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Lo Zen e l'arte del cablaggio - 3

March 11, 2018

 

La schermatura

 

Quante volte terminato il cablaggio e provato l'impianto siamo impazziti per riuscire a capire come eliminare un ronzio, un "humMMmmmMM", ... un disturbo sull'immagine ? Alcune volte incessantemente costante dall'accendersi dell'impianto, altre volte casuale o in concomitanza di altri eventi ( " ...quando piove e suonano le campane del convento delle suore..."). Diciamocelo apertamente: nel tempo abbiamo escogitato svariati metodi per cercare di risolvere questi problemi: le preghiere ai Santi della chiesa Cattolica Romana, altre volte con riti voodoo, altre volte con riti tribali africani.

Parliamone con un esperto, Dhersù Huzula della tribù dei Masai

 

dott.Ing. Dhersù Huzula (al centro) con collaboratori

 

 

FONDAMENTI  SULL'INTERFERENZA

Quando si parla di soppressione del rumore (parliamo di segnale indesiderato audio e/o video) dobbiamo coinvolgere tre sistemi: la sorgente (del rumore), il circuito di trasmissione (del rumore), il ricevitore (del rumore). Nella nostra trattazione consideriamo il ricevitore come il singolo apparecchio o l'intero sistema audio e/o video che dobbiamo difendere ed isolare da interferenze. Generalmente, è sempre meglio agire sulla sorgente, ovvero eliminare la causa al nascere, alla sua fonte. In alcuni casi la sorgente è nella nostra catena (o nell'ambiente nel quale possiamo intervenire) e possiamo operare direttamente su questa, ma altre volte è all'esterno (p.es. un potete campo elettromagnetico esterno all'edifico dove stiamo lavorando) ed in questo caso possiamo agire solo sul percorso di trasmissione.
Sembra banalità quanto scritto sopra, ma questi sono i fondamenti della scienza della ricerca guasti.

 

 Prima di addentraci in questa materia così esoterica, il nostro caro ing.Huzula ci ricorda le leggi fisiche con le quali avremo a che fare in questa (e future) trattazioni,... giusto un accenno:
1- LEGGE DI AMPERE: al variare di un campo elettrico E, si induce un campo magnetico H
2- LEGGE DI FARADAY SULL'INDUZIONE: al variare di un campo magnetico H, si induce un campo elettrico E
3- dall'estensione del concetto 1 e 2 sopraesposti: al movimento di una carica elettrica in un conduttore, si genererà sia un campo elettrico E che un campo magnetico H
4- LEGGE DI KIRCHHOFF AL NODO: la somma algebrica delle correnti in un nodo è ZERO.
5- LEGGE DI KIRCHHOFF DELLE MAGLIE: la somma algebrica delle tensioni attorno ad una maglia è zeromaglia è ZERO

maglia è ZEROlegge di Ampere - legge di Faraday sull'induzione

 

Legge di Kirchhoff al nodo - Legge di Kirchhoff alla maglia

 

In fisica, il campo elettrico è un campo di forze generato nello spazio dalla presenza di una o più cariche elettriche o di un campo magnetico variabile nel tempo. Un campo elettrico può essere di intensità variabile o fissa.
I più intensi campi elettrici a frequenza industriale comunemente rilevabili nell'ambiente si trovano al di sotto delle linee di trasmissione ad alta tensione. Ogni apparecchio elettronico/elettrico o semplicemente conduttore genera comunque campi elettrici.

Il campo magnetico è un campo vettoriale generato nello spazio dal moto di una carica elettrica o da un campo elettrico variabile nel tempo. Una calamita genera un campo magnetico. Un conduttore percorso da corrente genera un campo magnetico. Il motore di un frigorifero, di un frullatore, ...

In presenza di rumore audio e/o video, appurato che il componente e/o i componenti non sono guasti, dobbiamo porci due domande:

1- C'E' UNA SORGENTE DI CAMPO ELETTRICO o DI INDUZIONE MAGNETICA che sta perturbando il corretto funzionamento dei miei apparati ?
2- NEL CABLAGGIO, POTREBBERO ESSERCI ERRORI TALI DA ALTERARE NODI DI CORRENTE O MAGLIE DI TENSIONE ?

Lo so: a questo punto prenderete contatto con l'Ing.Dhersù Huzula...

Cerchiamo di procedere con razionalità nella nostra analisi. 
Se il rumore si propaga nel nostro sistema è perchè trova una strada per veicolarsi: i casi pratici di trasmissione dell'interferenza, dell'accoppiamento di fenomeni fisici, possono essere:
1- Accoppiamento di campo elettrico o capacitivo: il campo elettrico della sorgente (di rumore) interferisce con il circuito ricevente
2- Accoppiamento di campo magnetico: il campo magnetico della sorgente (di rumore) interferisce con il circuito ricevente
3- Accoppiamento di campo elettromagnetico: il campo elettromagnetico è l'unione vettoriale del campo elettrico e quello magnetico. Il caso di trasmissione riguarderà la propagazione del campo elettromagnetico (onde radio) dalla sorgente al circuito ricevente.
4- Accoppiamento da impedenza comune: le correnti di due o più circuiti fluiscono attraverso una impedenza comune.

 

LA SCHERMATURA PER DIFENDERCI DALL'INTERFERENZA
 

In questa lettura cercheremo di capire i concetti basilari della SCHERMATURA.

Un'armatura (come piace definirla al nostro ing.della tribù Masai...) o schermo, è definito come una porzione di materiale conduttore con la funzione di controllare la propagazione di un campo elettrico o magnetico da una porzione dello spazio ad un'altra. Lo schermo può avere la doppia funzione di contenere il campo generato dalla sorgente di rumore (Fig.1) o di prevenire a campi esterni di interferire sul possibile ricevitore di rumore (Fig.2)

 

Schermatura dal campo elettrico

 

Il principio fisico del funzionamento della schermatura da campo elettrico è una bellissima lettura che potrete fare in questa piovosa domenica sera di inizio Marzo, cercando e navigando in rete . Sappiate che il principio fisico è  correlato al teorema di Gauss che permette di descrivere la distribuzione di carica elettrica in un conduttore. Successivamente questa idea è stata sviluppata da Faraday, con la realizzazione della sua famosa "gabbia". Poiché le cariche di segno uguale si respingono, esse tendono a portarsi alla massima distanza reciproca, che corrisponde alla situazione in cui esse sono concentrate alla periferia del conduttore. Se la superficie è approssimabile a un conduttore ideale (quale una superficie metallica chiusa), su di essa si determina una superficie equipotenziale, ovvero una superficie in cui il potenziale elettrico è identico in ogni punto, e il campo elettrico all'interno è nullo.

Qui sotto una versione electro dance della gabbia di Faraday:

 

Nigel Stanford fa provare al suo batterista l'efficacia della sua nuova gabbia di Faraday

 

Affinchè uno schermo sia efficace per difenderci da campi elettrici bisogna che questo abbia queste caratteristiche:
1- il materiale schermante deve essere un conduttore elettrico
2- il numero e la dimensione delle aperture dello schermo deve essere minimizzato
3- la porzione di circuito o conduttore che si estende oltre lo schermo deve essere ridotto al minimo
4- la carica elettrica accumulata sullo schermo deve essere drenata. Perché ciò accada, lo schermo deve essere collegato ad un corpo conduttore con dimensioni significativamente più grandi dello schermo stesso. Nella maggior parte della dei casi riconducibili al settore audio/video, il "grande corpo" usato è la terra, o un corpo collegato alla terra.
5- lo schermo dovrebbe trasportare nient'altro che la propria corrente di scarico della carica elettrica: qualsiasi corrente nello schermo produrrà corrispondenti campi elettrici e magnetici i quali possono accoppiarsi ai circuiti adiacenti generando rumore.

 

Schermatura dal campo di induzione magnetica.

Per capire semplicemente l'induzione ed i suoi effetti, consideriamo la situazione mostrata in figura.

 

Qui è disegnato un singolo anello di materiale conduttore stazionario in un piano, racchiuso in un'area A (l'anello conduttore è la cornice di A). Supponiamo ora di irradiare questo anello con un flusso magnetico che vari nel tempo, per esempio sinusoidalmente, di densità B. Secondo la legge dell'induzione di Faraday, viene così indotta una forza elettromotrice sull'anello. Per il caso semplificato preso in considerazione la legge di Faraday può essere scritta come

dove:
V= è la tensione misurata ai capi di questo anello dal voltmetro ad ago disegnato con questo gusto un po' retrò
B= è il valore della densità di flusso magnetico
f= la frequenza alla quale varia sinusoidalmente il flusso
A= l'area racchiusa dall'anello
cos(angolo)= l'angolo di incidenza tra la direzione del vettore flusso e la normale al piano A

Volendo minimizzare V, dobbiamo minimizzare i fattori dell'espressione.
Nella pratica: il campo del flusso magnetico B è probabilmente causato dalla radiazione elettromagnetica creata dalla corrente alternata dei cavi di alimentazione elettrica. Quindi f (la frequenza della tensione di rete) non è variabile. Sia B che (angolo) possono essere modificati alterando le posizioni dei conduttori e degli apparecchi. Dato che è impossibile avere un'area circoscritta dalla spira pari a ZERO, in quanto per definizione dalle leggi sui circuiti fondamentali, la corrente può fluire solo in un circuito chiuso, quello che si può fare è minimizzare l'area A della spira.

Uno schermo di campo elettrico con messa a terra che racchiude un conduttore, non attenua significativamente l'induzione magnetica alle frequenze audio. Solo materiali con alta permeabilità magnetica relativa forniranno un grado utile di schermatura magnetica nella regione di frequenza audio.
Il sistema di mitigazione dell’induzione magnetica viene ottenuto mediante l'uso di prodotti con differenti caratteristiche, costituite dall’accoppiamento di due materiali:
• Materiale ad alta permeabilità magnetica.
• Materiale ad elevata conducibilità elettrica.

 

Fig.1 - Campo magnetico prodotto da una spira in assenza di schermo
Fig.2 - Campo magnetico prodotto da una spira in presenza di schermo ferromagnetico
Fig.3 - Campo magnetico prodotto da una spira in presenza di schermo conduttivo

 

Schermatura dal campo elettromagnetico.

Come precedentemente indicato, un campo elettromagnetico è il prodotto vettoriale di un campo elettrico E e un campo magnetico H. Per un campo di propagazione, il rapporto E/H è definito come l'impedenza d'onda Zw. In una determinata posizione del ricevitore di rumore, le caratteristiche di un campo elettromagnetico saranno una funzione della sorgente di rumore: la distanza tra la sorgente e il ricevitore e il mezzo di propagazione tra sorgente e ricevitore.
Quando un'onda elettromagnetica impatta con uno schermo di materiale magneticamente permeabile e conduttore, una porzione dell'onda incidente è riflessa ed un'altra è assorbita all'interno del materiale. 

 


Se lo schermo lo possiamo ritenere sottile, paragonato alla lunghezza d'onda della frequenza incidente e all'impedenza d'onda, può essere assorbita ulteriore energia. Il rapporto tra l'intensità di campo incidente e quella trasmessa è definito come efficacia di schermatura. L'efficacia della schermatura varia con le proprietà del materiale dello schermo (conduttività e permeabilità magnetica), con la frequenza incidente, con l'impedenza dell'onda incidente, con la geometria dello schermo stesso e la geometria relativa alla sorgente. Devono essere soddisfatte le condizioni precedentemente descritte per un'efficace schermatura del campo elettrico. Inoltre, è essenziale ricordare che qualsiasi corpo conduttivo esposto a un'onda elettromagnetica incidente si comporta anche come un'antenna !

 

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