Introduzione alla Compatibilita' Elettromagnetica Parte Quarta

William Thorossian
|  Created: September 15, 2020  |  Updated: September 15, 2020
Introduzione alla Compatibilita' Elettromagnetica Parte Quarta

IL PRESENTE ED IL FUTURO DELLA EMC E DELL’EMI

Lo standard Wi-Fi nasce come mezzo di trasmissione wireless economico e facile da usare in qualsiasi parte del mondo senza bisogno di licenze, utilizzando le bande a 2,4 GHz e 5,8 GHz riservate alle frequenze ISM (industriali, scientifiche e mediche). Ma dopo tanto successo, e con l’aumento della dipendenza da esso, grazie alla sua affidabilità, il fatto di affidarsi a frequenze che non possono essere protette adeguatamente dalle EMI, ad esempio dal forno a microonde, o da fonti RF vicine, crea notevoli rischi.

Tutti i semiconduttori utilizzati per creare l'elettronica moderna, vengono continuamente sottoposti ad un processo di "die shrink" (conosciuto anche come “optical shrink”) ad indicare un semplice "ridimensionamento" del componente al fine di renderli più veloci e meno costosi, alimentando così il favorire di un rapido aumento nello sviluppo dei sistemi di controllo elettronico, sempre più sofisticato. Un esempio lampante sono i sistemi di guida autonomi. Il noto incidente stradale che qualche tempo fa, tramite un veicolo a guida autonoma in fase di test, causò la morte di una passante in Arizona, ha riportato prepotentemente sotto i riflettori il tema delle auto senza conducente, sulle quali molti big tecnologici stanno investendo da alcuni anni grandi risorse. Macchine autonome per l'estrazione mineraria sono già in funzione, l'agricoltura autonoma è ora disponibile, e molti sistemi, come i droni, vengono pubblicizzati come sistemi affidabili, ma non è sempre così!

Si prevede che nel giro di pochi anni ci saranno diversi milioni di robot autonomi per l'assistenza personale solo in Giappone, che magari accudiranno le persone malate o anziane in tutta sicurezza. I chirurghi robotici quasi autonomi sono già in uso; e le nuove tecnologie elettroniche sono viste come l'unico modo per continuare a fornire un'assistenza sanitaria a prezzi accessibili.

I futuri sistemi di distribuzione dell'energia elettrica saranno "Smart Grids" (una smart grid è una rete elettrica che comprende una varietà di misure operative ed energetiche tra cui contatori intelligenti, elettrodomestici intelligenti, risorse energetiche rinnovabili e risorse efficienti dal punto di vista energetico) che gestiranno dei "Virtual Power Plants" (una centrale elettrica virtuale è una centrale elettrica distribuita basata su cloud che aggrega le capacità di risorse energetiche distribuite eterogenee al fine di potenziare la produzione di energia elettrica, nonché di scambiare o vendere energia sul mercato dell'elettricità).

I robot industriali lavorano ora a fianco di persone senza schermi di protezione, e il grande dibattito sui robot autonomi per impiego bellico, al momento, è se debba essere permesso loro di uccidere senza l’intervento di un essere umano.

Tutti questi sviluppi quasi fantascientifici, utilizzano un'elettronica molto più complessa di quanto non sia stata utilizzata in passato, e di solito sono costituiti da “sistemi di sistemi” interconnessi in maniera da formare altri sistemi concatenati. Tutto ciò rende la comprensione del funzionamento totale, appannaggio di pochi e forse neanche di nessuno. Oltre a questo aumento della complessità, il die shrink che rende disponibile questo nuovo mondo, fa sì che i semiconduttori si evolvano sempre più velocemente, il che significa che, a parità di condizioni, le emissioni aumentano continuamente fino a frequenze sempre più alte. Gli sviluppi dei semiconduttori di potenza, in particolare i dispositivi di commutazione di potenza a banda larga, stanno rapidamente favorendo l'uso di azionamenti a velocità variabile per ridurre il consumo di energia, per contribuire a risparmiare sia denaro che il consumo di risorse utili al pianeta. Questi azionamenti sono ora convenienti per tutti i motori impiegati negli elettrodomestici, ed altri convertitori di potenza ad alta frequenza di commutazione, rendendo possibile il funzionamento della distribuzione di elettricità ad alta tensione in corrente continua gli HVDC (un sistema di trasmissione di energia elettrica ad alta tensione e in corrente continua utilizza la corrente continua per la trasmissione di energia elettrica di massa, in contrasto con i più comuni sistemi a corrente alternata. Per la trasmissione a lunga distanza, i sistemi HVDC possono essere meno costosi e avere minori perdite elettriche). Questi sistemi di distribuzione dell’energia elettrica, non soffrono di perdite causate dall'accoppiamento in corrente alternata con il terreno. Sfortunatamente, ogni aspetto di questi sviluppi sta causando maggiori livelli di distorsione armonica delle forme d'onda della rete elettrica in corrente alternata, ed aumentando le emissioni di rumore elettromagnetico da tutte le reti di distribuzione dell'alimentazione ad ogni livello di tensione (UHV, EHV, HV, MV e LV) fino a frequenze sempre più elevate.

La Air-Gap Wireless Power Transfer (WPT) è una nuova applicazione tecnologica che utilizza convertitori di potenza a commutazione per generare campi magnetici al fine di fornire energia elettrica senza l'uso di cavi. Si tratta di un settore in rapida crescita e, al momento della stesura di questo articolo, si stanno già sperimentando caricabatteria WPT fino a 7kW. Si prevede che i parcheggi con la ricarica per le auto elettriche, saranno dotati di caricabatteria WPT da 3kW (o più) per ogni singolo veicolo parcheggiato. Poiché questa tecnologia utilizza un traferro che in quanto tale non può fare a meno di "perdere" il campo magnetico, con molta probabilità aumenterà la EMI.

L'Internet of things (IOT) e l'Industrial Internet of things (IIOT) rappresentano importanti sviluppi moderni molto promettenti in termini di vantaggi per molti tipi di applicazioni, sia per aggiornamento delle vecchie che per quelle nuove. Il governo degli Stati Uniti sta imponendo quello che potremmo chiamare l'Internet dei veicoli stradali (forse chiamato IORV?), più propriamente conosciuto come V2V Communications. Tuttavia, questi enormi, ed enormemente distribuiti, sistemi, che si stima avranno un trilione di nodi entro il 2035, comunicheranno per lo più tramite “datacom wireless”. Tutto questo rumore radio aggiuntivo aumenterà i livelli medi di rumore RF sperimentati finora, quasi ovunque, causando più EMI. Gli standard EMC commerciali e industriali internazionali sono già incapaci di far fronte al mondo moderno, e il ritmo della standardizzazione internazionale è stato troppo lento per tenere il passo con il progresso tecnologico dell'elettronica già da prima del 2000. Quindi non possiamo cercare aiuto in quella direzione per limitare il tutto. L'IEMI (Intentional EMI) stà diventando una minaccia crescente per la sicurezza di una nazione e le sue infrastrutture, e costituisce interesse da parte di criminali e terroristi.

I dispositivi informatici stanno diventando sempre più densi di componentistica, veloci, complessi e pervasivi, creando nuove sfide per l'ingegnere che si occupa di EMC. Allo stesso tempo, i progressi nell'analisi elettromagnetica e le opzioni di progettazione disponibili, stanno rivoluzionando i metodi utilizzati per garantire la conformità ai requisiti EMC.

Le normative governative e industriali e le procedure di prova relative alla compatibilità elettromagnetica continuano ad essere introdotte e aggiornate regolarmente. Tuttavia, il rapido ritmo dell'innovazione tecnica garantisce che le normative da sole, non saranno mai in grado di garantire la sicurezza e la compatibilità dei sistemi elettronici. Ciò significa che bisogna affrontare i problemi di compatibilità elettromagnetica fin dalle prime fasi di progettazione.

L'EMI è già una causa reale e significativa di rischi nonché di perdite finanziarie in quasi tutti i settori industriali, anche se, essendo invisibile e difficile da riprodurre nella vita reale, come tale non viene spesso riconosciuta nella importanza che merita. Questi rischi e queste perdite, sono per lo più dovuti alla ridotta efficienza operativa e all'inaffidabilità, ma anche la sicurezza dei dispositivi delle infrastrutture critiche è una preoccupazione rilevante.

Gli sviluppi in tutti i settori dell'elettronica e dell'elettrotecnica stanno rendendo sempre più probabile l'aumento delle EMI, in settori di applicazione in continua espansione. Con il controllo di tutti gli aspetti della nostra vita, inclusa la sicurezza, sempre più spesso affidato a sistemi elettronici estremamente complessi, e spesso totalmente autonomi, i rischi della non conformità alla EMI per la sicurezza umana stanno aumentando molto rapidamente. Tutta la nostra precedente esperienza accumulata nel campo EMI ed EMC non può comunque fornirci una guida affidabile per il futuro, pertanto, se vogliamo sopravvivere, in un mondo in mutevole sviluppo, non potremo continuare a trascurare l'EMC.

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William Thorossian è un Electrical Engineering con più di 30 anni di esperienza professionale nel campo della progettazione elettronica RF e digitale. Ha iniziato maturando esperienze tecniche nel campo del broadcasting televisivo e della progettazione di sistemi di trasmissione audio e video, proseguendo poi i suoi studi e l’attività lavorativa nello sviluppo e misura di circuiti radio-elettronici nel campo di frequenze dalle HF fino alle microonde. Ha lavorando diversi anni nell'industria come ingegnere progettista di circuiti microelettronici per sintonizzatori TV analogici e nello standard DVB digitale, acquisendo esperienza come Project Manager e come auditor nello standard ISO 9000.Da 19 anni lavora nel campo della ricerca scientifica, coprendo incarichi di responsabile nello sviluppo di prototipi in svariati progetti.La sua principale passione è quella della divulgazione della conoscenza nei campi in cui ha maturato i suoi studi e la sua esperienza, soprattutto in quella della prototipazione di circuiti e lo sviluppo di PCB sia in campo professionale che hobbistico.

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