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Progetto cella TEM DIY per prove EMC

Cella TEM aperta

Cella TEM aperta

Indice

1.Introduzione

L'articolo nasce dall'esigenza di capire quanto un dispositivo elettronico interagisca nel suo funzionamento con l'ambiente elettromagnetico in cui si trova a funzionare; in sostanza si vorrebbe stabilire quanto esso influenza il mondo circostante (emissione) e parimenti quanto invece ne venga influenzato (suscettibilità).

Questa esigenza non è semplice curiosità, ma un preciso obbligo regolato dalla Direttiva Europea EMC 2014/30/UE del 26/02/2014, che è stata recepita in Italia con il D.Lgs. n. 80 del 18/05/2016, e riguarda tutte (o quasi....) le apparecchiature elettroniche immesse nel mercato dell'Unione Europea (EU).

La materia EMC è molto complessa ed articolata e richiede competenze multidisciplinari al tecnico che intende progettare circuiti elettronici anche molto semplici ma che hanno finalità commerciali.

Lo scopo dell'articolo è quello di fornire degli spunti di autocostruzione per avvicinarsi al mondo EMC in modo accessibile con un corretto approccio teorico di base.

2.Origine del progetto cella TEM

Non mi considero un esperto di EMC, ma uno a cui piacerebbe saperne di più visto che la mia attività mi porta ad occuparmi di elettronica industriale. Quindi ho cominciato a seguire seminari, cercare in rete pubblicazioni, acquistare libri che trattano la materia EMC.

A parte la complessità degli argomenti (a cui si può ovviare studiando libri e pubblicazioni) lo scoglio insormontabile, per chi desidera passare dalla teoria alla pratica del laboratorio, è rappresentato dal costo stratosferico delle apparecchiature di test EMC professionali. Indirizzandosi sul mercato dell'usato o sulle offerte presenti su Ebay il discorso cambia sensibilmente, ma dalla categoria di "impresa impossibile" si passa comunque a quella di "molto difficile".

Navigando in rete ho trovato (Vedi Cap.N Bibliografia) l'articolo [1] che indica [2] quale norma europea di riferimento : "Compatibilità elettromagnetica (EMC) Parte 4-20 : Tecniche di prova e misura - prove di emissione e di immunità in guide d'onda TEM"

Quindi il presente articolo vuole riportare all'attenzione degli utenti di Electroyou interessati alla materia EMC un'interessante autocostruzione di un oggetto per cominciare a sperimentare in questo mondo tanto affascinante quanto complesso, considerando anche che il suo costo resta inferiore a 200 euro.

3.Prove EMC : full-compliance e pre-compliance

Esiste un gran numero di norme armonizzate a livello europeo (CEI ENxxxxxx) e internazionale IEC/CISPR (Comitato Internazionale Speciale Perturbazioni Radioelettriche) alle quali si fa riferimento per soddisfare i requisiti richiesti dalla Direttiva EMC per le apparecchiature interessate. Queste norme stabiliscono :

  1. le caratteristiche della strumentazione elettronica di laboratorio da impiegare per condurre le prove;
  2. le modalità di esecuzione (setup di misura) delle prove;
  3. i limiti delle grandezze fisiche che riguardano le prove.

Per ogni apparato elettronico soggetto alla Direttiva EMC è richiesto un insieme ben definito di prove secondo le norme ad esso applicabili. Come detto al Cap.2 queste prove, se condotte in piena aderenza alle norme di riferimento (prove full-compliance), richiedono una dotazione strumentale estremamente costosa.

Tant'è che hanno trovato ampio spazio di mercato Laboratori strutturati in forma societaria che offrono servizi specializzati di consulenza e prove EMC. Questi Laboratori, lavorando a tempo pieno per tanti clienti diversi, riescono a fare profitto coprendo anche gli ingenti costi d'investimento per l'acquisto delle strumentazioni necessarie e delle calibrazioni periodiche. Oggi praticamente tutte le realtà produttive piccole, medie ed anche grandi si rivolgono per le prove EMC ai Laboratori esterni, con qualche rara eccezione in campo Automotive, per grandissimi Gruppi Multinazionali o della Difesa.

Quindi le ditte che hanno internamente le risorse per sviluppare prodotti elettronici propri o progettisti che lavorano come consulenti esterni devono sommare, nella stima dei costi di progetto, anche quelli delle prove EMC. Un insieme di prove EMC generico (emissioni radiate e condotte + suscettibilità radiata e condotta) costa non meno di 4000 euro per singolo apparato (rif. Laboratorio a cui mi sono già rivolto in passato).

Se durante lo sviluppo di un nuovo prodotto si sottovaluta/trascura l'aspetto EMC poi quando si sottopone, a progetto terminato, il prototipo ai test EMC presso il Laboratorio scelto (prove full-compliance) potrebbe succedere che non vengano superati tutti o parte dei test EMC previsti. In questo caso si procede per tentativi con il metodo "modifica-e-riprova" fino al superamento delle competenti prove. Nei casi più sfortunati bisogna rivedere il progetto originale con la conseguente :

  • moltiplicazione dei costi di sviluppo dell'apparato elettronico;
  • moltiplicazione dei costi del Laboratorio di prova;
  • imprevista e poco quantificabile dilatazione del time-to-market.

Per prevenire la situazione sopra descritta si procede, durante la fase di sviluppo progetto, all'esecuzione di test EMC intermedi e finali sul prototipo dell'apparecchio, ma in regime di pre-compliance. La pre-compliance prevede test EMC, condotti in modo semplificato con strumentazione affidabile ma molto più economica di quella per i test EMC full-compliance, e comunque si ottengono misure quantitative e non meramente qualitative, con risultati mediamente conservativi ed utili durante la fase di messa a punto del progetto evitando spiacevoli sorprese quando si faranno poi i test EMC presso Laboratori esterni.

4.Analisi dei costi

Per avere anche solo una vaga un'idea dell'entità degli investimenti necessari per allestire un laboratorio di prova EMC full-compliance basta girovagare in rete e vedere o chiedere i prezzi di vendita di apparati nuovi praticati dalle ditte specializzate del settore :

  • camera anecoica a 3m attrezzata circa 500.000 €;
  • ricevitore EMC di misura CISPR da 9 kHz alle microonde a partire da 70.000 €;
  • cella GTEM 20 GHz circa 50.000 €;
  • generatore RF + amplificatore RF a partire da 30.000 €;
  • antenne tarate di misura 5.000 - 6.000 € ciascuna.

L'elenco non è certamente completo perchè manca molta altra strumentazione come generatori di disturbi di rete, ESD, LISN ed accessori quali clamp capacitivi, current probe e via dicendo. Il totale dell'investimento è nell'ordine di 1,0 M€ oltre al posto dove mettere tutto quanto. Il costo indicato al Cap.3 per un generico set di prove EMC full-compliance presso un Laboratorio esterno è certamente giustificato alla luce di quanto sopra esposto, anche perchè gli strumenti dopo averli comprati e pagati occorre anche saperli usare.......

Per semplici schede singole o parte di sistemi più complessi oppure automatismi a microcontrollore a servizio di macchine industriali da lanciare sul mercato, spesso il costo dei test EMC esaurisce il budget riservato allo sviluppo di tutta la progettazione elettronica. Se invece ragioniamo in termini di test EMC di pre-compliance, oggi ditte quali RIGOL, GWInstek, Siglent, ma anche R&S, offrono dei pacchetti di strumentazione valida per test EMC di base a partire da 5.000 € o anche meno. Una cella TEM aperta come quella presentata in questo articolo si acquista in rete già fatta per poco meno di 1.000 €, ma come si può vedere nella foto di presentazione dell'articolo ed in [1], diventa interessante anche cimentarsi nella sua autocostruzione.

Sotto questo aspetto diventa possibile ed economicamente sostenibile esplorare nel proprio laboratorio l'argomento EMC durante lo sviluppo di un apparato elettronico, valutandone preventivamente le prestazioni per capire se potremo attenderci, a progetto finito, un superamento dei test EMC full-compliance presso il Laboratorio esterno.

5.Il marchio CE e la Dichiarazione di Conformità CE

Apparecchiature elettroniche o macchine contenenti parti elettroniche attinenti al loro funzionamento, destinate all'immissione nel mercato dell'Unione Europea (EU), sono soggette alla Direttiva EMC e quindi devono soddisfare i competenti requisiti obbligatori (RES), e ciò si ottiene applicando le norme EMC armonizzate di base o di prodotto (ENxxxxxx) verificando infine i prodotti/macchine tramite i test EMC. Quanto sopra descritto per sommi capi termina con la marcatura CE dei prodotti/macchine e la redazione della Dichiarazione di Conformità CE da parte del Costruttore (Allegato IV Direttiva EMC ) così che essi possano liberamente circolare entro i Paesi membri della U.E. senza alcun ostacolo. E' importante ricordare che marcatura CE e Dichiarazione CE sono atti volontari del Costruttore che si assume la responsabilità del proprio operato e di quello che dichiara. Le prove condotte presso un Laboratorio esterno, attrezzato e competente, rappresentano una garanzia per il Costruttore a supporto del suo operato.

6.Le varie alternative

Stabilito cosa fare per produrre e vendere beni "a norma" e "marcati CE" secondo la Direttiva EMC ed individuata l'entità dei relativi costi, bisogna quindi orientarsi per affrontare il problema in relazione alle risorse economiche disponibili. Sostanzialmente si possono individuare tre tipi di approccio :

Tipo 1 - Canonico

Il Costruttore dispone di risorse tecniche ed economiche adeguate, fa il progetto del nuovo prodotto secondo un piano preordinato, generalmente in regime di qualità, conosce le problematiche EMC e le affronta durante tutta la fase di sviluppo. Prima di lanciare il prodotto sul mercato vengono eseguite tutte le prove EMC full-compliance previste presso Laboratori esterni per la marcatura e certificazione CE avendo la certezza di soddisfare la Direttiva EMC.

Tipo 2 - Consapevole

Il Costruttore dispone di risorse tecniche ed economiche limitate quindi le prove EMC full-compliance in Laboratorio esterno non rientrano nel costo di sviluppo del nuovo prodotto. E' consapevole del problema EMC e lo affronta con test di pre-compliance secondo quello che il budget economico gli consente. Se il nuovo prodotto troverà il favore del mercato egli avrà le risorse per i test EMC full-compliance in Laboratorio esterno. Si assume la responsabilità della marcatura e certificazione CE del prodotto consapevole che con buona probabilità le prove EMC di pre-compliance fatte soddisfano la Direttiva EMC.

Tipo 3 - Colpa dell'Europa

Il Costruttore dispone di risorse tecniche ed economiche limitate quindi le prove EMC in generale sono un problema aggiuntivo inutile ed una spesa che fa lievitare i costi, quindi da tagliare. Forse ha sentito parlare di EMC e risolve il problema dal punto di vista squisitamente burocratico (maledicendo l'Europa e le sue leggi che ci porteranno alla rovina...) : si assume al buio la responsabilità della marcatura e certificazione CE del prodotto. Bisogna pur portare a casa la pagnotta per cena..........

La scelta

Chi segue l'approccio di tipo 1 non serve che legga il seguito del presente articolo perchè ha brillantemente affrontato e risolto il tema EMC. Lo stesso può fare chi segue l'approccio di tipo 3 al quale auguro cordialmente buona fortuna. Chi pensa di seguire l'approccio di tipo 2, se lo ritiene utile ed interessante, può continuare nella lettura.

La sostanza di questo Capitolo è che quando si è di fronte ad una sfida tecnologica complessa, non disponendo al momento di tutti i mezzi necessari per risolverla in modo canonico, ma è vitale andare avanti, si può comunque cominciare ad esplorare il problema usando dei mezzi alternativi, economicamente accessibili e tecnicamente idonei, attuando opportune e sostenibili azioni correttive, senza fingere che la sfida venga superata semplicemente ignorandola.

7.Perchè la cella TEM?

La cella TEM è un tratto di linea coassiale a sezione rettangolare a due porte (ingresso - uscita), nel caso in oggetto di tipo strip-line aperta, rastremata alle due estremità per adattarla ai tradizionali connettori coassiali. Viene dimensionata in modo da avere un'impedenza caratteristica di 50 ohm su tutta la lunghezza per ridurre al minimo il rapporto d'onda stazionaria (SWR). Quando si collega alla porta d'ingresso della cella un generatore RF e la porta di uscita viene terminata sulla sua impedenza caratteristica, all'interno della cella, sopra e sotto il setto centrale, si stabilisce un campo elettromagnetico di buona uniformità di tipo TEM (trasversale elettro magnetico) cioè i vettori rappresentativi del campo elettrico e magnetico sono spazialmente ortogonali tra loro con giacitura su di un piano perpendicolare alla direzione di propagazione d'onda (ingresso - uscita).

modo TEM

modo TEM

  • Campo magnetico H : asse x
  • Campo elettrico E : asse y
  • Propagazione : asse z

Nelle condizioni di funzionamento ideali sopra dette l'intensità del campo elettrico e magnetico sono legate dalla relazione :

\frac{E}{H}={\eta _{o}}=377\; \, \Omega\; \left (  impedenza\; dello\; spazio\; vuoto\right )

Le linee del campo elettrico e magnetico, all'interno della cella sotto il setto centrale, sono riportate nella figura di seguito

linee di campo

linee di campo

Le dimensioni del dispositivo da testare (DUT device under test) nella cella TEM non deve essere troppo grande rispetto alle dimensioni fisiche disponibili proprie della cella stessa per non alterarne significativamente il regime di funzionamento. Le norme [2] ed anche le CISPR25 Annex E stabiliscono le dimensioni massime del DUT come nella figura di seguito

dimensioni massime DUT

dimensioni massime DUT

L'altezza del DUT non dovrebbe superare 0,33h dove h è l'altezza del setto rispetto ai piani superiore/inferiore della cella. Nel nostro caso le dimensioni massime del DUT inseribile nella cella sono 27 x 18 cm in pianta e altezza 3,5 cm. Quindi possiamo usare la cella per studiare il comportamento EMC di un progetto reralizzato su una scheda PCB che rientra nelle suddette dimensioni : praticamente tutte le realizzazioni con o senza microcontrollori e/o schede di sviluppo tipo Arduino, Raspberry, e relativi shields.

7.1.Emissione radiata

La cella TEM può essere impiegata per valutare le emissioni radiate del DUT nella banda di frequenza 30 MHz - 1 GHz, utilizzando un algoritmo di correlazione ad un sito di prova all'aperto (OATS - open area test site), vedi [2] Allegato A.

7.2.Suscettibilità radiata

La cella TEM è particolarmente indicata per le prove di suscettibilità radiata nella banda di frequenza 30 MHz - 1 GHz perchè con una esigua potenza applicata alla porta d'ingresso si generano intensità di campo elettrico E nello spazio occupato dal DUT di decine di V/m. Infatti l'intensità del campo elettrico si può calcolare con buona approssimazione con la seguente relazione vedi [1] (1) oppure [2] E.2

E=\frac{\sqrt{PZ_{0}}}{h}\; (\frac{V}{m})

dove P è la potenza in W applicata alla cella TEM e Zo la sua impedenza caratteristica, solitamente 50 Ohm. Con P=0,2 W (+23 dBm) e h=0,1 m si possono ottenere intensità di campo E di oltre 30 V/m. Per avere la stessa intensità di campo elettrico in camera anecoica a 3 m oppure in un sito di prova all'aperto (OATS) occorrono potenze molto più elevate.

Per esempio un amplificatore RF come in foto

amplificatore 2 W

amplificatore 2 W

si acquista su Ebay per una quindicina di euro portato a casa e fornisce +33 dBm (0 dBm in ingresso) da 1 MHz a circa 1 GHz con una discreta linearità.

8.Dimensionamento cella TEM

La relazione impiegata per il progetto della cella TEM in oggetto è la (3) contenuta nella pubblicazione [1] in cui si possono evincere anche ulteriori dettagli costruttivi che non riporto per evitare inutili ripetizioni. Nelle foto seguenti sono riportatri i disegni quotati utili per chi volesse costruirsi in casa la cella

disegno cella TEM

disegno cella TEM

disegno setto cella TEM

disegno setto cella TEM

9.Conclusioni

Per ora mi fermo qui. Dal momento che l'argomento EMC è comparso in numerose discussioni, con questo articolo spero di aver suscitato la curiosità degli utenti di Electroyou che sono interessati alla materia EMC come progettisti, studenti o semplici appassionati desiderosi di fare nuove sperimentazioni. Di cose da trattare ce ne sono ancora molte : la misura del SWR nella gamma di frequenza di utilizzo, dell'uniformità e dell'intensità di campo nella cella con i probe di campo e la definizione del fattore di antenna Af ecc. ecc. Si potrebbe provare a vedere che differenza c'è tra un Arduino Uno originale (marcato CE) e uno cinese in termini di emissioni e suscettibilità.......

10.Bibliografia

[1] Do-it-Yourself Fabrication of an Open TEM Cell for EMC Pre-compliance

Sandeep M. Satav - EMI-EMC Center RCI, Hyderabad – 500 069, India
Vivek Agarwal - Senior Member, IEEE, Dept. of Electrical Engineering, Indian Institute of Technology-Bombay, Powai, Mumbai – 400 076, India

[2] Norma CEI EN61000-4-20

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Commenti e note

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di ,

Grazie MarcoD per il tuo apprezzamento. In seguito vedrò di proseguire l'articolo illustrando l'impiego pratico della cella TEM con i risultati delle misure di laboratorio.

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di ,

Articolo utile e ben scritto e illustrato. Anni fa anche io avevo iniziato a interessarmi per acquisire/realizzare una cella TEM per prove di precompliance, poi l'interesse era caduto.

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