Come mitigare gli effetti EMI (Electro Magnetic Interference)

Introduzione

EMI è l’acronimo di Electro Magnetic Interference, tradotto in italiano, Interferenza Elettromagnetica. Dalla sua definizione si può intuire che esso è un fenomeno non desiderato, poiché si tratta di un’interferenza, cioè un accoppiamento  che produce un segnale indesiderato nei circuiti elettronici.  

Il segnale elettrico accoppiato genera un rumore che si somma ai segnali già presenti nel sistema. Se l’entità  dell’interferenza raggiunge livelli relativamente alti, essa può  provocare  malfunzionamenti del sistema.

L’interferenza elettromagnetica può essere prodotta sia da  sorgenti naturali (per esempio un fulmine,   le radiazioni prodotte dal Sole) o da sorgenti artificiali (trasmettitori  cellulari, interruttori di potenza ecc.).

Qualsiasi  sistema, dove è presente una tensione  applicata e circola  una corrente elettrica, esso produce un campo elettromagnetico, la cui intensità dipende dall’energia assorbita.

Il campo elettromagnetico prodotto da un circuito elettronico può accoppiarsi con un altro sistema, posto nelle vicinanze, e generare delle correnti indotte  che  originano un rumore additivo.

È ovvio, soprattutto per dispositivi di sicurezza,   minimizzare l’accoppiamento elettromagnetico e  gli effetti che esso può causare.

Infatti,  grazie alla crescita esponenziale e della diffusione di dispositivi wireless come  Bluetooth, WI-FI, telefoni cellulari e NFC ecc..

L’attenzione nei confronti di questo problema è aumentata notevolmente negli ultimi anni e in fase di progettazione  di sistemi elettronici, si adottano soluzioni per mitigare il problema sia dell’emissioni che dell’accoppiamento.

Bisogna notare  che il problema delle emissioni e dell’accoppiamento sono legati tra di loro, pertanto se in fase progettuale si adottano delle opportune soluzioni per limitare le emissioni, di conseguenza si ottiene lo stesso risultato sull’entità dell’accoppiamento.

Inoltre, c’è da considerare che la complessità dei sistemi elettronici, anch’essa è aumentata notevolmente insieme a livello d’integrazione e aumento della frequenza del clock.  

In un unico contenitore abbiamo più sistemi che coesistono, per esempio il vostro PC o cellulare  con il quale state leggendo questo articolo.

Anche in questo caso bisogna limitare al minimo le interferenze tra i vari dispositivi che compongono  il sistema per evitare malfunzionamenti.  

Cos’è un’interferenza elettromagnetica

Un’interferenza elettromagnetica è  un’onda data dalla  combinazione di un campo elettrico e magnetico che si trovano in un piano in cui le due grandezze oscillano con un angolo di 90°  tra di loro, come in figura 1.

Un campo magnetico può essere attenuato con l’utilizzo di materiali ferromagnetici,  mentre il campo elettrico subisce forti attenuazioni   con materiali  come  i metalli che hanno un elevata conducibilità.

In prima analisi bisogna valutare quali dei due campi e predominante , in modo da schermare il nostro sistema con il materiale  più idoneo.

Nella stragrande maggioranza dei casi il campo elettrico è quello prevalente, infatti, quasi tutti i sistemi elettronici sono di solito posti in contenitori metallici, proprio per ottenere un’ottima schermatura e una bassa emissione dei campi elettrici.

Le differenti tipologie di EMI

Le differenziazioni possono essere catalogate come di seguito:

• Naturali
• Artificiali
• La larghezza di banda dell’interferenza
• La durata temporale del disturbo
• Il tipo di accoppiamento

Interferenze elettromagnetiche naturali

Un esempio  d’interferenza elettromagnetica naturale è il sun outage, a soffrire di questo tipo di fenomeno sono soprattutto i satelliti, infatti, in due periodi dell’anno, primo equinozio (febbraio e marzo) e il secondo equinozio (settembre e ottobre) la Terra si trova in una posizione quasi perpendicolare rispetto al Sole.

In queste condizioni l’energia elettromagnetica prodotta dal Sole raggiunge la massima intensità in alcune ore della giornata (dipende dalla locazione del satellite) e quando il satellite geostazionario si trova ad un certo angolo tra la Terra e il Sole (vedi figura 2 ) le comunicazioni, tra satellite e Terra sono interrotte date proprio dalla energia elettromagnetica prodotta dal Sole che colpisce le antenne  del satellite.   

Interferenze elettromagnetiche artificiali

Le interferenze artificiali sono quelle prodotte da sistemi  costruite  dall’uomo, per esempio  due sistemi elettronici possono generare delle interferenze elettromagnetiche e influenzarsi tra di loro, un arco voltaico prodotto da una linea di potenza,  un interruttore elettrico, un regolatore di tensione ecc..

Interferenze elettromagnetiche ad ampia banda

Quando l’interferenza elettromagnetica  ha uno spettro in frequenza maggiore di qualche centinaio di megahertz, in questo caso, il disturbo è definito ad ampio spettro.

Interferenze elettromagnetiche a banda stretta

Quando la frequenza del disturbo occupa solo una piccola piccola parte dello spettro di frequenza che potrebbe anche essere una singola frequenza.

Durata dell’interferenza

Nell’analisi EMI, è fondamentale conoscere anche la durata dell’interferenza, in alcuni casi può essere continua oppure ad impulsi di durata molto breve. In funzione di questo parametro si puo’ valutare la soluzione piu’ opportuna per mitigare il disturbo.

Come si accoppia l’interferenza

Di seguito sono elencate le diverse cause di accoppiamento:

• Accoppiamento di radiazione
• Accoppiamento di conduzione
• Accoppiamneto capacitivo
• Accoppiamento induttivo/magnetico

Accoppiamento di radiazione

Quando un sistema emette una radiazione elettromagnetica che si propaga nello spazio se essa ha sufficiente energia può accoppiarsi con un altro sistema che si trova nelle vicinanze  e causarne  dei mal funzionamenti.

Accoppiamento di conduzione

Se due sistemi sono connessi tra di loro oppure semplicemente connessi all’alimentazione, il disturbo può propagarsi tramite i cavi di connessione oppure dal cavo d’alimentazione.

Accoppiamento capacitivo

Quando un condensatore è posto tra due parti di un circuito esso potrebbe trasferire la sua carica all’altro circuito.

Accoppiamento induttivo/magnetico

Quando si verifica una variazione di un campo magnetico, se ha energia sufficiente,  induce una d.d.p. in un conduttore nelle vicinanze.

Accoppiamento di modo comune e differenziale

Quando si verificano  un accoppiamento di conduzione, come descritti nel paragrafo precedente, esso  si può manifestare in due modi:

• Modo differenziale
• Modo comune

Il modo differenziale si verifica quando fra due conduttori scorre una corrente (generata dal disturbo) in un loop chiuso, dove direzione  del flusso di corrente è opposta  nei due cavi (vedi Figura 3).

Mentre, il modo comune, il flusso di corrente nei due cavi ha la stessa direzione (vedi Figura 3).

I due modi di accoppiamento, per essere miticati, richiedono un diverso modo di filtraggio, ma in molti casi i due modi di accoppiamento coesistono.

Tecniche per mitigare l’EMI

Di seguito sono elencate le possibili soluzioni che possono essere usate anche in combinazioni tra di loro:

• Filtraggio
• Schermatura
• Messa a terra

Filtraggio

I filtri sono ampiamente usati per mitigare gli effetti EMI, in particolare sono usati per filtrare la tensione d’alimentazione connessa alla rete elettrica, dove si possono accoppiare moltissimi disturbi provenienti dai sistemi ad essa connessa.

Generalmente, i filtri della rete elettrica sono formati da due stadi, uno  che filtra il rumore di modo comune e l’altro quello differenziale.

In figura 4  e’ indicato un tipico filtro di rete, dove C_x attenua il  rumore di modo differenziale, mentre le due capacita’ C_Y quelli di modo comune.

Schermatura

La schermatura è usata per ridurre le emissioni di radiazioni elettromagnetiche dei circuiti elettronici oppure dei cavi di connessione.

In effetti noi possiamo immaginare la schermatura come una barriera contro le emissioni elettromagnetiche, infatti come abbiamo anticipato precedentemente, se schermiamo  un sistema con materiale conduttivo esso non lascia passare il campo elettrico, mentre  il materiale ferromagnetico è una barriera ai campi magnetici.

Schermando un sistema, la radiazione da esso emesso, viene riflessa, oppure assorbita o attenuata  dalla schermatura, come in figura 5.

Messa a terra

Per evitare dei loop di corrente causati da una differente impedenza della linea di massa, si può suddividere in blocchi un circuito elettronico e separare la loro massa in modo da evitare dei loop di corrente tra i diversi circuiti (vedi figura 6)

Nel primo circuito, il potenziale di massa del primo stadio è influenzato dai  blocchi 2 e 3, mentre lo stadio 2 è influenzato dal blocco 3. Questo fenomeno e’ identificato come accoppiamento comune della massa.

Mentre nel secondo circuito, il fenomeno precedentemente descritto non è presente ma per ridurre al minimo, eventuali disturbi presenti sulla linea di massa  dobbiamo rendere queste connessioni  più corte e possibile per ridurre al minimo le impedenze Z_1, Z₂ e Z_3, per evitare la generazione di rumore provocate da induttori parassiti e  impedenze disuniformi.

Se volete approfondire l’argomento, scrivetelo nei commenti.

Grazie.