LABORATORIO DI
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PERUGIAPolo Scientifico e Didattico di Terni
Facoltà di Ingegneria
Corso di laurea in Ingegneria Industriale
LABORATORIO DI ELETTROTECNICA
(Compatibilità Elettromagnetica Industriale)
Ing. Antonio FabaA.A. 2013/2014
1
Compatibilità Elettromagnetica Industriale
CONTENUTI:
Generalità sulla compatibilità elettromagnetica Le linee di trasmissione CennisuCennisu
• Antenne• Oscilloscopio• Analizzatore di spettro
2
Generalità sulla compatibilità elettromagnetica.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 dellaDirettiva Europea 89/336/CEE,“Per la Certificazione CE di un’apparecchiatura elettrica oelettronica devono essere soddisfatti i requisiti dellacompatibilità elettromagnetica”.
• Decreto legge N. 476 del 4 Dicembre 1992: l’Italia• Decreto legge N. 476 del 4 Dicembre 1992: l’Italiarecepisce la Direttiva Europea 89/336/CEE e fissa per il1996 l’inizio dell’obbligo per il rispetto dei requisiti dellaCompatibilità Elettromagnetica per tutte le apparecchiatureelettriche ed elettroniche commercializzate all’interno delterritorio nazionale.
5
Apparato emettitore
Percorso di accoppiamento
Apparato ricevitore
L’interazione elettromagnetica tra due apparati elettrici avviene secondo il seguente schema:
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Quando l’energia entrante nel ricevitore causa un malfunzionamento dello stesso si verifica un fenomeno di:
Interferenza
6
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).
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
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
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.
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
- 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
Componente generatore di disturbi
Emissioni condotte
Emettitore
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Componente potenzialmente suscettibile
Suscettibilità condotte
Ricevitore
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Componente generatore di disturbi
Emissioni radiate
Emettitore
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Componente potenzialmente suscettibile
Suscettibilità radiate
Ricevitore
10
Componente generatore di disturbi
Fenomeni correlati
Emettitore
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
disturbi
Componente potenzialmente suscettibile
Ricevitore
11
Coordinamento tra livelli di emissione, compatibilità, immunità, suscettibilitàLi
vello
di d
istu
rbo
Livello di immunità di una apparecchiatura che risponde ai requisiti normativi
Livello d’immunità standard (livello fissato dalle normative)
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Margine di compatibilità elettromagnetica
Live
llo d
i dis
turb
o
normative)
Livello di emissione standard(livello fissato dalle normative)
Livello di emissione di una apparecchiatura che risponde ai requisiti normativi
12
Problematiche di compatibilità elettromagnetica
I fenomeni di interferenza elettromagnetica tra apparati elettrici hannoprodotto in passato diversi e documentati incidenti che hanno causatoanche perdite di vite umane. Questi incidenti gravi sono accaduti inambiente militare, ed in particolar modo in ambito avionicoe navale.
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
I fenomeni di interferenza sono particolarmente fastidiosi nelletelecomunicazioni e in ambito industriale dove la loro presenza può spessopregiudicare il corretto funzionamento degli appartati fin anche a renderliinutilizzabili. Queste problematiche si traducono molto spesso in perdite ditipo economico legate a riduzioni dei livelli di efficienzae produttività.
Esempi di fenomeni tipici che possono generare interferenze:
13
• Commutazione di carichi induttivi con contatti a secco (apparecchiature che aprono-chiudono circuiti mediante contatti separabili: contattori, interruttori, ecc.)
R
LV
-
+
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
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
• 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.
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Tiristore Transistore IGBT
Massima tensione inversa
1.6 kV 1.2 kV 1.2 kV
Massima corrente di conduzione
1.5 kA 0.5 kA 0.4 kA
Massima frequenza di commutazione
3 kHz 5 kHz 20 kHz15
• 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;
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
generazione di armoniche;
durante l’avviamento forte richiamo di corrente: buchi di tensione sulla rete di alimentazione
es: disturbi in ambito industriale
• Lampade fluorescenticorrenti assorbite non sinusoidali (produzione di armoniche di corrente);
arco elettrico (produzione di disturbi radiati e condotti fino a qualche decina di MHz); 16
-1.50E+00
-1.00E+00
-5.00E-01
0.00E+00
5.00E-01
1.00E+00
1.50E+00
0.00E+00 1.00E-02 2.00E-02 3.00E-02 4.00E-02 5.00E-02[s]
[A]
1.00E-05
1.00E-04
1.00E-03
1.00E-02
1.00E-01
1.00E+00
1.00E+01
0.00E+00 1.00E+02 2.00E+02 3.00E+02 4.00E+02 5.00E+02[Hz]
[A]
Forma d’onda della corrente Armoniche di corrente
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
0
10
20
30
40
50
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000[kHz]
dB µµµµV
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800 1000MHz
dBµµµµ V
Emissione radiata Emissione condotta
17
• Scariche elettrostatiche
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
accumulo di cariche elettrostatiche;
arco elettrico;
effetti:
- trasferimento diretto di cariche: rottura dei componenti elettronici
- onda elettromagnetica: malfunzionamento sistema18
• Intercettazioni
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
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
• Esplosione nucleare(a grande distanza o ad alta quota)
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
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
A frequenze maggiori di 2.42⋅1015Hz è associata un’energia tale da determinare laionizzazione della molecola dell’acqua: taliradiazioni sono detteionizzanti (RI).Di contro per frequenze inferiori a 2.42⋅1015 Hz si parla di radiazioni nonionizzanti (NIR).
SPETTRO SIGLA LUNGHEZZAD’ONDA
INTERVALLI DI FREQUENZA
Frequenze estremamente ELF(Extremely low frequency) >30 km 0 Hz – 10 kHz
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Frequenze estremamente basse
ELF(Extremely 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 otticheInfrarosso C B A
VisibileUltraviolet
1000 nm - 400 nm 0.3 THz– 3000 THz
21
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Apparato per ambienti commerciali22
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Apparato per ambienti industriali
23
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
Apparato per Telecomunicazioni24
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
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Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Emissione e suscettibilità.
DOMESTICOWRAP S.p.A.CLAM s.r.l.CERTIFICO S.r.l
INDUSTRIALERENZACCI S.p.A.
AEROSPAZIALEINFNUniversità Roma 2Era Electronic Systems S.r.l.
DIFESAEIS S.r.l.Angelantoni IndustrieELES Semiconductor Equipment POWERFLEX
sede in umbria63%
nazionale17%
altro6%
Attività di collaborazione esterna del Laboratorio di Caratterizzazione
Elettromagnetica del Polo Scientifico e Didattico di Terni
RENZACCI S.p.A. Tiemme elettronica S.a.S PMS S.r.l Steroglass S.r.l.ItalProget s.n.c.PeakSolE.T.LITACO S.r.l. EDA
TELECOMUNICAZIONIElettrosys S.r.l.EMClab ELETTROMEDICALI
M.E.D. ElettronicaELBOTEC
POWERFLEX MBDA Italia S.p.A.GAROFOLIEMClab
INQUINAMENTOAMBIENTALEMinistero dell’AmbienteRegione UmbriaComune di PerugiaTIMVODAFONEWINDH3GRAI WAYMEDIASETCentro Sviluppo MaterialiDott. Ilario MeluniWienerberger Tacconi SRL
63%
sede nel lazio14%
33
GRANDEZZE E UNITÀ DI MISURA
Unità di misura utilizzate nel Sistema Internazionale.
- grandezze primarie:
• tensioni V in [V] , intensità di corrente I in [A];
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura.
• 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/m2].
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/m2].
35
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura.
Esempi di conversioni lineare - decibel:
• x [mV] => 20log10(x mV / 1 mV);
150.2 [mV] => 20log10(150.2 mV / 1 mV) = 43.5 [dBmV]
• x [µA] => 20log10(x µA / 1 µA);• x [µA] => 20log10(x µA / 1 µA);
68.4 [µA] => 20log10(68.4 µA / 1 µA) = 36.7 [dBµA];
• x [µV/m] => 20log10(x µV/m / 1 µV/m);
236.7 [µV/m] => 20log10(236.7 µV/m / 1 µV/m) = 47.4 [dBµV/m];
• x [mW] => 10log10(x mW / 1 mW);
120.7 [mW] => 10log10(120.7 mW / 1 mW) = 20.8 [dBm].
36
50
55
60
65
70
V/m
]1200
1400
1600
1800
2000
V/m
]
Introduzione alla compatibilità elettromagnetica. Unità di Misura.
• I decibel permettono di comprimere la dinamica dei dati (miglior visualizzazione in display strumentali).
20
25
30
35
40
45
0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000
[HZ]
[dB
µµ µµV
/m]
0
200
400
600
800
1000
0 5000000 10000000 15000000 20000000 25000000 30000000
[Hz]
[µ[µ [µ[µV
/m]
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.
Generatore Amplificatore Cavo2Cavo1 Antenna
V1 V2 V3 V4
Attenuazione
Esempio:
Attenuazione cavo1 = 1 dB; Guadagno amplificatore = 50 dB; Attenuazione cavo2 = 3 dB; tensione generata 6 dBmV;
Tensione sull’antenna V4 = 6 dBmV – 1 dB + 50 dB – 3 dB = 52 dBmV
I prodotti diventano somme e i rapporti diventano sottrazioni.
Attenuazione (V2/V1)
Guadagno (V3/V2)
Attenuazione (V4/V3)
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 iout
vin vout
+ +
- -
Rin Rout
Guadagno di potenzadB=10 log10 (POUT / PIN)
Guadagno di tensionedB=20 log10 (vOUT / vIN)
Guadagno di correntedB=20 log10 (iOUT / iIN)
- In condizioni di adattamento ROUT = RIN :
10log10(POUT / PIN) = 10log10 (vOUT2/ROUT / vIN
2/RIN) = 10 log10 (vOUT2/ vIN
2) = 20 log10 (vOUT / vIN)
G in potenza = G in tensione39
Linee di trasmissione
40
Linee di Trasmissione - Fenomeno della Propagazione Elettromagnetica
V(t)caricoZLinea ideale senza elementi dissipativi
x
x = 0 x = L
Se V(t) è sinusoidale e se la lunghezza d’onda della tensione λλλλ è inferiore alla lunghezza della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo:della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo:
x
V(x)
All’istante t
All’istante t + ∆t
x = Lx = 0
41
V(t)caricoZLinea con elementi dissipativi
x
x = 0 x = L
Se V(t) è sinusoidale e se la lunghezza d’onda della tensione λλλλ è inferiore alla lunghezza della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo ( lo stesso per i(x,t)):
Linee di Trasmissione - Fenomeno della Propagazione Elettromagnetica
della linea L ci si aspetta una propagazione di questo tipo ( lo stesso per i(x,t)):
x
v(x)
All’istante t
All’istante t + ∆t
x = 0 x = L
42
Linee di Trasmissione
Ipotesi di propagazione TEM:
conduttore
conduttore
Materiale isolante (ε,µ,σ)Er H
r
Campo elettrico e campo magnetico ortogonali tra loro e propagazione in direzione ortogonale al piano su cui giacciono
Sezione di un cavo coassiale
)t,x(vdlE =⋅∫r
)x,t(idlH =⋅∫r
v = v(x,t)
i = i(x,t)
x coordinata lungo la quale si estende il cavo coassiale43
Linee di Trasmissione
v(x,t) v(x + ∆x, t)
i(x,t) i(x + ∆x, t)r ∆x l ∆x
g ∆x∆
L’obiettivo di questa trattazione è determinare v = v(x,t) e i = i(x,t) nelle ipotesi sopra specificate e a regime sinusoidale:
v(x,t) v(x + ∆x, t)g ∆xc ∆x
∆x
La linea è suddivisa in tante celle di lunghezza ∆∆∆∆x << λλλλ, dove λ è la lunghezza d’onda del segnale che si propaga
Ogni cella può essere trattata a parametri concentrati
x
44
Linee di Trasmissione
v(x,t) v(x + ∆x, t)
i(x,t) i(x + ∆x, t)r ∆x l ∆x
g ∆xc ∆x
∆x x∆x x
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
v(x,t) v(x + ∆x, t)
i(x,t) i(x + ∆x, t)
g ∆xc ∆x
∆x x
r ∆x l ∆x
t
)t,xx(vxc)t,xx(vxg)t,x(i)t,xx(i
t
)t,x(ixl)t,x(ixr)t,x(v)t,xx(v
∂∆+∂∆−∆+⋅∆−=∆+
∂∂∆−⋅∆−=∆+
t
)t,xx(vc)t,xx(vg
x
)t,x(i)t,xx(it
)t,x(il)t,x(ir
x
)t,x(v)t,xx(v
∂∆+∂−∆+⋅−=
∆−∆+
∂∂−⋅−=
∆−∆+
46
Linee di Trasmissione
t
)t,x(vc)t,x(vg
x
)t,x(it
)t,x(il)t,x(ir
x
)t,x(v
∂∂−⋅−=
∂∂
∂∂−⋅−=
∂∂
lim ∆x 0 Equazioni delle linee di trasmissione o equazioni dei telegrafisti
A regime sinusoidale:)x(I
)x(V&
&v(x,t)
i(x,t)
)x(Vcj)x(Vgdx
)x(Id
)x(Ilj)x(Irdx
)x(Vd
&&&
&&&
⋅ω−⋅−=
⋅ω−⋅−=
)x(VYdx
)x(Id
)x(IZdx
)x(Vd
t
l
&&
&&
⋅−=
⋅−=
t
l
Y
Z Impedenza longitudinale
Ammettenza trasversale47
dx
)x(VdY
dx
)x(Id
dx
)x(IdZ
dx
)x(Vd
t2
2
l2
2
&&
&&
⋅−=
⋅−=
)x(IYZdx
)x(Id
)x(VYZdx
)x(Vd
tl2
2
tl2
2
&&
&&
⋅=
⋅=Due equazioni differenziali del secondo ordine omogenee e tra loro disaccoppiate
condizioni al contorno 0
I)0(I
V)0(V&&
&&
=
=
Linee di Trasmissione
0I)0(I && =
La soluzione relativa alle equazioni differenziali specificate sopra, prendendo ad esempio quella che esprime la tensione elettrica ha la seguente forma:
x2
x1
21 eKeK)x(V αα ⋅+⋅=&
dove α1 e α2 sono le soluzioni dell’equazione omogenea associata:
0YZ tl2 =−α tl2,1 YZ±=α
48
Ricavando K1 e K2 dalle due equazioni si ottengono le seguenti soluzioni:
Linee di Trasmissione – Impedenza Caratteristica
Sfruttando le condizioni al contorno:
0l22110
210
IZKKdx
)x(Vd
KKV
&&
&
−=α+α=
+=
Ricavando K1 e K2 dalle due equazioni si ottengono le seguenti soluzioni:
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )xYZ0c0
c
xYZ0c0
c
xYZ0c0
xYZ0c0
tltl
tltl
eIZVZ
1
2
1eIZV
Z
1
2
1)x(I
eIZV2
1eIZV
2
1)x(V
+−
+−
⋅−−⋅+=
⋅−+⋅+=
&&&&&
&&&&&
cZ = Impedenza caratteristica della linea=cjg
ljr
Y
Z
t
l
ω+ω+=dove
49
Linee di Trasmissione
Per tornare nel dominio del tempo:
[ ] ( ) ( )
+=⋅= ω+−ω−+ω tjxYZtjxYZtj eeVeeVRee)x(VRe)t,x(v tltl&
dove:
( )( )
0c0
IZV1
V
IZV2
1V
&&
&&
−=
+=
−
+ termine progressivo
termine regressivo( )0c0 IZV2
1V && −=− termine regressivo
In definitiva:
( ) ( ) ( ) ( )[ ]( ) ( )−α−+α−+
ωβ+α−−−ωβ+α−+++
θ+β+ω+θ+β−ω=
θ+θ+θ+θ=
xtcoseVxtcoseV)t,x(v
eejsencosVeejsencosVRe)t,x(vxx
tjxjtjxj
dove: β+α= jYZ tl e( )( )−−−−
++++
θ+θ=
θ+θ=
jsencosVV
jsencosVV
50
Linee di Trasmissione
( ) ( )−α−+α−+ θ+β+ω+θ+β−ω= xtcoseVxtcoseV)t,x(v xx
In conclusione l’andamento rispetto a x e t della tensione è espresso dalla seguente equazione:
Una espressione del tutto equivalente può essere trovata anche per la corrente. Questaespressione è caratterizzata dalla somma di due termini, il primo rappresenta un’onda ditensione smorzata che si propaga dalla sorgente al carico (onda progressiva, così comeci si aspettava), il secondo rappresenta un’onda di tensione smorzata che si propaga dalcarico alla sorgente (onda regressiva, inaspettata).
Lungo la linea di trasmissione agisce un’onda di tensione somma delle due ondeprogressiva e regressiva.
Lo stesso fenomeno si verifica anche per la corrente.
51
Linee di Trasmissione
Onda progressiva
Lo stesso fenomeno avviene per l’onda di corrente i(x,t). Per cui si verifica la presenza di un flusso di potenza progressivo e di uno regressivo.
In altre parole non tutta la potenza generata dalla sorgente raggiunge il carico, una parte viene
V(x)
Onda regressiva
carico, una parte viene riflessa.
E’ molto importante quindi trovare una condizione per la quale la potenza venga utilizzata tutta dal carico senza riflessioni.
Condizione di adattamento
x
x = Lx = 0
52
Linee di Trasmissione – Coefficiente di Riflessione
Per determinare la condizione di adattamento bisogna prima definire il coefficiente di riflessione:
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )( )
⋅
⋅+⋅
⋅−−⋅+
⋅−+⋅+=
−+
−−+
+−
+−
eV
eVeV
eIZVZ
eIZVZ
eIZVeIZV
xI
xV
xYZ
xYZxYZ
xYZc
c
xYZc
c
xYZc
xYZc
tl
tl
tltl
tltl
1
1211
21
21
21
)(
)(
0000
0000
&
&&&&
&&&&
&
&
( )
( ) ( )( )
( )( )( )
( )( )
Γ−Γ+=
⋅
⋅=Γ
⋅⋅−
⋅
+⋅
=
−+
−
−+
−−
+
−+
x
xZ
xI
xV
eV
eVx
eV
eVe
Z
V
eVeV
xI
xV
c
xYZ
xYZ
xYZ
xYZxYZ
c
xYZ
tl
tl
tl
tl
tl
tl
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 x.
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:
( )( )( )
cL
cc
ZZ
ZL
LZ
LI
LV
=
=
Γ−Γ+=
1
1
)(
)(&
&
La condizione di adattamento si ha quando l’impedenza di carico coincide con quella caratteristica di linea.
54
Nei set-up di misura tutti i segnali in tensione o in corrente e i flussi di potenza ad essiassociati, sono veicolati attraverso dei cavi di misura che in genere sono cavi coassialicon unaimpedenza caratteristica standard di 50ΩΩΩΩ
I segnali vengono trasmessi dai trasduttori di misura (antenne, sonde di tensione,sondedi corrente, reti di accoppiamento ecc…) agli strumenti di misura (ricevitori,analizzatori di spettro, oscilloscopi ecc…).
Lo strumentodi misura rileva l’intensità del segnaleprodotto dal trasduttoremeno
Attenuazione dei Cavi
Lo strumentodi misura rileva l’intensità del segnaleprodotto dal trasduttoremenol’attenuazione del cavo di trasmissione. La misura può essere corretta sommando allamisura l’attenuazione. L’attenuazione del cavo è fornita dal costruttore in funzionedella frequenza
Strumento di misura
Trasduttore
P1 V1 I1P2 V2 I2
cavo
55
⋅
⋅
⋅
1
210
1
210
1
210
I
Ilog20
V
Vlog20
P
Plog10Attenuazione in termini di potenza
Attenuazione in termini di tensione
Attenuazione in termini di corrente
[dB]
[dB]
[dB]
Attenuazione dei Cavi
1
In condizioni di adattamento (impedenza d’ingresso dello strumento di misura pariall’impedenza caratteristica del cavo) questi tre attenuazioni in [dB] coincidono.
Il costruttore fornisce l’attenuazione del cavo in funzione della frequenza attraversotabelle e grafici.
L’attenuazione di un cavo tende ad aumentare all’aumentare della frequenza: perchéaumenta la resistenza per unità di lunghezza a causa dell’effetto pelle,perché aumenta lareattanza induttiva (ωL) e perché diminuisce la reattanza capacitiva (1/ωC). 56
Attenuazione dei Cavi
Esempi di diagrammi di attenuazione di 2 diversi cavi:
1,2
9
10
SCHAFFNER IL9513
Lunghezza 5 metri
Banda 9 kHz – 1 GHz
REYNOLDS 269-0195-10M0-5002
Lunghezza 5 metri
Banda 1 GHz – 18 GHz
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
[MHz]
[dB
]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
[GHz]
[dB
]
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:
( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) zzyyxx
zzyyxx
at,z,y,xHat,z,y,xHat,z,y,xHH
at,z,y,xEat,z,y,xEat,z,y,xEErrrr
rrrr
++=
++=
Un’onda elettromagnetica è definita PIANAquando in un qualsiasi punto dellospazio i vettori del campo elettrico e del campo magnetico giaccionosu di unpiano, e considerandodue punti diversi dello spazioi due piani relativi sonotrapiano, e considerandodue punti diversi dello spazioi due piani relativi sonotraloro paralleli.
Tale onda elettromagnetica è definita anche UNIFORMEquando i valori delcampo elettrico e del campo magnetico sono indipendenti dalla posizione sulpiano.
E’ inoltre possibile dimostrare che se il campo elettrico è diretto lungol’asse x, ilcampo magnetico avrà direzione lungo l’asse y e la propagazione avviene lungo z:
( )( ) yy
xx
at,zHH
at,zEErr
rr
=
=
59
Onde piane e uniformi
In queste condizioni se il campo elettrico e il campo magnetico variano neltempo con legge sinusoidale si verifica un fenomeno di propagazione ondosadel tutto simile a quello studiato nel caso delle linee di trasmissione.
E(z)All’istante t + ∆t
z
E(z)
All’istante t
z = Lz = 0
60
Onde piane e uniformi
Nelle ipotesi sopra specificate è possibile esprimere due relazioni che leganocampo elettrico e campo magnetico:
( ) ( )
( ) ( ) ( )t
t,zEt,zE
z
t,zHt
t,zH
z
t,zE
xx
y
yx
∂∂ε−σ−=
∂∂
∂∂
µ−=∂
∂
tàpermettivi
elettricaitàconducibil
magneticatàpermeabili
=ε=σ=µ
A regime sinusoidale le espressioni diventano:
( ) ( )
( ) ( ) ( )zEjdz
zHd
zHjdz
zEd
xy
yx
&&
&&
ωε+σ−=
ωµ−=
61
Onde piane e uniformi – Impedenza intrinseca del mezzo
E’ possibile disaccoppiare le due equazioni derivandole rispetto a z:
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )zHjjdz
zHd
zEjjdz
zEd
y2y
2
x2x
2
&&
&&
ωε+σωµ=
ωε+σωµ=
Analogamente a quanto visto con le linee di trasmissione la soluzione di queste due equazioni differenziali è la seguente:di queste due equazioni differenziali è la seguente:
( )[ ] ( )[ ]
( )[ ] ( )[ ]zjjzjjy
zjjzjjx
eE
eE
H
eEeEE
ωε+σωµ−
ωε+σωµ−+
ωε+σωµ−ωε+σωµ−+
η+
η=
+=
&
&
ωε+σωµ=ηj
j Impedenza intrinseca del mezzo nel quale si propaga l’onda elettromagnetica; nel vuoto vale 377 Ω.
62
Onde piane e uniformi – Costante di propagazione
A questo punto è possibile tornare nel dominio del tempo:
( ) [ ] ( ) ( )( ) [ ] ( ) ( )η
−α−
η+α−
+ω
−α−+α−+ω
θ−θ+β+ωη
−θ−θ+β−ωη
=ℜ=
θ+β+ω+θ+β−ω=ℜ=
ztcoseE
ztcoseE
eHet,zH
ztcoseEztcoseEeEet,zE
zztjyy
zztjxx
&
&
dove:
( ) β+α=ωε+σωµ jjj Questo numero complesso è la costante di propagazione
Come per le linee di trasmissione le espressioni di campo elettrico e campo magneticosono caratterizzate dalla somma di due termini, il primo rappresenta un’ondaprogressivasmorzata, il secondo rappresenta un’onda regressivasmorzata.
Lo smorzamento dipende daα ed è presente solo seσ ≠ 0. In un mezzo perfettamenteisolanteα risulta 0 e non c’è smorzamento per l’onda piana e uniforme. 63
Onde piane e uniformi
Onda progressivaEx(z)
Lo stesso comportamento si ha anche per il campo magnetico
L’onda regressiva
Onda regressiva
z
z = Lz = 0
L’onda regressiva è presente solo se l’onda progressiva incontra un mezzo avente impedenza intrinseca diversa da quello in cui si sta propagando
64
Onde piane e uniformi – Coefficiente di riflessione
Direzione e verso di propagazione
Ex
Hy
E incidente
E trasmesso
E riflesso
Se si considera un’onda piana euniforme che incide su di unasuperficie piana e indefinita diseparazione tra due mezzi diversi, èpossibile definire il coefficiente diriflessione come il rapporto tra ilcampo riflesso e quello incidente edhala seguenteespressione: η1 η2hala seguenteespressione:
12
12
incidente
riflesso
E
E
η+ηη−η
==Γ&&
&&
&
&&
E’ evidente che l’interfaccia tra due mezzi aventi lastessa impedenza intrinseca non produce onde riflesse.
Osservando l’espressione dell’impedenza intrinseca sipuò notare come all’interfaccia tra un mezzo isolante eduno conduttore la variazione diη è estremamenteelevata => coefficiente di riflessione elevato (schermi).
ωε+σωµ=ηj
j
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= *
media HEe2
1S
r&rr
HESrrr
×=Nel caso di regime sinusoidale è possibile definire la densità di potenza mediaassociata all’onda elettromagnetica come densità di potenza media del vettore diPointing:
[W/m2]media 2[W/m ]
Nel caso di onda piana e uniforme in assenza di onda regressiva è facile osservare che:
η=H
E&
&
Per cui nel caso di onda piana e uniforme nel vuoto la densità di potenza media vale:
0
2
media 2
ES
η=
&r
r[W/m2]
66
Antenne, sorgente puntiforme e isotropa
Sorgentepuntiformee isotropa
d
Su questa superficiesferica la densità dipotenza vale:
2T
mediad4
PS
π=
r
Dove PT è la potenza elettrica fornita
T
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 lontanoregione 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:
λ2 λ è la lunghezza d’onda
λ
λ2D2
2 λ è la lunghezza d’onda
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:
0
2
media 2
ES
η=
&r
r
2T0
media0d4
P2S2E
πη
=η=&r
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 consideratepuntiformi ponendosi a grande distanza da esse, ma non possono essereconsiderate isotrope. Non irradiano la potenza a loro applicata allo stessomodo in tutte le direzioni. Per tener conto di questo si definisce per loro ilguadagno G(θθθθ, φφφφ), un parametro funzione della direzione individuata dallecoordinate sfericheθ e φ.
In queste condizioni il campo elettrico prodotto da una sorgente a distanza dvale:vale:
( )2
T0
d4
P,G2E
πφθη
=&r
Allo stesso modo anche in ricezione un’antenna non isotropa ha unguadagno, dipendente dalla direzione dalla quale giunge lapropagazione dell’onda elettromagnetica, che esprime l’efficienzacon la quale l’antenna è in grado di captare il campoelettromagnetico.
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
30
6090
120
150 30
6090
120
150
orizzontale verticale
0
210
240270
300
330
180 180
210
240270
300
330
0
73
Antenne – fattore d’antenna
Il fattore d’antenna è un parametro essenziale per la misuradi campielettromagnetici attraverso l’uso di antenne.
L’antenna converte il campo elettrico o il campo magnetico che la investe inun 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, dallamisura del segnale elettrico in tensione, di risalire al valore del campoelettrico o del campo magnetico agente sull’antenna.
Il fattore d’antenna dipende dalla frequenza della radiazioneelettromagnetica e viene determinato e fornito insieme all’antenna dalcostruttore.
74
Antenne – fattore d’antenna
E [dBµV/m]V [dBµV]
Analizzatore di spettro
E [dBµV/m] = V [dBµV] + AF [dB/m] + AC [dB]
di spettro
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
25
30
35
An
ten
na
fa
cto
r [d
B/m
]
Esempio: Fattore d’antenna di una antenna bilog 30 MHz – 2 GHz
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 20005
10
15
20
25
f [MHz]
An
ten
na
fa
cto
r [d
B/m
]
76
L’oscilloscopioL’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
L’Oscilloscopio
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).
L’oscilloscopio analogico
Oscilloscopi analogici
Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è illustrato in figura.
Tramite un interruttore è possibile selezionare se rappresentare la variabile Y infunzione di un’altra variabileX o in funzione del tempo. Nel caso venga rappresentataY in funzione del tempo, un opportuno circuito, dettoBase dei Tempi, genera unsegnale di tensione adente di segaVdX = k t che scandisce il CRT in direzioneorizzontale. Il segnale da misurareVY, invece, viene elaborato in modo da ottenere unatensioneVdY= kY VYtale da deflettere il fascio elettronico in direzione verticale.
Sul CRT viene,quindi, rappresentatal’evoluzionedel segnaleVY durantel’intervallo
L’oscilloscopio analogico
Sul CRT viene,quindi, rappresentatal’evoluzionedel segnaleVY durantel’intervallodi tempo definito daVdX.
Un opportuno segnale detto“trigger” , permette di sincronizzare la scansione verticalecon quella orizzontale, in modo da mostrare sullo schermo un formad’onda stabile(qualora ovviamente il segnale sia periodico).
Nel caso in cui venga rappresentato il segnaleVY in funzione di un segnale esternoVX,si utilizza una tensioneVdX= kX VXinvece del segnale generato dallaBase dei Tempi,in modo da produrre un’opportuna deflessione del fascio elettronico in direzioneX. Inquesto caso, quindi, sul CRT, viene rappresentata l’evoluzione del segnaleY infunzione del segnaleX senza alcuna informazione temporale
Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è
L’oscilloscopio analogico
Display oscilloscopio
Regolando la base dei tempi è possibile visualizzare più o meno periodi del segnale misurato:
L’oscilloscopio analogico
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 spettroL’analizzatore di spettro
Analizzatore di Spettro
Analizzatore di Spettro
ANALIZZATORE DI SPETTRO
Permette di effettuare l'analisi in frequenza di segnali disseminati in bande difrequenza anche molto vaste: mostra lo spettro in ampiezza eil contenutoarmonico;
Radioricevitore con filtro passa-banda che viene traslatoin frequenza al passaredel tempo;
Questaanalisivienecondottafacendoscorrereuna"finestra“, la bandapassanteQuestaanalisivienecondottafacendoscorrereuna"finestra“, la bandapassantedel 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.
Rivelatoredi quasi-picco: viene visualizzatoun valore che dipendedalla costantedi tempoRC delRivelatoredi quasi-picco: viene visualizzatoun valore che dipendedalla costantedi tempoRC delrilevatore (standard) e dal tempo di acquisizione, nonché dalla natura del segnale in ingresso.
Fase
Neutro
Terra
Flusso di potenza per il funzionamento dell’EUT
Rilievo delle emissioni a radiofrequenza da parte di un apparato elettrico
Test di Emissioni condotte
EUTRete di
accoppiamento
Analizzatore di spettro
Segnali a radiofrequenza presenti sull’impianto
elettrico
Segnali a radiofrequenza emessi dall’EUT
Cavo coassiale ZC = 50 Ω
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
Test di Emissioni condotte
Cavo coassiale di collegamento tra
LISN e Analizzatore di Spettro
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 condotte
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).
Antenna bilog 30 MHz – 1 GHzPareti e soffitto
Struttura schermante
Analizzatore di spettro
30 MHz – 1 GHz
EUT
10 m o 3 m
Pavimento metallico
Pareti e soffitto anecoici
Tavola rotante
93
Test di Emissioni radiate
94
Esempio di un tracciato risultato di un test di emissione radiata:
Test di Emissioni radiate
95