Ogni prodotto sul mercato è tenuto a soddisfare il Normative EMC che definiscono i limiti massimi per le emissioni condotte e irradiate.
Emissioni condotte sono il rumore componenti che sono generati da un dispositivo o sottocircuito e trasferiti a un altro dispositivo o sottocircuito tramite cablaggio, pcb tracce, potenza / piani di massa o capacità parassita. Le emissioni condotte che compaiono sull'interfaccia e sui cavi di alimentazione devono essere mantenute basse o possono propagarsi attraverso i cavi e raggiungere altri dispositivi, causando loro problemi.
Emissioni irradiate sono il rumore componenti che l'intero sistema genera come campo elettromagnetico, in modo che possa propagarsi nell'aria e raggiungere altri dispositivi.
Gli ingegneri sanno che la propagazione del segnale attraverso i cavi avviene senza riflessione quando la lunghezza del cavo è molto inferiore alla lunghezza d'onda del segnale (bassa frequenza). Questo è il motivo per cui le emissioni condotte sono considerate un problema per le basse frequenze, dove un modello concentrato può essere considerato per il mezzo di propagazione del segnale.
Al contrario, quando la lunghezza del cavo è molto maggiore della lunghezza d'onda del segnale (alta frequenza), la propagazione del segnale lungo il cavo avverrà senza riflessione solo se è previsto l'adattamento dell'impedenza lungo il percorso del segnale. In questo caso, la propagazione attraverso i conduttori può essere analizzata come a modello distribuito (teoria della linea di trasmissione), ma nel mondo reale i sistemi spesso presentano conduttori (cavi e circuito tracce) che non sono concepite come linee di trasmissione per alte frequenze. Tali conduttori possono facilmente irradiare segnali come un campo elettromagnetico perché si comportano come un'antenna invece che come una linea di trasmissione. Questo è il motivo per cui le emissioni irradiate sono considerate un problema per le alte frequenze.
La regola pratica comune per i progettisti è considerare il file lunghezza critica del conduttore che separa il comportamento raggruppato dal comportamento distribuito come segue:
LCRITICA= λ /6
Figura 1. Sistemi concentrati vs sistemi distribuiti.
La tabella seguente mostra la lunghezza d'onda per diverse frequenze, la lunghezza critica associata, le strutture le cui dimensioni tipiche sono paragonabili alla lunghezza critica e il tipo di emissioni tipicamente generate:
Tabella 1. Metodi tipici di propagazione delle emissioni per diverse frequenze.
Convenzionalmente, il breakpoint tra le emissioni condotte e quelle irradiate è fissato a 30MHz, dove la lunghezza d'onda (in aria libera) è di circa 10m e la lunghezza critica è di circa 1.7m.
Le normative EMC hanno lo scopo di misurare l'emissione dei dispositivi e dei loro cavi (i cosiddetti EUT - Apparecchiature in prova). Considerando che le dimensioni tipiche dei dispositivi e dei cavi associati sono fino a 1.5m, la tabella sopra mostra che le emissioni irradiate da essi possono verificarsi solo per frequenze superiori a 30MHz, dove le dimensioni dei conduttori che fanno parte dell'EUT possono essere approssimativamente più lunghe del lunghezza critica. Per frequenze inferiori a 30MHz, le emissioni irradiate non si verificano in modo significativo e in generale, è richiesto di testare l'EUT solo per le emissioni condotte.
Test delle emissioni condotte
La configurazione tipica per testare le emissioni condotte dall'EUT richiede quanto segue:
- Ricevitore EMI o analizzatore di spettro (adatto per la pre-conformità)
- LISNA (Rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea)
- Piano terra - L'EUT, il LISN e il ricevitore sono posizionati e collegati al piano di massa.
Figura 2. Configurazione base del test delle emissioni condotte.
Il LISN è un dispositivo a tre porte collegato all'EUT, al ricevitore e all'alimentatore.
Lo scopo del LISN è fornire un'impedenza standardizzata a RF attraverso il punto di misurazione dell'EUT. Il LISN accoppia il punto di misura dell'EUT al ricevitore e attenua (virtualmente elimina) i segnali di disturbo indesiderati provenienti dall'alimentatore, al fine di evitare che tali segnali influenzino l'esecuzione del test.
Esistono diversi tipi di LISN per l'analisi DC, monofase o Trifase AC. Il tipo più comune è definito in CISPR 16-1-2 e presenta all'EUT un'impedenza equivalente di 50Ω in parallelo con 50uH + 5Ω su ciascuna linea verso terra. È chiamato un tipo di "rete a V" per l'alimentazione monofase, poiché l'impedenza stabilizzata appare su ciascun braccio della "V", tra la linea o il neutro e la connessione di terra.
Figura3. LISN circuito per ogni linea della “rete a V”
Figura 4. Impedenza vs frequenza ai terminali EUT. Immagine per gentile concessione di Tekbox - Manuale utente TBLC08.
Il rumore misurato con il ricevitore deve essere confrontato con i limiti di rumore previsti dalle normative EMC. Nel caso di dispositivi monofase, le misure di rumore devono essere ripetute per ogni linea (fase e neutro).
Figura 5. LISN monofase 9KHz-30MHz di diversi produttori. Immagine per gentile concessione di NARDA e Tekbox.
Nel setup di test di base presentato sopra, il piano di massa svolge un ruolo fondamentale per standardizzare l'ambiente di test, poiché solitamente parte del rumore condotto può essere influenzato da parametri parassiti, come meglio spiegato in seguito.
Il ricevitore EMI è un dispositivo specifico progettato per test EMI, come il LISN. Si differenzia da un analizzatore di spettro generico per vari aspetti non trattati in questo articolo, ma come prima idea può essere considerato un analizzatore di spettro con specifiche caratteristiche di test EMI:
- parametri di scansione in base alle normative EMC globali (ad es. tempo di tenuta, larghezza di banda di risoluzione (RBW), rilevatore, ecc.)
- esecuzione automatica del test con controllo del LISN e commutazione tra fasi di rete in caso di alimentazione AC (monofase o Trifase)
- interfaccia software per la visualizzazione della scansione, la configurazione e il salvataggio dei risultati dei test
Figura 6. Un ricevitore EMI. Immagine per gentile concessione di NARDA
Un analizzatore di spettro può essere un sostituto meno costoso per il ricevitore EMI quando si eseguono test di pre-conformità dei prodotti durante il processo di progettazione e verifica. Una configurazione completa di test di pre-conformità (LISN + analizzatore di spettro + ground plane) può essere acquistata per meno di $ 2000, un prezzo ragionevole anche per le piccole aziende. Per un costo così contenuto è possibile effettuare una scansione delle emissioni condotte da un prodotto, scoprire emissioni di rumore eccessive e apportare correzioni prima di recarsi presso un laboratorio di prova accreditato per il test di conformità finale.
Esistono numerosi organi di governo che regolano i livelli ammissibili di emissioni generate biprodotti. L'ente di standardizzazione globale è l'IEC (International Electrotechnical Commission).
A livello regionale, esistono diversi organismi per fornire l'implementazione locale delle normative basate sugli standard EMC rilasciati dalla IEC: negli Stati Uniti, le normative più comuni sulle emissioni sono emesse dalla FCC (Federal Communications Commission), mentre in Europa lo sono rilasciato da organizzazioni CEN / CENELEC.
La tabella seguente mostra i principali standard di prodotto per le emissioni condotte e irradiate:
| Settore merceologico | Norma EN | Standard degli Stati Uniti |
| Apparecchiature multimediali (MME) | EN 55032 | FCC Part 15 |
| Attrezzature industriali, scientifiche e mediche (ISM) | EN 55011 | FCC Part 18 |
| Attrezzatura per l'illuminazione | EN 55015 | FCC Parte 15/18 |
Tabella 2. Principali standard di prodotto per le emissioni condotte e irradiate
Ogni standard è sviluppato per regolare termini, metodi di prova e limiti per le emissioni condotte e irradiate. A titolo di esempio possiamo esaminare le norme EN 55032 e FCC Parte 15.
I norma EN 55032 regola in Europa le emissioni condotte e irradiate di segnali nella gamma di frequenze da 9kHz a 400GHz per multimedia): apparecchiature con tensione di alimentazione RMS nominale non superiore a 600V. I dispositivi si dividono in due classi:
- Classe-B (commerciale): applicabile ai dispositivi utilizzati in ambienti residenziali e domestici. Devono avere emissioni inferiori ai limiti di emissione inferiori definiti per la Classe B.
- Classe A (industriale): applicabile a tutti i dispositivi che superano i limiti di Classe B. In questo caso il dispositivo deve avere emissioni al di sotto dei limiti definiti per la Classe A e può causare interferenze nelle aree residenziali, quindi il manuale del dispositivo deve contenere un avviso.
Figura 7. Limiti sulle emissioni condotte EN 55032 Classe A e Classe B. Immagine per gentile concessione di Texas Instruments.
Allo stesso modo, i prodotti progettati per il mercato statunitense devono essere conformi ai limiti equivalenti stabiliti dalla standard FCC Parte 15, sottoparte B (radiatori non intenzionali), sezione 15.107 (limiti condotti), dove i limiti di emissioni condotte sono equivalenti a quelli indicati nella EN 55032. Anche nella parte 15 FCC i dispositivi sono suddivisi in due classi:
- Classe-B: dispositivi digitali commercializzati per l'uso in un ambiente residenziale nonostante l'uso in ambienti commerciali, aziendali e industriali.
- Classe A: dispositivi digitali commercializzati per l'utilizzo in un ambiente commerciale, industriale o aziendale; Esclusi i dispositivi commercializzati per l'uso da parte del pubblico o destinati all'uso domestico.