LABORATORIO DI ELETTROTECNICA

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIA Polo Scientifico e Didattico di Terni Facoltà di Ingegneria Corso di laurea in Ingegneria Industriale LABORATORIO DI ELETTROTECNICA (Compatibilità Elettromagnetica Industriale) A.A. 2013/2014 Ing. Antonio Faba 1

Compatibilità Elettromagnetica Industriale CONTENUTI: Generalità sulla compatibilità elettromagnetica Le linee di trasmissione Cenni su Antenne Oscilloscopio Analizzatore di spettro 2

Generalità sulla compatibilità elettromagnetica. 3

Introduzione Primi del 1900: aumento dell elettrificazione, nascita dei primi fenomeni di interferenza elettromagnetica. 1930: l IEC (International Electrotechnical Commission) istiutisce il CISPR (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques). Successivamente Istituzione dell FCC (Federal Communications Commission) negli Stati Uniti. Istituzione del CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique ) in europa. Istituzione del CEI (Comitato Elettrotecnico Italiano). 4

Introduzione 1989: Emissione della Direttiva Europea 89/336/CEE, Per la Certificazione CE di un apparecchiatura elettrica o elettronica devono essere soddisfatti i requisiti della compatibilità elettromagnetica. Decreto legge N. 476 del 4 Dicembre 1992: l Italia recepisce la Direttiva Europea 89/336/CEE e fissa per il 1996 l inizio dell obbligo per il rispetto dei requisiti della Compatibilità Elettromagnetica per tutte le apparecchiature elettriche ed elettroniche commercializzate all interno del territorio nazionale. 5

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. L interazione elettromagnetica tra due apparati elettrici avviene secondo il seguente schema: Apparato emettitore Percorso di accoppiamento Apparato ricevitore Quando l energia entrante nel ricevitore causa un malfunzionamento dello stesso si verifica un fenomeno di: Interferenza 6

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Affinchè si verifichi un fenomeno di interferenza: l energia del segnale di disturbo deve essere sufficientemente elevata (superiore al livello di suscettibilità dell apparato ricevitore) il contenuto spettrale del segnale di disturbo sia sufficientemente ampio (tanto da interferire con le frequenze di funzionamento dell apparato ricevitore). Possibili soluzioni per la riduzione o l eliminazione dei fenomeni di interferenza: Soppressione dell emissione dalla sorgente. Rendere meno efficiente il fenomeno dell accoppiamento elettromagnetico. Rendere il ricevitore meno suscettibile all interferenza. (Queste soluzioni sono spesso vincolate da parametri progettuali ed economici) 7

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Fenomeni legati al trasferimento dell energia elettromagnetica - Emissione: livello e caratteristiche dell energia elettromagnetica emessa dal trasmettitore. - Suscettibilità (immunità): grado di suscettibilità del ricevitore rispetto ad un determinato livello di energia elettromagnetica ricevuta. Modalità di accoppiamento - Irradiazione: propagazione di onde elettromagnetiche nell aria. - Conduzione: propagazione di segnali in tensione e corrente lungo le connessioni elettriche. 4 possibili fenomeni risultanti: - emissioni radiate - suscettività radiate - emissioni condotte - suscettività condotte 8

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Emissioni condotte Emettitore Componente generatore di disturbi Suscettibilità condotte Componente potenzialmente suscettibile Ricevitore 9

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Emissioni radiate Emettitore Componente generatore di disturbi Suscettibilità radiate Componente potenzialmente suscettibile Ricevitore 10

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Fenomeni correlati Emettitore Componente generatore di disturbi Componente potenzialmente suscettibile Ricevitore 11

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Coordinamento tra livelli di emissione, compatibilità, immunità, suscettibilità Livello di immunità di una apparecchiatura che risponde ai requisiti normativi Livello di disturbo Livello d immunità standard (livello fissato dalle normative) Margine di compatibilità elettromagnetica Livello di emissione standard (livello fissato dalle normative) Livello di emissione di una apparecchiatura che risponde ai requisiti normativi 12

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Problematiche di compatibilità elettromagnetica I fenomeni di interferenza elettromagnetica tra apparati elettrici hanno prodotto in passato diversi e documentati incidenti che hanno causato anche perdite di vite umane. Questi incidenti gravi sono accaduti in ambiente militare, ed in particolar modo in ambito avionico e navale. I fenomeni di interferenza sono particolarmente fastidiosi nelle telecomunicazioni e in ambito industriale dove la loro presenza può spesso pregiudicare il corretto funzionamento degli appartati fin anche a renderli inutilizzabili. Queste problematiche si traducono molto spesso in perdite di tipo economico legate a riduzioni dei livelli di efficienza e produttività. Esempi di fenomeni tipici che possono generare interferenze: 13

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Commutazione di carichi induttivi con contatti a secco (apparecchiature che aprono-chiudono circuiti mediante contatti separabili: contattori, interruttori, ecc.) + V - R L Comportamento dipende dal carico: Sulla parte resistiva non si generano sovratensioni di disturbo Sulla parte induttiva si generano: - sovratensioni fino a 10 kv - oscillazioni smorzate della tensione a frequenze superiori di quella di funzionamento per alcuni ms. 14

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Il funzionamento di convertitori AC/DC, AC/AC genera: - brusche discontinuità imposte alla corrente - disturbi a banda larga (da pochi khz a qualche centinaio di MHz) - disturbi condotti attraverso la rete d alimentazione, interpretati erroneamente come segnali di sincronismo o controllo. Tiristore Transistore IGBT Massima tensione inversa Massima corrente di conduzione Massima frequenza di commutazione 1.6 kv 1.2 kv 1.2 kv 1.5 ka 0.5 ka 0.4 ka 3 khz 5 khz 20 khz 15

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Motori elettrici - A corrente continua commutazioni spazzole-collettore, discontinuità della corrente negli avvolgimenti, sovratensioni. es: disturbi condotti ad apparati TV - Asincroni saturazione magnetica (non linearità), corrente assorbita non sinusoidale: generazione di armoniche; durante l avviamento forte richiamo di corrente: buchi di tensione sulla rete di alimentazione es: disturbi in ambito industriale Lampade fluorescenti correnti assorbite non sinusoidali (produzione di armoniche di corrente); arco elettrico (produzione di disturbi radiati e condotti fino a qualche decina di MHz); 16

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Forma d onda della corrente Armoniche di corrente 1.50E+00 1.00E+01 1.00E+00 1.00E+00 5.00E-01 1.00E-01 [A] [A] 0.00E+00 1.00E-02-5.00E-01 1.00E-03-1.00E+00 1.00E-04-1.50E+00 0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02 [s] 1.00E-05 0.00E+00 1.00E+02 2.00E+02 3.00E+02 4.00E+02 5.00E+02 [Hz] 25 Emissione radiata 50 Emissione condotta 20 40 15 30 dbµ V dbµ V 10 20 5 10 0 0 200 400 600 800 1000 MHz 0 17 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 [khz]

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Scariche elettrostatiche accumulo di cariche elettrostatiche; arco elettrico; effetti: - trasferimento diretto di cariche: rottura dei componenti elettronici - onda elettromagnetica: malfunzionamento sistema 18

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Intercettazioni Possibilità di risalire a dati e comunicazioni da emissioni radiate; Prevenire l intercettazione; Problematica importante in ambito commerciale, industriale e militare; Fenomeno denominato TEMPEST 19

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Esplosione nucleare (a grande distanza o ad alta quota) sviluppo di un impulso elettromagnetico EMP (Electromagnetic Pulse); danneggiamento di strumentazione elettronica (dispositivi a semiconduttori) non dovuta a effetti diretti ma in seguito all onda elettromagnetica di forte intensità; problematica: proteggere la strumentazione di telecomunicazione ed elaborazione dati; Fenomeno importante in ambito militare. 20

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. A frequenze maggiori di 2.42 10 15 Hz è associata un energia tale da determinare la ionizzazione della molecola dell acqua: tali radiazioni sono dette ionizzanti (RI). Di contro per frequenze inferiori a 2.42 10 15 Hz si parla di radiazioni non ionizzanti (NIR). SPETTRO SIGLA LUNGHEZZA D ONDA INTERVALLI DI FREQUENZA Frequenze estremamente basse ELF(Etremely low frequency) >30 km 0 Hz 10 khz Radiofrequenze VLF,LF,MF,HF,VHF 30 km - 1 m 10 khz 300 MHz Microonde UHF, SHF, EHF 1 m - 1 mm 300 MHz 300 GHz Radiazioni ottiche Infrarosso C B A Visibile Ultraviolet 1000 nm - 400 nm 0.3 THz 3000 THz 21

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Apparato per ambienti commerciali 22

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Apparato per ambienti industriali 23

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Apparato per Telecomunicazioni 24

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Apparati elettromedicali 25

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Apparato utilizzato in ambiente Navale 26

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Apparato utilizzato in ambiente Aerospaziale 27

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. 28

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Autoveicoli 29

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Difesa 30

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Avionica 31

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Alcune figure professionali che si occupano di compatibilità elettromagnetica: -Docenti universitari e Ricercatori -Responsabili della sicurezza -Responsabili della gestione qualità -Ingegneri e tecnici progettisti -Consulenti per la certificazione di prodotto 32

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità. Attività di collaborazione esterna del Laboratorio di Caratterizzazione Elettromagnetica del Polo Scientifico e Didattico di Terni DOMESTICO WRAP S.p.A. CLAM s.r.l. CERTIFICO S.r.l AEROSPAZIALE INFN Università Roma 2 Era Electronic Systems S.r.l. INDUSTRIALE RENZACCI S.p.A. Tiemme elettronica S.a.S PMS S.r.l Steroglass S.r.l. ItalProget s.n.c. PeakSol E.T.L ITACO S.r.l. EDA TELECOMUNICAZIONI Elettrosys S.r.l. EMClab nazionale 17% sede nel lazio 14% altro 6% ELETTROMEDICALI M.E.D. Elettronica ELBOTEC sede in umbria 63% DIFESA EIS S.r.l. Angelantoni Industrie ELES Semiconductor Equipment POWERFLEX MBDA Italia S.p.A. GAROFOLI EMClab INQUINAMENTO AMBIENTALE Ministero dell Ambiente Regione Umbria Comune di Perugia TIM VODAFONE WIND H3G RAI WAY MEDIASET Centro Sviluppo Materiali Dott. Ilario Meluni Wienerberger Tacconi SRL 33

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura. GRANDEZZE E UNITÀ DI MISURA Unità di misura utilizzate nel Sistema Internazionale. - grandezze primarie: tensioni V in [V], intensità di corrente I in [A]; campo elettrico E in [V/m], campi magnetici H in [A/m]; - grandezze associate: potenza P in [W]; densità di potenza S in [W/m 2 ]. 34

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura. Nella compatibilità elettromagnetica si usano i decibel: - grandezze primarie: tensioni V in [dbmv], [dbµv]; intensità di corrente I in [dbma], [dbµa]; campo elettrico E in [dbmv/m], [dbµv/m]; campi magnetici H in [dbma/m], [dbµa/m]. - grandezze associate: potenza P in [dbm]; densità di potenza S in [dbmw/m 2 ]. 35

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura. Esempi di conversioni lineare - decibel: [mv] => 20log 10 ( mv / 1 mv); 150.2 [mv] => 20log 10 (150.2 mv / 1 mv) = 43.5 [dbmv] [µa] => 20log 10 ( µa / 1 µa); 68.4 [µa] => 20log 10 (68.4 µa / 1 µa) = 36.7 [dbµa]; [µv/m] => 20log 10 ( µv/m / 1 µv/m); 236.7 [µv/m] => 20log 10 (236.7 µv/m / 1 µv/m) = 47.4 [dbµv/m]; [mw] => 10log 10 ( mw / 1 mw); 120.7 [mw] => 10log 10 (120.7 mw / 1 mw) = 20.8 [dbm]. 36

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura. I decibel permettono di comprimere la dinamica dei dati (miglior visualizzazione in display strumentali). 2000 70 1800 65 1600 60 1400 55 [µv/m] 1200 1000 800 [dbµv/m] 50 45 40 600 35 400 30 200 25 0 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000 20 0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000 [Hz] [HZ] Tracciato di un test di emissione radiata in lineare Stesso tracciato in db 37

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura. I decibel permettono di sfruttare le proprietà dei logaritmi. V 1 V 2 V 3 V 4 Generatore Cavo1 Amplificatore Cavo2 Antenna Attenuazione (V 2 /V 1 ) Guadagno (V 3 /V 2 ) Attenuazione (V 4 /V 3 ) Esempio: Attenuazione cavo1 = 1 db; Guadagno amplificatore = 50 db; Attenuazione cavo2 = 3 db; tensione generata 6 dbmv; Tensione sull antenna V 4 = 6 dbmv 1 db + 50 db 3 db = 52 dbmv I prodotti diventano somme e i rapporti diventano sottrazioni. 38

Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura. In condizioni di adattamento il guadagno in tensione o corrente coincide con quello in potenza. i in i out + + v in R in R out v out - - Guadagno di potenza db =10 log 10 (P OUT / P IN ) Guadagno di tensione db =20 log 10 (v OUT / v IN ) Guadagno di corrente db =20 log 10 (i OUT / i IN ) - In condizioni di adattamento R OUT = R IN : 10log 10 (P OUT / P IN ) = 10log 10 (v OUT2 /R OUT / v IN2 /R IN ) = 10 log 10 (v OUT2 / v IN2 ) = 20 log 10 (v OUT / v IN ) G in potenza = G in tensione 39

Linee di trasmissione 40

Linee di Trasmissione - Fenomeno della Propagazione Elettromagnetica V(t) Linea ideale senza elementi dissipativi Z carico = 0 = L Se V(t) è sinusoidale e se la lunghezza d onda della tensione λ è inferiore alla lunghezza della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo: V() All istante t + t = 0 = L All istante t 41

Linee di Trasmissione - Fenomeno della Propagazione Elettromagnetica V(t) Linea con elementi dissipativi Z carico = 0 = L Se V(t) è sinusoidale e se la lunghezza d onda della tensione λ è inferiore alla lunghezza della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo ( lo stesso per i(,t)): v() All istante t + t = 0 = L All istante t 42

Linee di Trasmissione Ipotesi di propagazione TEM: Campo elettrico e campo magnetico ortogonali tra loro e propagazione in direzione ortogonale al piano su cui giacciono E r r H conduttore conduttore Materiale isolante (ε,µ,σ) Sezione di un cavo coassiale E r dl = H r dl = v(, t) i(t, ) v = v(,t) i = i(,t) coordinata lungo la quale si estende il cavo coassiale 43

Linee di Trasmissione L obiettivo di questa trattazione è determinare v = v(,t) e i = i(,t) nelle ipotesi sopra specificate e a regime sinusoidale: r l i(,t) i( +, t) v(,t) g v( +, t) c La linea è suddivisa in tante celle di lunghezza << λ, dove λ è la lunghezza d onda del segnale che si propaga Ogni cella può essere trattata a parametri concentrati 44

Linee di Trasmissione r l i(,t) i( +, t) v(,t) g v( +, t) c r = resistenza per unità di lunghezza dei conduttori [Ω/m] l = induttanza per unità di lunghezza dei conduttori [H/m] g = conduttanza per unità di lunghezza del materiale isolante tra i due conduttori [1/ Ωm] c = capacità per unità di lunghezza tra i due conduttori [F/m] 45

Linee di Trasmissione i(,t) r l i( +, t) v(,t) g v( +, t) c i(, t) v( +, t) = v(, t) r i(, t) l t v( +, t) i( +, t) = i(, t) g v( +, t) c t v( +, t) v(, t) i(, t) = r i(, t) l t i( +, t) i(, t) v( +, t) = g v( +, t) c t 46

Linee di Trasmissione lim 0 v(, t) i(, t) = r i(, t) l t i(, t) v(, t) = g v(, t) c t Equazioni delle linee di trasmissione o equazioni dei telegrafisti A regime sinusoidale: v(,t) i(,t) V() & & I() dv() & = r & I() jωl & I() d di() & = g V() & jωc V() & d dv() & = Zl & I() d di() & = Yt V() & d Z Y l t Impedenza longitudinale Ammettenza trasversale 47

Linee di Trasmissione 2 d V() & di() & = Zl 2 d d 2 d & I() dv() & = Y 2 t d d d condizioni al contorno 2 V() & 2 d 2 d & I() d 2 = = Z Y Z Y l V(0) & = V& & I(0) = & I l t t V() & & I() I 0 0 Due equazioni differenziali del secondo ordine omogenee e tra loro disaccoppiate La soluzione relativa alle equazioni differenziali specificate sopra, prendendo ad esempio quella che esprime la tensione elettrica ha la seguente forma: V() & = K 1 e α 1 + K e 2 α 2 dove α 1 e α 2 sono le soluzioni dell equazione omogenea associata: α 2 Z l Y t = 0 α 1,2 = ± ZlYt 48

Ricavando K 1 e K 2 dalle due equazioni si ottengono le seguenti soluzioni: Linee di Trasmissione Impedenza Caratteristica Sfruttando le condizioni al contorno: 0 l 2 2 1 1 0 2 1 0 I Z K K d dv() K K V & & & = + α = α + = Ricavando K 1 e K 2 dalle due equazioni si ottengono le seguenti soluzioni: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Y Z 0 c 0 c Y Z 0 c 0 c Y Z 0 c 0 Y Z 0 c 0 t l t l t l t l e I Z V Z 1 2 1 e I Z V Z 1 2 1 I() e I Z V 2 1 e I Z V 2 1 V() + + + = + + = & & & & & & & & & & c Z = Impedenza caratteristica della linea = c j g l j r Y Z t l ω + ω + = dove 49

Linee di Trasmissione Per tornare nel dominio del tempo: v(, dove: V V + t) = = = 1 2 1 2 In definitiva: [ ] ( ) ( ) & jωt + ZlYt jωt + ZlYt e = Re V e e + V e Re V() ( V& + Z & I ) 0 c 0 ( V & Z & I ) 0 ci0 termine progressivo termine regressivo e jωt v(, t) v(, t) = = V + [ ( ) ( ) ( ) ( ) ] + + + α+ jβ jωt α+ jβ jωt cos θ + jsenθ e e + V cos θ + jsenθ e e α ( + ) α ( ) e cos ωt β + θ + V e cos ωt + β + θ Re V dove: + + ( + + ) V = V cosθ + jsenθ Z l Y t = α + jβ e V = V ( ) cosθ + jsenθ 50

Linee di Trasmissione In conclusione l andamento rispetto a e t della tensione è espresso dalla seguente equazione: v(, t) + α ( + ) α ( ) ωt β + θ + V e cos ωt + β + θ = V e cos Una espressione del tutto equivalente può essere trovata anche per la corrente. Questa espressione è caratterizzata dalla somma di due termini, il primo rappresenta un onda di tensione smorzata che si propaga dalla sorgente al carico (onda progressiva, così come ci si aspettava), il secondo rappresenta un onda di tensione smorzata che si propaga dal carico alla sorgente (onda regressiva, inaspettata). Lungo la linea di trasmissione agisce un onda di tensione somma delle due onde progressiva e regressiva. Lo stesso fenomeno si verifica anche per la corrente. 51

Linee di Trasmissione V() Onda progressiva Lo stesso fenomeno avviene per l onda di corrente i(,t). Per cui si verifica la presenza di un flusso di potenza progressivo e di uno regressivo. = 0 = L In altre parole non tutta la potenza generata dalla sorgente raggiunge il carico, una parte viene riflessa. E molto importante quindi trovare una condizione per la quale la potenza venga utilizzata tutta dal carico senza riflessioni. Onda regressiva Condizione 52 di adattamento

Linee di Trasmissione Coefficiente di Riflessione Per determinare la condizione di adattamento bisogna prima definire il coefficiente di riflessione: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) + + + + = + + + + e V e V e V e I Z V Z e I Z V Z e I Z V e I Z V I V Y Z Y Z Y Z Y Z c c Y Z c c Y Z c Y Z c t l t l t l t l t l t l 1 1 2 1 1 2 1 2 1 2 1 ) ( ) ( 0 0 0 0 0 0 0 0 & & & & & & & & & & & ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Γ + Γ = = Γ + = + + + + Z I V e V e V e V e V e Z V e V e V I V c Y Z Y Z Y Z Y Z Y Z c Y Z t l t l t l t l t l t l 1 1 ) ( ) ( 1 1 ) ( ) ( & & & & Coefficiente di riflessione 53

Linee di Trasmissione Condizione di adattamento Il coefficiente di riflessione è il rapporto tra l intensità dell onda regressiva e l intensità di quella progressiva in corrispondenza di una generica coordinata. La condizione di adattamento si ha quando è nulla l onda regressiva in corrispondenza del carico quindi quando è nullo il coefficiente di riflessione in corrispondenza del carico per cui: V& ( L) I& ( L) = Z c 1+ Γ 1 Γ ( L ) ( L) = Z c Z L = Z c La condizione di adattamento si ha quando l impedenza di carico coincide con quella caratteristica di linea. 54

Attenuazione dei Cavi Nei set-up di misura tutti i segnali in tensione o in corrente e i flussi di potenza ad essi associati, sono veicolati attraverso dei cavi di misura che in genere sono cavi coassiali con una impedenza caratteristica standard di 50 Ω I segnali vengono trasmessi dai trasduttori di misura (antenne, sonde di tensione, sonde di corrente, reti di accoppiamento ecc ) agli strumenti di misura (ricevitori, analizzatori di spettro, oscilloscopi ecc ). Lo strumento di misura rileva l intensità del segnale prodotto dal trasduttore meno l attenuazione del cavo di trasmissione. La misura può essere corretta sommando alla misura l attenuazione. L attenuazione del cavo è fornita dal costruttore in funzione della frequenza Strumento di misura P 2 V 2 I 2 cavo P 1 V 1 I 1 Trasduttore 55

Attenuazione dei Cavi Attenuazione in termini di potenza Attenuazione in termini di tensione Attenuazione in termini di corrente 10 log 20 log 20 log 10 10 P P V V I I 2 1 2 1 2 10 1 [db] [db] [db] In condizioni di adattamento (impedenza d ingresso dello strumento di misura pari all impedenza caratteristica del cavo) questi tre attenuazioni in [db] coincidono. Il costruttore fornisce l attenuazione del cavo in funzione della frequenza attraverso tabelle e grafici. L attenuazione di un cavo tende ad aumentare all aumentare della frequenza: perché aumenta la resistenza per unità di lunghezza a causa dell effetto pelle, perché aumenta la reattanza induttiva (ωl) e perché diminuisce la reattanza capacitiva (1/ ωc). 56

Attenuazione dei Cavi Esempi di diagrammi di attenuazione di 2 diversi cavi: SCHAFFNER IL9513 Lunghezza 5 metri Banda 9 khz 1 GHz REYNOLDS 269-0195-10M0-5002 Lunghezza 5 metri Banda 1 GHz 18 GHz 1,2 1 10 9 8 0,8 7 6 [db] 0,6 [db] 5 4 0,4 3 0,2 2 1 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 [MHz] 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 [GHz] 57

Antenne 58

Onde piane e uniformi In generale il campo elettrico e il campo magnetico sono funzioni dello spazio e del tempo di questo tipo: r E = E r H = H r (, y, z, t) a + E y (, y, z, t) a y + Ez (, y,z, t) a z r r r (, y,z, t) a + H y (, y, z, t) a y + H z (, y, z, t) a z Un onda elettromagnetica è definita PIANA quando in un qualsiasi punto dello spazio i vettori del campo elettrico e del campo magnetico giacciono su di un piano, e considerando due punti diversi dello spazio i due piani relativi sono tra loro paralleli. Tale onda elettromagnetica è definita anche UNIFORME quando i valori del campo elettrico e del campo magnetico sono indipendenti dalla posizione sul piano. E inoltre possibile dimostrare che se il campo elettrico è diretto lungo l asse, il campo magnetico avrà direzione lungo l asse y e la propagazione avviene lungo z: r E = E r H = H r a r z, t a ( z, t) r y ( ) y r 59

Onde piane e uniformi In queste condizioni se il campo elettrico e il campo magnetico variano nel tempo con legge sinusoidale si verifica un fenomeno di propagazione ondosa del tutto simile a quello studiato nel caso delle linee di trasmissione. E(z) All istante t + t z = 0 z = L z All istante t 60

Onde piane e uniformi Nelle ipotesi sopra specificate è possibile esprimere due relazioni che legano campo elettrico e campo magnetico: E z H y ( z, t) H y ( z, t) ( z, t) z = µ = σe t ( z, t) ε E ( z, t) t µ = permeabilità magnetica σ = conducibilità elettrica ε = permettività A regime sinusoidale le espressioni diventano: de& dz dh& y dz ( z) ( z) = jωµ H& = y ( z) ( σ + jωε ) E& ( z) 61

Onde piane e uniformi Impedenza intrinseca del mezzo E possibile disaccoppiare le due equazioni derivandole rispetto a z: d d 2 2 E& dz H& dz 2 y 2 ( z) ( z) = jωµ = jωµ ( σ + jωε ) E& ( z) ( σ + jωε ) H& ( z) Analogamente a quanto visto con le linee di trasmissione la soluzione di queste due equazioni differenziali è la seguente: y E& H& y + [ jωµ ( σ+ jωε )] z [ jωµ ( σ+ jωε )] z = E e + E e + E [ jωµ ( σ+ jωε )] z E jωµ ( σ+ jωε = e + e ) η η [ ]z η = jωµ σ + jωε Impedenza intrinseca del mezzo nel quale si propaga l onda elettromagnetica; nel vuoto vale 377 Ω. 62

Onde piane e uniformi Costante di propagazione E H y A questo punto è possibile tornare nel dominio del tempo: ( ) [ ] ω + α ( + ) α ( ) z, t = Re E& j t z z e = E e cos ωt βz + θ + E e cos ωt + βz + θ + ( ) [ ] ω E α ( + ) E α ( ) z, t = Re H& j t z z e = e cos ωt βz + θ θ e cos ωt + βz + θ θ dove: y η η η η ( σ + jωε) = α + β jωµ j Questo numero complesso è la costante di propagazione Come per le linee di trasmissione le espressioni di campo elettrico e campo magnetico sono caratterizzate dalla somma di due termini, il primo rappresenta un onda progressiva smorzata, il secondo rappresenta un onda regressiva smorzata. Lo smorzamento dipende da α ed è presente solo se σ 0. In un mezzo perfettamente isolante α risulta 0 e non c è smorzamento per l onda piana e uniforme. 63

Onde piane e uniformi E (z) Onda progressiva z = 0 z z = L Lo stesso comportamento si ha anche per il campo magnetico L onda regressiva è presente solo se l onda progressiva incontra un mezzo avente impedenza intrinseca diversa da quello in cui si sta propagando Onda regressiva 64

Onde piane e uniformi Coefficiente di riflessione Se si considera un onda piana e uniforme che incide su di una superficie piana e indefinita di separazione tra due mezzi diversi, è possibile definire il coefficiente di riflessione come il rapporto tra il campo riflesso e quello incidente ed ha la seguente espressione: Γ & = E& E& η = riflesso incidente = jωµ η& η& σ + jωε 2 2 η& + η& 1 1 H y E Direzione e verso di propagazione E incidente E riflesso η 1 η 2 E trasmesso E evidente che l interfaccia tra due mezzi aventi la stessa impedenza intrinseca non produce onde riflesse. Osservando l espressione dell impedenza intrinseca si può notare come all interfaccia tra un mezzo isolante ed uno conduttore la variazione di η è estremamente elevata => coefficiente di riflessione elevato (schermi). 65

Onde piane e uniformi Densità di potenza La densità di potenza associata ad un onda elettromagnetica è esprimibile attraverso il vettore di Poynting: r S r S r r = E H Nel caso di regime sinusoidale è possibile definire la densità di potenza media associata all onda elettromagnetica come densità di potenza media del vettore di Pointing: media 1 &r r R e E H 2 = * [W/m 2 ] Nel caso di onda piana e uniforme in assenza di onda regressiva è facile osservare che: E& H& = η Per cui nel caso di onda piana e uniforme nel vuoto la densità di potenza media vale: r S media = &r E 2η 2 0 [W/m 2 ] 66

Antenne, sorgente puntiforme e isotropa Sorgente puntiforme e isotropa d Su questa superficie sferica la densità di potenza vale: r S media = P T 2 4πd Dove P T è la potenza elettrica fornita all emettitore isotropo Se il raggio della sfera d è sufficientemente grande rispetto alla lunghezza d onda del campo, su di una porzione limitata di sfera è possibile in prima approssimazione considerare di essere in campo lontano ossia valgono le stesse proprietà dell onda piana e uniforme 67

Antenne campo lontano Se il raggio della sfera d è sufficientemente grande rispetto alla lunghezza d onda del campo, su di una porzione limitata di sfera è possibile in prima approssimazione considerare di essere in campo lontano regione in cui valgono le stesse proprietà dell onda piana e uniforme. Nella pratica si considera il confine oltre il quale si è in campo lontano la distanza massima tra le due seguenti quantità: 2 λ λ è la lunghezza d onda 2 2D λ D è la dimensione massima dell emettitore Per cui nella regione di campo lontano, a distanza d da un emettitore puntiforme ed isotropo si ha: r S media = &r E 2η 2 0 &r E = 2η 0 S media = 2η 0 P 4πd T 2 68

Antenne comunemente utilizzate nella compatibilità elettromagnetica Antenna loop utilizzata per misurare o irradiare campi magnetici tipicamente nella banda 10 khz 30 MHz Antenna rod utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella banda 10 khz 30 MHz 69

Antenne comunemente utilizzate nella compatibilità elettromagnetica Antenna biconica utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella banda 25 MHz 300 MHz Antenna log-periodica utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella banda 200 MHz 1 GHz 70

Antenne comunemente utilizzate nella compatibilità elettromagnetica Antenna bilog utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella banda 25 MHz 1 GHz Antenna horn utilizzata per misurare o irradiare campi elettrici tipicamente nella banda 700 MHz 18 GHz 71

Antenne - guadagno In realtà le antenne utilizzate nella pratica possono essere considerate puntiformi ponendosi a grande distanza da esse, ma non possono essere considerate isotrope. Non irradiano la potenza a loro applicata allo stesso modo in tutte le direzioni. Per tener conto di questo si definisce per loro il guadagno G(θ, φ), un parametro funzione della direzione individuata dalle coordinate sferiche θ e φ. In queste condizioni il campo elettrico prodotto da una sorgente a distanza d vale: &r E = 2η 0 G ( θ, φ) 4πd Allo stesso modo anche in ricezione un antenna non isotropa ha un guadagno, dipendente dalla direzione dalla quale giunge la propagazione dell onda elettromagnetica, che esprime l efficienza con la quale l antenna è in grado di captare il campo elettromagnetico. 2 P T 72

Antenne diagramma di irradiazione Esempio: diagrammi d irradiazione per antenne di telefonia cellulare, esprimono il valore del guadagno G in db in funzione dell angolo sul piano orizzontale e sul piano verticale 120 90 60 120 90 60 150 30 150 30 180 0 180 0 210 330 210 330 240 270 300 240 270 300 orizzontale verticale 73

Antenne fattore d antenna Il fattore d antenna è un parametro essenziale per la misura di campi elettromagnetici attraverso l uso di antenne. L antenna converte il campo elettrico o il campo magnetico che la investe in un segnale elettrico (una tensione) che viene inviato a un ricevitore (misuratore, es. analizzatore di spettro). Il fattore d antenna tiene conto di questa conversione e permette, dalla misura del segnale elettrico in tensione, di risalire al valore del campo elettrico o del campo magnetico agente sull antenna. Il fattore d antenna dipende dalla frequenza della radiazione elettromagnetica e viene determinato e fornito insieme all antenna dal costruttore. 74

Antenne fattore d antenna E [dbµv/m] V [dbµv] Analizzatore di spettro E [dbµv/m] = V [dbµv] + AF [db/m] + AC [db] E = campo elettrico incidente sull antenna alla frequenza f*, V = tensione misurata dall analizzatore di spettro alla frequenza f*, AF = antenna factor alla frequenza f*, AC = attenuation cable alla frequenza f*. 75

Antenne fattore d antenna Esempio: Fattore d antenna di una antenna bilog 30 MHz 2 GHz 35 30 Antenna factor [db/m] 25 20 15 10 5 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 f [MHz] 76

L oscilloscopio

L oscilloscopio L Oscilloscopio L oscilloscopio è uno strumento comunemente utilizzato per l analisi di segnali variabili nel tempo. In genere il segnale misurato è una tensione, anche se introducendo convertitori o trasduttori è possibile analizzare ogni genere di grandezza. Gli oscilloscopi sono di diversi tipi a seconda della misura da eseguire, della frequenza e dell ampiezza del segnale da misurare. Inoltre un segnale variabile nel tempo può essere analizzato in tempo reale (oscilloscopio tradizionale) o memorizzato per essere ripreso successivamente (oscilloscopio a memoria).

Oscilloscopi analogici L oscilloscopio analogico

L oscilloscopio analogico Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è illustrato in figura. Tramite un interruttore è possibile selezionare se rappresentare la variabile Y in funzione di un altra variabile X o in funzione del tempo. Nel caso venga rappresentata Y in funzione del tempo, un opportuno circuito, detto Base dei Tempi, genera un segnale di tensione a dente di sega VdX = k t che scandisce il CRT in direzione orizzontale. Il segnale da misurare VY, invece, viene elaborato in modo da ottenere una tensione VdY = ky VY tale da deflettere il fascio elettronico in direzione verticale. Sul CRT viene, quindi, rappresentata l evoluzione del segnale VY durante l intervallo di tempo definito da VdX. Un opportuno segnale detto trigger, permette di sincronizzare la scansione verticale con quella orizzontale, in modo da mostrare sullo schermo un forma d onda stabile (qualora ovviamente il segnale sia periodico). Nel caso in cui venga rappresentato il segnale VY in funzione di un segnale esterno VX, si utilizza una tensione VdX = kx VX invece del segnale generato dalla Base dei Tempi, in modo da produrre un opportuna deflessione del fascio elettronico in direzione X. In questo caso, quindi, sul CRT, viene rappresentata l evoluzione del segnale Y in funzione del segnale X senza alcuna informazione temporale

L oscilloscopio analogico Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è Display oscilloscopio

L oscilloscopio analogico Regolando la base dei tempi è possibile visualizzare più o meno periodi del segnale misurato: Display oscilloscopio

L oscilloscopio Il livello di trigger, serve a rendere stabile l immagine di un segnale periodico sullo schermo dell oscilloscopio zero Soglia di trigger Base dei tempi Segnale di ripristino Istante di start per il segnale base dei tempi che si attiva solo quando il segnale di ripristino è sotto la soglia di ripristino

L oscilloscopio digitale L oscilloscopio digitale

L analizzatore di spettro

Analizzatore di Spettro

Analizzatore di Spettro ANALIZZATORE DI SPETTRO Permette di effettuare l'analisi in frequenza di segnali disseminati in bande di frequenza anche molto vaste: mostra lo spettro in ampiezza e il contenuto armonico; Radioricevitore con filtro passa-banda che viene traslato in frequenza al passare del tempo; Questa analisi viene condotta facendo scorrere una "finestra, la banda passante Questa analisi viene condotta facendo scorrere una "finestra, la banda passante del filtro, lungo l'asse delle frequenze e misurando l'intensità dei segnali nella finestra.

Analizzatore di Spettro La banda passante del filtro non è piatta, i limiti di banda sono considerati in corrispondenza di una attenuazione di 6 db del segnale; Per ogni frequenza viene visualizzata la somma dei contributi compresi nella banda del filtro centrata in tale frequenza; Al variare della larghezza di banda varia il profilo dello spettro misurato, per questo motivo le normative indicano anche i valori di larghezza da utilizzare. ESEMPIO: rilevazione di 4 componenti frequenziali

Analizzatore di Spettro rilevatori di picco e quasi picco Rivelatore di picco: viene visualizzato il valore massimo (da cui lo strumento deriva il valore efficace) della componente armonica in ingresso. Rivelatore di quasi-picco: viene visualizzato un valore che dipende dalla costante di tempo RC del Rivelatore di quasi-picco: viene visualizzato un valore che dipende dalla costante di tempo RC del rilevatore (standard) e dal tempo di acquisizione, nonché dalla natura del segnale in ingresso.

Test di Emissioni condotte Fase Neutro Terra Rilievo delle emissioni a radiofrequenza da parte di un apparato elettrico Flusso di potenza per il funzionamento dell EUT Rete di accoppiamento EUT Segnali a radiofrequenza presenti sull impianto elettrico Analizzatore di spettro Segnali a radiofrequenza emessi dall EUT Cavo coassiale Z C = 50 Ω

Test di Emissioni condotte Esempio: Set-up di misura per la rilevazione delle emissioni condotte 150 khz 30 MHz prodotte da una vetrina frigo per ambiente commerciale. Rete LISN Cavo coassiale di collegamento tra LISN e Analizzatore di Spettro

Test di Emissioni condotte Esempio: emissione condotta 150 khz 30 MHz prodotta da una vetrina frigo per ambienti commerciali. Tracciato ottenuto con un rilevatore di picco

Test di Emissioni radiate Sito di prova: Camera schermata e semianecoica, distanza di prova 10 m o 3 m (nel caso si utilizzi una distanza di 3 m i livelli limite vengono innalzati). Struttura schermante Antenna bilog Pareti e soffitto 30 MHz 1 GHz anecoici 10 m o 3 m Analizzatore di spettro EUT Tavola rotante Pavimento metallico 93

Test di Emissioni radiate 94

Test di Emissioni radiate Esempio di un tracciato risultato di un test di emissione radiata: 95