CENNI DI COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA

Corso di Elettrotecnica V.O.Corso di Laurea di Ingegneria Aerospaziale

a.a. 2001-2002

Prof. M.S. Sarto

• Sorgenti di disturbi elettromagnetici

• L’ambiente elettromagnetico

• Controllo delle interferenze elettromagnetiche (EMI)

• Misure di compatibilità elettromagnetica (EMC)

Classificazione delle sorgenti di interferenza elettromagnetica (EMI)

SORGENTI EMI

NATURALI ARTIFICIALI

IntenzionalI Non intenzionali

SORGENTI NATURALI

• EMI su trasmissioni radio nella banda di frequenze 2-30 MHz

• EMI su comunicazioni satellitarie nella banda di frequenze tra 150 MHz e 500 MHz

Sorgenti cosmiche

sorgente EM a larga banda

0.1 IM

0.5 IM

0.9 IMIM

Tf Tetime [µs]

i(t) I(ω)

0.1 10 1000frequency [kHz]

Fulmine

Negative (descending) PositiveFirst stroke Following strokes (ascending)

IM [kA] 34 13.4 43Tf [µs] 8.5 1.2 33Te [µs] 73 31 300

(di/dt)M [kA/µs] 14 39 2.6

IM : corrente di picco (di/dt)M : tangente massima

Tf : tempo di salita Te : tempo all’emivalore

SORGENTI ARTIFICIALI NON INTENZIONALI

• Apparati industriali scientifici e medici (ISM)

• Elettrodomestici

• Reti di energia

EMI Source Frequency-range

Commutator motors up to 300 MHz

Commutation circuit 100 kHz - 30 MHz

Human electrostatic discharge up to 1 GHz

Solid state commutators 300 kHz - 500 MHz

Switched-mode power supplies 1 kHz – 100 MHz

Digital logic 1 kHz - 500 MHz

Domestic electrical appliance 50 Hz - 230 MHz

Fluorescent lamp 100 kHz - 3 MHz

Apparati industriali, scientifici, medici (ISM)

• fornaci

• starter di veicoli

• lampade fluorescenti

• dispositivi di regolazione della tensione

• apparati di telecomunicazione

• generatori di calore a radio frequenza e a micro-onde

• sorgenti elettromagnetiche ad alta frequenza utilizzate per scopi diagnostici e terapeutici

sorgenti EM a larga bandaElettrodomestici

• dispositivi con motore a commutazione⇒ frullatori, macina-caffè, ventilatori

• dispositivi con motore ad induzione

• condizionatori, climatizzatori

Reti di energia

Reti di alta tensione:• guasti • operazioni di apertura e chiusura di interruttori• rottura di isolamenti• scarica di spinterometri• microscariche dovute al corona

Reti di media e bassa tensione:• guasti • operazioni di apertura e chiusura di interruttori• fenomeni di arco tra contatti striscianti in

dispositivi elettromeccanici a collettore

Irregolarità della tensione di alimentazione:• alimentazione non simmetrica

• lente variazioni della tensione

• variazioni della tensione dovuteall’inserzione o al disinserimento di carichiintermittenti e a carichi industriali tempo-varianti

• spikes di tensione

• carichi elettrici con caratteristica non lineare

Canali di telecomunicazione su linee di energia

Sorgenti di interferenza nell’intervallo di frequenze fino ad alcune centinaia di kilo-hertz

SORGENTI ARTIFICIALI INTENZIONALI

EMI Source Frequency rangeLow frequency communication and

navigation aids 14 – 500 kHz

AM broadcast 500 kHz – 1.6 MHzHF amateur 18 – 30 MHz

HF communications 1.6 – 30 MHzCitizen’s band 27 – 27.5 MHzVHF amateur 50 – 225 MHz

Fixed and mobile communications 900 MHz– 1 GHzTelevision (VHF) 54 – 216 MHz

FM broadcast 88 – 108 MHzTelevision (UHF) 470 – 890 MHz

Radar 1 – 10 GHz

Scariche elettrostatiche

L’addensamento di cariche elettriche sulla superficie di materiali isolanti può essere originato per frizione,

contatto, ionizzazione, effetto fotoelettrico.Negli apparati elettronici le scariche elettrostatiche (ESD) sono generate principalmente dall’operatore.

v [kV]

2 - 5 ns time time

i [A]

2 - 5 ns

Definizioni

La compatibilità elettromagnetica è l’abilità di un oggetto, costituito da un componente, un apparato o unsistema, a funzionare in modo soddisfacente in un ambiente elettromagnetico senza generare disturbi che possono degradare le prestazioni di altri oggetti cheappartengono allo stesso ambiente.

L’emettitore denota un oggetto o un fenomeno che costituisce una sorgente di energia elettromagnetica, ilsuscettore è un oggetto che può ricevere energiaelettromagnetica.

L’emissione e la suscettività di un oggetto può esserecondotta o irradiata.

Il disturbo EM prodotto dalla sorgente può degradarele prestazioni della vittima.

Il disturbo è condotto se è guidato lungo un percorsodi propagazione, irradiato se è libero dipropagarsi nello spazio.

L’interferenza elettromagnetica (EMI) definisce la degradazione di una prestazione.

I termini disturbo e interferenza sono spesso usati indiferentemente.

Il livello di compatibilità EM è il livello massimo specificato di disturbo EM che può essere applicato ad un oggetto che lavora in condizioni particolari.

Definizioni

E SCE CS

RE RS

E : Emettitore S: Suscettore CE : Emissione condotta CS : Suscettività condotta RE : Emissione irradiata RS : Suscettività irradiata

Sorgente e vittima

L’immunità e la suscettività rappresentano rispettivamente l’abilità e l’inabilità di un oggetto a funzionare senzadegradarsi in un ambiente elettromagnetico.

Il limite di emissione è il livello massimo specificato di undisturbo elettromagnetico.

Il limite di immunità è il livello massimo specificato di disturbo elettromagnetico per il quale l’oggetto è capace di operare fornendo le prestanzioni richieste.

Il margine di compatibilità elettromagnetica è la differenzatra il limite di immunità di un oggetto e il limite di emissione da una sorgente elettromagnetica.

Definizioni

è descritto dai parametri geometrici ed elettrici caratteristici della regione nella qualegli apparati elettrici o elettronici lavorano.

radio

TV

domesticelectrical

appliances LV/MV

powersupply

AMBIENTE ELETTROMAGNETICO

I requisiti “inter-system” di compatibilità elettromagnetica specificano i vincoli ai quali il sistema deve soddisfare al fine di garantirea se stesso di funzionare in modo corretto.

I requisiti “intra-system” di compatibilità elettromagnetica regolamentano le relazionielettromagnetiche tra sistemi.

Definizioni

• periodici

• transitori

• casuali

Forme d’onda caratteristiche di disturbi elettromagnetici

Il disturbo elettromagnetico può essere costituito da campi elettromagnetici, caricheelettriche, tensioni e correnti, rappresentate neldominio della frequenza o del tempo.

Disturbi periodici

I

III

I+III

time

a(t)

V

I

I+V

time

a(t)

time

a(t)

time

a(t)0

t0 t1time

a(t)

| A(ω) |

f0

frequency

Disturbi transitori

a(t)

T time

| A(ω) |

frequency

a(t)

t0 time

| A(ω) |

frequency

a(t)

k

time0

Disturbi casuali transitori

MODALITÀ DI ACCOPPIAMENTO

CONDUTTIVO

capacitivo(campo elettrico)

induttivo(campo magnetico)

IRRADIATIVO

senzapropagazione

conpropagazione

senzapropagazione

conpropagazione

(elettromagnetico)

EMISOURCE

VICTIMEQUIPMENT

Id

Vd

VICTIMEQUIPMENT

Vd

Id

IdVd

VICTIMEQUIPMENTVd

Id

Id

Accoppiamento conduttivo

modi di accoppiamentoCOMUNE e DIFFERENZIALE

Accoppimento conduttivo tra le reti di terra di due apparati

GROUND LOOP

EQUIPMENT 1 EQUIPMENT 2

Φs

source

victimloop

Is

source

victimVs

Es

Modo di accoppiamento induttivo

Modo di accoppiamento capacitivo

Modo di accoppiamento irradiativo con propagazione

E, H E, H

victim

source

CONTROLLO DELL’INTERFERENZA ELETTROMAGNETICA

I dispositivi di protezione e le tecniche di riduzionedei disturbi condotti ed irradiati sono sviluppati al

fine di prevenire danni e malfunzionamenti di apparati e sistemi.

Tecniche di riduzione dell’accoppiamento induttivo

victimloop

Φs

source

Is

Φs

victimloop+ +− −

sourceIs

victimloop

sourceIs

Φp

Φs

shielding loop

Ip

Φsvictimloop

sourceIs

Vs

source

victimEs

Tecniche di riduzione dell’accoppiamento capacitivo

FILTRI E DISPOSITIVI DI PROTEZIONE

La protezione dai disturbi condotti si basa sull’uso di filtri, scaricatori, soppressori,

che consentono di filtrare, eliminare o attenuare armoniche, sovratensioni e

sovracorrenti.

• Perdita di inserzione (IL): rapporto tra le tensioniprima (V1) e dopo (V2) l’inserzione del filtro

=

2

1dB log20IL

VV

Filtri

• Per applicazioni di potenza o di segnale • Classificazione:

– passa-basso– passa-alto– passa-banda– elimina-banda

In configurazioni pratiche parametri parassiti possono modificare in modo significativo la perdita

di inserzione del filtro.

ZLR

LEs

ZsC

Filtro capacitivo passa basso

R : resistenza parassita

L : induttanza parassita

0

20

40

60

1 10 100

[dB]

[MHz]

(1)

(3)

(2)

Perdita di inserzione del filtro

(1) : C = 0.1 µF(2) : C = 10 nF(3) : C = 1 nF

Zs = ZL = 50 ΩR = 0.04 Ω L = 5 nH

(—) con parametri parassiti(—) senza parameteri parassiti

Caratterististica tensione-corrente non lineare:• alta impedenza rispetto al terreno durante le

condizioni normali di funzionamento • corto circuito a terra in presenza di una

sovratensionegas arrestersspinterometri

diodi soppressori

• alta capacità di assorbimento dell’energia della sovratensione

varistori ad ossido di metallo

• tensione quasi costante sul carico in presenza della sovratensione

• non possono condurre correnti elevate

• tensione costante sul carico in presenza della sovratensione

Dispositivi di protezione

Le caratteristiche diverse di gas arresters, varistori e diodi soppressori sono combinate nella realizzazione di

circuiti di protezione multistadio

P6TUC 230

~v2

v1

~v1

V3v2

v3~

50 Ω

CAP 1Ω101k ΩCAP 1

15 V

Ω10

50 Vv1 v3

0

500

1000

1500

2000

2500

0.01 0.1 1 10 100 1000

[V]

time [µs]

Sovratensione transitoria

Tf = 1 µs Te = 50 µs VM = 2.1 kV

100 ns/div

100 V/div

5 V/div

100 ns/div

tensione misurata sul primo stadio

tensione misurata sul terzo stadio

v1

v3

Schermatura

Le prestazioni di uno schermo dipendono da:• parametrici elettrici e geometrici dello schermo• caratteristiche dell’onda elettromagnetica incidente

Le prestazioni di una configurazione schermante sono espresse in termini dell’efficienza di schermatura:

EESE E ˆlog20dB =

HHSE H ˆlog20dB =

E, H : campi elettrico e magnetico in assenza di schermo

:HE ˆ,ˆ campi elettrico e magnetico nella stessa posizione in presenza dello schermo

Configurazioni chiuseStruttura schermante con cavo passante

Id

EQUIPMENT2

Id

EQUIPMENT1

Interazione di un’onda piana con uno schermo piano indefinito

σ

µ

d

ε

iH

in

iE

tH

tn

tE

rH

rn

rE

z

L’efficienza di schermatura al campo elettrico è coincidente con l’efficienza di schermatura al

campo magnetico:

Campo lontano ( r > λ )

L’onda piana si propaga nella direzione normale all’asse dello schermo

L’onda incidente è parzialmente riflessa e parzialmente transmessa attraverso lo schermo

dBdBdB SESESE HE ==

dBdBdBdB BRASE ++=

AdB : coefficiente di perdita di assorbimentoRdB : coefficiente di perdita di riflessioneBdB : coefficiente di perdita per riflessioni multiple

BdB trascurabile per d >> δ

d : spessore dello schermo δ : profondità di penetrazione

( ) 21−σµπ=δ f

Schermo di elevata conducibilità(alluminio, rame)

dBdBdB RASE +≅

( ) 21rrdB 4.131 σµ= fdA

µσ+=

r

rdB log10168

fR

f : frequenza [Hz] d : spessore dello schermo [m]

Cur σσ=σ 0r µµ=µ

σCu = 5.8⋅107 S/m µ0 = 4π⋅107 H/m

Efficienza di schermatura di uno schermo in rame per onda piana incidente

-100

0

100

200

300

1 10 102 103 104 105 106

[dB]

frequency [Hz]

SEdB

AdB

RdB

BdB

spessore : d = 1.264 mm

Material σ[S/m]

µr η[Ω]

Aluminum 2.8⋅107 1 3.8⋅10-6

Mumetal # 1 1.5⋅106 1.5⋅105 6.3⋅10-3

Mumetal # 2 0.5⋅106 0.5⋅105 6.3⋅10-3

Transformer-grade iron 2.2⋅106 4⋅103 8.5⋅10-4

( ) 21σµω=η jimpedenza intrinseca dello schermo:

0.1

1

10

100

0 0.5 1 1.5 2.0sheet thickness [mm]

AdB [dB]

aluminum

transformer-grade iron

mumetal #1

mumetal #2

Coefficiente di assorbimento AdB a 50 Hz Campo vicino ( r < λ )

Il coefficiente di assorbimento assume lo stesso valore in configurazioni di campo vicino e di campo lontano.

Il coefficiente di riflessione assume espressioni differenti per sorgenti di campo elettrico e magnetico ed è definito come funzione della:

• impedenza d’onda del campo elettromagnetico Zw

• impedenza intrinseca η

Campi magnetici a bassa frequenza possonoessere schermati utilizzando materiali con:

• alta permeabilità magnetica

• bassa conducibilità elettrica

• minori perdite per riflessione

• maggiori perdite per assorbimento

L’efficienza di schermatura cresce:

• con la conducibilità dello schermo, con la permeabilità e con lo spessore

• utilizzando schermi multistrato realizzati di materiali differenti

Strati altamente conduttivi e strati fortemente magnetici sono assemblati per realizzareschermi elettromagnetici efficienti per un ampio spettro di frequenza

Modellistica EM di pannelli in composito in fibra di carbonio

y

x

z

w

d’µ0, ε0

εm, σmεf, σf

one carrier

90°d

…

y

xzd'

Tensors of effective conductivity and permittivity

ppteff σσσdiag=σ ppteff εεεdiag=ε

y- or z- polarized field “sees” the composite panel as an effective layer characterized by the same EM

properties along the y- and z-axes

Definizione di pannello equivalente

σt , σp and εt , εp are expressed as functions of the:

• conductivity σf and permittivity εf of the carbon fibers;

• permittivity εm of the epoxy resin;

• fiber volume ratio ρf

Typical values for CF composites:

• σp = 1 kS/m - 10 kS/m

• σt negligible

• εp = (4 - 5) ε0

• εt = (5 - 6) ε0

• ρf = 20% - 50%

Matrice in resina, rinforzata da fibre dicarbonio, boro, Kevlar, vetro ...

• pannelli sottili multistrato

• forti caratteristiche di anisotropia elettrica

• elevate prestazioni meccaniche

• ridotta conducibilità elettrica volumetrica

• elevata resistività elettrica superficiale

• uso di vernici metalliche o griglie conduttrici

Connessione delle masse

griglie conduttrici ed elettrodi in intimo contatto con il terreno, che realizzano la connessione a terra del sistema

Bonding connessione equipotenziale a o tra strutture metalliche

Bonding Network

struttura metallica costituita da fili e cavi, che realizza una interconnessione equipotenziale tra diversi apparati

Grounding connessione fisica di apparati a terra

GroundingNetwork

La rete di collegamento (bonding) è generalmente connessa alla rete di terra e può avere configurazione sia a stella sia a maglia.

In reti a stella (o radiali) ogni apparato è direttamente connesso da un unico collegamento alla rete di terra.

Reti a maglia sono costituite da un grandenumero di conduttori di interconnessione.

I vantaggi di configurazioni radiali e magliatesono combinati nelle reti di collegamentoibride.

MISURE DI COMPATIBILITA’ ELETTROMAGNETICA

Le misure di EMC consentono di definire:

• l’efficienza di schermatura di cavi, pareti metalliche o strutture;

• i disturbi radiati o condotti dovuti a sorgenti elettromagnetiche;

• la suscettività di un oggetto;

• le prestazioni di filtri e dispositivi diprotezione.

COUPLINGNETWORK

POWERSUPPLY

MEASURINGEQUIPMENT

EUT

COUPLINGNETWORK

POWERSUPPLY

MEASURINGEQUIPMENT

EUT

TESTINGEQUIPMENT

DISTURBANCEGENERATOR

Misure di emissione condotta

Misure di suscettività

condotta

EUTMEASURINGEQUIPMENT

EUTAMPLIFIER/SIGNAL

GENERATOR

TESTINGEQUIPMENT

Misure di emissione irradiata

Misure di suscettività irradiata

Siti di misura in campo aperto

Siti di misura in campo aperto sono particolarmenteadatti per misure irradiate perché non sono presenti oggetti riflettenti.

Il maggiore svantaggio consiste nel fatto che siti in campo aperto non offrono alcuna protezione controle sorgenti di disturbo esterne, naturali o artificiali.

La posizione dell’installazione del sito aperto deve essere caratterizzata da bassi livelli di inquinamento elettromagnetico.

D

EUT

MEASURINGEQUIPMENT

2 D

D √3

antennafoci of the

ellipse

minimum areacleared ofreflectingobjects

Distance [m] 100 30 10 3Frequency [MHz] ≤ 30 30 – 100 100 - 300 ≥ 300

Sito in campo aperto Siti di misura in spazio chiuso

• Camera schermata

• Camera riverberante

• Camera anecoica

• Cella TEM

• Cella GTEM

Camera schermata

Le camere schermate presentano attenuazione di circa 100 dB del campo EM esterno nella banda di frequenza da alcune decine di kilo-hertz fino a 10 GHz.

Sono realizzate da pareti altamente riflettenti, siainternamente che esternamente, in modo tale da potere essere usate per prove condotte al di sotto di 30 MHz.

Per prove di immunità si utilizzano camere reverberanti.

Una camera riverberante è una struttura chiusa nella quale il campo elettromagnetico prodotto da antenne emittenti è agitato da un dispositivodi dimensioni confrontabili con la lunghezzad’onda, quale ad esempio un rotore con pale metalliche.

Questo dispositivo produce un campo EM all’interno della camera che si può considerare mediamente isotropo ed omogeneo.

Camera riverberante

Camera anecoica

Prove di emissione e suscettività irradiate possono essere condotte all’interno di camere anecoiche che sono camere schermate con le pareti interne ricoperte di materiale assorbente a forma dipiramide.

reflecting wall

Cella TEM

Celle TEM (Transverse Electro-Magnetic) o celle diCrawford sono utilizzate per prove di immunità in ambiente controllato.

All’interno della cella viene generata un’ onda EM piana di tipo trasverso magnetico (TM) a frequenze finoa 300 MHz.

w

tbCross-section

0.92 l

ll/2

w

centralelectrode

insulatingspacers and

supports

Top view

ll/2

b

centralelectrode

insulating spacersand supports

accessdoor

Side view

Cella GTEM

La cella GTEM (Gigahertz Transverse Electro-Magnetic) consiste di una sezione di linea di trasmissione a 50 Ω con un piccolo angolo di

apertura di circa 15°.

inner conductorresistor board

GENERATOR

SE Measurements Coaxial Waveguide

Test standard ASTM 4935D:

widely used

high accuracy and reproducibility

limited external influences

⊗ only planar samples

⊗ limited frequency range: ~ 30 MHz - 1.5 GHz

Diagram of test set-up

Network Analyzer

HP 8753E

Coaxial Cables

Sample Holder

Sample

load sample

reference sample

nE

H

SE Measurements Coaxial Waveguide Shielding Measurements Anechoic Room

Emitting Antenna

Receiving Antenna

Sample Under Test

wide frequency range

3D samples

study of the influence of the bonding system on SE

⊗ reflection

⊗ resonances

⊗ limited dynamic range

⊗ influence of source

SE ⇒ comparison of the received signal:

• open aperture

• sample occluding the aperture

Diagram of test set-up

OUT IN

IN

OUT

1.2 m 1 m

1.6 m

Emitting Antenna

Horn Antenna

Far Field Configuration

Shielding Measurements Anechoic RoomDiagram of test set-up

Emitting Antenna

Printed Loop Antenna

(Magnetic Dipole)

Near Field Configuration

OUT IN

1 m

IN OUT OUTINFORW REFL

Shielding Measurements Anechoic Room

MISURE DI EFFICIENZA DI SCHERMATURA CON IL METODO DELLE CAMERE RIVERBERANTI

Camere riverberanti del NIST (National Institude of Standards and Technology),

Boulder, CO, USA

Apertura, situata sulla superficie superiore della piccolacamera riverberante sulla quale si pone il pannello di materiale

da caratterizzare