Nuove sorgenti di interferenza (EMC)

 

Premessa

Prima dell'enorme sviluppo dell'elettronica l'unica fonte di preoccupazioni riguardo gli effetti dei campi elettromagnetici era rappresentata dai tralicci degli elettrodotti. Ora invece l'attenzione viene rivolta in particolare alle antenne di trasmettitori di ogni tipo e potenza, le cui radiazioni elettromagnetiche avvolgono tutto il globo.

 

Nuove sorgenti di interferenza

Se le antenne, quali fonte di emissione, sono facilmente identificabili e abbastanza controllabili, lo sono molto meno quelle costituite dai disturbi di ogni genere provocati da macchine elettriche e dispositivi elettronici. In pochi anni si è giunti ad una tale proliferazione di sorgenti di energia elettromagnetica, che si è resa necessaria una regolamentazione a livello internazionale per evitare che emissioni indesiderate possano impedire il regolare funzionamento di apparecchi elettrici ed elettronici.

Le emissioni indesiderate che alterano il funzionamento di un dispositivo sono denominate interferenze. La normativa sulla compatibilità elettromagnetica EMC (ElectroMagnetic Compatibility) si occupa sia della eliminazione, o quantomeno della riduzione, delle sorgenti di interferenza, sia della protezione dai loro effetti.

Purtroppo, mentre le conseguenze delle interferenze elettromagnetiche sulle apparecchiature sono facilmente avvertibili, in quanto producono quasi sempre disturbi o difetti di funzionamento piuttosto evidenti, non altrettanto si può dire degli effetti che le interferenze provocano, o potrebbero provocare, sul corpo umano. Sotto questo aspetto stiamo assistendo ad una sorta di tiro alla fune: da un lato gli ecologisti cercano di dimostrare in tutti i modi la pericolosità dell'esposizione alle radiazioni elettromagnetiche, specie quelle emesse dalle linee di distribuzione ad alta tensione, dai trasmettitori RF e dai telefoni cellulari; dall'altro i produttori fanno il possibile per dimostrare il contrario.

Per quanto ne sappiamo finora, non è ancora stata dimostrata scientificamente la pericolosità dell'esposizione alle radiazioni elettromagnetiche, con i livelli di intensità che si riscontrano normalmente nelle condizioni ambientali più comuni. I vari enti preposti alla stesura delle norme EMC hanno preso in esame tutte le possibili sorgenti di interferenza; non esiste prodotto elettrico o elettronico che non sia stato preso in considerazione. Varate le norme, i vari enti governativi si sono anche preoccupati di renderle operative, imponendone il rispetto per legge a tutti i costruttori che applicheranno così il marchio CE, pena il divieto di commercializzare i loro prodotti.

 

 

La strada della preconformità

A questo punto il problema per i costruttori è sapere se i loro prodotti sono compatibili elettromagneticamente. In commercio sono disponibili numerosi strumenti utilizzabili per i test di compatibilità elettromagnetica, ma pochi sono economici e di facile utilizzo.

Avere però un laboratorio interno all'azienda con apparecchiature a basso costo, permette il controllo e l'indagine particolareggiata di tutte le problematiche di compatibilità all'atto della progettazione e non a posteriori. E' infinitamente molto più conveniente il controllo della nascita delle interferenze che non dover ricorrere a pratiche abortive successive.
Eseguire prove di compatibilità elettromagnetica in regime di conformità significa utilizzare apparecchiature e siti di prova con caratteristiche tecniche uguali o migliori di quelle definite negli standard IEC, CEI e CENELEC. I test vanno inoltre eseguiti attenendosi alle procedure definite in tali normative.
Questo modo di procedere è senz'altro ottimale dal punto di vista della qualità della misura e della ripetibilità dei risultati; il costo connesso alla realizzazione di un laboratorio EMC conforme è tale però da rendere consigliabile un tale approccio solo a fronte di un suo utilizzo quasi continuo. Per le piccole e medie imprese può essere proficuo quindi seguire la strada della preconformità, intendendo con questo termine una serie di misure che, pur non essendo a norme, danno comunque un'ottima indicazione sul comportamento del sistema dal punto di vista della compatibilità elettromagnetica.

I casi in cui è tipicamente utile avvalersi di prove di preconformità sono quelli di controllo in fase di sviluppo ed ingegnerizzazione, di messa a punto delle caratteristiche EMC prima della prova finale in un laboratorio conforme (esterno) e di controllo statistico della produzione. In realtà il termine "preconformità" può essere riduttivo ed in un certo senso fuorviante; il suffisso "pre" sembrerebbe riferirsi al fatto che prima dovrebbero essere eseguiti test di questo tipo, e successivamente test di piena conformità per ottenere la certificazione.
In realtà questo iter non è più necessario in Europa, perchè i produttori possono ricorrere all'autocertificazione. Il termine "preconformità" è quindi da intendersi nella sua accezione più ampia, e verrà utilizzato anche se non verranno eseguiti ulteriori test; a rigore, le relative apparecchiature potrebbero essere classificate quindi "apparecchiatura per l'autocertificazione", sebbene la legislazione attuale non contempli una tale definizione.
L'acquisto di strumentazione di preconformità va valutato alla luce dell'utilizzo che se ne intende fare, e dal risparmio che si consegue rispetto all'acquisto della corrispondente strumentazione a norme. In linea di massima, non è conveniente dotarsi di apparecchiatura di preconformità per le prove di esecuzione più semplici, come ad esempio quelle secondo le IEC1000-4-2, 1000-4-4, 1000-4-5, 1000-4-6 e 1000-4-8, poichè la differenza di costo non è eccessiva. Può essere invece conveniente dotarsi di strumentazione precompliance quando si devono eseguire misure di emissioni condotte ed irradiate, e di immunità radiata. In questo caso gli alti costi relativi all'acquisto del ricevitore EMI (e relativi accessori) e all'allestimento del sito possono essere significativamente abbattuti con una scelta oculata di una soluzione precompliance.
Un sistema di preconformità per le emissioni (EMI) condotte e radiate deve essere composto da un analizzatore di spettro, che copra le bande relative alle emissioni condotte e radiate, dal set di trasduttori relativi (antenne, LISN) e da sonde di campo vicino "sniffer probe", utili per localizzare le sorgenti "spot" del campo irradiato.

 

Perchè verificare la compatibilità elettromagnetica

I segnali di interferenza possono pregiudicare la corretta operatività di diversi dispositivi quali pacemaker, strumentazione medica, sistemi di allarme e sorveglianza, solo per citarne alcuni. Anche i dispositivi elettronici usati negli autoveicoli devono essere protetti da interferenze elettromagnetiche che potrebbero compromettere il funzionamento del motore e degli organi di trasmissione, con conseguenti gravi problermi di sicurezza.

Tutte le sorgenti che emettono onde elettromagnetiche possono essere causa di interferenze a seconda delle conseguenze che esse provocano sui dispositivi che ne subiscono gli effetti. Un trasmettitore non è considerato sorgente di interferenze fino a che si desidera ricevere i suoi segnali. Se però questi segnali sono ricevuti non solo quando si è sintonizzati sulla corretta frequenza, ma anche quando si vorrebbe ricevere un'altra emissione su una frequenza diversa, essi diventerebbero fonte di interferenza elettromagnetica. Naturalmente esistono casi in cui l'emissione di onde elettromagnetiche viene sempre considerata sorgente di interferenze, ad esempio quando l'emissione sia un effetto secondario indesiderato.

Un motore elettrico non è generalmente concepito per produrre onde elettromagnetiche, poichè il suo scopo è quello di produrre energia meccanica e non elettrica, per cui le sue eventuali irradiazioni andranno senz'altro considerate come emissioni di interferenze elettromagnetiche, da sopprimere o ridurre al minimo in quanto non volute.  In definitiva le interferenze elettromagnetiche, sia prodotte naturalmente, sia provocate dall'uomo, hanno l'effetto di interrompere o pregiudicare il corretto funzionamento di apparecchiature e sistemi elettronici. Tutte le volte che un produttore mette in commercio un dispositivo, deve prima stabilire se le eventuali radiazioni emesse sono intenzionali, come nel caso del trasmettitore, o non intenzionali. Mentre nel primo caso deve controllare che le radiazioni si mantengano entro lo spettro di frequenze previsto dalle caratteristiche di funzionamento del dispositivo, nel secondo caso deve operare affinchè l'energia elettromagnetica emessa non superi determinati livelli stabiliti da norme nazionali ed internazionali.

 

 

Le interferenze EMI

Le interferenze possono raggiungere un dispositivo attraverso l'etere oppure attraverso il cavo di alimentazione sotto forma di segnali audio o RF, transitori della rete o transitori provocati da dispositivi a commutazione, come gli alimentatori switching. Si parla più propriamente di interferenze irradiate e di interferenze condotte.

Interferenze irradiate

Sono quelle prodotte da segnali che si propagano lungo un percorso attraverso l'etere tramite un campo elettromagnetico prodotto da una sorgente di segnale. La sorgente di segnale si può trovare all'esterno (ad esempio nei trasmettitori radio e Tv) o all'interno (circuiti RF non schermati, alimentatori switching, ecc.) di un sistema elettronico. In questo secondo caso le interferenze irradiate si possono contenere, e possibilmente eliminare, curando la disposizione dei componenti e la cablatura dei circuiti.

Interferenze condotte

Sono quelle che si propagano lungo i cavi di alimentazione dei dispositivi. Sono generalmente prodotte dagli alimentatori a commutazione, dai gate logici digitali, dai transitori dovuti ai fulmini e da altri disturbi presenti sulle linee di alimentazione. Normalmente le interferenze a bassa frequenza si eliminano, o si riducono, con l'uso di filtri sugli alimentatori. Tra le più recenti sorgenti di interferenze RF troviamo i circuiti interni dei personal computer che, grazie ai generatori di clock che producono impulsi ripidissimi a frequenze elevate, generano campi elettromagnetici nel campo delle radiofrequenze. Anche i display a CRT generano energia elettromagnetica su un ampio spettro di frequenze. Tutte queste emissioni possono interferire con i ricevitori wireless nelle vicinanze, infatti basta provare ad accendere un radioricevitore nello stesso locale in cui si trova un PC per sentire subito il disturbo RF sotto forma di fastidioso ronzio proveniente dall'altoparlante. Per contenere le interferenze è necessario dotare tutte le apparecchiature elettroniche di buoni collegamenti di terra, utilizzare cavi schermati per collegare tra loro apparecchiature diverse e installare filtri per ridurre la suscettibilità dei dispositivi più sensibili. 

Perchè le norme EMC

Risulta evidente che contenere le emissioni entro lo spettro previsto, o ridurre la loro energia a livelli che non interferiscano con il corretto funzionamento di altre apparecchiature, richiede un certo impegno progettuale ed economico. Onde evitare che costruttori poco scrupolosi, per risparmiare sui costi di progettazione e produzione, possano mettere in commercio apparati in grado di produrre interferenze, sono state stabilite normative internazionali alle quali tutti devono attenersi per poter liberamente commercializzare qualsiasi dispositivo in grado di produrre, volutamente o meno, onde elettromagnetiche. Pertanto tutti i dispositivi in commercio devono essere in grado di superare determinate prove di Compatibilità Elettromagnetica, e cioè poter funzionare senza influire negativamente sul corretto funzionamento di altri apparati e senza essere a loro volta influenzati negativamente da sorgenti di interferenza come transitori sulla rete di alimentazione, segnali a radio frequenza, impulsi digitali, scariche atmosferiche. In sintesi un dispositivo deve, nel contempo, non produrre interferenze ed essere in grado di funzionare anche in presenza di esse (naturalmente entro ben specificati livelli).

I tre elementi della Compatibilità Elettromagnetica sono:

Per evitare le interferenze elettromagnetiche si può intervenire in diversi modi: eliminando l'emissione di onde elettromagnetiche alla fonte, rendendo il percorso di accoppiamento il più inefficiente possibile, rendendo il ricevitore meno suscettibile alle emissioni. Il problema EMC può essere affrontato in due modi: preventivo e correttivo. Nel primo caso i dispositivi devono essere sviluppati secondo le norme della compatibilità elettromagnetica già in fase di progettazione. Nel secondo caso si realizza il dispositivo e si verifica a posteriori la sua compatibilità elettromagnetica. Certo è consigliabile la prima soluzione anche se spesso è necessario effettuare comunque dei piccoli ritocchi anche a un prodotto progettato secondo tutti i canoni della compatibilità elettromagnetica.

 

 

I test di preconformità e di conformità

La verifica della compatibilità elettromagnetica di un prodotto si esegue tramite test specifici in accordo con quanto stabilito dalle norme. Per non correre il rischio di vedersi respingere un prodotto sottoposto ai test di compatibilità elettromagnetica è opportuno che le aziende effettuino, o facciano effettuare, test di preconformità sui loro prodotti attrezzandosi con le apparecchiature necessarie a valutarne, con buona approssimazione, la compatibiltà elettromagnetica. Indipendentemente dalla precisione degli strumenti usati, per ottenere risultati validi è necessario prestare la massima attenzione all'ambiente in cui le misure vengono effettuate, provvedendo a realizzare efficaci piani di terra e a ridurre al minimo le riflessioni da pareti e ostacoli vari. Per le misure di piena conformità è indispensabile rivolgersi a un organismo notificato, ovvero un ente riconosciuto dal Ministero delle Poste e Telecomunicazioni, abilitato a rilasciare attestati di esame CE. Questi organismi utilizzano strumenti dotati della massima precisione e ripetibilità, utilizzano siti di test aperti, camere schermate e camere anecoiche, antenne, tralicci, tavole rotanto e tutte le apparecchiature necessarie a verificare la piena conformità secondo le varie direttive EMC.

 

 

Uno sguardo alle normative

Il problema della compatibilità elettromagnetica (EMC) è comune a tutti i settori dell'elettricità e dell'elettronica. Dispositivi miniaturizzati e complessi, integrazione e interconnessione tra le apparecchiature rendono le installazioni e i componenti più vulnerabili. I livelli di tensione, corrente e potenza sempre più elevati delle sorgenti di alimentazione elettrica aumentano i rischi di disturbi, mentre l'integrazione tra i settori dell'energia, dell'automazione e dell'informatica tende a ravvicinare sempre più tra loro elementi sensibili alle interferenze. Queste considerazioni non sono solo accademiche, l'intero funzionamento di completi impianti industriali e di società di servizi dipende da sistemi informatici vulnerabili alle interferenze elettromagnetiche, per cui si impone la necessità di sviluppare e utilizzare standard relativi alla EMC sia a livello mondiale, sia nazionale, dato che l'affidabilità dei sistemi elettronici è anche un fattore economico di primaria importanza. Gli standard EMC sono fondamentali per assicurare che i numerosi componenti dei sistemi elettronici non si disturbino tra loro o sia impedito il corretto funzionamento delle apparecchiature di cui fanno parte. Naturalmente tutti i produttori devono obbligatoriamente attenersi alle norme per assicurare che i loro prodotti siano realizzati secondo gli standard previsti dalla legge. La maggior parte degli standard EMC viene definita dall'IEC (International Electrotechnical Commission) tramite i suoi due gruppi specialistici: TC77 (Technical Committee 77) e CISPR (Comitè International Special de Perturbations Radioelectrique).Gli standard generici specificano un set di requisiti essenziali, procedure di test e criteri generalizzati di prestazioni da utilizzare per prodotti che operano in particolare ambiente, per i quali non esistono standard definiti.   

I disturbi elettromagnetici possono entrare o uscire da un dispositivo attraverso "porte" di vario tipo, ad esempio il cavo di alimentazione, l'involucro esterno, il conduttore di terra, ecc. Per ognuna di queste porte gli standard EMC generici stabiliscono una tabella in cui sono riportati:

Secondo gli standard EMC generici, i disturbi da considerare sono limitati a quelli essenziali:

Riguardo i limiti di emissione: armoniche dell'alimentatore, fluttuazioni dell'alimentatore, tensioni a RF condotte (da 0,15 a 30MHz), campi RF irradiati (da 30 a 1000MHz).

Riguardo i test di immunità: armoniche dell'alimentatore, fluttuazioni, cadute, interruzioni di tensione; campi magnetici alla frequenza di alimentazione, tensioni   condotte a radiofrequenza (da 0,15 a 80MHz), campi irradiati a radiofrequenza (da 26 a 1000MHz); campi radio provenienti dai telefoni cellulari (attorno a 900MHz), impulsi di tensione a bassa frequenza, rapidi transitori di tensione, scariche elettrostatiche.

 

 

La direttiva EMC dell'Unione Europea

I prodotti commercializzati nei Paesi facenti parte della Comunità Europea devono soddisfare i requisiti della Direttiva 89/336, che specifica due caratteristiche fondamentali:

A dimostrazione della loro compatibilità elettromagnetica, i prodotti devono riportare il marchio CE.

Il marchio CE è un marchio di conformità europeo che indica se un prodotto soddisfa i requisiti essenziali delle leggi o delle direttive europee riguardo sicurezza, salute, protezione dell'ambiente e del consumatore. Generalmente la conformità alle direttive viene dichiarata tramite un auto-certificazione. Il marchio CE è un mezzo per consentire a un produttore di dimostrare che il prodotto risponde a un set comune di regole imposte da tutti i Paesi della comunità europea per consentire la libera circolazione dei prodotti. Il marchio deve essere apposto sul prodotto, sulla sua targhetta identificativa o, qundo ciò non è possibile, sull'imballo o sui documenti che accompagnano il prodotto. Il marchio deve essere affisso in modo visibile, leggibile e indelebile.

 

 

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