Ingegneria

Corso di laurea in Ingegneria Industriale

LABORATORIO DI ELETTROTECNICA

(Compatibilità Elettromagnetica Industriale)

Ing. Antonio FabaA.A. 2013/2014

Compatibilità Elettromagnetica Industriale

CONTENUTI:

Generalità sulla compatibilità elettromagnetica Le linee di trasmissione CennisuCennisu

• Antenne• Oscilloscopio• Analizzatore di spettro

Generalità sulla compatibilità elettromagnetica.elettromagnetica.

Introduzione

• Primi del 1900: aumento dell’elettrificazione, nascita dei primi fenomeni di interferenza elettromagnetica.

• 1930: l’ IEC (International Electrotechnical Commission) istiutisce il CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques).

Successivamente

• Istituzione dell’FCC (Federal Communications Commission) negli Stati Uniti.

• Istituzione del CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique ) in europa.

• Istituzione del CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano).4

Introduzione

• 1989: Emissione dellaDirettiva Europea 89/336/CEE,“Per la Certificazione CE di un’apparecchiatura elettrica oelettronica devono essere soddisfatti i requisiti dellacompatibilità elettromagnetica”.

• Decreto legge N. 476 del 4 Dicembre 1992: l’Italia• Decreto legge N. 476 del 4 Dicembre 1992: l’Italiarecepisce la Direttiva Europea 89/336/CEE e fissa per il1996 l’inizio dell’obbligo per il rispetto dei requisiti dellaCompatibilità Elettromagnetica per tutte le apparecchiatureelettriche ed elettroniche commercializzate all’interno delterritorio nazionale.

Apparato emettitore

Percorso di accoppiamento

Apparato ricevitore

L’interazione elettromagnetica tra due apparati elettrici avviene secondo il seguente schema:

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.

Quando l’energia entrante nel ricevitore causa un malfunzionamento dello stesso si verifica un fenomeno di:

Interferenza

Affinchè si verifichi un fenomeno di interferenza:

• l’energia del segnale di disturbo deve essere sufficientemente elevata (superiore al livello di suscettibilità dell’apparato ricevitore)

• il contenuto spettrale del segnale di disturbo sia sufficientemente ampio (tanto da interferire con le frequenze di funzionamento dell’apparato ricevitore).

Possibili soluzioni per la riduzione o l’eliminazione dei fenomeni di interferenza:

• Soppressione dell’emissione dalla sorgente.• Rendere meno efficiente il fenomeno dell’accoppiamento elettromagnetico.• Rendere il ricevitore meno suscettibile all’interferenza.

(Queste soluzioni sono spesso vincolate da parametri progettuali ed economici)

Fenomeni legati al trasferimento dell’energia elettromagnetica- Emissione: livello e caratteristiche dell’energia elettromagnetica emessa dal trasmettitore.- Suscettibilità (immunità): grado di suscettibilità del ricevitore rispetto ad un determinato livello di energia elettromagnetica ricevuta.

Modalità di accoppiamento- Irradiazione : propagazione di onde elettromagnetiche nell’aria.

- Irradiazione : propagazione di onde elettromagnetiche nell’aria.- Conduzione: propagazione di segnali in tensione e corrente lungo le connessioni elettriche.

4 possibili fenomeni risultanti:

- emissioni radiate - suscettività radiate

- emissioni condotte - suscettività condotte

Componente generatore di disturbi

Emissioni condotte

Emettitore

Componente potenzialmente suscettibile

Suscettibilità condotte

Ricevitore

Emissioni radiate

Emettitore

Suscettibilità radiate

Ricevitore

Fenomeni correlati

Emettitore

disturbi

Ricevitore

Coordinamento tra livelli di emissione, compatibilità, immunità, suscettibilitàLi

Livello di immunità di una apparecchiatura che risponde ai requisiti normativi

Livello d’immunità standard (livello fissato dalle normative)

Margine di compatibilità elettromagnetica

normative)

Livello di emissione standard(livello fissato dalle normative)

Livello di emissione di una apparecchiatura che risponde ai requisiti normativi

Problematiche di compatibilità elettromagnetica

I fenomeni di interferenza elettromagnetica tra apparati elettrici hannoprodotto in passato diversi e documentati incidenti che hanno causatoanche perdite di vite umane. Questi incidenti gravi sono accaduti inambiente militare, ed in particolar modo in ambito avionicoe navale.

I fenomeni di interferenza sono particolarmente fastidiosi nelletelecomunicazioni e in ambito industriale dove la loro presenza può spessopregiudicare il corretto funzionamento degli appartati fin anche a renderliinutilizzabili. Queste problematiche si traducono molto spesso in perdite ditipo economico legate a riduzioni dei livelli di efficienzae produttività.

Esempi di fenomeni tipici che possono generare interferenze:

• Commutazione di carichi induttivi con contatti a secco (apparecchiature che aprono-chiudono circuiti mediante contatti separabili: contattori, interruttori, ecc.)

Comportamento dipende dal carico:

Sulla parte resistiva non si generano sovratensioni di disturbo

Sulla parte induttiva si generano:

- sovratensioni fino a 10 kV

- oscillazioni smorzate della tensione a frequenze superiori di quella di funzionamento per alcuni ms.

• Il funzionamento di convertitori AC/DC, AC/AC genera:

- brusche discontinuità imposte alla corrente

- disturbi a banda larga (da pochi kHz a qualche centinaio di MHz)

- disturbi condotti attraverso la rete d’alimentazione, interpretati erroneamente come segnali di sincronismo o controllo.

Tiristore Transistore IGBT

Massima tensione inversa

1.6 kV 1.2 kV 1.2 kV

Massima corrente di conduzione

1.5 kA 0.5 kA 0.4 kA

Massima frequenza di commutazione

3 kHz 5 kHz 20 kHz15

• Motori elettrici- A corrente continua

commutazioni spazzole-collettore, discontinuità della corrente negli avvolgimenti, sovratensioni.

es: disturbi condotti ad apparati TV

- Asincroni

saturazione magnetica (non linearità), corrente assorbita non sinusoidale: generazione di armoniche;

generazione di armoniche;

durante l’avviamento forte richiamo di corrente: buchi di tensione sulla rete di alimentazione

es: disturbi in ambito industriale

• Lampade fluorescenticorrenti assorbite non sinusoidali (produzione di armoniche di corrente);

arco elettrico (produzione di disturbi radiati e condotti fino a qualche decina di MHz); 16

-1.50E+00

-1.00E+00

-5.00E-01

0.00E+00

5.00E-01

1.00E+00

1.50E+00

0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02[s]

1.00E-05

1.00E-04

1.00E-03

1.00E-02

1.00E-01

1.00E+00

1.00E+01

0.00E+00 1.00E+02 2.00E+02 3.00E+02 4.00E+02 5.00E+02[Hz]

Forma d’onda della corrente Armoniche di corrente

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000[kHz]

dB µµµµV

0 200 400 600 800 1000MHz

dBµµµµ V

Emissione radiata Emissione condotta

• Scariche elettrostatiche

accumulo di cariche elettrostatiche;

arco elettrico;

effetti:

- trasferimento diretto di cariche: rottura dei componenti elettronici

- onda elettromagnetica: malfunzionamento sistema18

• Intercettazioni

Possibilità di risalire a dati e comunicazioni da emissioni radiate;

Prevenire l’intercettazione;

Problematica importante in ambito commerciale, industriale e militare;

Fenomeno denominato TEMPEST

• Esplosione nucleare(a grande distanza o ad alta quota)

sviluppo di un impulso elettromagnetico EMP (Electromagnetic Pulse);

danneggiamento di strumentazione elettronica (dispositivi a semiconduttori) non dovuta a effetti diretti ma in seguito all’onda elettromagnetica di forte intensità;

problematica: proteggere la strumentazione di telecomunicazione ed elaborazione dati;

Fenomeno importante in ambito militare. 20

A frequenze maggiori di 2.42⋅1015Hz è associata un’energia tale da determinare laionizzazione della molecola dell’acqua: taliradiazioni sono detteionizzanti (RI).Di contro per frequenze inferiori a 2.42⋅1015 Hz si parla di radiazioni nonionizzanti (NIR).

SPETTRO SIGLA LUNGHEZZAD’ONDA

INTERVALLI DI FREQUENZA

Frequenze estremamente ELF(Extremely low frequency) >30 km 0 Hz – 10 kHz

Frequenze estremamente basse

ELF(Extremely low frequency) >30 km 0 Hz – 10 kHz

Radiofrequenze VLF,LF,MF,HF,VHF 30 km - 1 m 10 kHz – 300 MHz

Microonde UHF, SHF, EHF 1 m - 1 mm 300 MHz – 300 GHz

Radiazioni otticheInfrarosso C B A

VisibileUltraviolet

1000 nm - 400 nm 0.3 THz– 3000 THz

Apparato per ambienti commerciali22

Apparato per ambienti industriali

Apparato per Telecomunicazioni24

Apparati elettromedicali

Apparato utilizzato in ambiente Navale

Apparato utilizzato in ambiente Aerospaziale

Autoveicoli

Difesa

Avionica

Alcune figure professionali che si occupano di compatibilità elettromagnetica:

-Docenti universitari e Ricercatori

-Responsabili della sicurezza

-Responsabili della gestione qualità

-Ingegneri e tecnici progettisti

-Consulenti per la certificazione di prodotto

DOMESTICOWRAP S.p.A.CLAM s.r.l.CERTIFICO S.r.l

INDUSTRIALERENZACCI S.p.A.

AEROSPAZIALEINFNUniversità Roma 2Era Electronic Systems S.r.l.

DIFESAEIS S.r.l.Angelantoni IndustrieELES Semiconductor Equipment POWERFLEX

sede in umbria63%

nazionale17%

altro6%

Attività di collaborazione esterna del Laboratorio di Caratterizzazione

Elettromagnetica del Polo Scientifico e Didattico di Terni

RENZACCI S.p.A. Tiemme elettronica S.a.S PMS S.r.l Steroglass S.r.l.ItalProget s.n.c.PeakSolE.T.LITACO S.r.l. EDA

TELECOMUNICAZIONIElettrosys S.r.l.EMClab ELETTROMEDICALI

M.E.D. ElettronicaELBOTEC

POWERFLEX MBDA Italia S.p.A.GAROFOLIEMClab

INQUINAMENTOAMBIENTALEMinistero dell’AmbienteRegione UmbriaComune di PerugiaTIMVODAFONEWINDH3GRAI WAYMEDIASETCentro Sviluppo MaterialiDott. Ilario MeluniWienerberger Tacconi SRL

sede nel lazio14%

GRANDEZZE E UNITÀ DI MISURA

Unità di misura utilizzate nel Sistema Internazionale.

- grandezze primarie:

• tensioni V in [V] , intensità di corrente I in [A];

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura.

• tensioni V in [V] , intensità di corrente I in [A];

• campo elettrico E in [V/m], campi magnetici H in [A/m];

- grandezze associate:

• potenza P in [W];

• densità di potenza S in [W/m2].

Nella compatibilità elettromagnetica si usano i decibel:

- grandezze primarie:

• tensioni V in [dBmV], [dBµV];

• intensità di corrente I in [dBmA], [dBµA];

• campo elettrico E in [dBmV/m], [dBµV/m];

• campi magnetici H in [dBmA/m], [dBµA/m].

- grandezze associate:

• potenza P in [dBm];

• densità di potenza S in [dBmW/m2].

Esempi di conversioni lineare - decibel:

• x [mV] => 20log10(x mV / 1 mV);

150.2 [mV] => 20log10(150.2 mV / 1 mV) = 43.5 [dBmV]

• x [µA] => 20log10(x µA / 1 µA);• x [µA] => 20log10(x µA / 1 µA);

68.4 [µA] => 20log10(68.4 µA / 1 µA) = 36.7 [dBµA];

• x [µV/m] => 20log10(x µV/m / 1 µV/m);

236.7 [µV/m] => 20log10(236.7 µV/m / 1 µV/m) = 47.4 [dBµV/m];

• x [mW] => 10log10(x mW / 1 mW);

120.7 [mW] => 10log10(120.7 mW / 1 mW) = 20.8 [dBm].

• I decibel permettono di comprimere la dinamica dei dati (miglior visualizzazione in display strumentali).

0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000

µµ µµV

0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000

[µ[µ [µ[µV

Tracciato di un test di emissione radiata in lineare

Stesso tracciato in dB

• I decibel permettono di sfruttare le proprietà dei logaritmi.

Generatore Amplificatore Cavo2Cavo1 Antenna

V1 V2 V3 V4

Attenuazione

Esempio:

Attenuazione cavo1 = 1 dB; Guadagno amplificatore = 50 dB; Attenuazione cavo2 = 3 dB; tensione generata 6 dBmV;

Tensione sull’antenna V4 = 6 dBmV – 1 dB + 50 dB – 3 dB = 52 dBmV

I prodotti diventano somme e i rapporti diventano sottrazioni.

Attenuazione (V2/V1)

Guadagno (V3/V2)

Attenuazione (V4/V3)

• In condizioni di adattamento il guadagno in tensione o corrente coincide con quello in potenza.

i in iout

vin vout

Rin Rout

Guadagno di potenzadB=10 log10 (POUT / PIN)

Guadagno di tensionedB=20 log10 (vOUT / vIN)

Guadagno di correntedB=20 log10 (iOUT / iIN)

- In condizioni di adattamento ROUT = RIN :

10log10(POUT / PIN) = 10log10 (vOUT2/ROUT / vIN

2/RIN) = 10 log10 (vOUT2/ vIN

2) = 20 log10 (vOUT / vIN)

G in potenza = G in tensione39

Linee di trasmissione

Linee di Trasmissione - Fenomeno della Propagazione Elettromagnetica

V(t)caricoZLinea ideale senza elementi dissipativi

x = 0 x = L

Se V(t) è sinusoidale e se la lunghezza d’onda della tensione λλλλ è inferiore alla lunghezza della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo:della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo:

All’istante t

All’istante t + ∆t

x = Lx = 0

V(t)caricoZLinea con elementi dissipativi

x = 0 x = L

Se V(t) è sinusoidale e se la lunghezza d’onda della tensione λλλλ è inferiore alla lunghezza della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo ( lo stesso per i(x,t)):

Linee di Trasmissione - Fenomeno della Propagazione Elettromagnetica

della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo ( lo stesso per i(x,t)):

All’istante t

All’istante t + ∆t

x = 0 x = L

Linee di Trasmissione

Ipotesi di propagazione TEM:

conduttore

Materiale isolante (ε,µ,σ)Er H

Campo elettrico e campo magnetico ortogonali tra loro e propagazione in direzione ortogonale al piano su cui giacciono

Sezione di un cavo coassiale

)t,x(vdlE =⋅∫r

)x,t(idlH =⋅∫r

v = v(x,t)

i = i(x,t)

x coordinata lungo la quale si estende il cavo coassiale43

v(x,t) v(x + ∆x, t)

i(x,t) i(x + ∆x, t)r ∆x l ∆x

g ∆x∆

L’obiettivo di questa trattazione è determinare v = v(x,t) e i = i(x,t) nelle ipotesi sopra specificate e a regime sinusoidale:

v(x,t) v(x + ∆x, t)g ∆xc ∆x

La linea è suddivisa in tante celle di lunghezza ∆∆∆∆x << λλλλ, dove λ è la lunghezza d’onda del segnale che si propaga

Ogni cella può essere trattata a parametri concentrati

v(x,t) v(x + ∆x, t)

i(x,t) i(x + ∆x, t)r ∆x l ∆x

g ∆xc ∆x

∆x x∆x x

r = resistenza per unità di lunghezza dei conduttori [Ω/m]

l = induttanza per unità di lunghezza dei conduttori [H/m]

g = conduttanza per unità di lunghezza del materiale isolante tra i due conduttori [1/ Ωm]

c = capacità per unità di lunghezza tra i due conduttori [F/m]

v(x,t) v(x + ∆x, t)

i(x,t) i(x + ∆x, t)

g ∆xc ∆x

∆x x

r ∆x l ∆x

)t,xx(vxc)t,xx(vxg)t,x(i)t,xx(i

)t,x(ixl)t,x(ixr)t,x(v)t,xx(v

∂∆+∂∆−∆+⋅∆−=∆+

∂∂∆−⋅∆−=∆+

)t,xx(vc)t,xx(vg

)t,x(i)t,xx(it

)t,x(il)t,x(ir

)t,x(v)t,xx(v

∂∆+∂−∆+⋅−=

∆−∆+

∂∂−⋅−=

∆−∆+

)t,x(vc)t,x(vg

)t,x(it

)t,x(il)t,x(ir

)t,x(v

∂∂−⋅−=

∂∂

∂∂−⋅−=

∂∂

lim ∆x 0 Equazioni delle linee di trasmissione o equazioni dei telegrafisti

A regime sinusoidale:)x(I

&v(x,t)

i(x,t)

)x(Vcj)x(Vgdx

)x(Ilj)x(Irdx

⋅ω−⋅−=

)x(VYdx

)x(IZdx

⋅−=

Z Impedenza longitudinale

Ammettenza trasversale47

)x(VdY

)x(IdZ

⋅−=

)x(IYZdx

)x(VYZdx

⋅=Due equazioni differenziali del secondo ordine omogenee e tra loro disaccoppiate

condizioni al contorno 0

V)0(V&&

0I)0(I && =

La soluzione relativa alle equazioni differenziali specificate sopra, prendendo ad esempio quella che esprime la tensione elettrica ha la seguente forma:

21 eKeK)x(V αα ⋅+⋅=&

dove α1 e α2 sono le soluzioni dell’equazione omogenea associata:

0YZ tl2 =−α tl2,1 YZ±=α

Ricavando K1 e K2 dalle due equazioni si ottengono le seguenti soluzioni:

Linee di Trasmissione – Impedenza Caratteristica

Sfruttando le condizioni al contorno:

0l22110

IZKKdx

−=α+α=

Ricavando K1 e K2 dalle due equazioni si ottengono le seguenti soluzioni:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )xYZ0c0

xYZ0c0

⋅−−⋅+=

⋅−+⋅+=

cZ = Impedenza caratteristica della linea=cjg

ω+ω+=dove

Per tornare nel dominio del tempo:

[ ] ( ) ( )

+=⋅= ω+−ω−+ω tjxYZtjxYZtj eeVeeVRee)x(VRe)t,x(v tltl&

( )( )

+ termine progressivo

termine regressivo( )0c0 IZV2

1V && −=− termine regressivo

In definitiva:

( ) ( ) ( ) ( )[ ]( ) ( )−α−+α−+

ωβ+α−−−ωβ+α−+++

θ+β+ω+θ+β−ω=

θ+θ+θ+θ=

xtcoseVxtcoseV)t,x(v

eejsencosVeejsencosVRe)t,x(vxx

tjxjtjxj

dove: β+α= jYZ tl e( )( )−−−−

θ+θ=

jsencosVV

( ) ( )−α−+α−+ θ+β+ω+θ+β−ω= xtcoseVxtcoseV)t,x(v xx

In conclusione l’andamento rispetto a x e t della tensione è espresso dalla seguente equazione:

Una espressione del tutto equivalente può essere trovata anche per la corrente. Questaespressione è caratterizzata dalla somma di due termini, il primo rappresenta un’onda ditensione smorzata che si propaga dalla sorgente al carico (onda progressiva, così comeci si aspettava), il secondo rappresenta un’onda di tensione smorzata che si propaga dalcarico alla sorgente (onda regressiva, inaspettata).

Lungo la linea di trasmissione agisce un’onda di tensione somma delle due ondeprogressiva e regressiva.

Lo stesso fenomeno si verifica anche per la corrente.

Onda progressiva

Lo stesso fenomeno avviene per l’onda di corrente i(x,t). Per cui si verifica la presenza di un flusso di potenza progressivo e di uno regressivo.

In altre parole non tutta la potenza generata dalla sorgente raggiunge il carico, una parte viene

Onda regressiva

carico, una parte viene riflessa.

E’ molto importante quindi trovare una condizione per la quale la potenza venga utilizzata tutta dal carico senza riflessioni.

Condizione di adattamento

x = Lx = 0

Linee di Trasmissione – Coefficiente di Riflessione

Per determinare la condizione di adattamento bisogna prima definire il coefficiente di riflessione:

( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( )( )

⋅+⋅

⋅−−⋅+

⋅−+⋅+=

−−+

eIZVeIZV

xYZxYZ

( ) ( )( )

( )( )( )

( )( )

Γ−Γ+=

⋅=Γ

⋅⋅−

−−

xYZxYZ

Coefficiente di riflessione

Linee di Trasmissione – Condizione di adattamento

Il coefficiente di riflessione è il rapporto tra l’intensità dell’onda regressiva e l’intensità di quella progressiva in corrispondenza di una generica coordinata x.

La condizione di adattamento si ha quando è nulla l’onda regressiva in corrispondenza del carico quindi quando è nullo il coefficiente di riflessione in corrispondenza del carico per cui:

( )( )( )

Γ−Γ+=

La condizione di adattamento si ha quando l’impedenza di carico coincide con quella caratteristica di linea.

Nei set-up di misura tutti i segnali in tensione o in corrente e i flussi di potenza ad essiassociati, sono veicolati attraverso dei cavi di misura che in genere sono cavi coassialicon unaimpedenza caratteristica standard di 50ΩΩΩΩ

I segnali vengono trasmessi dai trasduttori di misura (antenne, sonde di tensione,sondedi corrente, reti di accoppiamento ecc…) agli strumenti di misura (ricevitori,analizzatori di spettro, oscilloscopi ecc…).

Lo strumentodi misura rileva l’intensità del segnaleprodotto dal trasduttoremeno

Attenuazione dei Cavi

Lo strumentodi misura rileva l’intensità del segnaleprodotto dal trasduttoremenol’attenuazione del cavo di trasmissione. La misura può essere corretta sommando allamisura l’attenuazione. L’attenuazione del cavo è fornita dal costruttore in funzionedella frequenza

Strumento di misura

Trasduttore

P1 V1 I1P2 V2 I2

Ilog20

Vlog20

Plog10Attenuazione in termini di potenza

Attenuazione in termini di tensione

Attenuazione in termini di corrente

In condizioni di adattamento (impedenza d’ingresso dello strumento di misura pariall’impedenza caratteristica del cavo) questi tre attenuazioni in [dB] coincidono.

Il costruttore fornisce l’attenuazione del cavo in funzione della frequenza attraversotabelle e grafici.

L’attenuazione di un cavo tende ad aumentare all’aumentare della frequenza: perchéaumenta la resistenza per unità di lunghezza a causa dell’effetto pelle,perché aumenta lareattanza induttiva (ωL) e perché diminuisce la reattanza capacitiva (1/ωC). 56

Esempi di diagrammi di attenuazione di 2 diversi cavi:

SCHAFFNER IL9513

Lunghezza 5 metri

Banda 9 kHz – 1 GHz

REYNOLDS 269-0195-10M0-5002

Lunghezza 5 metri

Banda 1 GHz – 18 GHz

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Antenne

Onde piane e uniformi

In generale il campo elettrico e il campo magnetico sono funzioni dello spazio e del tempo di questo tipo:

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) zzyyxx

zzyyxx

at,z,y,xHat,z,y,xHat,z,y,xHH

at,z,y,xEat,z,y,xEat,z,y,xEErrrr

Un’onda elettromagnetica è definita PIANAquando in un qualsiasi punto dellospazio i vettori del campo elettrico e del campo magnetico giaccionosu di unpiano, e considerandodue punti diversi dello spazioi due piani relativi sonotrapiano, e considerandodue punti diversi dello spazioi due piani relativi sonotraloro paralleli.

Tale onda elettromagnetica è definita anche UNIFORMEquando i valori delcampo elettrico e del campo magnetico sono indipendenti dalla posizione sulpiano.

E’ inoltre possibile dimostrare che se il campo elettrico è diretto lungol’asse x, ilcampo magnetico avrà direzione lungo l’asse y e la propagazione avviene lungo z:

( )( ) yy

at,zHH

at,zEErr

In queste condizioni se il campo elettrico e il campo magnetico variano neltempo con legge sinusoidale si verifica un fenomeno di propagazione ondosadel tutto simile a quello studiato nel caso delle linee di trasmissione.

E(z)All’istante t + ∆t

All’istante t

z = Lz = 0

Nelle ipotesi sopra specificate è possibile esprimere due relazioni che leganocampo elettrico e campo magnetico:

( ) ( )

( ) ( ) ( )t

t,zEt,zE

∂∂ε−σ−=

∂∂

µ−=∂

tàpermettivi

elettricaitàconducibil

magneticatàpermeabili

=ε=σ=µ

A regime sinusoidale le espressioni diventano:

( ) ( )

( ) ( ) ( )zEjdz

ωε+σ−=

ωµ−=

Onde piane e uniformi – Impedenza intrinseca del mezzo

E’ possibile disaccoppiare le due equazioni derivandole rispetto a z:

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )zHjjdz

zEjjdz

ωε+σωµ=

Analogamente a quanto visto con le linee di trasmissione la soluzione di queste due equazioni differenziali è la seguente:di queste due equazioni differenziali è la seguente:

( )[ ] ( )[ ]

( )[ ] ( )[ ]zjjzjjy

zjjzjjx

ωε+σωµ−

ωε+σωµ−+

ωε+σωµ−ωε+σωµ−+

ωε+σωµ=ηj

j Impedenza intrinseca del mezzo nel quale si propaga l’onda elettromagnetica; nel vuoto vale 377 Ω.

Onde piane e uniformi – Costante di propagazione

A questo punto è possibile tornare nel dominio del tempo:

( ) [ ] ( ) ( )( ) [ ] ( ) ( )η

−α−

η+α−

−α−+α−+ω

θ−θ+β+ωη

−θ−θ+β−ωη

θ+β+ω+θ+β−ω=ℜ=

ztcoseE

eHet,zH

ztcoseEztcoseEeEet,zE

zztjyy

zztjxx

( ) β+α=ωε+σωµ jjj Questo numero complesso è la costante di propagazione

Come per le linee di trasmissione le espressioni di campo elettrico e campo magneticosono caratterizzate dalla somma di due termini, il primo rappresenta un’ondaprogressivasmorzata, il secondo rappresenta un’onda regressivasmorzata.

Lo smorzamento dipende daα ed è presente solo seσ ≠ 0. In un mezzo perfettamenteisolanteα risulta 0 e non c’è smorzamento per l’onda piana e uniforme. 63

Onda progressivaEx(z)

Lo stesso comportamento si ha anche per il campo magnetico

L’onda regressiva

Onda regressiva

z = Lz = 0

L’onda regressiva è presente solo se l’onda progressiva incontra un mezzo avente impedenza intrinseca diversa da quello in cui si sta propagando

Onde piane e uniformi – Coefficiente di riflessione

Direzione e verso di propagazione

E incidente

E trasmesso

E riflesso

Se si considera un’onda piana euniforme che incide su di unasuperficie piana e indefinita diseparazione tra due mezzi diversi, èpossibile definire il coefficiente diriflessione come il rapporto tra ilcampo riflesso e quello incidente edhala seguenteespressione: η1 η2hala seguenteespressione:

incidente

riflesso

η+ηη−η

==Γ&&

E’ evidente che l’interfaccia tra due mezzi aventi lastessa impedenza intrinseca non produce onde riflesse.

Osservando l’espressione dell’impedenza intrinseca sipuò notare come all’interfaccia tra un mezzo isolante eduno conduttore la variazione diη è estremamenteelevata => coefficiente di riflessione elevato (schermi).

ωε+σωµ=ηj

Onde piane e uniformi – Densità di potenza

La densità di potenza associata ad un’onda elettromagnetica è esprimibile attraverso il vettore di Poynting:

×ℜ= *

media HEe2

HESrrr

×=Nel caso di regime sinusoidale è possibile definire la densità di potenza mediaassociata all’onda elettromagnetica come densità di potenza media del vettore diPointing:

[W/m2]media 2[W/m ]

Nel caso di onda piana e uniforme in assenza di onda regressiva è facile osservare che:

Per cui nel caso di onda piana e uniforme nel vuoto la densità di potenza media vale:

media 2

r[W/m2]

Antenne, sorgente puntiforme e isotropa

Sorgentepuntiformee isotropa

Su questa superficiesferica la densità dipotenza vale:

mediad4

Dove PT è la potenza elettrica fornita

elettrica fornita all’emettitore isotropo

Se il raggio della sfera d è sufficientemente grande rispetto alla lunghezza d’onda del campo, su di una porzione limitata di sfera è possibile in prima approssimazione considerare di essere in campo lontano ossia valgono le stesse proprietà dell’onda piana e uniforme

Antenne – campo lontano

Se il raggio della sfera d è sufficientemente grande rispetto alla lunghezza d’onda del campo, su di una porzione limitata di sfera è possibile in prima approssimazione considerare di essere in campo lontanoregione in cui valgono le stesse proprietà dell’onda piana e uniforme. Nella pratica si considera il confine oltre il quale si è in campo lontano la distanza massima tra le due seguenti quantità:

λ2 λ è la lunghezza d’onda

2 λ è la lunghezza d’onda

D è la dimensione massima dell’emettitore

Per cui nella regione di campo lontano, a distanza d da un emettitore puntiforme ed isotropo si ha:

media 2

media0d4

=η=&r

Antenne comunemente utilizzate nella compatibilità elettromagnetica

Antenna “loop” utilizzata per misurare o irradiare campi magnetici tipicamente

nella banda 10 kHz – 30 MHz

Antenna “rod” utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella

banda 10 kHz – 30 MHz 69

Antenna “biconica” utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella

banda 25 MHz – 300 MHz

Antenna “log-periodica” utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici

tipicamente nella banda 200 MHz – 1 GHz 70

Antenna “bilog” utilizzata per misurare o irradiare campi

elettrici tipicamente nella banda 25 MHz – 1 GHz

Antenna “horn” utilizzata per misurare o irradiare campi

elettrici tipicamente nella banda 700 MHz – 18 GHz 71

Antenne - guadagno

In realtà le antenne utilizzate nella pratica possono essere consideratepuntiformi ponendosi a grande distanza da esse, ma non possono essereconsiderate isotrope. Non irradiano la potenza a loro applicata allo stessomodo in tutte le direzioni. Per tener conto di questo si definisce per loro ilguadagno G(θθθθ, φφφφ), un parametro funzione della direzione individuata dallecoordinate sfericheθ e φ.

In queste condizioni il campo elettrico prodotto da una sorgente a distanza dvale:vale:

πφθη

Allo stesso modo anche in ricezione un’antenna non isotropa ha unguadagno, dipendente dalla direzione dalla quale giunge lapropagazione dell’onda elettromagnetica, che esprime l’efficienzacon la quale l’antenna è in grado di captare il campoelettromagnetico.

Antenne – diagramma di irradiazione

Esempio:diagrammi d’irradiazione per antenne di telefonia cellulare, esprimono il valore del guadagno G in dB in funzione dell’angolo sul piano orizzontale e sul

piano verticale

150 30

orizzontale verticale

240270

180 180

240270

Antenne – fattore d’antenna

Il fattore d’antenna è un parametro essenziale per la misuradi campielettromagnetici attraverso l’uso di antenne.

L’antenna converte il campo elettrico o il campo magnetico che la investe inun segnale elettrico (una tensione) che viene inviato a un ricevitore(misuratore, es. analizzatore di spettro).

Il fattore d’antenna tiene conto di questa conversione e permette, dallamisura del segnale elettrico in tensione, di risalire al valore del campoelettrico o del campo magnetico agente sull’antenna.

Il fattore d’antenna dipende dalla frequenza della radiazioneelettromagnetica e viene determinato e fornito insieme all’antenna dalcostruttore.

E [dBµV/m]V [dBµV]

Analizzatore di spettro

E [dBµV/m] = V [dBµV] + AF [dB/m] + AC [dB]

di spettro

E = campo elettrico incidente sull’antenna alla frequenza f*, V = tensione misurata dall’analizzatore di spettro alla frequenza f*, AF = antenna factor

alla frequenza f*, AC = attenuation cable alla frequenza f*.75

Esempio: Fattore d’antenna di una antenna bilog 30 MHz – 2 GHz

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20005

f [MHz]

L’oscilloscopioL’oscilloscopio

L’oscilloscopio

L’oscilloscopio è uno strumento comunemente utilizzato per l’analisi di segnali variabili nel tempo. In genere il segnale misurato è una

tensione, anche se introducendo convertitori o trasduttori è possibile

L’Oscilloscopio

tensione, anche se introducendo convertitori o trasduttori è possibile analizzare ogni genere di grandezza.

Gli oscilloscopi sono di diversi tipi a seconda della misura da eseguire, della frequenza e dell’ampiezza del segnale da misurare. Inoltre un segnale variabile nel tempo può essere analizzato in tempo reale

(oscilloscopio tradizionale) o memorizzato per essere ripreso successivamente (oscilloscopio a memoria).

L’oscilloscopio analogico

Oscilloscopi analogici

Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è illustrato in figura.

Tramite un interruttore è possibile selezionare se rappresentare la variabile Y infunzione di un’altra variabileX o in funzione del tempo. Nel caso venga rappresentataY in funzione del tempo, un opportuno circuito, dettoBase dei Tempi, genera unsegnale di tensione adente di segaVdX = k t che scandisce il CRT in direzioneorizzontale. Il segnale da misurareVY, invece, viene elaborato in modo da ottenere unatensioneVdY= kY VYtale da deflettere il fascio elettronico in direzione verticale.

Sul CRT viene,quindi, rappresentatal’evoluzionedel segnaleVY durantel’intervallo

Sul CRT viene,quindi, rappresentatal’evoluzionedel segnaleVY durantel’intervallodi tempo definito daVdX.

Un opportuno segnale detto“trigger” , permette di sincronizzare la scansione verticalecon quella orizzontale, in modo da mostrare sullo schermo un formad’onda stabile(qualora ovviamente il segnale sia periodico).

Nel caso in cui venga rappresentato il segnaleVY in funzione di un segnale esternoVX,si utilizza una tensioneVdX= kX VXinvece del segnale generato dallaBase dei Tempi,in modo da produrre un’opportuna deflessione del fascio elettronico in direzioneX. Inquesto caso, quindi, sul CRT, viene rappresentata l’evoluzione del segnaleY infunzione del segnaleX senza alcuna informazione temporale

Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è

Display oscilloscopio

Regolando la base dei tempi è possibile visualizzare più o meno periodi del segnale misurato:

Display oscilloscopio

L’oscilloscopio

Il livello di trigger, serve a rendere stabile l’immagine di un segnale periodico sullo schermo dell’oscilloscopio

Soglia di trigger

Base dei tempi

Segnale di ripristino

Istante di start per il segnale base dei

tempi che si attiva solo quando il

segnale di ripristino è sotto la soglia di

ripristino

L’oscilloscopio digitale

L’analizzatore di spettroL’analizzatore di spettro

Analizzatore di Spettro

ANALIZZATORE DI SPETTRO

Permette di effettuare l'analisi in frequenza di segnali disseminati in bande difrequenza anche molto vaste: mostra lo spettro in ampiezza eil contenutoarmonico;

Radioricevitore con filtro passa-banda che viene traslatoin frequenza al passaredel tempo;

Questaanalisivienecondottafacendoscorrereuna"finestra“, la bandapassanteQuestaanalisivienecondottafacendoscorrereuna"finestra“, la bandapassantedel filtro, lungo l'asse delle frequenze e misurando l'intensità dei segnali nella“finestra”.

Analizzatore di Spettro

La banda passante del filtro non è piatta, i limiti di banda sono considerati in corrispondenza di una attenuazione di 6 dB del segnale;

Per ogni frequenza viene visualizzata la somma dei contributi compresi nella banda del filtro centrata in tale frequenza;

Al variare della larghezza di banda varia il profilo dello spettro misurato, per questo motivo le normative indicano anche i valori di larghezza da utilizzare.

ESEMPIO: rilevazione di 4 componenti frequenziali

Analizzatore di Spettro – rilevatori di picco e quasi picco

Rivelatore di picco: viene visualizzato il valore massimo (da cui lo strumento deriva il valore efficace) della componente armonica in ingresso.

Rivelatoredi quasi-picco: viene visualizzatoun valore che dipendedalla costantedi tempoRC delRivelatoredi quasi-picco: viene visualizzatoun valore che dipendedalla costantedi tempoRC delrilevatore (standard) e dal tempo di acquisizione, nonché dalla natura del segnale in ingresso.

Neutro

Flusso di potenza per il funzionamento dell’EUT

Rilievo delle emissioni a radiofrequenza da parte di un apparato elettrico

Test di Emissioni condotte

EUTRete di

accoppiamento

Segnali a radiofrequenza presenti sull’impianto

elettrico

Segnali a radiofrequenza emessi dall’EUT

Cavo coassiale ZC = 50 Ω

Esempio: Set-up di misura per la rilevazione delle emissioni condotte 150 kHz – 30 MHz prodotte da una vetrina frigo per ambiente commerciale.

Rete LISN

Cavo coassiale di collegamento tra

LISN e Analizzatore di Spettro

Esempio: emissione condotta 150 kHz – 30 MHz prodotta da una vetrina frigo per ambienti commerciali.

Tracciato ottenuto con un rilevatore di picco

Test di Emissioni radiate

Sito di prova: Camera schermata e semianecoica, distanza di prova 10 m o 3 m (nel caso si utilizzi una distanza di 3 m i livelli limite vengono innalzati).

Antenna bilog 30 MHz – 1 GHzPareti e soffitto

Struttura schermante

30 MHz – 1 GHz

10 m o 3 m

Pavimento metallico

Pareti e soffitto anecoici

Tavola rotante

Esempio di un tracciato risultato di un test di emissione radiata:

LABORATORIO DI ELETTROTECNICA - Portale...

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