Guía definitiva para una caja blindada EMI de alto rendimiento

Introducción

En la electrónica actual, la integridad del procesamiento de señales y la transmisión de datos es de suma importancia. Sin embargo, esta integridad está bajo la amenaza constante de las interferencias electromagnéticas (EMI), una fuerza omnipresente que puede degradar el rendimiento y provocar fallos en el sistema. Por eso, el control de las EMI se ha convertido en un principio de diseño fundamental.

Aunque este campo incluye una amplia gama de estrategias, la carcasa blindada EMI de alto rendimiento es la solución más sólida para la protección a nivel de sistema. Para los lectores que deseen una visión general de alto nivel de todas las técnicas de blindaje, recomendamos nuestro artículo introductorio: Su guía completae al apantallamiento EMI.

Esta guía sólo cubre la carcasa. Vamos a presentar una visión detallada de los principios, materiales y consideraciones de diseño críticos necesarios para diseñar y fabricar un recinto blindado EMI verdaderamente eficaz.

¿Qué es un armario blindado EMI y por qué es fundamental?

Una caja blindada EMI es una carcasa especialmente diseñada para evitar los campos electromagnéticos. Funciona formando un escudo conductor que encierra un dispositivo o sistema electrónico, de modo que la energía electromagnética no deseada no entra ni sale del área encerrada. La necesidad de este tipo de carcasas viene predeterminada por dos necesidades básicas: fiabilidad en el funcionamiento y cumplimiento de la normativa.

Electrónicamente, existe un amplio espectro de fuentes de IEM, incluidos procesadores y fuentes de alimentación de alta frecuencia, así como fuentes externas de radiofrecuencia (RF). Cuando esta energía se acopla a un circuito, aparece en forma de ruido, con efectos prácticos: mediciones defectuosas de sensores en dispositivos de diagnóstico médico, flujos de datos distorsionados en redes de telecomunicaciones o errores lógicos aleatorios en unidades de control de automóviles. Estas perturbaciones pueden ser desastrosas en sistemas críticos para la seguridad, como la aviónica aeroespacial o la robótica industrial.

Desde el punto de vista normativo, organismos gubernamentales e internacionales como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) de Estados Unidos y la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) fijan límites muy altos al nivel de IEM que puede producir un producto. Un producto que no cumpla estas normas de compatibilidad electromagnética (CEM) no puede venderse legalmente. Por lo tanto, una caja blindada EMI eficiente no es un lujo, sino un elemento obligatorio de integridad funcional, fiabilidad de rendimiento y acceso al mercado.

Tipos comunes de armarios blindados EMI

La aplicación del blindaje EMI no es monolítica. Se utiliza a diversas escalas, cada una optimizada para un conjunto concreto de requisitos de tamaño, rendimiento y entorno.

Blindaje a nivel de placa: Protección de componentes en la placa de circuito impreso

La primera línea de defensa suele estar en la placa de circuito impreso (PCB). Los blindajes a nivel de placa son pequeñas carcasas metálicas conocidas comúnmente como "latas" que se sueldan sobre determinados componentes o partes de un circuito. Cumplen dos funciones: aislar los componentes ruidosos, por ejemplo, osciladores de RF o microprocesadores de alta velocidad, para que no irradien interferencias sobre la placa, o blindar los componentes muy sensibles, por ejemplo, amplificadores de bajo ruido, contra el ruido ambiente de la placa. Estos blindajes suelen ser de acero estañado o aleaciones de cobre, que ofrecen una solución de blindaje localizada y rentable.

Armarios de montaje en bastidor: Blindaje para servidores y centros de datos

Los equipos electrónicos de los centros de datos, los nodos de telecomunicaciones y los laboratorios de pruebas suelen estar alojados en armarios de montaje en bastidor normalizados. Estos armarios están diseñados para ofrecer protección a nivel de sistema en forma de versiones blindadas contra EMI. Contienen varios dispositivos, blindando todo el rack contra la EMI externa y blindando también las emisiones agregadas de los servidores, conmutadores y fuentes de alimentación instalados. Estos armarios tienen que compensar un alto rendimiento de blindaje con consideraciones más prácticas como la gestión térmica (se necesitan respiraderos blindados especiales) y un amplio acceso a los cables (se necesitan paneles de E/S filtrados).

Armarios de tamaño industrial: Para pruebas y entornos seguros

Los recintos del tamaño de una sala son necesarios en aplicaciones que requieren los niveles más altos de aislamiento. Se trata de salas blindadas para ensayos CEM, también llamadas cámaras anecoicas o semianecoicas, que proporcionan un entorno electromagnético controlado, desprovisto de señales ambientales externas. Esto es necesario para medir con precisión las emisiones y la susceptibilidad de un dispositivo. Además, los recintos de I+D gubernamentales, militares (SCIF) y corporativos utilizan estos recintos para evitar escuchas electrónicas encerrando todas las emisiones electromagnéticas internas. Son construcciones arquitectónicas complicadas que necesitan métodos de construcción especiales para conseguir una integridad total del blindaje.

Carcasas y cajas a medida: Para dispositivos individuales

La mayoría de los productos electrónicos, desde controladores industriales hasta instrumentos médicos, pasando por automóviles, necesitan carcasas diseñadas a medida. Estas carcasas se diseñan para adaptarse a los requisitos de tamaño, diseño y funcionalidad del dispositivo. Una carcasa blindada EMI debe personalizarse para ofrecer protección de alto nivel y también para soportar interfaces de usuario, pantallas, conectores y necesidades de refrigeración. El éxito de estas carcasas depende en gran medida de la precisión de su diseño y fabricación, ya que cada detalle, incluida la carcasa principal y los paneles de acceso, contribuye a crear un blindaje conductor continuo y no disruptivo.

Los principios básicos: Cómo funcionan realmente los armarios blindados

El rendimiento de una caja blindada EMI viene determinado por los principios básicos del electromagnetismo. La envolvente es una barrera que reduce las ondas electromagnéticas de dos formas principales: reflexión y absorción.

Atenuación: La métrica clave de la eficacia del apantallamiento (SE)

La eficacia de un blindaje se expresa en términos de su eficacia de blindaje (SE), que se mide en decibelios (dB). La SE es la relación entre la intensidad del campo electromagnético no apantallado y la intensidad del campo electromagnético apantallado. La escala de decibelios es logarítmica, por lo que un pequeño aumento del valor en dB representa un gran aumento del rendimiento. Por ejemplo:

La eficacia de apantallamiento no es un valor único, sino que varía con la frecuencia. Un material que es bueno a bajas frecuencias puede ser menos bueno a altas frecuencias, y viceversa. Por lo tanto, el rendimiento debe especificarse en algún rango de frecuencias (por ejemplo, 100 dB de 1 MHz a 10 GHz).

La ciencia de la reflexión y la absorción en el apantallamiento

Cuando una onda electromagnética incide en la superficie conductora de la envolvente, la energía se atenúa de dos maneras:

• Reflexiones: Cuando la onda atraviesa el aire y entra en el metal conductor, se produce una discordancia de impedancias. Esta discrepancia hace que una gran parte de la energía de la onda se refleje en la superficie. Cuanto más conductor sea el material, mayor será el desajuste de impedancia y más eficaz será la reflexión. El mecanismo de apantallamiento predominante a bajas frecuencias es la reflexión.
• Absorción: La energía que no refleja la onda atraviesa el material de apantallamiento. Provoca corrientes parásitas a su paso por el conductor y transforma la energía electromagnética en una pequeña porción de calor. En este proceso se absorbe la energía de la onda. La pérdida debida a la absorción es proporcional a la frecuencia y también al grosor y la permeabilidad magnética del material de apantallamiento. Es el mecanismo predominante a frecuencias más altas.

La eficacia de apantallamiento total es la suma de las pérdidas por reflexión y absorción (más una pequeña contribución debida a las reflexiones internas múltiples).

Selección del material de blindaje: Elección del metal adecuado para la misión

La elección del material es una decisión fundamental en el diseño de la envolvente, ya que equilibra las prestaciones de apantallamiento, las propiedades mecánicas, el peso y el coste.

Acero y sus aleaciones: Resistencia estructural y comportamiento a baja frecuencia

Los recintos suelen ser de acero, sobre todo acero al carbono y acero galvanizado, porque tiene una buena resistencia estructural y son relativamente baratos. Sus características magnéticas (alta permeabilidad) le permiten ser especialmente eficaz en la absorción de campos magnéticos de baja frecuencia, algo en lo que otros materiales son menos eficientes. Esto hace que el acero sea la mejor opción en recintos grandes y estructuralmente difíciles, como armarios rack, y en el blindaje contra interferencias de transformadores de potencia y grandes motores.

Aluminio: El blindaje de alta frecuencia ligero y rentable

El aluminio es probablemente el material más práctico para las carcasas blindadas contra EMI. Es un buen conductor de la electricidad, ligero, no corrosivo y relativamente fácil de fabricar. Es altamente conductor y, por tanto, un blindaje muy eficaz contra los campos eléctricos de alta frecuencia, en los que la reflexión es el mecanismo de blindaje dominante. Estas características lo han convertido en el material preferido en una amplia variedad de aplicaciones, como piezas aeroespaciales, equipos médicos y cajas electrónicas a medida, donde el peso y la comodidad de fabricación son los principales factores.

Cobre y aleaciones especializadas: Para la máxima conductividad y rendimiento

El cobre tiene la mejor conductividad eléctrica de todos los metales no preciosos y, por lo tanto, es el material de elección final en cuanto a rendimiento de apantallamiento, sobre todo cuando es necesaria una alta pérdida por reflexión. Sin embargo, es más pesado y costoso que el aluminio, por lo que normalmente se utiliza en aplicaciones en las que los requisitos de rendimiento son los más exigentes. Además, las aleaciones de cobre, incluidos el cobre berilio (BeCu) y el bronce fosforoso, son necesarias para producir juntas EMI de alto rendimiento, dedos de resorte y blindajes de conectores, que son vitales para garantizar la conductividad a lo largo de las costuras e interfaces.

Consideraciones críticas de diseño para una envolvente "a prueba de fugas

El rendimiento teórico de un material de apantallamiento sólo se alcanza si la carcasa se diseña y monta con meticulosa atención al detalle. Cualquier discontinuidad en la ruta conductora puede poner en peligro todo el apantallamiento.

Costuras y juntas: Garantizar una vía conductora continua

Un cerramiento casi nunca es una pieza única y sin juntas; es una combinación de paneles, puertas y cubiertas. Las uniones entre estas piezas son posibles puntos de fuga. Para ser eficaz, debe existir una ruta eléctrica continua y de baja impedancia a través de estas juntas. Esto se consigue mediante el uso de juntas EMI conductoras. Estas juntas se componen de materiales tales como elastómeros conductores o dedos de cobre berilio y se colocan en las costuras para sellar las aberturas microscópicas y mantener un contacto uniforme de metal a metal para mantener la integridad de la carcasa conductora.

Gestión de aberturas: Rejillas de ventilación, paneles de E/S y pantallas

No existe ningún armario que sea una caja perfectamente hermética. La refrigeración, el acceso a los cables y las interfaces de usuario requieren aberturas. Pero cualquier abertura puede servir como antena de ranura, y la EMI puede transmitirse a través de ella. La eficacia de apantallamiento de una abertura depende de su dimensión lineal más larga, más que de su superficie total. Un orificio largo y estrecho es mucho más emisor de EMI que un orificio redondo del mismo tamaño.

• Respiraderos: Las rejillas de ventilación en forma de panal se emplean para permitir el flujo de aire sin apantallamiento. Su diseño consiste en un conjunto de guías de ondas que suprimen las ondas electromagnéticas a una frecuencia de corte específica.
• E/S Paneles: Los cables que entran o salen de la caja deben pasar por conectores filtrados o paneles especiales de E/S que conecten a tierra el blindaje del cable con el chasis de la caja. Los filtros EMI son necesarios para evitar interferencias conducidas en las líneas de alimentación.
• Pantallas: Las aberturas de visualización deben sellarse con un material conductor transparente, por ejemplo, vidrio recubierto de óxido de indio y estaño (ITO) o una malla metálica fina laminada en el interior del panel de visualización.

Conexión a tierra adecuada: La base olvidada de un apantallamiento eficaz

La conexión a tierra es una parte muy importante y mal interpretada del apantallamiento. Una toma de tierra adecuada ofrece una ruta de baja impedancia para que las corrientes parásitas inducidas en la superficie del blindaje se deriven de forma segura a un potencial de tierra de referencia. Esto elimina la re-radiación o el acoplamiento de la energía capturada en el circuito protegido. Todas las secciones de la caja y los blindajes de los cables deben estar conectados a este punto central de tierra mediante conexiones cortas de baja inductancia. Un buen blindaje puede ser inútil debido a una mala conexión a tierra.

El papel de los acabados conductores y los tratamientos superficiales

La conductividad eléctrica de la superficie del recinto es importante. La mayoría de los metales, en particular el aluminio, tienden a formar una capa aislante de óxido cuando están al aire. Esta capa tiene el potencial de interferir con la ruta de baja impedancia en las juntas y puntos de conexión a tierra. Para evitarlo, se utilizan tratamientos superficiales conductores. Acabados como el revestimiento de conversión de cromato (chem-film), el estañado o el niquelado eliminan la capa de óxido y aplican una superficie conductora resistente a la corrosión, que proporciona un contacto eléctrico fiable y un comportamiento de apantallamiento a largo plazo.

Del plano a la realidad: El puente entre el diseño y la fabricación de precisión

Un diseño teóricamente perfecto en una pantalla CAD no sirve de nada si no se puede fabricar con las especificaciones necesarias. La transición del diseño a una carcasa física de alto rendimiento depende por completo de la calidad y precisión del proceso de fabricación. La fabricación de chapa metálica de precisión no es sólo un paso de producción, sino que forma parte de la propia solución de blindaje.

• Integridad de la costura: Unas curvas perfectamente ejecutadas que produzcan bridas de acoplamiento perfectamente planas son esenciales para una trayectoria conductora continua. Esta precisión es la única manera de garantizar que las juntas EMI puedan proporcionar un sellado completo de baja impedancia sin huecos.
• Control de apertura: La precisión de corte de las aberturas blindadas y los paneles de E/S está directamente relacionada con el rendimiento. Los cortes limpios y sin rebabas son fundamentales para garantizar que las aberturas atenúen la EMI según lo previsto, en lugar de crear elementos radiantes secundarios microscópicos que anulen el blindaje.
• Conexión a tierra Fiabilidad: Una conexión a tierra de baja impedancia es esencial. Esto depende totalmente de la calidad de una soldadura o de la colocación precisa de insertos conductores, donde cualquier fallo puede comprometer todo el esquema de puesta a tierra.

Al final, un defecto de fabricación aparentemente menor puede dar lugar a un fallo catastrófico del blindaje, haciendo que un diseño excelente resulte totalmente ineficaz y requiriendo costosas repeticiones de los trabajos y las pruebas. Por tanto, elegir un socio de fabricación de precisión no es sólo un paso al final del proceso; es una decisión tan importante como elegir el material adecuado o el principio de diseño al principio.

TZR: Su socio experto en fabricación de armarios

En TZR, no somos sólo un fabricante de chapas metálicas; somos un socio de fabricación comprometido con ingenieros y diseñadores. Sabemos que en un producto de trabajo como un armario blindado EMI, la fabricación de precisión no es simplemente un servicio, sino un requisito de rendimiento. Nuestra experiencia en sectores tan exigentes como la automoción, la medicina y las energías renovables ha perfeccionado nuestras habilidades para trabajar con acero, aluminio y cobre con precisión.

Nuestro compromiso se demuestra mediante el corte por láser y el plegado CNC más avanzados, que nos permiten alcanzar tolerancias líderes en el sector de tan sólo ±0,02 mm. Esta precisión garantiza la planitud impecable de las bridas y los ángulos complejos necesarios para el asiento perfecto de las juntas y la integridad del blindaje. Con más de 12 opciones internas de acabado superficial, gestionamos todo el proceso para garantizar la conductividad. Colaboramos activamente con su equipo, proporcionando información sobre el diseño para la fabricación (DfM) para optimizar tanto el rendimiento como la rentabilidad. La colaboración con TZR garantiza que la integridad integrada en su diseño es la integridad que se ofrece en el producto final de alto rendimiento.

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Validación: Principales normas y métodos de ensayo del sector

La verificación del rendimiento de una carcasa blindada contra EMI es un proceso formal que se rige por normas industriales establecidas y pruebas empíricas.

Comprender las normas comunes

Existen varias normas importantes que regulan los requisitos de rendimiento del apantallamiento y los métodos de ensayo. La selección de una norma se basa en la industria y el mercado de la aplicación.

• MIL-STD-285 / IEEE 299: Se trata de las normas de ensayo militares estadounidenses estándar para medir la eficacia del apantallamiento de grandes recintos y salas.
• FCC Parte 15: Esta normativa estadounidense impone restricciones a las emisiones no intencionadas de los dispositivos electrónicos. A menudo, se requiere un blindaje eficaz del recinto.
• Normas CISPR:Son el equivalente internacional de las normas FCC publicadas por la CEI, y regulan la CEM de los productos vendidos en Europa y muchas otras partes del mundo.

Cómo se comprueba profesionalmente la eficacia del blindaje

La eficacia del apantallamiento se mide empíricamente en un entorno controlado, como una cámara anecoica, para aislar la prueba del ruido ambiente. El procedimiento básico consiste en

• Se coloca una antena transmisora a un lado de la barrera de apantallamiento y una antena receptora al otro. Ambas se conectan a un equipo de pruebas de RF especializado (generador de señales y analizador de espectro).
• Se realiza una medición de la intensidad de la señal recibida sin la pantalla colocada. Esta es la lectura de referencia (E1).
• Se instala la barrera de apantallamiento (el recinto) y se realiza una segunda medición de la intensidad de la señal recibida (E2).
• La eficacia de apantallamiento en dB se calcula como la diferencia entre las dos lecturas: SE(dB) = E1 - E2.

Esta prueba se repite en todo el espectro de frecuencias necesario para generar un perfil de rendimiento completo del recinto.

Conclusión

Uno de los problemas básicos de la tecnología moderna son las interferencias electromagnéticas, que pueden resolverse eficazmente con soluciones adecuadamente diseñadas. La más sólida de estas soluciones es la carcasa blindada EMI de alto rendimiento, que ofrece el aislamiento físico que necesitan los sistemas electrónicos para funcionar de forma fiable y coexistir armoniosamente. Sin embargo, este nivel de rendimiento es un proceso holístico. Requiere una combinación de buenos principios electromagnéticos, una cuidadosa elección de materiales y un diseño estricto. El resultado final es que todos estos elementos se reúnen y se confirman con el último y más importante factor: la fabricación de precisión. La calidad de la fabricación no es una ocurrencia tardía; es el factor determinante que convertirá un diseño teórico en un producto conforme, fiable y listo para el mercado.