L’interferenza di rete è il disturbo elettrico o elettromagnetico associato alla rete di alimentazione. In Europa la componente fondamentale è a 50\,\mathrm{Hz}; in altri paesi, come gli Stati Uniti, è a 60\,\mathrm{Hz}. Nei sistemi reali possono comparire anche armoniche, transienti di commutazione e disturbi condotti generati da alimentatori switching, motori, inverter, lampade, relè e carichi non lineari.
Il problema è particolarmente evidente nelle misure analogiche deboli: sensori ad alta impedenza, ponti resistivi, acquisizioni biomedicali, strumenti audio, front-end di precisione e sistemi di misura con cavi lunghi. Il disturbo può essere molto più grande del segnale utile e saturare o contaminare lo stadio di ingresso.
Meccanismi di accoppiamento
L’interferenza di rete può entrare in un circuito in vari modi:
- accoppiamento capacitivo, quando un conduttore vicino alla rete si comporta come una piccola capacità verso il nodo di misura;
- accoppiamento induttivo, quando campi magnetici variabili inducono tensioni in anelli di cablaggio;
- accoppiamento condotto, quando il disturbo arriva attraverso alimentazione, massa, riferimento o linee di segnale;
- loop di massa, quando due punti di massa a potenziale leggermente diverso creano una corrente indesiderata;
- sbilanciamento di impedenza, quando due ingressi nominalmente simmetrici non vedono la stessa impedenza verso riferimento.
La frequenza fondamentale a 50/60 Hz è spesso riconoscibile come sinusoide sovrapposta al segnale, ma i disturbi moderni non sono sempre sinusoidali puri. Alimentatori switching, convertitori di potenza e dimmer possono introdurre componenti impulsive e armoniche più alte, visibili nello spettro.
Modo comune e modo differenziale
In molte misure differenziali il disturbo di rete arriva quasi uguale su entrambi gli ingressi. Questa componente si chiama modo comune. Un buon amplificatore differenziale dovrebbe amplificare la differenza tra i due ingressi e rigettare ciò che è comune.
La capacità di rigettare il modo comune è misurata dal rapporto di reiezione di modo comune, o CMRR. Il CMRR del componente, però, non basta: il CMRR reale di sistema dipende anche da elettrodi, cavi, impedenze, layout, schermature, riferimento e banda passante.
Se le impedenze sui due ingressi sono sbilanciate, una parte del modo comune si converte in segnale differenziale. È per questo che un circuito con amplificatore eccellente può mostrare comunque una forte interferenza a 50 Hz: il problema non è sempre l’integrato, ma l’intera catena di acquisizione.
Biosegnali
Nei biosegnali il corpo, i cavi e gli elettrodi possono comportarsi come antenne. La pelle introduce impedenze variabili, il contatto elettrodo-pelle può essere sbilanciato e l’ambiente clinico o laboratoristico contiene molte sorgenti di campo elettrico.
In ECG, EEG ed EMG l’interferenza di rete è uno degli artefatti nei biosegnali più comuni. Nell’elettroencefalografia, in particolare, il segnale utile può essere dell’ordine di decine di microvolt; una componente di rete anche piccola può diventare dominante.
Il disturbo può apparire come:
- oscillazione sinusoidale regolare sovrapposta al tracciato;
- riga stretta nello spettro a 50 Hz o 60 Hz;
- armoniche a 100/120 Hz, 150/180 Hz e oltre;
- peggioramento quando il paziente, il cavo o l’operatore si avvicinano a sorgenti elettriche;
- saturazione o clipping se il modo comune è troppo elevato.
Prevenzione sul front-end
La riduzione corretta parte dal sistema fisico di misura, non dal filtro software. Le misure principali sono:
- cavi corti, intrecciati o schermati;
- percorso di massa e riferimento progettato con cura;
- riduzione dell’area degli anelli di cablaggio;
- elettrodi ben preparati e impedenze bilanciate;
- amplificatori differenziali con CMRR adeguato alla banda d’interesse;
- separazione tra linee di potenza e linee di segnale;
- alimentazione filtrata e, quando necessario, isolamento galvanico;
- schermature collegate nel punto corretto, evitando loop di massa.
In strumentazione biomedica si aggiunge il vincolo della sicurezza elettrica del paziente. Non si risolve un problema di interferenza collegando masse o schermi in modo improvvisato: le norme di isolamento, correnti di dispersione e protezioni devono restare prioritarie.
Filtraggio
Il filtro notch a 50 Hz o 60 Hz può attenuare il residuo di interferenza. È utile quando la componente è stretta e stabile, ma non deve essere la prima difesa. Un notch troppo largo o troppo aggressivo può deformare il segnale utile.
Nei biosegnali questo punto è critico: ECG, EEG ed EMG possono contenere informazione vicina alla frequenza di rete. Il filtraggio dei biosegnali deve quindi dichiarare banda utile, frequenza di campionamento, fase del filtro, ritardo introdotto e impatto sui parametri clinici o sperimentali.
Se la frequenza di rete varia leggermente, un notch estremamente stretto può inseguire male il disturbo; se è troppo largo, rimuove contenuto utile. In alcuni casi servono filtri adattativi, riferimento di rete, cancellazione basata su canali ausiliari o analisi nel dominio della frequenza.
Diagnosi del problema
Una procedura pratica consiste nel controllare prima il dominio del tempo e poi lo spettro. Nel tempo si cerca una sinusoide regolare sovrapposta al segnale. Nel dominio della frequenza si verifica se compare un picco stretto a 50/60 Hz e se sono presenti armoniche.
Poi si prova a modificare, una variabile alla volta, cavi, posizione, alimentazione, riferimento, elettrodi e schermatura. Se il disturbo cambia molto muovendo i cavi, è probabile un accoppiamento capacitivo o induttivo. Se cambia collegando alimentatori o strumenti diversi, può esserci un problema condotto o di massa.
Il rapporto segnale-rumore va valutato prima e dopo ogni intervento. Un aumento di guadagno dopo il sensore non migliora il rapporto se segnale e interferenza sono già entrambi presenti all’ingresso.
Errori comuni
Il primo errore è considerare il notch come soluzione universale. Il filtro attenua una frequenza, ma non corregge elettrodi sbilanciati, schermatura sbagliata o loop di massa.
Il secondo errore è fidarsi solo del CMRR dichiarato nel datasheet. Il dato è misurato in condizioni controllate; nel sistema reale contano impedenze e cablaggio.
Il terzo errore è confondere interferenza di rete e rumore elettronico casuale. Il rumore termico è distribuito in frequenza; l’interferenza di rete è spesso coerente, periodica e legata all’ambiente elettrico.
Il quarto errore è migliorare la schermatura creando nuovi percorsi di corrente indesiderati. Una schermatura efficace deve essere pensata insieme a massa, riferimento e sicurezza.
Vedi anche: rapporto di reiezione di modo comune, filtro notch, rumore elettronico, biosegnale, artefatto nei biosegnali, filtraggio dei biosegnali, elettrocardiogramma ed elettroencefalografia.