Compatibilità elettromagnetica: sorgente, percorso, vittima e norme
Emissioni e immunità, i quattro meccanismi di accoppiamento, campo vicino e lontano, dBµV e dBm con la conversione dimostrata, fattore d'antenna, norme CISPR e IEC 61000.
Un apparecchio elettronico è compatibile elettromagneticamente se funziona correttamente nel suo ambiente elettromagnetico senza introdurre disturbi intollerabili per gli altri. Sono due richieste: non disturbare (limitare le emissioni) e non farsi disturbare (avere sufficiente immunità). In questa lezione vediamo lo schema sorgente-percorso-vittima e i quattro meccanismi di accoppiamento, le unità in decibel usate nelle misure con la dimostrazione della conversione tra dBµV e dBm, e il quadro delle norme.
Sorgente, percorso, vittima
Ogni problema di compatibilità ha tre elementi: una sorgente di disturbo (un clock, un alimentatore a commutazione, un motore, un trasmettitore radio, una scarica elettrostatica), una vittima (un ricevitore, un amplificatore di sensori, un ingresso logico) e un percorso che li collega. Per risolverlo basta agire su uno dei tre: ridurre la sorgente, interrompere il percorso o rendere la vittima meno sensibile. Agire sulla sorgente è di solito la soluzione più economica, perché si interviene in un punto solo invece che su tutte le vittime possibili.
I percorsi sono quattro:
- conduzione attraverso un’impedenza comune: due circuiti che condividono un tratto di massa o di alimentazione; la corrente di uno produce una caduta che compare nell’altro;
- accoppiamento capacitivo (campo elettrico): una capacità parassita tra due conduttori vicini, dominante quando la sorgente ha tensioni alte e variazioni rapide;
- accoppiamento induttivo (campo magnetico): una mutua induttanza tra due spire, dominante quando la sorgente ha correnti grandi e variazioni rapide;
- irradiazione: a distanza grande rispetto alla lunghezza d’onda, campo elettrico e magnetico viaggiano insieme come onda (lezioni di Campi elettromagnetici e di Antenne).
I primi tre sono di campo vicino e si analizzano con circuiti a parametri concentrati (lezione sull’accoppiamento); l’ultimo è di campo lontano. Il confine è a circa 
: a 100 MHz circa 48 cm.
Le emissioni e l’immunità si dividono inoltre in condotte (i disturbi viaggiano sui cavi, tipicamente sotto 30 MHz, dove i cavi sono corti rispetto alla lunghezza d’onda e irradiano poco) e irradiate (sopra 30 MHz).
I decibel della compatibilità
I disturbi coprono molti ordini di grandezza e si misurano in decibel rispetto a riferimenti piccoli:
- tensioni in dBµV:
; 1 mV vale 60 dBµV; - campi elettrici in dBµV/m;
- correnti in dBµA;
- potenze in dBm, rispetto a 1 mW.
Teorema. Su un’impedenza di 50 Ω, la potenza in dBm e la tensione in dBµV sono legate da
![\[ P_{dBm} = V_{dB\mu V} - 107 \]](https://www.electronics-engineering.com/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-bbff95ee5cdd0a8a53f5d84a77338c18_l3.png "Rendered by QuickLaTeX.com")
Dimostrazione. La potenza è 
. Una tensione di 1 µV su 50 Ω dà 
W 
mW, cioè 
dBm. Poiché 
e 
crescono allo stesso modo, la differenza resta costante per qualunque tensione. ∎
Gli analizzatori di spettro, che hanno ingresso a 50 Ω, mostrano dBm; le norme fissano limiti in dBµV: la conversione serve a ogni misura.
Esempio. Un disturbo di 
dBm letto dall’analizzatore corrisponde a 
dBµV, cioè circa 224 µV.
Per passare dalla tensione ai morsetti dell’antenna di misura al campo si usa il fattore d’antenna 
(in dB/m), fornito dal costruttore: 
, più le perdite del cavo.
Le norme
In Europa la marcatura CE richiede, tra l’altro, la conformità alla direttiva sulla compatibilità elettromagnetica; negli Stati Uniti valgono le regole della FCC. Le norme tecniche fissano i limiti e i metodi di prova:
- emissioni: per le apparecchiature multimediali e informatiche la norma CISPR 32 (in Europa EN 55032) fissa, per gli apparecchi domestici (classe B), circa 30 dBµV/m a 10 m tra 30 e 230 MHz e 37 dBµV/m tra 230 MHz e 1 GHz; per gli apparecchi industriali (classe A) i limiti sono circa 10 dB più alti. Per le emissioni condotte sulla rete i limiti valgono tra 150 kHz e 30 MHz;
- immunità: la serie IEC 61000-4 definisce le prove contro scariche elettrostatiche, campi irradiati, transitori veloci, sovratensioni, disturbi condotti (lezione sull’immunità).
Le prove si fanno in laboratori accreditati, in camere semi-anecoiche, ma conviene verificare la compatibilità fin dal progetto: un problema scoperto alla prova finale costa settimane e una nuova versione del circuito stampato. Le lezioni che seguono mostrano come prevedere e controllare le emissioni: lo spettro dei segnali digitali, l’accoppiamento, la schermatura, l’irradiazione da spire e cavi, il progetto del circuito stampato, i filtri e la protezione.
