Virtual measurement and analysis of EMC resilience in a medium voltage circuit breaker

The diffusion of electronic devices operating in electrically noisy environments has made the study of electromagnetic disturbance immunity increasingly relevant. Among various types of interference, surge disturbances represent one of the main causes of circuit malfunction or damage, particularly affecting digital control input lines. This thesis focuses on the analysis and optimization of the behavior of a binary input circuit exposed to electromagnetic interferences. The goal is to enhance its immunity to surge disturbances while minimizing thermal issues and preserving fast response through the implementation of an active load. The study was conducted using an integrated approach that combined laboratory experiments, circuit simulations in LTspice, and theoretical analyses. In the initial phase, the disturbance was characterized, and the behavior of the circuit in its original configuration was assessed. Subsequently, a solution based on an active load was designed to dynamically adapt the input node impedance according to disturbance conditions. Special attention was given to applications within critical infrastructures such as power distribution networks, industrial control systems, and supervision centers where the reliability of control input signals is essential to ensure operational continuity and system safety. In such contexts, high immunity to electromagnetic disturbances is a key requirement for overall system stability and resilience. Experimental and simulation results demonstrated that adopting the active load preserves the functionality of the binary input even under high-intensity surge conditions, significantly improving the system’s robustness. Furthermore, the proposed solution reduces unnecessary power losses compared to the previous configuration, achieving a better balance between energy efficiency and disturbance immunity. In conclusion, this work confirms the effectiveness of the active-load-based approach for mitigating electromagnetic interferences and highlights its potential application in embedded systems, industrial control equipment, and critical infrastructures exposed to severe electromagnetic environments.

La diffusione di dispositivi elettronici operanti in ambienti elettricamente rumorosi ha reso sempre più rilevante lo studio dell’immunità ai disturbi elettromagnetici. Tra le diverse tipologie di interferenze, i disturbi di tipo surge costituiscono una delle principali cause di malfunzionamento o danneggiamento dei circuiti, in particolare sulle linee di ingresso di controllo digitali. Il presente lavoro di tesi analizza e ottimizza il comportamento di un binary input di una scheda elettronica soggetta a interferenze elettromagnetiche, con l’obiettivo di aumentarne l’immunità ai disturbi surge minimizzando al contempo la dissipazione termica e preservando una risposta rapida mediante l’impiego di un carico attivo (active load). L’attività è stata condotta con un approccio comprendente prove sperimentali, simulazioni circuitali e analisi teoriche. In primo luogo sono stati caratterizzati i disturbi, il binary input della scheda per poi progettare una soluzione basata su un carico attivo in grado di adattare dinamicamente l’impedenza del nodo di ingresso alle condizioni di disturbo. L'ambito attorno al quale il lavoro si sviluppa è quello delle infrastrutture critiche, quali reti di distribuzione dell’energia, sistemi di controllo industriale e centri di supervisione, dove l’affidabilità dei segnali di controllo è essenziale per la continuità operativa e la sicurezza del sistema. In tali contesti, un’elevata immunità ai disturbi elettromagnetici è un requisito fondamentale per la stabilità e la resilienza complessiva dell’infrastruttura. I risultati sperimentali hanno mostrato che l’adozione del carico attivo mantiene la funzionalità del binary input anche in presenza di surge di elevata intensità, incrementando significativamente la robustezza del sistema. Inoltre, la soluzione proposta riduce le perdite di potenza rispetto alla configurazione precedente, garantendo un miglior equilibrio tra efficienza energetica e immunità ai disturbi. In conclusione, il lavoro dimostra come il carico attivo mitighi le interferenze elettromagnetiche riducendo il consumo di potenza. Da qui il potenziale impiego in sistemi embedded, apparati di controllo industriale e infrastrutture critiche esposte a condizioni elettromagnetiche severe.