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Accoppiamenti indesiderati

Premessa

Quando un circuito deve trasmettere una precisa informazione, è intuitivo che il segnale dovrebbe essere generato esclusivamente dal componente adibito alla trasformazione della grandezza che si desidera conoscere nella grandezza elettrica, tensione o corrente. Il problema è che i segnali elettrici possono essere originati da qualsiasi fonte e, come segnali elettrici, sono indistinguibili l'uno dall'altro, non portano cioè il marchio di chi li ha generati. Quando un dato circuito veicola segnali prodotti da un altro circuito, il segnale originario può diventare irriconoscibile, come la voce di uno che parla in mezzo ad una folla urlante. Il trasferimento di un segnale elettrico da un circuito ad un altro è, in tali casi, un accoppiamento indesiderato. Si parla genericamente di  disturbo, e può avvenire nei tre modi in cui si manifestano i fenomeni elettrici.

  • Accoppiamento conduttivo
  • Accoppiamento capacitivo
  • Accoppiamento induttivo

Accoppiamento conduttivo

Si ha quando le correnti dei due circuiti fluiscono attraverso una resistenza o impedenza comune. Può trattarsi della resistenza che collega il punto di riferimento dei potenziali di ciascun circuito ad un punto di riferimento comune, cui si attribuisce il nome di massa, oppure della linea di trasmissione del segnale che per un tratto di percorso è comune.

Le figure Acc.1 ed Acc.2  illustrano i due casi.

Acc. 1

 

Acc. 2

Nella fig. Acc.1 la ddp del primo circuito è influenzata dal valore della corrente del secondo che fluisce verso massa. Esso dovrebbe misurare la E1 , invece misura la U1 = E1 - UR con UR = R*(I1 + I2), quindi dipendente dalla corrente nel secondo circuito. Rientra in questo caso anche il collegamento, effettuato per ragioni di sicurezza, della massa elettronica, intesa come punto di riferimento, con la messa a terra del contenitore metallico dell'apparecchiatura. La massa elettronica è in tal caso vincolata al potenziale della messa a terra che è suscettibile di variazioni nei diversi punti dell'impianto per le correnti che possono interessare la resistenza di terra.

Nella fig. Acc.2 i due circuiti sono alimentati dalla stessa tensione per cui quella applicata al circuito 2 dipende dalla corrente assorbita dal circuito 1 (e viceversa), per effetto della caduta di tensione sull'impedenza del tratto di linea comune. I circuiti dovrebbero misurare E invece misurano una U = E - 2*UR essendo UR = R*( I1 + I2 ) una tensione influenzata dalla corrente nell'altro circuito.

I modi per ridurre gli inconvenienti consistono nell'adozione di un collegamento a stella delle masse dei circuiti alla massa comune e, nel secondo caso, alla separazione delle linee o all'adozione di linee con impedenze estremamente basse.

Chiarimenti ulteriori sono esposti nell'ultimo paragrafo.

Accoppiamento capacitivo

Ammesso di aver ridotto al massimo l'accoppiamento conduttivo si deve tener presente la possibilità di accoppiamento capacitivo. Due conduttori appartenenti a circuiti diversi sono, in ogni caso, le armature di un condensatore il cui dielettrico è l'isolamento esistente tra i conduttori. Tale capacità (C12) è detta parassita in quanto esiste indipendentemente dalla nostra volontà.  Due conduttori paralleli i cui assi distano D, essendo D il diametro dei conduttori, hanno, come ordine di grandezza, una capacità di qualche decina di pF per ogni metro di lunghezza.

Quel che succede lo si può analizzare nella seguente figura Acc.3, immaginando un segnale E1 su linea 1 e calcolando la tensione U2 che si manifesta sul conduttore 2 per effetto delle capacità parassite. Il segnale sia sinusoidale di frequenza f ed ampiezza E1

 

Acc. 3

Le reattanze sono l'inverso del prodotto della pulsazione del segnale per la capacità: X = 1 / (6,28*f*C). In alternata le reattanze sono numeri puramente immaginari, negativi nel caso delle capacità (-jX), le resistenze reali positivi. Per effetto della tensione E1 nella linea 1, compare, nella linea 2, la tensione rispetto a massa U2 = (R//-jX2G)*E1/(-jX12+R//-jX2G). Il valore di U2 dipende dai rapporti che intercorrono tra la resistenza verso massa della linea 2 e le capacità parassite. Per X2G grande rispetto ad R, il parallelo tra le due coincide in pratica con R per cui  si può scrivere U2=R*E1/(-jX12+R). Se R è pure piccola rispetto ad X12 si può scrivere U2 = R*E1/-jX12. Disinteressandoci della fase (quadratura di anticipo rispetto ad E1), si ha come modulo U2 = 6,28*f*R*C12*E1

Il disturbo, cioè la tensione indesiderata,  provocato da un circuito in un altro circuito per accoppiamento capacitivo, risulta dunque essere proporzionale alla capacità parassita, alla frequenza del segnale del circuito disturbante, alla resistenza verso massa del circuito disturbato, oltre che all'intensità del segnale nel circuito disturbante. Più elevata è R maggiore è la U2 ma la crescita non è lineare e c'è un limite superiore per U2 ricavabile con la seguente considerazione. Se R diventa molto maggiore delle reattanze si può scrivere: U2=-jX2G*E1/-j(X12+X2G) = E1*C12/(C12+C2G). E' il  valore che corrisponde alla ripartizione della tensione del primo circuito tra la capacità di accoppiamento tra i due circuiti, C12, e la capacità verso massa del secondo circuito, C2G.

Per ridurre il disturbo indotto per via capacitiva è dunque indispensabile ridurre la capacità parassita C12, il che si ottiene allontanando i conduttori. Se l'allontanamento però non è sufficiente, o addirittura  non è possibile, la via maestra è circondare il conduttore 2 con una sottile lamina metallica, utilizzare in definitiva cavi schermati. Nella figura Acc.4 è rappresentata la situazione con l'aggiunta di uno schermo per il conduttore 2.

 

Acc. 4

La capacità C12 è in tal caso sostituita dalla serie C1S, C2S (le capacità tra i conduttori e lo schermo) e la maggior parte della tensione E1 cade sulla C1S. L'effetto complessivo è una drastica riduzione della C12 per cui il disturbo è ridotto. Lo schermo va collegato alla massa per evitare  che il disturbo si trasmetta al conduttore 2 attraverso la capacità C2S. Il collegamento dello schermo alla massa va effettuato da una sola parte per evitare la formazione di un anello che potrebbe essere percorso da correnti per le eventuali differenze di potenziale esistente tra le masse.

Accoppiamento induttivo

E' dovuto al campo magnetico variabile prodotto dalla corrente circolante in un circuito (il disturbante) che si concatena con il secondo circuito (disturbato). La figura Acc.5 mostra due circuiti accoppiati. Con M12 è indicato il coefficiente di mutua induzione che, moltiplicato per la corrente che percorre il circuito 1, dà luogo ad un flusso che concatenandosi con il circuito 2, quando varia per il variare della corrente I1,  genera in esso una fem Ud

Acc. 5

Il fenomeno è regolato dalla legge di Faraday-Lenz per cui la tensione indotta nel circuito disturbato è proporzionale alla velocità con cui varia la corrente nel primo per il coefficiente di mutua induzione che definisce l'accoppiamento magnetico. E' l'applicazione, indesiderata in questo caso, del principio di funzionamento del trasformatore. La fem indotta è dunque proporzionale alla frequenza ed all'intensità della corrente del circuito disturbante e la costante di proporzionalità è il coefficiente di mutua induzione. Quindi per una corrente sinusoidale di ampiezza I1 e frequenza f si può scrivere Ud = 6,28*f*I1*M12 . Per ridurre il disturbo elettromagnetico l'unica strada percorribile è la riduzione del coefficiente di mutua induzione M12. Per avere qualche ordine di grandezza: un filo rettilineo percorso da una corrente I produce ad una distanza di d cm un'induzione B = 0.2*I / d millitesla; un'induzione B = 10 mT variabile a 50 Hz produce, in un circuito che abbraccia un'area di alcune decine di cm2,  una tensione di qualche mV, se le sue linee sono perpendicolari alla superficie del secondo circuito.

Da quanto detto segue che occorre ridurre l'area del circuito disturbato che può essere interessata perpendicolarmente dal flusso prodotto dal circuito disturbante. Un ulteriore accorgimento è tenere il più possibile distanti i due circuiti, poiché in tal modo si riduce il coefficiente di mutua induzione. Si intuisce anche che i disturbi maggiori sono prodotti dai circuiti in cui correnti rilevanti vengono commutate a frequenza elevata. Quel che succede, ad esempio, negli alimentatori e convertitori elettronici che adottano la tecnica switching e PWM in cui si hanno treni di impulsi di elevata corrente alla frequenza di alcune decine di kHz.

Quando il circuito che deve trasmettere il segnale è in un ambiente disturbato la soluzione migliore è quella dell'impiego dei cavi twistati, cioè intrecciati. In tale modo l'area interessata dal flusso variabile è drasticamente ridotta rispetto a quella di un semplice linea bifilare, poiché nelle aree successive dell'intreccio, l'induzione agisce in senso opposto per cui la tensione indotta complessiva risulta praticamente annullata. Lo schermo elettrostatico  non influisce sui disturbi elettromagnetici in quanto la permeabilità è praticamente identica a quella dell'aria o degli isolanti.

Per frequenze molto elevate, maggiori di 100 kHz, risultati ancora migliori si ottengono con i cavi coassiali, ma c'è da dire che nelle usuali applicazioni di controllo si è ben al di sotto di quelle frequenze per cui i cavi più usati sono quelli twistati.

Masse analogiche, masse digitali, masse dei circuiti di potenza, masse elettriche, messa (non massa stavolta) a terra

In elettrotecnica ed elettronica si usa con estrema frequenza la parola massa con significati spesso diversi che non bisogna confondere tra loro. In elettronica la massa è il potenziale di riferimento dei segnali e coincide con un punto del circuito o con un conduttore più o meno esteso la cui proprietà fondamentale dovrebbe essere quella di non presentare punti a diverso potenziale, qualunque sia la corrente che lo può percorrere. E' intuitivo che la scelta di un punto sia la soluzione migliore in quanto un conduttore esteso reale non avrà mai una resistenza nulla, per cui saranno inevitabili differenze di potenziale più o meno significative. E' bene poi distinguere la massa dei segnali (signal ground) dalla massa dell'alimentazione (power supply common). Le due masse possono essere tra loro unite in tre modi:

  • Connessione serie
    • E' la connessione più comune, è la più semplice da eseguire in quanto si usa un filo ma è quella che dà più problemi poiché i diversi punti del filo in comune, M, M1, M2, M3,  non possono essere equipotenziali per le correnti che percorrono i diversi tratti del filo che li congiunge

  • Connessione parallelo
    • In questo caso non c'è un filo che connette tutte le masse dei diversi componenti ma tutte queste sono portate mediante un proprio filo ad un punto comune di riferimento. E' con evidenza una situazione nettamente migliore, ma molto più complessa dal punto di vista circuitale, e più costosa, per il grande numero di conduttori occorrenti.. E' detta anche connessione a stella. Ha però un inconveniente in quanto le singole linee possono diventare sorgenti da un lato e migliori ricevitori dall'altro, di disturbi elettromagnetici.

  • Connessione multipunto
    • In pratica si tratta di una connessione serie che non utilizza un filo per il riferimento delle masse, ma una barra di massa dotata di resistenza trascurabile per la sua grande sezione che minimizza le differenze di potenziale tra i diversi punti . Quindi , in pratica, M1= M2 = M3 = M. Questa soluzione permette di avere collegamenti corti con conseguente riduzione di possibili interferenze elettromagnetiche.

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Occorre anche segnalare che spesso è bene tenere separate, nella parte elettronica, le masse dei circuiti logici che possono anche essere rumorose (o disturbate) da quella dei circuiti analogici, che devono essere "pulite", prima di riunirle nella barra di massa.

Infine, come già si era accennato in occasione dell'accoppiamento conduttivo, occorre considerare la messa a terra delle apparecchiature.

Negli impianti elettrici per la protezione dai contatti indiretti, esiste un impianto di terra cui vanno connesse le parti metalliche che contengono le apparecchiature, che vengono chiamate masse elettriche. In tal modo si vincola il loro potenziale a quello del terreno per ridurre le differenze di potenziale pericolose che potrebbero aversi rispetto al terreno in occasione di guasti all'isolamento principale, e per  ottenere un adeguato coordinamento con le apparecchiature di interruzione.

Le masse elettroniche se lasciate flottanti, potrebbero assumere potenziali anche molto elevati rispetto ai contenitori, quindi rispetto al terreno, e rappresentare un grave pericolo per gli operatori. Anch'esse allora devono essere vincolate all'impianto di terra. Questo introduce un ulteriore problema per i riferimenti delle masse elettroniche in quanto il potenziale dell'impianto di terra può essere diverso nei diversi punti dell'impianto. Occorre allora realizzare un collegamento che minimizza queste differenze. La soluzione migliore è in genere un collegamento come quello illustrato in figura. Ad una barra sono collegate le masse dei circuiti logici, e quelle dei circuiti di potenza, entrambe rumorose, quindi la massa dei segnali analogici. A questa barra va pure collegato l'impianto di terra a cui sono collegati per sicurezza le  masse elettriche.

 

Bibliografia

"Tecnologie dei sistemi di controllo" di G.A. Magnani- G. Ferretti, P. Rocco ed. McGraw-Hill

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Commenti e note

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di ,

Prezioso articolo! Grazie.

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di ,

Con un maglione sintetico dovresti avere problemi per il campo elettrostatico...O no?

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di ,

Da bravo principiante ho incontrato proprio i problemi descritti. Sto sperimentando un sistema con una ventina di integrati sparsi su 5 breadboard e dopo infiniti tentativi ho raggiunto un punto di equilibrio ed il sistema funziona. Ma è un equilibrio instabile: basta spostare un filo di alimentazione o massa che si inchioda tutto. Intuitivamente sono passato dal collegamento in serie a quello a stella e la situazione è migliorata leggermente ma restano ancora problemi di disturbo elettromagnetico: mi basta indossare un maglione sintetico che appena mi avvicino al circuito salta tutto di nuovo. Farò ancora un tentativo con una bella barra di massa, come descritto nell'articolo che, quindi, ho trovato utile e ne ringrazio l'autore.

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