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– FERROMAGNETICO PER COMPATIBILITÀ ELETTROMAGNETICA –

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Gli accoppiamenti condotti possono essere di tipo Ohmico (resistivo), capacitivo ed induttivo. L’accoppiamento condotto necessita di un intero percorso metallico tra sorgente e ricevitore, percorso che può essere costituito de cablaggi, dalle alimentazioni, dal piano di massa, da una capacità o induttanza mutua, ecc.

Campi elettrici e magnetici costituiscono un ulteriore mezzo di accoppiamento. Si ricorda infatti che ogni elemento circuitale irradia energia elettromagnetica ogni volta che in esso si sviluppa una corrente. Nell’ambito delle radiazioni si distinguono due situazioni differenti:

  • l’interazione dovuta al campo vicino (near-field), o campo di induzione, in cui la sorgente ed il ricevitore si trovano nelle immediate vicinanze (si fa riferimento in generale ad una distanza di separazione minore della lunghezza d’onda). In questo caso è necessario trattare separatamente i contributi del campo elettrico e del campo magnetico.
  • l’interazione dovuta a campo di radiazione (far-field), in cui sorgente e ricevitore sono a distanza molto superiore alla lunghezza d’onda.

Esistono due importanti tecniche per la riduzione o l’eliminazione delle interferenze: la schermatura ed il filtraggio. La schermatura è generalmente impiegata per abbattere gli accoppiamenti sostenuti da campo radiato. Consiste nel racchiudere il dispositivo in questione all’interno di un contenitore di materiale opportuno (tipicamente conduttivo), che impedisca ad eventuali sorgenti esterne di trasferire energia elettromagnetica all’interno, e viceversa che sorgenti interne irradino energia all’esterno.

L’efficienza della schermatura è definita come il rapporto tra il campo esterno (elettrico o magnetico) e quello all’interno; valori tipici dell’orine delle centinaia di dB. Lo schermo ha efficienza differente, a seconda che si debbano attenuare campi elettrici o magnetici a bassa o alta frequenza.

Per i disturbi condotti si ricorre di solito a tecniche di filtraggio: i filtri bloccano i segnali interferenti impedendo che si propaghino da una regione all’altra del circuito. I parametri di cui tener conto nella progettazione o nella scelta di un filtro sono:

  • perdita di inserzione (insertion loss): è definita come il rapporto tra le tensioni misurate immediatamente oltre il punto d’inserzione, prima e dopo l’introduzione del filtro nel circuito; è di solito espressa in funzione della frequenza. Lo standard Mil-Std-220 definisce la perdita d’inserzione riferendola ad un sistema a 50 Ohm. Se il filtro è chiuso su impedenze diverse, la perdita d’inserzione può variare in modo considerevole.
  • attenuazione: è il rapporto tra le tensioni in ingresso e quella in uscita dal filtro, con il filtro in circuito.
  • tensione (corrente) di lavoro: tensione (corrente) Ac o Dc che il filtro è in grado di tollerare con continuità.
  • tensione (corrente) di picco: massima tensione (corrente) impulsiva che il filtro può tollerare senza danneggiarsi.

Nella scelta  di un filtro è opportuno valutare i suddetti parametri in modo accurato; questo per evitare errori progettuali che porterebbero a scegliere un filtro inefficace o inutilmente costoso. In particolare, la perdita d’inserzione va valutata considerando il filtro inserito nel circuito reale, e non riportandolo a condizioni di carico standard come quelle a 50 Ohm. Inoltre può essere utile richiedere al produttore le curve di perdita

d’inserzione misurate sia a vuoto che a pieno carico, in modo da poter valutare eventuali effetti di polarizzazione dei componenti.

Filtri progettati per tollerare tensioni o correnti molto più elevate di quelle presenti nel circuito sono giocoforza più ingombranti e costosi del necessario. Al crescere della tensione massima tollerabile, infatti, cresce lo spessore del dielettrico nei condensatori; a parità di capacità sono quindi necessarie armature con superfici più ampie. Al crescere della corrente cresce la sezione dei conduttori utilizzati per la realizzazione degli induttori; questo implica, per un dato valore d’induttanza, l’utilizzo di nuclei più grandi e costosi. I valori nominali di tensione e corrente non sempre sono sufficienti per il corretto dimensionamento dei filtri: è infatti importantissimo prevedere correttamente i transitori di tensione e corrente, che sono spesso la causa prima di cedimenti “strutturali”.

Nella pratica i filtri possono essere suddivisi in due grandi classi: i filtri per le linee di alimentazione o di potenza, ed i filtri per le linee di segnale. Per i primi occorre fare un ulteriore distinguo tra alimentazioni in corrente continua (Dc) e in corrente alternata (Ac). La scelta dei filtri Dc è relativamente semplice, nel senso che spesso l’unico criterio è quello di ottenere il massimo filtraggio possibile, dati certi vincoli di ingombro, peso e costo. Questo spesso corrisponde a scegliere filtri con la massima capacità possibile. Un ulteriore parametro di scelta è la corrente di lavoro, che nelle linee Dc può avere valori ragguardevoli.

Le linee di alimentazione Ac di rete rappresentano solitamente un percorso ideale per l’Emi condotta; la propagazione delle interferenze (da e verso la rete) può avvenire in modo comune o in modo differenziale. Nell’accoppiamento di modo comune le due tensioni interferenti che si propagano lungo i due conduttori di rete (fase e neutro) sono identiche (interferenza antisimmetrica); è una modalità tipica dei disturbi indotti da campi elettromagnetici esterni (da radiazione o crosstalk). Nell’accoppiamento di modo differenziale le due tensioni interferenti sono uguali in modulo ma opposte in fase (interferenza simmetrica); è tipico di apparecchiature swiching o non lineari. Nel caso più generale entrambi i tipi di disturbo saranno presenti contemporaneamente. Per la realizzazione di filtri di alimentazione Ac si ricorre di solito a induttori (eventualmente accoppiati con condensatori) connessi in serie alle linee di fase e neutro; questa soluzione è di solito efficace sia per il modo comune che per il modo differenziale.

Un problema serio è costituito dal rischio di saturazione dei nuclei magnetici in presenza di forti correnti; un rimedio possibile è quello di utilizzare nuclei a bassa permeabilità; questa soluzione presenta lo svantaggio di aver bisogno di un più elevato numero di spire per ottenere lo stesso valore di induttanza; in conseguenza, aumentano la perdite per effetto Joule nei conduttori. Una soluzione più efficace è costituita dalla cosiddetta tecnica di “compensazione di corrente”; si basa sul fatto che le correnti di alimentazione che scorrono sui conduttori di fase e neutro sono in genere uguali ed opposte. Se entrambi i conduttori vengono fatti passare attraverso gli stessi fori del nucleo di ferrite, la corrente netta è teoricamente nulla e non si corre il rischio di saturazione. Gli induttori compensati in corrente hanno una unica, grande limitazione: sono efficaci solo contro le interferenze di modo comune.

I filtri per le linee di segnale vanno scelti con molta cura, perché una scelta errata potrebbe compromettere il funzionamento di tutta l’apparecchiatura anche in assenza di interferenze elettromagnetiche. Come prima cosa, occorre quantificare di quanto filtraggio si ha bisogno. Se sono sufficienti 5 dB o meno, la soluzione migliore è rappresentata dai cosiddetti “filtri a limitazione di rumore”. Questi altro non sono che delle ferriti cilindriche, attraversate assialmente dal conduttore; a bassa frequenza rappresentano un valore di impedenza molto basso, e sono praticamente trasparenti; al crescere della frequenza crescono le perdite finché, alla frequenza di risonanza ferromagnetica, la permeabilità crolla a zero e l’impedenza diventa completamente resistiva. A frequenze superiori a quella risonanza, l’impedenza delle ferriti resta sostanzialmente resistiva, e questo è il loro punto di forza: l’energia associata ai segnali interferenti viene dissipata in calore per effetto Joule, e non riflessa indietro verso la sorgente; il comportamento globale del circuito viene così perturbato meno. Per fissare qualche ordine di grandezza, alla frequenza di 100 MHz le ferriti rappresentano impedenze tipiche dell’ordine dei 50-70 Ohm. Hanno un grosso vantaggio di non richiedere una connessione di massa, e sono di solito poco ingombranti e poco costose; possono essere usate facilmente anche sulle linee di alimentazione. Per contro hanno un’efficienza filtrante che raramente supera i 10 dB.

Se è richiesta un’efficienza filtrante superiore alla decina di dB, occorre utilizzare altre soluzioni; il primo punto da verificare è se c’è o meno una buona connessione di massa. Se la massa non è disponibile, la soluzione ideale è costituita da ferriti ad alta induttanza; questi componenti offrono un’impedenza compresa tra i 300 e i 2000 Ohm a 100 MHz; c’è però il rischio che inducano distorsioni o riflessioni nelle linee di segnale.

Se è disponibile una buona connessione di massa, la scelta più opportuna è quella dei “filtri a separazione di rumore”; questi filtri sono solitamente realizzati come una combinazione opportuna di induttori e condensatori. Ne esistono in diverse configurazioni; la scelta deve essere effettuata tenendo conto dell’impedenza della “sorgente” e del “carico” che andranno collegati, rispettivamente, all’ingresso e all’uscita del filtro. A differenza delle ferriti infatti, questi filtri funzionano sul principio della riflessione: ad alte frequenze il filtro induce un forte disadattamento di impedenza tra la sorgente e il carico; viene così efficacemente ridotta la quantità di energia interferente “trasmessa” al circuito da proteggere. Maggiore sarà il disadattamento alle alte frequenze, più efficace sarà il filtro.

Si distinguono solitamente quattro casi, corrispondenti alle quattro possibili combinazioni delle impedenze (alta o bassa) della sorgente e del carico.

  1. sorgente e carico ad alta impedenza: la struttura filtrante più semplice è costituita dal condensatore passante; se è necessaria una maggiore azione filtrante è possibile utilizzare il filtro a pi-greco, semplice o doppio.
  2. sorgente ad alta impedenza e carico a bassa impedenza: il filtro ideale è il filtro ad L, costituito da un induttore e da un condensatore; il condensatore è collocato dal lato della sorgente. Per una maggiore azione filtrante è possibile utilizzare un filtro a L doppio.
  3. sorgente a bassa impedenza e carico ad alta impedenza: reciproco del caso (2); ancora una volta filtro ad L (semplice o doppio), condensatore dal lato del carico.
  4. sorgente e carico a bassa impedenza: in questo caso la configurazione ideale e quella a T, composta da due induttori ed un condensatore. Per filtri più efficaci è possibile utilizzare filtri a doppia T.

E’ necessario utilizzare particolare cautela quando il filtro deve essere installato su linee di segnale a larga banda, quali possono essere una linea digitale ad alta velocità o una linea analogica video. In questo caso occorre innanzitutto assicurarsi che le impedenze di ingresso e di uscita del filtro (nella banda passante) siano identiche a quella della linea; questo per evitare riflessioni che possono essere molto dannose, specialmente per i sistemi digitali. E’ indispensabile poi che il filtro non attenui nella banda di frequenze occupata dal segnale utile; una regola “di massima”, per i segnali digitali, è quella di scegliere un filtro (passa basso) che lasci passare inalterate frequenze fino alla sesta armonica della frequenza di clock fondamentale.

I filtri Emc, per essere efficaci, devono essere installati correttamente. In generale è opportuno garantire una buona separazione elettromagnetica tra l’ingresso e l’uscita del filtro: è inutile utilizzare un filtro con una attenuazione elevata, se poi i collegamenti tra l’ingresso e l’uscita corrono tra loro paralleli e non sono schermati.

Una tecnica efficace, anche se non sempre di facile applicazione, è quella di collocare il filtro su una flangia, all’ingresso del box metallico che contiene il circuito da isolare. In questo modo i conduttori di uscita corrono all’interno dello schermo e sono completamente “invisibili” ai conduttori d’ingresso.

Una tecnica alternativa è quella di utilizzare, per i conduttori di ingresso e di uscita, cavi schermati.

In ogni caso è necessario curare religiosamente la messa a massa di schermi e conduttori, in particolare per quei filtri che utilizzano la massa per drenare le correnti interferenti.

TABELLE CARATTERISTICHE  FERRITI PER RADIOFREQUENZA (CAMPO E & H)

  • FERRITE TONDA SU FILO 0,35

Spire

uH

Ohm

Tolleranza in + %

Tolleranza in uH

1

4,10

2,17

10

0,41

2

9,30

5,37

10

0,93

3

17,18

7,70

10

1,71

  • FERRITE TONDA SU FILO 0,75

Spire

uH

Ohm

Tolleranza in + %

Tolleranza in uH

1

4,09

1,94

10

0,40

2

9,30

5,24

10

0,93

3

16,50

7,50

10

1,65

  • FERRITE TONDA SU FILO 1,5

Spire

uH

Ohm

Tolleranza in + %

Tolleranza in uH

1

4,05

2,93

10

0,40

2

9,40

6,04

10

9,4

3

16,44

8,20

10

1,64

  • FERRITE TOTANO SU FILO 0,35

Spire

uH

Ohm

Tolleranza in + %

Tolleranza in uH

1

1,78

0,36

10

0,17

2

4,85

1,03

10

0,48

3

9,32

2,04

10

0,93

  • FERRITE TOTANO SU FILO 0,75

Spire

uH

Ohm

Tolleranza in + %

Tolleranza in uH

1

2,85

0,52

10

0,28

2

3,97

0,84

10

0,39

3

7,61

1,57

10

0,76

  • FERRITE TOTANO SU FILO 1,5

Spire

uH

Ohm

Tolleranza in + %

Tolleranza in uH

1

1,72

0,30

10

0,17

2

4,55

0,91

10

0,45

3

7,37

1,41

10

0,73

TABELLE CARATTERISTICHE

CONDENSATORI PER SISTEMI DI FILTRAGGIO ALLA RADIOFREQUENZA

( CAMPO E & H )

Classe di isolamento

Funzione

X1

Sempre sotto tensione

Y1

Sempre sotto tensione

X2

Non sempre sotto tensione

Y2

Non sempre sotto tensione

X

Collegamento tra fase e neutro

Y

Collegamento di fase o neutro e terra

 

f222_Ferriti complete di fileria

f222

Ferriti base

f4

Ferriti filata durante la caratterizzazione con induttanzimetro di precisione

f5

Analisi spettrale in banda DC / 1000 MHZ di caratterizzazione del fattore di attenuazione delle ferriti

 

TABELLA CARATTERISTICHE FILTRO EDOCOM

versioni 68 / 56 / 47 / 33 / 22 / 10 (CAMPO E & H)

Modello

10 MHZ

50 MHZ

100 MHZ

500 MHZ

1 GHZ

10

45

35

25

25

20

22

45

35

25

25

20

33

50

40

30

25

20

47

50

40

30

25

20

56

50

40

30

20

20

68

50

50

40

20

20

I filtri di rete EDOCOM sono costruiti anche nella versione con resistenza di scarica della tensione residua per uso in campo elettromedicale. Anche in questa versione vengono mantenute le caratteristiche di attenuazione sopra riportate.

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Filtro di rete modello EDOCOM serie 10 / 22 / 33 / 47 / 56 / 68