Blindaje militar

Jul 04, 2023

El blindaje para controlar EMI es un elemento básico en la electrónica moderna y desempeña un papel importante en las aplicaciones militares. Las prácticas de diseño interno pueden hacer mucho para controlar la EMI en la electrónica comercial e industrial, pero existe un límite en cuanto a lo que se puede hacer. Las demandas de EMI en la electrónica militar son tales que las buenas prácticas de diseño interno son inadecuadas: generalmente se necesita blindaje.

La teoría del blindaje está bien tratada en varios buenos libros y documentos militares. Pero nuestra experiencia es que la mayoría de los problemas de blindaje EMI no se resuelven mediante análisis, sino más bien prestando una atención meticulosa a los fundamentos. Cubriremos estos fundamentos y dejaremos el análisis detallado para las referencias.

Las demandas de blindaje varían según el diseño y el entorno, pero las necesidades típicas de eficacia de blindaje (SE) suelen rondar los 80 dB para diseños militares. Considerando que 80 dB es un factor de 10.000, vemos que hará falta un muy buen blindaje para cubrir las necesidades. La buena noticia es que si sigues cuidadosamente los conceptos básicos, llegarás allí con el mínimo esfuerzo.

La selección de materiales de blindaje es ciertamente un factor en el diseño pero, de hecho, hay que hacer un muy buen trabajo con las aberturas y las penetraciones de cables antes de que el SE del material entre en juego. Rara vez experimentamos casos en los que el SE del material sea inadecuado para el blindaje de alta frecuencia. Nos ocuparemos de los materiales y luego procederemos al verdadero meollo del blindaje: aberturas y penetraciones.

MATERIALES DE PROTECCIÓN

Empecemos por el material. El SE del material es función tanto de la conductividad como de la permeabilidad, pero para el blindaje de alta frecuencia, domina la conductividad. Obviamente, la alta conductividad proporciona un buen escudo, pero ¿cómo funciona esto?

Intentaremos mantenerlo simple.

Para el blindaje de alta frecuencia, la conductividad del material es el factor dominante. Algunos materiales de protección comúnmente utilizados se dan en la Tabla 1.

Tabla 1: Conductividad de los materiales de protección.

El espesor del material de protección juega un papel muy pequeño (esto se debe al “efecto piel”): a medida que aumenta la frecuencia, la corriente se desplaza hacia la superficie.

La profundidad de la piel viene dada por:

δ = 1 ∕ √ π * f * μo * σ

Esta es la profundidad donde la densidad de corriente cae a 1/e = 1/2,7182. La mayor parte de la corriente se acumula dentro de la profundidad de la superficie, lo que hace que el espesor adicional sea de poca importancia. La Tabla 2 muestra la profundidad de la piel de algunos materiales comunes. Como puede verse, la profundidad de la piel comienza a convertirse en un factor incluso en las frecuencias de las líneas eléctricas. Una vez que la frecuencia llega a un MHz, la profundidad de la piel es tan delgada que es poco probable que el espesor adicional del material sea un factor.

Tabla 2: Profundidad de la piel de algunos materiales (pulgadas)

Como era de esperar, el cobre es un excelente escudo, pero el aluminio no se queda atrás. De hecho, la eficacia de protección de estos materiales es tan buena que podemos permitirnos elegir materiales de menor conductividad. El acero, por ejemplo, tiene aproximadamente 1/6 de la conductividad del cobre y aún así proporciona un excelente blindaje. Incluso el acero inoxidable, por muy mal conductor que sea, sigue siendo adecuado para la mayoría de los casos.

La conclusión es que prácticamente puedes elegir tu material sin tener en cuenta la EMI. Elija por motivos distintos a EMI: peso, durabilidad, compatibilidad de materiales, corrosión, etc.

Cuando se necesita protección contra la corrosión, el revestimiento de las superficies de contacto en la costura debe ser conductor; el revestimiento metálico funciona bien. Incluso los recubrimientos de conversión suelen ser aceptables siempre que exista una superficie de contacto adecuada para superar la resistividad superficial relativamente alta.

Tabla 3: Acabados conductores

Tenga en cuenta que incluso los revestimientos conductores sobre plástico pueden constituir materiales de protección adecuados; la clave es conseguir un cierre conductor en las uniones. Cada vez más, vemos que se utilizan plásticos en el entorno militar, especialmente en equipos portátiles, siendo el peso un factor importante. Incluso en este caso, la eficacia protectora del fino revestimiento es adecuada para la mayoría de las necesidades de protección militar. La clave es diseñar para lograr un área de contacto adecuada en las superficies de contacto.

El blindaje de campos magnéticos se realiza básicamente de forma independiente, un factor dominante para las frecuencias de las líneas eléctricas. Los materiales de blindaje comunes, cobre y aluminio, son básicamente transparentes a los campos magnéticos; se necesita un material grueso y permeable para proteger las frecuencias de las líneas eléctricas: placas de acero o una de las aleaciones de alta permeabilidad. Este es un caso en el que se prefiere el diseño interno, específicamente el uso de técnicas de cancelación de campos magnéticos, al uso de materiales de protección del recinto.

MATERIALES DE PROTECCIÓN DE CABLES

El uso de cables blindados está muy extendido en la electrónica militar. El blindaje del cable puede ser una trenza tejida o una lámina conductora. En principio, el florete puede ser un mejor escudo que la trenza, pero en la práctica, el florete no es lo suficientemente robusto como para soportar la flexión, lo que limita su utilidad en entornos tácticos. Además, es muy difícil terminar adecuadamente la lámina en la carcasa del conector. Es por eso que la trenza se usa con mayor frecuencia, aunque comienza a filtrarse a frecuencias más altas.

Por debajo de unos 10 MHz, casi cualquier trenza será adecuada. Por encima de eso, la trenza comienza a tener fugas. Una trenza más apretada ayudará, pero los blindajes dobles son mucho mejores, preferiblemente con ambos conductores del cable en íntimo contacto a lo largo de todo el recorrido del cable. Una combinación de trenza y protector de aluminio es una buena protección, pero asegúrese de que el papel de aluminio resista el entorno previsto.

En muchos casos, un solo blindaje será adecuado, pero nos gusta tener un cable con doble blindaje disponible como respaldo durante las pruebas, por si acaso.

ABERTURAS EN EL RECINTO

Ahora que hemos seleccionado el material del protector, debemos pasar a las aberturas del protector, incluidas las aberturas del ventilador, las pantallas y, especialmente, las costuras en las superficies de contacto.

Para un escudo de buena calidad, SE depende del tamaño de las aberturas. SE viene dado por:

EE = 20 * log (λ/2L),

Donde λ = 300/f (MHz) y L es la dimensión más larga de la abertura.

Para aberturas pequeñas, no tenemos ningún problema, pero con las costuras en la cubierta, encontramos que las aberturas se convierten en un problema importante.

Para la mayoría de las aplicaciones militares, no es práctico instalar sujetadores lo suficientemente juntos como para satisfacer las necesidades de blindaje. Como ejemplo, supongamos que tenemos una apertura de 10 cm y una frecuencia de 100 MHz (λ = 3 metros).

SE = 20 * log(3/.1) = 23 dB, que es más bajo de lo que generalmente se desea.

A menos que sea muy cuidadoso con el diseño de las superficies de contacto, necesitará emplear una junta EMI para cerrar las aberturas.

Todas las juntas EMI proporcionan un sello conductor flexible entre las dos superficies de contacto. Para funcionar, las superficies de contacto también deben ser conductoras y la junta debe proporcionar un cierre esencialmente completo. Es necesario considerar la compatibilidad del material al seleccionar el material de la junta. Los manuales de los proveedores brindan orientación sobre la selección de juntas.

Tabla 4: Tipos de juntas comunes

La cuestión clave en la eficacia de la junta es el cierre conductivo, dejando espacios al mínimo. En pocas palabras, si la junta se cierra, funciona. Si la junta no cierra, no funciona. El material de la junta debe elegirse para garantizar el cierre y depende de varios factores, incluida la rigidez del recinto, las limitaciones de espacio, así como factores ambientales y la compatibilidad de los materiales.

También es necesario abordar otras aberturas, incluidas la ventilación y las pantallas de visualización. Normalmente, la ventilación se gestiona mediante el uso de pantallas conductoras o paneles perforados; el nido de abeja es incluso mejor, pero es más de lo necesario en la mayoría de los casos. Es posible que sea necesario cubrir las pantallas con un revestimiento conductor transparente como óxido de indio y estaño (ITO) o incluso una pantalla conductora. El ITO es un mal conductor, pero en general sigue siendo adecuado, pero asegúrese de que se mantenga el cierre conductor del recinto en el perímetro.

Los plásticos recubiertos son cada vez más populares. En el pasado, lograr un cierre conductivo en las costuras planteaba algunas dificultades. Este problema fue resuelto por la industria de la telefonía móvil mediante uno de varios desarrollos. Uno de ellos es el sellado in situ: se coloca una fina gota sobre la superficie (como si se exprimiera pasta de dientes) mediante control numérico. Cuando se cura, proporciona una capa flexible buena conductora adecuada para acoplarse a la superficie de contacto. Para que esto funcione, las superficies deben ser lo suficientemente rígidas para garantizar que se acoplen continuamente.

PENETRACIONES DE ESCUDO

El último factor a considerar son las penetraciones hasta el blindaje, esto incluye cables de datos y de alimentación. En pocas palabras, cualquier corriente en el cable pasará a través del blindaje sin importar cuán bueno sea el blindaje. Solo hay dos formas de prevenir esta condición: blindaje o filtrado del cable (Figura 1). El blindaje del cable evita que las corrientes penetren en el blindaje, el filtrado permite que las corrientes entren en el cable, pero las filtra hasta el límite del gabinete. Generalmente, los cables de datos de alta velocidad deberán estar blindados. Se pueden filtrar líneas eléctricas y cables de datos de baja frecuencia.

Figura 1: Penetraciones de escudo

El principio es simple, esta es la razón más común de falla del blindaje, por lo que es un tema que vale la pena investigar con cierta profundidad.

La clave del filtrado es la terminación cuidadosa de los condensadores del filtro. Para que sea efectivo, el filtro debe montarse inmediatamente en el límite del gabinete con los capacitores del filtro teniendo una conexión de baja impedancia a la tierra del gabinete. El filtro puede estar en el mamparo o en el conector del cable, pero debe tener una conexión de baja impedancia al gabinete; tenga en cuenta que puede haber varias conexiones metálicas entre el capacitor y el gabinete. En particular, se debe eliminar por completo la inductancia del cable en la vía de derivación.

Para la mayoría de las aplicaciones, necesitará un filtro de paso bajo; ya sea un filtro C, L o Pi simple depende de la atenuación necesaria. Los filtros T también son buenos, pero no están ampliamente disponibles en conjuntos de filtros.

Para cables blindados, el blindaje del cable debe estar bien terminado en el gabinete. Nuevamente, esto requiere una serie de conexiones metálicas, incluido el blindaje del cable a la carcasa posterior, la carcasa posterior al conector, el conector al conector correspondiente y el conector correspondiente al mamparo. Si alguna de estas conexiones no tiene baja resistencia y recorre todo el perímetro, el escudo fallará. Para ser específico, el blindaje del cable debe terminar circunferencialmente en el perímetro del conector, normalmente en el anillo de compresión para conectores de estilo militar. Las conexiones flexibles son inaceptables. Es necesario mantener una conductividad circunferencial total hasta el mamparo. Los conectores están diseñados para acoplarse entre sí. La conexión del conector al mamparo también debe estar completa; específicamente, observe la conductividad en las superficies de contacto. Son motivo de preocupación las pinturas, las juntas de goma y los revestimientos no conductores.

Figura 2: Terminación del blindaje del cable

Los cables militares suelen ser complejos y constan de una combinación de líneas blindadas individualmente (p. ej., par trenzado blindado), suministro de tensión con filtros y líneas de datos blindadas de alta velocidad. Puede haber una sobretrenza blindada. Cada uno de estos debe terminarse individualmente de forma correcta. Echemos un vistazo más de cerca a esto.

En primer lugar, el blindaje exterior del cable debe fijarse circunferencialmente al anillo de compresión; la conexión a tierra mediante pigtail es inaceptable. El blindaje debe estar conectado a tierra en ambos extremos; la conexión a tierra de un solo punto no es apropiada para blindaje de alta frecuencia.

En segundo lugar, cuando intervienen múltiples escudos, no es posible terminar circunferencialmente cada escudo. En ese caso, cada blindaje debe conectarse a tierra al anillo de compresión con un recorrido lo más corto posible. En el caso extremo, donde hay muchos blindajes internos, es posible que sea necesario acoplar conductivamente los blindajes a blindajes de cable adyacentes para hacer contacto conductor.

En tercer lugar, es posible que los cables internos blindados de baja frecuencia deban conectarse a tierra en un solo punto. Por lo tanto, el blindaje exterior (a veces llamado sobretrenzado) proporciona el blindaje de alta frecuencia, el blindaje interior rompe el bucle de tierra de la señal.

Cuarto, es posible que sea necesario combinar terminaciones de blindaje y filtros. Los conectores de estilo militar se adaptarán a esa combinación.

Una nota final: al solucionar problemas de EMI, encontramos que las terminaciones de cables suelen estar en la raíz. Lamentablemente, incluso los cables ensamblados profesionalmente por empresas de renombre suelen estar ensamblados incorrectamente: abra la carcasa, vea si hay coletas internas y retírelas.

RESUMEN El blindaje para proyectos militares requiere mucho cuidado; la buena noticia es que se ha escrito el libro y, si sigues las reglas, tendrás un buen escudo. La selección del material de protección no es crítica: la mayoría de los materiales de protección son adecuados para el trabajo. Incluso los revestimientos conductores suelen proporcionar un blindaje adecuado. A continuación se muestra un enfoque paso a paso para lograr un buen blindaje:

Siga estas reglas básicas y tendrá un buen escudo, incluso sin análisis complejos.

Daryl y Bill son ingenieros eléctricos titulados, ingenieros profesionales registrados e ingenieros EMC certificados por NARTE. Entre ellos comparten más de 80 años de experiencia en la industria. Para obtener más información y recursos, visite su sitio web en www.emiguru.com.

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