Emissioni condotte e filtri di rete
Rete artificiale e limiti, origine dei disturbi di modo comune negli alimentatori, induttanza di modo comune dimostrata, attenuazione del filtro LC, corrente di dispersione dei condensatori Y.
Gli alimentatori a commutazione sono efficienti e piccoli, ma commutano centinaia di volt in decine di nanosecondi, e rimandano disturbi sulla rete elettrica. Le norme limitano queste emissioni condotte tra 150 kHz e 30 MHz, e quasi ogni apparecchio collegato alla rete ha un filtro di rete all’ingresso. In questa lezione vediamo come si misurano le emissioni condotte, la differenza tra disturbi di modo differenziale e di modo comune con un esempio della loro origine, il funzionamento dell’induttanza di modo comune con la dimostrazione, l’attenuazione di un filtro LC, e il limite di sicurezza sui condensatori verso terra.
La misura
Il disturbo condotto dipende dall’impedenza della rete, che cambia da una presa all’altra. Per rendere la misura ripetibile si inserisce tra rete e apparecchio una rete artificiale (LISN, line impedance stabilization network): per ciascun conduttore presenta all’apparecchio un’impedenza definita, 50 Ω in parallelo a 50 µH, blocca i disturbi provenienti dalla rete e manda quelli dell’apparecchio a un ricevitore di misura.
I limiti della CISPR 32 per la classe B, con il rivelatore di quasi picco, sono circa 66-56 dBµV tra 150 e 500 kHz (decrescenti), 56 dBµV fino a 5 MHz e 60 dBµV fino a 30 MHz; per il rivelatore di valore medio sono 10 dB più bassi.
Modo differenziale e modo comune
Come per i cavi (lezione sulle emissioni irradiate), il disturbo sui conduttori di linea (L) e neutro (N) si scompone in due parti, che hanno origini e rimedi diversi:
- modo differenziale: corrente che va su L e torna su N. Nasce dalla corrente pulsante assorbita dall’alimentatore, che il condensatore d’ingresso non riesce a fornire tutta;
- modo comune: corrente che va su L e N nello stesso verso e torna attraverso il conduttore di protezione (PE) o le capacità verso terra. Nasce dalle variazioni rapide di tensione del nodo di commutazione, che spingono corrente attraverso le capacità parassite, per esempio quella tra il transistor e il dissipatore collegato a terra.
Esempio. Il nodo di commutazione passa da 0 a 400 V in 50 ns, e il transistor ha 50 pF verso il dissipatore a terra. La corrente 
A scorre a impulsi verso terra a ogni commutazione: un disturbo di modo comune enorme, che il filtro deve bloccare. Una piastrina isolante con schermo collegato al riferimento del primario, o un dissipatore non collegato a terra, la riducono alla sorgente.
Il filtro di rete
Il filtro tipico ha:
- condensatori X tra L e N, contro il modo differenziale: offrono un cortocircuito alle alte frequenze per la corrente che va e torna;
- un’induttanza di modo comune: due avvolgimenti uguali sullo stesso nucleo, uno su L e uno su N;
- condensatori Y da L e da N verso terra, che chiudono localmente la corrente di modo comune.
Teorema. In un’induttanza di modo comune ideale la corrente di modo differenziale non produce flusso nel nucleo, mentre la corrente di modo comune vede l’induttanza piena.
Dimostrazione. I due avvolgimenti hanno lo stesso numero di spire 
e sono avvolti in modo che correnti nello stesso verso producano flussi concordi. Il flusso nel nucleo è proporzionale alla somma delle forze magnetomotrici: 
. In modo differenziale 
e 
: nessuna tensione indotta, nessuna impedenza. In modo comune 
e i flussi si sommano. ∎
Il vantaggio è decisivo: la corrente di rete, che può essere di molti ampere, non magnetizza il nucleo, che quindi non satura, e si possono usare nuclei di ferrite ad alta permeabilità e piccoli per ottenere millihenry di induttanza di modo comune. Un piccolo flusso disperso, che non si concatena con entrambi gli avvolgimenti, dà comunque un po’ di induttanza di modo differenziale, utile insieme ai condensatori X.
L’attenuazione
Ogni sezione formata da un’induttanza e un condensatore è un filtro passa-basso del secondo ordine.
Teorema. Un filtro LC ideale, chiuso su un carico di impedenza alta, ha funzione di trasferimento 
con 
, e sopra 
attenua di 40 dB per decade.
Dimostrazione. È un partitore tra l’impedenza dell’induttanza 
e quella del condensatore 
: 
. Per 
il modulo vale circa 
, che cala di un fattore 100, cioè 40 dB, a ogni decade. ∎
Esempio. Con 
kHz l’attenuazione a 150 kHz è circa 
dB. Nella realtà l’attenuazione dipende dalle impedenze della rete e dell’alimentatore, e alle frequenze alte è limitata dai parassiti: la capacità tra le spire dell’induttanza e l’induttanza dei collegamenti dei condensatori. Per questo i filtri si montano vicino al punto di ingresso dei cavi, con ingresso e uscita ben separati, perché un accoppiamento tra i due cavalca il filtro.
Il limite di sicurezza dei condensatori Y
I condensatori Y portano verso terra anche una piccola corrente a 50 Hz, la corrente di dispersione, che passerebbe attraverso una persona se il collegamento di terra mancasse. Vale 
.
Esempio. Con 4,7 nF verso terra e 230 V a 50 Hz: 
mA. Le norme di sicurezza limitano la dispersione a valori da qualche decimo di milliampere a pochi milliampere secondo il tipo di apparecchio (molto meno per gli apparecchi medicali), e quindi limitano i condensatori Y a pochi nanofarad. Il modo comune si deve combattere soprattutto con l’induttanza.
I condensatori collegati alla rete devono inoltre essere di tipo omologato: i condensatori X sono progettati per non andare in cortocircuito se una sovratensione li danneggia, i condensatori Y per non andare mai in cortocircuito verso terra, perché metterebbero la tensione di rete sul telaio.
