Filtri EMC: funzionamento e utilizzo

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I filtri EMC vengono generalmente suddivisi in due macro categorie: filtri per linee di alimentazione e filtri per linee di segnale. Tranne casi particolari, il funzionamento dell’una e dell’altra tipologia è, almeno in linea di principio, equivalente: ogni filtro è implementato mediante elementi reattivi passivi in configurazioni tali da realizzare, nei riguardi del disturbo RF, effetti di attenuazione o disadattamento di impedenza all’interno di assegnate bande di frequenza. Ai filtri appositamente concepiti per le linee di segnale, vengono tuttavia richieste alcune caratteristiche che ne rendono più critica la scelta. Il motivo è ovvio: un tale filtro potrebbe alterare le caratteristiche fisiche del segnale funzionale in transito sulla linea filtrata, introducendo (nella banda dello stesso) inaccettabili attenuazioni o disadattamenti di impedenza. Questo tipo di problema è meno sentito nel caso dei filtri per linee di alimentazione per i quali divengono invece più stringenti le considerazioni legate alla potenza e all’ingombro presentato dal filtro a parità di attenuazione. Su tali filtri è poi doveroso fare un distinguo tra filtri per linee di alimentazione DC o AC. Data la loro maggiore diffusione e l’importanza assunta nell’industria, si farà nel seguito riferimento quasi esclusivamente a questi ultimi (detti anche filtri di rete) riservando comunque uno spazio finale anche ai filtri per linee di segnale.

Componenti di un filtro di rete

In uno dei precedenti numeri della rivista, è stato affrontato il problema inerente l’emissione di disturbi RF da parte di apparati elettrici/elettronici evidenziando l’importanza della decomposizione del disturbo in una componente di modo comune e in una componente di modo differenziale. A seconda dei casi, e delle frequenze, tali componenti risultano presenti con entità più o meno dominanti l’una sull’altra.
La maggior parte dei filtri di rete sono costituiti da elementi reattivi passivi utilizzati in configurazioni tali da porgere un effetto predominante ora sull’una o sull’altra componente del disturbo. Uno degli elementi maggiormente impiegati è quello realizzato mediante due avvolgimenti identici avvolti attorno ad uno stesso nucleo di ferrite (avente adatte caratteristiche nella banda di frequenza considerata): i due versi di avvolgimento sono in controfase cioè tali da creare nel nucleo campi magnetici diretti in sensi opposti, quando attraversati da correnti in modalità differenziale e diretti nello stesso verso quando attraversati da correnti di modo comune (Fig. 1).
L’impedenza offerta a correnti RF di modo comune è pertanto di gran lunga più alta di quella offerta a correnti di modo differenziale. É opportuno sottolineare che quella qui effettuata è una descrizione “semplificata” del reale comportamento del sistema: le capacità parassite interspira e soprattutto il materiale costituente il nucleo di ferrite influenzano infatti pesantemente (ed in modo estremamente complesso) la fisica del componente. Quanto detto è tuttavia sufficiente per concludere che correnti di modo comune vengono fortemente attenuate da un sistema di due induttori in controfase mentre, lo stesso sistema è pressoché trasparente a correnti di modo differenziale.
I filtri di rete utilizzati nella maggior parte delle applicazioni partono da una struttura topologica di base abbastanza standard (Fig. 2) realizzando attorno a questa varianti non molto dissimili. Con riferimento alla figura 2, il sistema di due induttori in controfase ha effetto, come visto, sulla sola componente di modo comune della corrente di disturbo, mentre i condensatori indicati con CX offrono una bassa impedenza (alle radio frequenze!) tra i due conduttori di linea cortocircuitando così le due correnti in controfase costituenti la componente differenziale del disturbo. Si noti che i condensatori destinati ad essere collegati in tal modo, devono possedere proprietà isolanti riconosciute dagli enti normativi in materia di sicurezza: essi sono marchiati come condensatori di classe X e detti condensatori di linea.

I condensatori indicati con CY, essendo collegati tra ciascun conduttore di rete e la terra, agiscono sulla componente di modo comune della corrente di disturbo in quanto offrono a questa una bassa impedenza verso terra. I condensatori destinati ad essere collegati in tal modo, e aventi proprietà isolanti riconosciute dagli enti normativi in materia di sicurezza, sono marchiati come condensatori di classe Y. I condensatori di classe Y rivestono un ruolo fondamentale nei riguardi della “sicurezza elettrica”. Un corto circuito (o una dispersione) al dielettrico del condensatore CY che risulta collegato al conduttore di fase porterebbe la tensione di linea (o parte di essa) sul conduttore di terra. Gli enti normativi di sicurezza specificano la massima corrente di perdita a 50Hz che può scorrere attraverso tali condensatori. Con riferimento allo schema base del filtro, i pedici L (left) ed R (right) indicano rispettivamente la parte destra o sinistra del filtro nella quale il condensatore è posto. Per una convenzione mai scritta ma quasi sempre adottata, la parte sinistra è intesa essere “lato rete” mentre la parte destra “lato apparato” (si ricorda che ai fini del disturbo l’apparato costituisce la sorgente). In generale il filtro non è simmetrico: alcuni filtri contengono solo i condensatori R o L, altri li contengono su entrambi i lati. Una soluzione abbastanza comune è quella di usare solo CXL e CYR. Per stabilire, almeno in prima battuta, l’effetto sul disturbo dei singoli condensatori, occorre considerare che durante la fase di verifica (valutazione della conformità del dispositivo alle norme EMC), il lato rete del filtro sarà collegato alla rete di misura (LISN). In tale situazione, ad esempio, eventuali condensatori CYL si troveranno in parallelo al resistore da 50W della LISN ed il loro effetto sarà “stimabile” valutandone la reattanza nella banda di misura (generalmente compresa tra 0,15 e 30 MHz): la presenza del condensatore è efficace ove tale reattanza risulti sensibilmente inferiore a 50W; ad esempio nel caso di un condensatore CYL da 2200 pF (valore abbastanza comune) si trova che la sua reattanza vale 50W alla frequenza di 1,45MHz: ciò porta a concludere che esso avrà più effetto sulle componenti spettrali del disturbo aventi frequenza superiore a circa 1,5 – 2 MHz. La tabella 1, riassume quanto fin qui detto circa l’efficacia dei vari componenti il filtro sui disturbi di modo comune e differenziale.

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