Le prove EMC
La compatibilità elettromagnetica può essere definita come
"la capacità di un apparato, componente o installazione elettrica e/o
elettronica di funzionare correttamente nel suo ambiente elettromagnetico senza
altresì introdurre disturbi che possano interferire con il funzionamento di
altre apparecchiature presenti nello stesso ambiente". Da tale definizione
si deduce che una apparecchiatura sostanzialmente deve:
·
emettere campi elettromagnetici, sia sotto
forma condotta che irradiata, al di sotto di una soglia definita dalla
normativa;
·
essere immune a tutta una serie di
fenomeni elettromagnetici condotti ed irradiati che possono interessarla
nell'ambiente in cui è destinata ad operare (criteri di prestazione).
Di
conseguenza, le prove EMC si distinguono in:
·
Prove
di emissione (Le prove di emissione sono fondamentalmente
quattro: Emissione di disturbi irradiati (dall'involucro), Emissione di
disturbi condotti (sull'alimentazione), Emissione di correnti armoniche, Misura
della potenza di disturbo).
·
Prove
di immunità (Le prove di immunità più rilevanti sono:
Immunità ai campi elettromagnetici irradiati, Immunità ai campi
elettromagnetici condotti, Immunità alla scarica elettrostatica (ESD), Immunità
ai transitori/treni elettrici veloci (EFT/BURST), Immunità all'impulso di
tensione (SURGE), Immunità al campo magnetico generato a frequenza di rete,
Immunità ai buchi di tensione, brevi interruzioni e variazioni di tensione).
La
normativa distingue e richiede diversi gradi di immunità (criteri di
prestazione) alle diverse prove, distinguendoli in base alla tipologia di
prodotto (norma di prodotto o famiglia di prodotti) o all'ambiente in cui
l'apparecchiatura è destinata (norma generica).
·
Criterio di prestazione A:
l'apparecchiatura continua a funzionare senza l'intervento dell'operatore anche
durante l'esecuzione della prova, non è permessa nè la perdita di prestazione,
né la perdita di eventuali dati immagazzinati.
·
Criterio di prestazione B:
l'apparecchiatura deve continuare a funzionare senza l'intervanto
dell'operatore anche durante l'esecuzione della prova, è permessa la perdita di
prestazione ma non la perdita di eventuali dati immagazzinati.
·
Criterio di prestazione C:
l'apparecchiatura può perdere di funzionalità durante l'esecuzione della prova,
ma deve essere possibile ripristinarne l'operatività attraverso l'azionamento
di comandi da parte dell'operatore; non è invece permessa la perdita di
eventuali dati immagazzinati.
Per
quanto riguarda le caratteristiche che devono essere proprie della
strumentazione per le prove EMC il documento normativo di riferimento è
Misure EMC:
generalità.
Poiché le direttive incideranno sempre più nella produzione
di apparati elettronici, è importante che il prodotto nasca già con tutti i
requisiti necessari al superamento delle prove finali di certificazione, per
apporre il marchio CE sul prodotto stesso. Per fare ciò occorre inserire nei
canoni usuali della progettazione elettronica, il rispetto delle normative EMC.
Inoltre esistono in commercio sistemi di misure EMC "Precompliance"
che consentono di verificare passo passo, durante la progettazione del
prodotto, il rispetto delle normative sulla compatibilità elettromagnetica.
Tali sistemi non consentono di effettuare "una misura a norma", ma
garantiscono ottime probabilità di ottenere la certificazione del prodotto
avendo effettuato delle operazioni preliminari di misura a costi contenuti.
Molte
delle prove (tra cui la maggior parte di quelle atte a verificare immunità e
l'emissione di disturbi di tipo condotto) da effettuare per verificare la
conformità alle normative, possono essere
eseguite con strumenti dedicati disponibili in commercio, costruiti
appositamente per tale scopo e con le caratteristiche richieste dalle norme. In
altre prove, invece, sono richiesti anche degli elementi ausiliari che rendono
la prova più complessa e dove sono possibili scelte di tipo diverso, che devono
essere esaminate anche per le implicazioni di costo che ne derivano. Questo
caso riguarda in particolare le prove per misurare le emissioni
elettromagnetiche generate dall'apparecchiatura in prova e quelle in cui
vengono generati dei campi elettromagnetici per verificare l'immunità
dell'apparecchiatura in prova.
Nella figura 3 viene
rappresentata la tipologia di taluni disturbi ed emissioni elettromagnetiche.
|
Fig.
3 Esemplificazione di fenomeni EMC |
RE emissione di disturbi elettromagnetici irradiati da parte
dell'apparecchiatura in prova; RS disturbi elettromagnetici provenienti dall'esterno; CE emissione di disturbi condotti da parte
dell'apparecchiatura in prova; CS disturbi condotti provenienti
dall'esterno; E.U.T. =
apparecchiatura sotto Test |
Di seguito verranno esaminati i vari fenomeni EMC e le
prove associate per verificare la compatibilità alle normative.
Scariche elettrostatiche (EN61000-4-2)
La
normativa definisce i requisiti di immunità degli apparati alle scariche
elettrostatiche indotte dall'operatore o da altri apparati situati nelle loro
immediate vicinanze. L'immunità alla scarica elettrostatica è la capacità di
un'apparecchiatura di continuare a funzionare in modo appropriato durante e
dopo un brusco passaggio di cariche elettrostatiche sulle sue parti metalliche.
La
normativa EMC definisce dei livelli di tensioni della scarica (di forma d'onda
predefinita) cui l'apparecchiatura in esame deve essere immune, definiti in
base alla tipologia di prodotto (se esiste la specifica norma di prodotto o di
famiglia di prodotti) o in base all'ambiente in cui l'apparecchiatura è
destinata ad operare (norma generica).
La
forma d'onda della scarica elettrostatica prevede un tempo di salita del fronte
dal 10% al 90 % della corrente di picco variabile da
|
Livello di prova |
Tensione indicata |
Corrente di picco |
Corrente (+/- 30%) dopo 30 ns |
Corrente (+/- 30%) dopo 60 ns |
|
1 |
+/- 2 kV |
|
|
|
|
2 |
+/- 4 kV |
|
|
|
|
3 |
+/- 6 kV |
|
|
|
|
4 |
+/- 8 kV |
|
|
|
Le
normative generiche o di prodotto utilizzate in base alla tipologia di
apparecchiatura in prova (EN 50082-1, EN 50082-2, EN 55024, EN 55014-2),
definiscono il livello di prova per quell'apparecchiatura e il tipo di scarica
elettrostatica.
Le
prove sono effettuate tramite un generatore
duale di scariche elettrostatiche (talvolta chiamato pistola
elettrostatica), generalmente fornito di puntali per scarica in aria e scarica
per contatto. In base al prodotto da testare le norme definiscono due tipi di
test: scarica in aria e scarica per contatto. Con il primo metodo il puntale
del generatore deve essere avvicinato dall'operatore al prodotto da testare, la
scarica ad alta tensione avviene tramite un dielettrico ad aria. Con il secondo
metodo l'operatore inietta direttamente il disturbo elettrostatico sul prodotto
da testare.
Fig.
4 Generatore di scariche elettrostatiche
Gli
strumenti per i test elettrostatici sono in grado di generare delle scariche
elettrostatiche che vanno da -18kV a -0,1kV e da +0,1kV a +18kV (scarica in
aria). Normalmente vi è un selettore posto sul pannello frontale dello
strumento, con si può impostare la portata della scarica elettrostatica
disponibile sulla punta del probe; generalmente vi è una posizione che attiva
un potenziometro che permette di selezionare un potenziale variabile a partire
da un minimo di 0,5kV fino ad un massimo di 9kV (scarica per contatto) che possono
essere misurati tramite un voltmetro digitale posto sul pannello frontale. Le
altre posizione del selettore impostano dei potenziali fissi di 9kV, 10kV,
12kV, 14kV, 16kV, 18kV . In tutte le posizioni del selettore, un voltmetro
digitale misura il potenziale impostato sul probe in kV (kiloVolt). É possibile
impostare un potenziale negativo semplicemente invertendo l'ordine di
collegamento dei due cavi che vanno al probe.
Emissioni
armoniche di rete - EN61000-3-2
Questa
normativa definisce i limiti di distorsione della sinusoide di rete generata
dall'apparato sulla linea di alimentazione.
La
finalità della prova è di verificare che l’ampiezza delle armoniche di rete nel
campo di frequenza 50-2000Hz (fino alla 40ª armonica) siano contenute entro
livelli inferiori a quelli consentiti ed è realizzata inserendo una sonda di
corrente tra l’EUT e una scheda di acquisizioni dati.
Fig.
5 Sonda di corrente
Il
segnale d’uscita della sonda di corrente (connettore BNC) viene portato
direttamente in ingresso a una scheda di acquisizione dati in grado di
effettuare un’analisi di Fourier in tempo reale del segnale campionato.
La
sonda di corrente ha generalmente una banda passante di 10kHz, consentendo
quindi che la valutazione fino alla 40ª armonica di rete (2kHz), prevista dalla
normativa, avvenga senza alcuna attenuazione di frequenze.
Fig.
6 Esempio di analisi armonica
E'
importante che il software utilizzato, discrimini in maniera precisa la
fondamentale a 50Hz e visualizzi soltanto le armoniche di ordine superiore,
eliminando tutto ciò che non interessa. La misura in ampiezza viene
generalmente data direttamente, sia in dB che in Ampere, spostandosi sulla
traccia visualizzato con il cursore del mouse.
Emissioni
condotte - EN55011/55014/55022
La
normativa definisce i limiti delle caratteristiche di radiodisturbo generati
dagli apparati e portate dai suoi cavi nell'ambiente esterno.
Mediante un
ricevitore e degli appositi sensori si verifica il livello delle emissioni
prodotte dall'apparecchiatura in prova e portate all'esterno tramite i cavi di
alimentazione e di collegamento ad altre apparecchiature. La
finalità della prova è di verificare che le misure di emissioni nel campo di
frequenza 0.15-30MHz siano contenute entro livelli inferiori a quelli
consentiti ed è realizzata inserendo una rete stabilizzatrice d'impedenza di
linea (LISN) tra l'apparecchiatura da testare (EUT) e un analizzatore di
spettro o un ricevitore gestito da un calcolatore.
Fig.
7 LISN
La
rete stabilizzatrice d'impedenza (LISN) consente di testare le apparecchiature
in modo che non generino segnali di interferenza oltre i limiti stabiliti, sui
conduttori neutro o fase della linea di potenza. Per rispettare i requisiti
CISPR 16, banda B, vengono eseguite prove di conduttanza con
Le
caratteristiche principali per le LISN sono:
·
Possibilità di utilizzo con idoneo
Analizzatore di Spettro o ricevitore di misura per prove di emissione condotta.
·
Capacità di misure sui conduttori di fase
o neutro nel campo di frequenza 150kHz-30MHz.
·
Posizione "off" per controllare
il livello di rumore minimo del sistema di misura o la presenza di segnali di
interferenza spurii.
·
Prestazione continua a 5A/16A/25A.
·
Protezione contro transitori di
chiusura/apertura.
·
La rete filtro soddisfa le specifiche
CISPR16 per la banda B
Disturbi condotti EN 61000-4-6
La
normativa EMC definisce dei livelli di disturbi condotti (indotti da campi a
radiofrequenza) cui l'apparecchiatura in esame deve essere immune, definiti in
base alla tipologia di prodotto (se esiste la specifica norma di prodotto o di
famiglia di prodotti) o in base all'ambiente in cui l'apparecchiatura è
destinata ad operare (norma generica).
L'immunità
ai disturbi condotti, indotti da campi a radiofrequenza, è la capacità di
un'apparecchiatura di funzionare quando i disturbi sono presenti sulle linee di
alimentazione o di segnale. La prova
consiste nel generare dei disturbi che simulano l'ambiente esterno per quanto
riguarda i fenomeni elettromagnetici, i quali poi sono applicati all'apparecchiatura
sotto test per valutarne, in queste condizioni, la capacità di operare in modo
corretto (immunità).
Per
la prova di immunità ai disturbi condotti si utilizzano: un generatore,
controllato mediante calcolatore, in grado di generare disturbi a radiofrequenza,
che vengono successivamente amplificati ed accoppiati sulle linee di
alimentazione ed eventualmente di segnale.
La
prova avviene usualmente con i seguenti parametri di misura:
·
intervallo di frequenze: da 150 kHz a
80/230 MHz;
·
passo di scansione: 1%;
·
modulazione: 80 % AM - 1 kHz.
La
norma di base (CEI EN 61000-4-6) distingue fondamentalmente tre livelli di
prova:
|
Livello di
prova |
Livello di
tensione [V] |
Livello di
tensione [dBmV] |
|
1 |
1 |
120 |
|
2 |
3 |
130 |
|
3 |
10 |
140 |
Si
riportano di seguito i livelli di immunità ai disturbi condotti (indotti da
campi a radiofrequenza) ed i criteri di prestazione richiesti dalle principali
norme generiche e di prodotto:
|
Normativa di
riferimento |
Livello di
prova |
Criterio di
prestazione |
|
CEI EN 50082-1 |
2 |
A |
|
CEI EN 50082-2 |
3 |
A |
|
CEI EN 55024 |
2 |
A |
|
CEI EN 55014-2 |
2 (al. c.a.) 1 (al. c.c. - segnale) |
A |
Immunità ai transitori/treni elettrici veloci
(BURST) EN 61000-4-4
La
normativa EMC definisce dei livelli di prova cui l'apparecchiatura in esame
deve essere immune, definiti in base alla tipologia di prodotto (se esiste la
specifica norma di prodotto o di famiglia di prodotti) o in base all'ambiente
in cui l'apparecchiatura è destinata ad operare (norma generica).
L'immunità
ai transitori/treni elettrici veloci è la capacità di un'apparecchiatura di
funzionare durante e dopo l’accoppiamento di transitori elettrici veloci (con
frequenza dell'ordine del kHz) sulle linee di alimentazione.
Tipicamente
per la prova di immunità a transitori/treni elettrici veloci si utilizza un
generatore in grado di produrre treni elettrici veloci, alla frequenza di 5 kHz
e di forma d'onda predefinita, che vengono accoppiati sull'alimentazione ed
eventualmente sui cavi di segnale presenti nell'apparecchiatura in prova
I
transitori/treni elettrici veloci (BURST) che il generatore provvede ad
accoppiare sull'alimentazione, in modo diretto o attraverso una pinza
capacitiva, sono caratterizzati dai seguenti parametri fondamentali:
·
tempo di salita del singolo impulso: 5 ns
(+/- 30%);
·
durata dell'impulso (50% del valore): 50
ns (+/- 30%);
·
durata del terno di impulsi: 15 ms;
·
periodo di ripetizione del treno di
impulsi: 300 ms;
Per
quanto riguarda il valore del picco di tensione dell'impulso e la frequenza di
ripetizione degli stessi all'interno del treno di impulsi, la norma di base
(CEI EN 61000-4-4) distingue quattro livelli:
|
Livello di
prova |
Picco di
tensione su porta PE (+/- 10 %) |
Frequenza di
ripetizione |
Picco di
tensione su porta segnale (+/- 10 %) |
Frequenza di
ripetizione |
|
1 |
+/- 0,5 kV |
5 kHz |
+/- 0,5 kV |
5 kHz |
|
2 |
+/- 1 kV |
5 kHz |
+/- 1 kV |
5 kHz |
|
3 |
+/- 2 kV |
5 kHz |
+/- 2 kV |
5 kHz |
|
4 |
+/- 4 kV |
2,5 kHz |
+/- 4 kV |
5 kHz |
Si riportano di seguito i livelli di immunità ai transitori/treni
elettrici veloci ed i criteri di prestazione richiesti dalle principali norme
generiche e di prodotto:
|
Normativa di
riferimento |
Livello di
prova |
Criterio di
prestazione |
|
CEI EN 50082-1 |
2 (al. c.a.) |
B |
|
CEI EN 50082-2 |
3 (al. c.a. - al. c.c.) |
B |
|
CEI EN 55024 |
2 (al. c.a.) |
B |
|
CEI EN 55014-2 |
2 (al. c.a.) |
B |
Immunità
all’impulso di tensione (SURGE) EN 61000-4-5
La
normativa EMC definisce dei livelli di impulso di tensione (di forma d'onda
predefinita) cui l'apparecchiatura in esame deve essere immune.
L'immunità
all'impulso di tensione è la capacità di un'apparecchiatura di funzionare
durante e dopo l’accoppiamento sull'alimentazione di un impulso di tensione
(esempio sovratensione da fulmine). Per la prova di immunità all'impulso di
tensione si utilizza un generatore producente gli impulsi di tensione che
vengono accoppiati direttamente tra le fasi dell'alimentazione: di modo comune
(CM) e di modo differenziale (DM). L'impulso di tensione che il generatore
provvede ad accoppiare sull'alimentazione sono caratterizzati dai seguenti
parametri fondamentali:
·
tempo di salita dell'impulso: 1,2 ms;
·
tempo all'emivalore: 50 ms;
La norma di base (CEI
EN 61000-4-5) distingue fondamentalmente quattro livelli di prova:
|
Livello di prova |
Picco di tensione (+/- 10%) |
|
1 |
+/- 0,5 kV |
|
2 |
+/- 1 kV |
|
3 |
+/- 2 kV |
|
4 |
+/- 4 kV |
Si riportano di seguito
i livelli di immunità ai transitori/treni elettrici veloci ed i criteri di
prestazione richiesti dalle principali norme generiche e di prodotto:
|
Normativa di
riferimento |
Livello di
prova |
Criterio di
prestazione |
|
CEI EN 50082-1 |
3 (CM al. c.a.) |
B |
|
CEI EN 50082-2 |
4 (CM al. c.a.) |
B |
|
CEI EN 55024 |
3 (CM al. c.a.) |
B |
|
CEI EN 55014-2 |
3 (CM al. c.a.) |
B |