COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA

COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA

La ''compatibilità elettromagnetica'' (in ingl. Electro-Magnetic Compatibility, o EMC) è la scienza delle interazioni elettromagnetiche tra apparati e sistemi elettrici ed elettronici. Gli interessi scientifici fondamentali consistono nell'identificazione e simulazione delle sorgenti di disturbo che caratterizzano l'ambiente elettromagnetico, nella determinazione dei possibili accoppiamenti e delle interferenze prodotte, nell'individuazione dei dispositivi di protezione, nella definizione dei vincoli di progetto. Gli strumenti d'indagine sono basati sulla teoria dei campi elettromagnetici e dei circuiti elettrici.

L'impiego diffuso dell'elettronica e dell'informatica nella costruzione di componenti e impianti per uso civile e industriale rende sempre più evidenti e severe le problematiche connesse al corretto funzionamento degli apparati e dei sistemi elettrici ed elettronici nelle interazioni interne ed esterne all'ambiente nel quale essi operano. Il crescente livello di automazione genera sistemi più ''intelligenti'', ma anche più fragili e maggiormente esposti ai disturbi.

Quando non si adottino nella fase di progetto gli opportuni provvedimenti mitigatori, i disturbi generati dalle interazioni possono causare anomali funzionamenti e anche guasti, con conseguente riduzione del livello di affidabilità, rilevanti danni economici per i processi e, in talune situazioni, condizioni di rischio per il personale. Si è spesso costretti a ricorrere ad aggiustamenti sull'apparato già costruito e installato, i quali generalmente non eliminano in maniera soddisfacente gli inconvenienti manifestatisi e determinano oneri economici aggiuntivi. D'altro canto l'adozione indiscriminata di apparecchiature ben protette contro i disturbi può rivelarsi non economica e penalizzante, in termini di funzionalità, nei confronti del processo.

Un apparato elettrico o elettronico è compatibile con il proprio ambiente se è capace di funzionare in modo soddisfacente senza generare disturbi intollerabili.

Il disturbo è un fenomeno elettromagnetico che può degradare le prestazioni o creare difficoltà alla vita dell'elemento perturbato. L'interferenza è l'effetto prodotto dal disturbo. I termini disturbo e interferenza sono spesso usati con significato equivalente. La sorgente di disturbo può essere naturale o artificiale, interna o esterna al sistema perturbato. Il disturbo, di tipo condotto o irradiato, è caratterizzato dall'andamento nel tempo e dallo spettro nel dominio della frequenza.

L'accoppiamento tra la sorgente e l'elemento perturbato può essere di tipo resistivo, induttivo, capacitivo o elettromagnetico. Nell'accoppiamento resistivo il disturbo è condotto nel percorso continuo che unisce la sorgente con l'elemento. Il campo magnetico e il campo elettrico, associati alla sorgente, inducono il disturbo per accoppiamento rispettivamente induttivo e capacitivo. Nell'accoppiamento elettromagnetico il campo irradiato dalla sorgente propagandosi interferisce con l'elemento inducendo in esso il disturbo.

Il disturbo è generalmente una corrente o una tensione. Si definisce di modo comune la tensione di disturbo v_c tra un conduttore e la massa locale. La tensione di disturbo di modo differenziale v_d è generata invece tra due conduttori. Il disturbo può a sua volta causare altri disturbi; per es. una corrente di disturbo nello schermo di un cavo coassiale genera una tensione differenziale tra il conduttore interno e lo stesso schermo.

La fig. 1 mostra una configurazione in cui sono presenti un apparato A collegato al trasduttore B attraverso un cavo bifilare schermato: le sorgenti di disturbo sono costituite dalle correnti i′, i″ e dalla tensione v. I disturbi prodotti dai diversi tipi di accoppiamento sono rappresentati rispettivamente dalla corrente i_c, che circola nello schermo del cavo, dalla tensione v_t nell'impianto di terra, dalla tensione di modo comune v_c tra lo schermo e la massa locale, dalla tensione di modo differenziale v_d tra i due fili interni.

L'emissione, l'immunità e la suscettibilità caratterizzano la c.e. di un apparato: l'emissione è il livello massimo di disturbo generato, l'immunità è il livello massimo di disturbo che può essere sopportato senza conseguenze, mentre la suscettibilità è il livello minimo di disturbo che provoca malfunzionamento o danneggiamento. Le tre grandezze sono espresse in termini di tensione e corrente se di tipo condotto, in termini di campo elettrico se di tipo irradiato.

Per rendere compatibile la sorgente disturbante con l'elemento disturbato si utilizzano idonei dispositivi o sistemi di protezione, che possono interessare la sorgente e l'elemento, o anche la via di accoppiamento.

Nell'ambiente industriale crescente impegno è dedicato alla realizzazione e al funzionamento di laboratori di c. e. per lo svolgimento dell'attività sperimentale necessaria per la verifica dei modelli teorici e lo sviluppo di sofisticati strumenti di misura, e per la qualificazione degli apparati secondo la normativa vigente. Le prove di c. e. possono essere eseguite in ambiente aperto o più spesso in camere schermate protette dai disturbi esterni condotti o irradiati. Il campo elettromagnetico generato all'interno delle camere subisce riflessioni sulle superfici, e in particolare sul pavimento e sul soffitto, poco distanti in genere dall'apparato in prova. La valutazione dei fenomeni di riflessione consente di determinare la mappa del campo elettromagnetico presente nell'ambiente. Nelle camere anecoiche le onde elettromagnetiche riflesse sono ridotte con l'uso di materiali assorbenti che trasformano l'energia a radio frequenza in calore per effetto di fenomeni di dissipazione dielettrica e magnetica. In pratica si ricoprono le superfici delle camere con sagome di materiale a base di gomma, aventi la forma di piramidi, coni o cunei. L'altezza delle sagome aumenta al diminuire della frequenza del campo elettromagnetico incidente: una piramide alta 5 cm determina un assorbimento di energia di 30 dB a 5 GHz e di 50 dB a 15 GHz, mentre un'altezza di 1,8 m consente un assorbimento di 20 dB a 75 MHz e 50 dB a 3 GHz. Le camere semianecoiche sono prive di materiale assorbente sul pavimento. La tav. f.t. mostra, a titolo esemplificativo, due camere anecoiche.

Sorgenti di disturbo. - Le sorgenti d'interferenza più diffuse negli ambienti civili e industriali sono quelle che generano radiodisturbi caratterizzati da spettri con frequenze tra 150 kHz e 300 MHz a banda larga o stretta, e da andamenti nel tempo di tipo sinusoidale o impulsivo. Le sorgenti artificiali sono costituite da numerosi apparati e sistemi elettrici ed elettronici per uso domestico, industriale, scientifico, medicale. Per es., gli oscillatori locali di conversione dei ricevitori, o dei clock dei circuiti logici, e i forni a microonde producono radiodisturbi a banda stretta, mentre il cordone di alimentazione e i circuiti di deflessione dei televisori irradiano spettri a righe distanziate. Le lampade fluorescenti generano intensi radiodisturbi modulati a 100 Hz, con spettro quindi praticamente continuo. Disturbi impulsivi periodici provengono dagli apparecchi muniti di motore elettrico a collettore, come frullini, macinacaffè, ventilatori, e dai sistemi di accensione dei motori a benzina. Disturbi impulsivi con spettri quasi continui fino a frequenze di parecchi MHz sono prodotti dalla rapida commutazione dei tiristori o dei diodi controllati nei dispositivi di regolazione, negli stabilizzatori di tensione, nei raddrizzatori e negli inverter. Disturbi intermittenti sono generati da apparecchi muniti di motore elettrico a induzione, come la lavatrice, o da termostati. Disturbi impulsivi di breve durata provengono da apparecchi di riscaldamento, come fornelli e coperte termiche. Le apparecchiature informatiche di ricezione ed elaborazione numerica di dati generano disturbi impulsivi periodici, a banda sia larga che stretta. Radiodisturbi sono anche generati dalle linee di trasmissione di energia elettrica e dalle stazioni elettriche di trasformazione e da quelle di conversione di corrente alternata in corrente continua.

Sorgenti di disturbi transitori sono le scariche di elettricità statica, note come scariche elettrostatiche, le quali generano correnti impulsive con tempi di salita al valore di picco di circa 10 ns e frequenze fino a 10 MHz. Sorgenti di disturbi elettromagnetici irradiati sono le stazioni trasmittenti mobili o fisse per uso civile o militare, con frequenze comprese tra 1 MHz e 10 GHz, e i ricetrasmettitori portatili con frequenze tra 150 MHz e 500 MHz. Una tipica sorgente naturale di disturbo è la scarica di origine atmosferica (Lightning Electromagnetic Pulse, o LEMP) a terra o direttamente su una struttura. D'interesse nel settore militare è l'impulso elettromagnetico associato a un'esplosione nucleare ad alta quota (Nuclear Electromagnetic Pulse, o NEMP), tale da non produrre sulla superficie terrestre apprezzabili effetti termici, meccanici o radioattivi. Le onde elettromagnetiche irradiate dalle sorgenti impulsive LEMP e NEMP generano disturbi diffusi nell'ambiente. Il NEMP investe simultaneamente un intero sistema, anche di grandi dimensioni, mentre il LEMP ne influenza una parte limitata. Di notevole consistenza può essere l'impatto sulle linee di energia elettrica e di telecomunicazione, sulle apparecchiature e sui sistemi elettrici ed elettronici, sui dispositivi di protezione, su strutture e impianti ad alto rischio o con vincoli di elevata affidabilità, come le centrali nucleari o gli aeromobili. I disturbi indotti sono generalmente costituiti da tensioni e correnti di tipo impulsivo a fronte rapido con tempi di salita al valore di picco di circa 1 μs per il LEMP e 0,1 μs per il NEMP, e frequenze rispettivamente fino a 1 MHz e 100 MHz.

Nei sistemi di energia elettrica i guasti e le manovre di apertura e chiusura di interruttori e sezionatori si configurano come sorgenti di disturbi. Nelle stazioni di trasformazione della rete ad alta tensione i disturbi generati da campi perturbatori esterni o da manovre possono essere trasmessi ai circuiti di misura e di protezione in bassa tensione. La circolazione di correnti verso terra, causate da sovratensioni o in generale da guasti, crea disturbi nell'impianto di terra, i quali possono essere trasmessi alle apparecchiature servite dallo stesso impianto. La qualità della rete elettrica di alimentazione è caratterizzata dalle variazioni di tensione di lunga durata, dalle interruzioni o ''buchi'' di tensione di breve durata, compresa cioè tra alcuni ms e una decina di s, dal contenuto di armoniche, dalle fluttuazioni irregolari di tensione (flicker), dalle sovratensioni, dagli squilibri di tensione o di corrente. Gli impulsi di tensione, noti come spikes, sono generati nella rete elettrica durante l'apertura di circuiti induttivi costituiti, per es., da lampade con reattore, da elettrodomestici provvisti di trasformatore, da motori a collettore; spikes possono manifestarsi anche nella chiusura di un circuito a causa dei rimbalzi degli interruttori che determinano aperture dei contatti di breve durata. A differenza dei ''buchi'' di rete, gli spikes non determinano variazioni apprezzabili del contenuto energetico della tensione armonica fondamentale alla quale sono sovrapposti, ma sono invece caratterizzati da frequenze variabili da alcuni kHz fino a qualche decina di MHz.

Le centrali di commutazione telefonica e le reti di collegamento sono i sottosistemi di preminente interesse nel sistema di telecomunicazione. Le linee sono esposte a disturbi costituiti in genere da sovratensioni generate per induzione dalle correnti, in particolare di guasto, delle linee di energia elettrica o dalle scariche atmosferiche. Le correnti disperse da impianti di terra possono causare disturbi sui cavi di telecomunicazione per accoppiamento resistivo. I problemi di c. e. si ridurranno notevolmente con la crescente diffusione di reti di telecomunicazione in fibra ottica.

Il sistema ferroviario è essenzialmente caratterizzato dal circuito di trazione, costituito dalla linea aerea di contatto e dalle sottostazioni, e dal circuito di binario. Per le linee di contatto in corrente continua sorgenti di disturbo sono rappresentate dalle armoniche generate dalle sottostazioni elettriche e dai regolatori dei motori installati sui locomotori, mentre l'alimentazione in corrente alternata è causa permanente di fenomeni d'induzione elettromagnetica. L'accoppiamento induttivo può causare interferenze nelle linee di segnalamento e di telecomunicazione. Nelle sottostazioni elettriche particolarmente esposti sono gli apparati elettronici di controllo e misura. A bordo dei locomotori la notevole densità di apparecchiature e la vicinanza dei circuiti di controllo con le linee di alimentazione creano un ambiente particolarmente critico. Inoltre i campi irradiati dagli archi elettrici che si formano sulla linea di contatto generano disturbi agli apparati ricetrasmettitori di bordo. Tra le sorgenti di disturbo esterne al sistema si devono considerare le scariche atmosferiche, in particolare per gli effetti esercitati sulle linee di segnalamento e di telecomunicazione, i guasti e i transitori in linee di energia elettrica prossime all'impianto ferroviario, le emissioni di impianti industriali o da stazioni radiotrasmittenti.

I vincoli di c. e. sono di rilevante interesse per la progettazione e gestione di apparati e sistemi destinati ad essere installati a bordo di navi ad alta specializzazione, come quelle militari e oceanografiche, e anche di navi convenzionali, a causa del largo uso di apparati elettronici e sistemi di automazione. L'elevata densità di apparecchiature in spazi ristretti rende critiche le caratteristiche dell'ambiente elettromagnetico navale. Tralasciando di descrivere le problematiche di natura militare, e facendo riferimento alle sole navi convenzionali, possono essere considerati come sorgenti di disturbo i gruppi di conversione di corrente alternata in corrente continua, i radar di navigazione e gli apparati di telecomunicazione. Particolarmente esposti alle interferenze sono l'ecoscandaglio, l'apparato omega, il solcometro e la girobussola. È necessario inoltre tenere conto della disposizione e del percorso dei cavi di alimentazione e d'interconnessione al fine di prevenire accoppiamenti con cavi di segnalamento o con apparecchiature elettroniche.

Nel settore aeronautico e in quello spaziale gli studi di c. e. sono svolti con grande accuratezza e impegno già da molti anni. Un sistema avionico si compone di sottosistemi per la navigazione, le comunicazioni, i comandi di volo. Sorgenti di disturbo sono i trasmettitori con frequenze fino a 40 GHz, i trasmettitori radio e radar di terra, le scariche elettrostatiche, le scariche di origine atmosferica, le scariche associate a esplosione nucleare ad alta quota. Nel progetto del velivolo si deve tenere conto, per quanto concerne i vincoli di c. e., delle messe a massa, dei filtri, degli schermi, dei connettori e cavi, delle interfacce elettriche e di quelle meccaniche.

Infine i calcolatori sono considerati con particolare interesse sia per la crescente diffusione che per l'intrinseca fragilità. Il calcolatore, oltre a essere esposto a disturbi di vario tipo, è anch'esso una sorgente di campi elettromagnetici che vengono irradiati dalla logica digitale e dalla circuiteria interna. Il livello d'immunità di un calcolatore è espresso in termini di tasso di errore massimo consentito e dipende dalle esigenze specifiche dell'affidabilità richiesta. Un calcolatore è esposto ai disturbi condotti dovuti a ''buchi'', o microinterruzioni di rete, e a spikes, e ai disturbi irradiati rappresentati da campi elettromagnetici impulsivi, i quali determinano sui circuiti logici disturbi indotti che possono essere erroneamente interpretati come segnali. Si devono inoltre considerare le scariche elettrostatiche provocate dall'operatore. A causa delle interferenze subite possono manifestarsi nel calcolatore reset abusivi, errori casuali, memorizzazioni di dati errati, attuazioni errate e perdite d'informazione. L'emissione del calcolatore dev'essere contenuta in quanto può arrecare disturbo alle radiocomunicazioni e irradiare le informazioni trattate. È stato dimostrato sperimentalmente che conoscendo le frequenze dei sincronismi dell'immagine è possibile con opportuni sistemi di rilevazione e decodifica ricostruire su un monitor locale l'immagine di un video collocato a distanza variabile da qualche decina a qualche centinaio di metri. L'intercettazione del segnale può avvenire anche per via condotta sulla linea di alimentazione o sul conduttore di terra.

Dispositivi e sistemi di protezione. -Mezzi di protezione da utilizzare sulla sorgente di disturbo, sulla via di accoppiamento o sull'apparato perturbato sono i filtri, i condensatori, le batterie tampone, i gruppi statici o rotanti di alimentazione, i trasformatori, i parafulmini, le funi di guardia, le fibre ottiche.

I campi elettromagnetici di radiazione possono penetrare direttamente nelle apparecchiature, causando in generale errori o malfunzionamenti, raramente guasti o danneggiamenti dei componenti. È necessario, a questo scopo, prevedere opportune schermature esterne addizionali, che possono essere costituite per es. da contenitori metallici a doppia lamiera, ovvero l'installazione delle apparecchiature all'interno di una gabbia di Faraday.

Le apparecchiature devono essere dotate di filtri, per es. di tipo LC, posti all'ingresso dell'alimentazione, i quali dovrebbero determinare un'attenuazione dei disturbi condotti di almeno 40 dB per frequenze comprese tra alcuni kHz e alcune decine di MHz. Dispositivi per la limitazione della tensione devono essere installati sulle apparecchiature di protezione e di controllo. I più comuni dispositivi sono costituiti da condensatori o circuiti RC, i quali riducono le sovratensioni ad alta frequenza, da scaricatori in bassa tensione, da diodi Zener per sovratensioni con basso contenuto di energia. I collegamenti di messa a terra delle apparecchiature devono essere corti e avere sezioni sufficientemente grandi per ottenere limitati valori d'impedenza.

Il sistema dei conduttori di un impianto di terra dev'essere perfettamente equipotenziale e pertanto si utilizzano reti con elevato numero di maglie o piastre conduttrici continue, nelle quali elevate correnti di guasto generano modeste differenze di potenziale e dunque basse tensioni di modo comune.

I cavi per trasmissione di segnali sono generalmente schermati; l'efficacia della schermatura è tanto maggiore quanto minore è il valore dell'impedenza di trasferimento dello schermo. La fig. 2 mostra gli andamenti qualitativi del modulo dell'impedenza di trasferimento in funzione della frequenza per cavi con schermi a calza con aperture o tubolari continui. I cavi dovrebbero essere installati al di sotto della rete di terra e aderenti a essa. Per l'alimentazione dalla rete elettrica è consigliabile l'uso di cavi bifilari schermati.

È essenziale, ove possibile, per le linee di trasmissione e di alimentazione evitare fenomeni di risonanza e parallelismi con linee di energia elettrica. Per proteggere le linee contro i campi magnetici è opportuno diminuire la superficie sottesa tra la linea e il terreno, evitare la messa a terra o realizzarla per una sola delle due estremità; tali soluzioni tendono a evitare tensioni di modo comune. Disturbi di modo differenziale possono essere ridotti attorcigliando i conduttori. Se la sorgente non può essere isolata, ma dev'essere collegata a terra, si utilizza un trasformatore d'isolamento e la blindatura del ricevitore collegato a terra. La blindatura della linea costituisce un'efficace protezione contro i campi elettrici.

Normativa e certificazione. - L'attività normativa nazionale e internazionale di c. e. ha lo scopo di definire regole, direttive o raccomandazioni, che possono anche avere forza di legge, riguardanti essenzialmente l'immunità e l'emissione di un apparato o di un sistema di un determinato ambiente elettromagnetico. La definizione delle norme richiede un'impegnativa indagine per l'individuazione e rappresentazione degli eventi perturbatori che caratterizzano un ambiente, dei meccanismi di accoppiamento, delle interferenze prodotte. Importanti sono le norme di qualificazione che indicano i requisiti che devono essere soddisfatti da un apparato o da un sistema nelle specifiche condizioni previste per le prove d'immunità e di emissione. La diversità degli ambienti elettromagnetici comporta notevoli difficoltà ai costruttori per la previsione di vincoli di differente severità nel progetto degli apparati, che sovente devono subire modifiche per la mancata rispondenza ai requisiti di prova.

La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC, International Electrotechnical Commission), istituita nel 1906, è l'organismo che disciplina con riconosciuta autorità la materia normativa per le discipline di elettrotecnica ed elettronica. I comitati dell'IEC che specificamente s'interessano di normativa di c. e. sono il CT77 (Electromagnetic compatibility between electrical equipment including networks), il CT65 (Industrial process measurement and control) /WG4 (Electromagnetic interferences), il CISPR (International Special Committee on Radio Interference). I tre comitati sono a loro volta coordinati dal gruppo di lavoro ACEC (Advisory Committee for Electromagnetic Compatibility) che ha interessi interdisciplinari nell'IEC per problematiche di c. elettromagnetica. L'IEC si avvale a livello nazionale della collaborazione dei comitati elettrotecnici nazionali, per l'Italia il CEI, istituito nel 1909. I comitati corrispondenti in Italia nel CEI sono il CT77, il CT65 e il SC110.

Altre organizzazioni che contribuiscono all'attività normativa di c. e. sono la CIGRE (Conférence International des Grands Réseaux Electriques), la UIE (Unione Internazionale di Elettrotermia), la UNIPEDE (Unione Internazionale di Produttori e Distributori di Energia), la VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker, l'associazione tedesca degli ingegneri elettrotecnici), la FTZ (Fernmelde Technisches Zentralamt, l'agenzia tecnica del servizio postale tedesco). Negli Stati Uniti operano l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), la SAE (Society of Automotive Engineers), la EIA (Electronics Industries Association), l'ANSI (American National Standards Institute). Agenzie del governo sono la FCC (Federal Communication Commission), l'IRAC (Interdepartmental Radio Advisory Committee), la NASA (National Aeronautics and Space Administration), il NCMDRH (National Center for Medical Devices and Radiological Health). In ambiente internazionale sono anche considerate le norme MIL-STD per il settore avionico-militare.

L'attività normativa nel settore delle telecomunicazioni è svolta a livello internazionale dalla CEPT (Conférence Européenne des Administrateurs des Postes et Télécommunications) e a livello nazionale dal CT103 del CEI e dal ministero delle Poste e Telecomunicazioni con lettere circolari. La normativa riguardante la compatibilità di esercizio di linee di telecomunicazione con linee di energia elettrica o di trazione elettrica è trattata dalla 5ª commissione del Comitato Consultivo Internazionale Telefonico e Telegrafico (CCITT), organo tecnico della Unione Internazionale delle Telecomunicazioni (UIT), la quale è a sua volta un'agenzia dell'ONU per le telecomunicazioni.

La normativa di qualificazione di un apparato prevede la misura dei disturbi emessi (prove di emissione) e il controllo di normale funzionamento in presenza di sorgenti di disturbo (prove d'immunità). In entrambi i casi le prove possono essere di tipo condotto o irradiato a seconda del percorso seguito dal disturbo. La rete di accoppiamento consente il passaggio del disturbo dall'apparato al misuratore ovvero dal generatore all'apparato, mentre blocca eventuali segnali provenienti dalla rete di alimentazione. Nelle prove d'immunità o suscettibilità il livello di disturbo è coerente con la classe di severità voluta. Le prove di emissione irradiata devono essere eseguite in camere anecoiche secondo le norme militari (MIL-STD), all'aperto secondo le norme civili (CISPR, VDE); le norme commerciali FCC degli Stati Uniti suggeriscono di correlare i dati misurati in camera anecoica con quelli ottenibili in ambiente aperto.

Gli istituti italiani abilitati a rilasciare certificazioni comprovanti la conformità degli apparati ai requisiti normativi sono il CESI (Centro Elettrotecnico Sperimentale Italiano), l'IMQ (Istituto italiano del Marchio di Qualità), l'IENGF (Istituto Elettrotecnico Nazionale Galileo Ferraris) e l'ISPT (Istituto Superiore delle Poste e Telecomunicazioni). Vedi tav. f.t.

Bibl.: H. W. Ott, Noise reduction techniques in electronic systems, New York 1976; A. A. Smith, Coupling of external electromagnetic fields to transmission lines, ivi 1977; E. F. Vance, Coupling to shielded cables, ivi 1978; K. S. H. Lee, EMP interaction: principles, techniques and reference data, ivi 1986; B. Keiser, Principles of electromagnetic compatibility, Norwood 1987.