Immunità: scariche elettrostatiche, transitori e campi
Prove IEC 61000-4 e criteri di prestazione, corrente ed energia della scarica elettrostatica, perché il TVS va vicino al connettore (dimostrato), rettificazione della radiofrequenza, difese nel software.
L’altra metà della compatibilità è l’immunità: l’apparecchio deve continuare a funzionare quando qualcuno lo tocca dopo aver camminato su un tappeto, quando un telefono trasmette lì vicino, quando un motore sulla stessa linea si spegne o un fulmine cade a qualche centinaio di metri. In questa lezione vediamo le prove di immunità e i criteri con cui si giudica il risultato, la scarica elettrostatica con il calcolo della sua corrente e della sua energia, la protezione degli ingressi con la dimostrazione del perché i collegamenti devono essere cortissimi, la rettificazione dei campi a radiofrequenza e le difese nel software.
Le prove
La serie IEC 61000-4 definisce i fenomeni e i generatori di prova. Le più comuni:
| Prova | Fenomeno | Livelli tipici |
|---|---|---|
| 61000-4-2 | scarica elettrostatica | 4 kV a contatto, 8 kV in aria |
| 61000-4-3 | campo irradiato, 80 MHz – 6 GHz, modulato AM 1 kHz | 3 V/m (domestico), 10 V/m (industriale) |
| 61000-4-4 | treni di transitori veloci (fronti di 5 ns), da contatti e relè | 1-2 kV sull’alimentazione |
| 61000-4-5 | sovratensioni (surge) da fulmini e manovre, 1,2/50 µs | 1-2 kV |
| 61000-4-6 | disturbi a radiofrequenza condotti sui cavi, 150 kHz – 80 MHz | 3-10 V |
| 61000-4-11 | buchi e interruzioni di tensione | da 30 % a 100 % per alcuni periodi |
Il risultato si giudica con tre criteri: A, funzionamento normale durante la prova; B, degrado temporaneo con recupero da solo; C, perdita di funzione che richiede l’intervento dell’operatore. La norma di prodotto stabilisce quale criterio serve per ciascuna prova.
La scarica elettrostatica
Una persona isolata dal pavimento si carica per strofinio fino a migliaia di volt. Il modello del corpo umano (HBM) la rappresenta come un condensatore di 100 pF che si scarica attraverso 1,5 kΩ; il generatore della prova IEC usa 150 pF e 330 Ω, più severo perché rappresenta la scarica attraverso un oggetto metallico tenuto in mano.
Teorema. Un condensatore 
carico alla tensione 
che si scarica su una resistenza 
dà una corrente di picco 
, una costante di tempo 
e un’energia 
.
Dimostrazione. Nell’istante iniziale tutta la tensione del condensatore è ai capi della resistenza, quindi 
. Poi 
, con soluzione 
. L’energia dissipata è quella immagazzinata nel condensatore, . ∎
Esempio. Generatore IEC a 8 kV: corrente di picco dell’ordine di 
A (la norma prevede un primo picco di circa 30 A, perché il fronte iniziale, di meno di un nanosecondo, è limitato dall’induttanza e non dalla resistenza), costante di tempo circa 50 ns, energia 
mJ. L’energia è piccola, ma la corrente è enorme e il fronte velocissimo ha uno spettro che arriva al gigahertz: la scarica disturba per accoppiamento anche i circuiti che non tocca direttamente.
Proteggere un ingresso
Lo schema classico ha un diodo di soppressione delle sovratensioni (TVS) subito dopo il connettore, che conduce oltre una tensione di soglia e devia la corrente verso massa, e poi una resistenza in serie e un piccolo condensatore che limitano il residuo prima del circuito integrato, che ha a sua volta deboli protezioni interne (lezione sul collaudo di Microelettronica).
Teorema. Con un collegamento di induttanza 
in serie al TVS, la tensione sull’ingresso protetto durante la scarica supera la tensione di bloccaggio del diodo di 
.
Dimostrazione. La corrente di scarica passa nel ramo del TVS, formato dal diodo e dai suoi collegamenti. La tensione del ramo è la somma della tensione del diodo e della tensione sull’induttanza, , e questa è la tensione che vede il nodo protetto. ∎
Esempio. 10 nH di collegamento (un centimetro di pista verso una massa lontana) e una corrente che sale a 30 A in 1 ns: 
V in più della tensione di bloccaggio. La protezione non protegge. Il TVS va messo subito accanto al connettore, con il collegamento di massa più corto possibile, preferibilmente direttamente al telaio, in modo che la scarica non attraversi il piano di massa del circuito.
Per le sovratensioni lente ed energetiche (surge) servono componenti più robusti: varistori a ossido metallico, scaricatori a gas, spesso in più stadi.
I campi a radiofrequenza e la rettificazione
Un campo irradiato induce tensioni a radiofrequenza sui cavi (lezione sulle emissioni irradiate, per reciprocità). Sembrerebbe innocuo per un circuito lento, come un amplificatore audio o di sensori, che non ha banda a quelle frequenze. Ma le giunzioni dei transistor sono non lineari: rettificano la radiofrequenza, e la modulazione AM a 1 kHz usata nella prova ricompare come segnale a 1 kHz nella banda utile. È il ronzio che si sente in un altoparlante vicino a un telefono che trasmette a pacchetti.
Rimedio: filtrare la radiofrequenza prima che raggiunga la prima giunzione, con un filtro RC o una ferrite e un condensatore direttamente all’ingresso.
Le difese nel software
Non tutto si ferma con l’hardware. Un buon programma tollera i disturbi:
- watchdog: un temporizzatore che riavvia il processore se il programma smette di rinfrescarlo;
- rilettura periodica dei registri di configurazione delle periferiche, che una scarica può alterare;
- filtri e controlli di plausibilità sugli ingressi, conferma di un comando su più campioni (antirimbalzo);
- codici di controllo (CRC) sulle comunicazioni e sulle memorie, con ritrasmissione;
- stati sicuri predefiniti per le uscite in caso di errore.
Con questa lezione si chiude il quadro: ridurre la sorgente, interrompere il percorso, rendere robusta la vittima.
