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Il rumore nella rete elettrica: genesi e rimedi

Indice Argomento Corrente
1 - Il rumore nella rete elettrica: Premessa
2 - Il rumore nella rete elettrica: Possibili inconvenienti
3 - Il rumore nella rete elettrica: genesi
4 - Il rumore nella rete elettrica: propagazione
5 - Un esempio classico: rumore nella rete elettrica generato da un alimentatore switching
6 - Come rilevare Il rumore nella rete elettrica
7 - Rumore nella rete elettrica: sonde isolate con trasformatore
8 - Rumore nella rete elettrica: sonde non isolate galvanicamente

1 - Il rumore nella rete elettrica: Premessa

Qualche tempo fa stavo usando l'oscilloscopio per misurare un segnale molto basso, di qualche millivolt generato da un generatore di funzioni.
Ho notato che sovrapposto al segnale da misurare vi era un segnale ad alta frequenza che non aveva motivo di esistere. Dopo una rapida verifica del generatore di funzioni e dell'oscilloscopio ho visto che il segnale in questione proveniva dalla rete elettrica.
Si trattava di un segnale periodico e la fonte era un alimentatore switching di una lampada a led che era dalla parte opposta della casa. Sovente apparecchiature di basso costo hanno alimentatori switching non adeguatamente filtrati che emettono disturbi su una banda di frequenze estremamente ampia e in grado di disturbare dalla radio ricevente all'amplificatore stereo.

2 - Il rumore nella rete elettrica: Possibili inconvenienti

In genere questo dato si misura in dB secondo la nota formula SNR=20log(Segnale/Rumore) dove SNR è il rapporto segnale/rumore espresso in dB.
Ovviamente in quello che chiamiamo rumore all'uscita di una catena audio confluiscono in un unico dato il rumore termico dei componenti, il rumore dei dispositivi attivi, il rumore dovuto ai residui di ripple e il rumore dovuto ai disturbi della rete elettrica.

3 - Il rumore nella rete elettrica: genesi

In pratica quando vi sono forti variazioni di assorbimento concentrate in tempi molto ridotti (tipiche di alcuni carichi non lineari) si ha una generazione di disturbi la cui intensità è legata direttamente alla variazione di assorbimento e inversamente proporzionale al tempo in cui avviene.
Tipico esempio sono i variatori di luce con triac o scr, i variatori di velocità dei motori elettrici (tipico il trapano), le luci (con lampadine ad incandescenza ed intermittenza) dell'albero di Natale.

4 - Il rumore nella rete elettrica: propagazione

Il disturbo si propaga nei seguenti modi:

Non di rado in tutti e due i modi sopra descritti.
L'attenuazione che subisce il disturbo segue la logica di tutti i segnali trasmessi attraverso un mezzo più o meno trasparente al segnale che veicola.
Quindi per i segnali che si propagano per conduzione l'attenuazione che subiscono è proporzionale all'induttanza del filo della rete elettrica, alla capacità parassita verso massa e alla resistenza dello stesso.
Quindi in linea di massima i disturbi a più alta frequenza vengono maggiormente attenuati.
In pratica la linea elettrica si presenta nei confronti del disturbo come un filtro passa banda con la frequenza di taglio superiore variabile in funzione della lunghezza della linea elettrica.

Propagazione dei disturbi sulla rete elettrica

5 - Un esempio classico: rumore nella rete elettrica generato da un alimentatore switching

Naturalmente terremo in considerazione per semplicità un alimentatore switching di pessima qualità, non filtrato e senza PFC (power factor correction).
In genere questo tipo di alimentatori più sono piccoli a parità di potenza più lavorano a frequenze alte.
In genere vanno da qualche centinaio di Khz a 1Mhz.
Di seguito lo schema di principio e il funzionamento di un alimentatore switching del tipo step-down (che lavora in discesa ovvero all'uscita la tensione sarà più bassa che in ingresso).

Schema di principio e il funzionamento di un alimentatore switching del tipo step-down

Schema di principio di un alimentatore switching.
Il transistor Tr1 viene controllato da un generatore di impulsi.
Nei prossimi schemi di principio per meglio capirne il funzionamento verrà rimpiazzato con un interruttore.

Schema di principio e il funzionamento di un alimentatore switching del tipo step-down

Nell'attimo iniziale l'interruttore S1 è aperto.
Non passa nessuna corrente in L1.
Il condensatore C1 è carico con la tensione di rete raddrizzata dal ponte di diodi costituito da Dp1, Dp2, Dp3, Dp4.

Schema di principio e il funzionamento di un alimentatore switching del tipo step-down

L'interruttore S1 viene chiuso, la corrente passa in L1 e nel carico ed ha un andamento a dente si sega (L1 si carica di energia magnetica).

Schema di principio e il funzionamento di un alimentatore switching del tipo step-down

S1 viene aperto, L1 tende a mantenere la corrente costante e quest'ultima passa attraverso D1 (diodo di ricircolo).
In questo attimo la corrente su S1 passa dal valore precedente a zero in un tempo molto basso.

Quando la corrente passa da un valore finito a zero la caduta di tensione sui fili che costituiscono fisicamente la rete elettrica passa da un valore che dipende dalla resistenza serie e dalla corrente assorbita, a zero innescando una fluttuazione di tensione che spettralmente avrà come frequenza fondamentale quella di commutazione di S1 e come armoniche tutti i multipli pari e dispari di questa frequenza.
Tenendo conto che la frequenza fondamentale è variabile da qualche centinaio di Khz a 1Mhz le armoniche arrivano facilmente a qualche decina di Mhz con tensioni ancora apprezzabili.
Questi disturbi nella linea di alimentazione si propagano a tutta la rete elettrica se non vengono filtrati e li ritroviamo su tutti gli apparati alimentati dalla rete elettrica.

Circuito equivalente per la propagazione dei disturbi di tipo condotto su una linea elettrica

Nello schema sopra, il circuito equivalente alla propagazione dei disturbi in una linea elettrica.
Gn è l'apparato che genera disturbi, RL è la resistenza ohmnica della tratta di linea che separa il generatore di disturbi dall'apparato disturbato (carico), Ls è l'induttanza della medesima tratta di linea e CP è la capacità parassita posta fra il cavo della rete elettrica e la massa dell'edificio.
Come si nota il circuito equivalente è un filtro passa basso, ragion per cui le frequenze alte non si propagano più di tanto per conduzione.
Da questo si deduce che migliore è l'impianto elettrico più bassi sono è RL e CP e migliore è anche il trasferimento del disturbo.
Questo schema è stato semplificato in quanto occorrerebbe tenere anche in considerazione la propagazione del disturbo nel filo Neutro oltre che nel filo di Fase.

6 - Come rilevare Il rumore nella rete elettrica

Ci sono modi più o meno costosi e precisi per fare delle misure di questo tipo anche in funzione del tipo di propagazione del disturbo (e quindi del suo spettro di frequenza).
In seguito ne elenchiamo qualcuno.

  1. Ricevitore EMI (strumento professionale per misure di compatibilità elettromagnetica).
  2. Oscilloscopio portatile con sensore adatto.
  3. Analizzatore di spettro.
  4. Scanner radio multifrequenza (strumento portatile utilizzabile per la ricerca delle fonti di disturbo).
    Essendo caratterizzato da una banda molto stretta è poco pratico da usare.
  5. Rilevatore autocostruito (strumento portatile utilizzabile per la ricerca delle fonti di disturbo).
    Essendo caratterizzato da una banda abbastanza larga e da una bassa sensibilità (rispetto allo scanner multifrequenza) è adatto per individuare le fonti (spostandosi in prossimità delle stesse) ma non fornisce indicazioni sulla frequenza del disturbo.

Prima di tutto occorre stabilire se vogliamo misurare un disturbo che si propaga per conduzione o per irraggiamento.
Nel primo caso occorre collegare una sonda alla rete elettrica nel punto in cui vogliamo eseguire la misura.
Sostanzialmente ci sono due tipi di sonda, quelle isolate dalla rete elettrica con un trasformatore, la cui banda passante dipende quasi totalmente da quest'ultimo e quelle non isolate.

7 - Rumore nella rete elettrica: sonde isolate con trasformatore

Sonde per rilevare disturbi che si propagano per conduzione sulla linea elettrica Sonde per rilevare disturbi che si propagano per conduzione sulla linea elettrica

Sopra due sonde isolate con trasformatore per rilevare disturbi che si propagano per conduzione sulla linea elettrica.
La prima è più semplice, composta da un condensatore di disaccoppiamento e da un trasformatore isolatore (per salvaguardare se stessi e gli strumenti).
La seconda ha in più un trimmer di taratura che funge da partitore di tensione e due diodi fast recovery di clamp in antiparallelo (servono per limitare la tensione massima in uscita per proteggere gli strumenti).
Ambedue le sonde vanno tarate per conoscerne la sensibilità alle varie frequenze in quanto il comportamento non è lineare ma condizionato dalla induttanza parassita del condensatore e dalla risposta in frequenza del trasformatore, nonchè dalla frequenza di risonanza serie (C1-T1) e dalla frequenza di risonanza del trasformatore (ad opera delle capacità parassite).
Questo genere di sonde vanno "pesate" ovvero è indispensabile stabilire l'attenuazione alle varie frequenze per poi risalire alla tensione reale presente sulla rete elettrica.

8 - Rumore nella rete elettrica: sonde non isolate galvanicamente

Questo tipo di sonda è la migliore per quello che riguarda la banda passate e la facilità di utilizzo, tuttavia è anche la più pericolosa in quanto non essendo isolata è possibile che all'uscita ritroviamo la tensione di rete (dipende dal verso in cui è inserita la spina nella presa di rete).
Questo nel caso di una misura da fase a neutro.
Nelle spine italiane la fase e il neutro si invertono cambiando il verso di inserzione della spina nella presa.
Per questo tipo di misure è indispensabile un oscilloscopio portatile isolato dalla rete elettrica stessa.

Rumore nella rete elettrica: sonde non isolate galvanicamente Rumore nella rete elettrica: sonde non isolate galvanicamente Rumore nella rete elettrica: sonde non isolate galvanicamente

Sopra tre esempi di misura del rumore nella rete elettrica: A sinistra fra fase e neutro, al centro fra neutro e terra e a destra fra fase e terra.
In realtà il caso comune è la misura fra fase e neutro.

Rumore nella rete elettrica: sonde non isolate galvanicamente

A sinistra un esempio di una sonda reale per la misura del rumore di alimentazione fra fase e neutro.
Per riconoscere il verso della spina inserita nella presa di corrente sono stati messi due circuiti indicatori composti da una serie di una resistenza un diodo e un led.
Quando per errore la fase viene invertita con il neutro il diodo led più in basso nello schema si accende, quindi occorre prima di fare la misura, disinserire la spina e ruotarla di 180° prima di reintrodurla nella presa.

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