Contenere le emissioni Emi nei sistemi Ac-Dc

INTERFERENZE –

Uno sguardo alle cause delle interferenze elettromagnetiche e al loro impatto su un sistema di conversione dell’energia, con alcuni suggerimenti pratici su come minimizzare il loro effetto.

La materia legata alle interferenze elettromagnetiche è spesso considerata una delle “arti occulte” alla base del progetto di conversione dell’energia e dell’integrazione di sistema, soprattutto per quanto riguarda le soluzioni Ac-Dc. In questo articolo prendiamo in esame le cause delle interferenze elettromagnetiche e il loro impatto su un sistema, offrendo alcuni suggerimenti pratici su come minimizzare il loro effetto.

Le cause del rumore
Iniziamo a considerare ciò che i progettisti chiamano affettuosamente “rumore”. Esso è generato ogni qualvolta si verifichino delle variazioni rapide di tensione (dv/dt) e/o corrente (di/dt). I convertitori Ac-Dc utilizzano normalmente varie tipologie di switching, per esempio la fully resonant, la quasi-resonant e la Pwm (Pulse Width Modulation). Quest’ultimo rappresenta il controllo più tipico impiegato nella sezione di front end del convertitore. I convertitori in tecnologia Pwm utilizzano un segnale di controllo rettangolare la cui ampiezza varia in risposta alle condizioni operative del convertitore stesso. Il risultato tipicamente è uno spettro di distribuzione dell’energia di tipo a “rumore bianco”. Se non filtrato o schermato questo rumore interferisce con gli apparati elettronici consumer che utilizzano la stessa sorgente Ac. Le “correnti di rumore” che si instaurano nel convertitore attraverso le linee di alimentazione Ac o i cavi di uscita sono note come “emissioni condotte.” Il rumore si manifesta in due forme: differenziale e di modo comune. La definizione di “modalità differenziale" deriva dal fatto che il rumore è presente solo sulle linee di segnale e non sui conduttori di terra, e può essere misurato rispetto alle linee di energia. La definizione di rumore di modo comune sta invece nel fatto che il rumore può essere misurato tra la massa e una delle linee di energia.
I convertitori Ac-Dc utilizzano dei filtri Emi posti all’interno del contenitore. Questi filtri sono basati su tecnologie di soppressione del rumore e integrano dei componenti capacitivi e induttivi. Questi componenti sono denominati elementi “X” e “Y”. I componenti “X” sono posizionati tra le linee di energia e filtrano il rumore differenziale; i componenti “Y” sono posizionati tra le linee di energia e la terra e filtrano il rumore di modo comune.

Come minimizzare il filtraggio Emi
I convertitori Ac-Dc sono progettati per soddisfare numerosi standard normativi e di sicurezza, compresi quelli relativi alle interferenze elettromagnetiche. I singoli dettagli e gli standard osservati sono normalmente illustrati nella documentazione del prodotto. Normalmente, durante l’integrazione di sistema dei vari componenti – inclusi i convertitori Ac-Dc, il progettista può ritenere indispensabile inserire un filtraggio Emi aggiuntivo al fine di consentire al sistema di soddisfare tutti gli standard più rilevanti. Qualora fosse necessario adottare tale approccio, è sempre raccomandabile minimizzare i componenti di filtraggio aggiuntivi, richiesti sulla base di informazioni di test raccolte in modo empirico. In tal senso è consigliabile prestare particolare attenzione ad alcuni aspetti:
- eseguire il test di sistema senza filtri aggiuntivi, in quanto questo mette a disposizione del progettista del sistema un’ottima base di paragone;
- identificare sul tracciato Emi le frequenze più problematiche;
- cercare di mettere in relazione tali frequenze alle aree hardware all’interno del sistema.
- ricontrollare tutti i punti della messa a terra e ricontrollare i percorsi dei cavi: il tutto deve rispettare le migliori consuetudini ingegneristiche. Queste includono (ma non si limitano) la separazione dei cavi di segnale da quelli di potenza e l’utilizzo di doppini avvolti (da 3 a 5 avvolgimenti per pollice, se possibile) per i conduttori che trasportano segnali o correnti elevate e i loro ritorni verso massa. Se l’utilizzo di queste tecniche è impraticabile, un’alternativa per minimizzare il rumore è allineare il più possibile i cavi l’uno vicino all’altro. Considerate la possibilità di schermare i cavi soggetti a transitori veloci di corrente e tensione. Nei sistemi integrati che dispongono di molti punti di connessione a massa è necessario un attento studio dello schema a blocchi del sistema al fine di rilevare degli eventuali loop di terra. Se presenti, questi vanno eliminati.

L’aggiunta del filtro esterno
Se i problemi di Emi persistono può essere necessario aggiungere un filtro esterno. In tal caso è consigliabile prendere in considerazione i seguenti aspetti:
• Il filtro deve essere in grado di gestire l’intero spettro di correnti del sistema.
• Il filtro deve garantire un’attenuazione sufficiente alle frequenze di rumore più problematiche per assicurare un margine adeguato per le eventuali variazioni che si possono verificare da sistema a sistema durante la produzione.
• È necessario calcolare le perdite di corrente extra provocate dalla capacità “Y” aggiuntiva del filtro. Se la corrente di perdita non è dichiarata nel data sheet del filtro è possibile utilizzare la seguente formula:
 2 x π x ( Ac-Volt-max) x (Ac-frequenza-max) x (Y condensatori) = I perdita
al valore ricavato è necessario aggiungere dal 20% al 25% per avere una stima globale della corrente di perdita. Se la corrente di perdita eccede i livelli imposti dalle normative è opportuno ricorrere a un filtro che disponga di un componente induttivo interno in serie sul terminale di massa. Questi filtri tendono a non avere dei condensatori “Y” e possono essere considerati come filtri medicali.
• Il filtro deve essere equipaggiato con una resistenza interna tra le linee di energia per assicurare che, una volta disconnessa la linea Ac, il condensatore “X” interno si scarichi in modo adeguato – normalmente nel giro di un secondo, come raccomandato dalle norme Vde 0806 e Iec380.
• L’effetto di un filtro esterno è aggiungere degli elementi induttivi in serie all’ingresso Ac del convertitore. È necessario prestare attenzione alla prevenzione un fenomeno denominato “ring-up”. Il ring-up si innesca quando la corrente diretta attraverso un’induttanza in serie è sufficiente a saturare l’induttore del filtro, al punto che - quanto il campo magnetico risultante collassa - si genera una corrente di picco molto elevata, con un’ampiezza di tensione anche doppia rispetto all’impulso originario.
• Questi picchi possono essere indotti da fulmini, disturbi sulla rete esterna di alimentazione o transitori provocati da carichi induttivi, per esempio dei motori elettrici. I convertitori commerciali dispongono di circuiti di protezione e sono conformi agli standard normativi. A causa del ring-up, l’integrazione di un filtro esterno potrebbe trascendere i componenti di protezione interni, danneggiando il convertitore. A tale proposito può essere necessario aggiungere al filtro dei componenti di protezione esterni, per esempio dei Mov (Metal Oxide Varistors), per irrobustire il sistema.
• Il filtro deve essere posizionato il più vicino possibile all’ingresso Ac sul contenitore del sistema. Questo permette di massimizzare il filtraggio Emi. Tutte le connessioni di massa del filtro devono essere più corte possibile per minimizzare le induttanze e le impedenze in serie.

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