ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES
 
 
 
 
 

Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierias
 
 

 COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
 
 
 
 

BLINDAJES Y PANTALLAS

Introducción

se ha visto que, salvo las interferencias conducidas, el resto de interferencias electromagnéticas (EMI) se deben al acoplamiento de campos eléctricos (acoplamiento capacitivo), campos magnéticos (acoplamiento inductivo) y campos electromagnéticos  (acoplamiento por radiación electromagnética). Un método de protección frente a estos acoplamientos consiste en enviarlos utilizando blindajes o pantallas metálicas.

Un blindaje es una superficie metálica dispuesta entre dos regiones del espacio que se utiliza para atenuar la propagación de los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos. Un blindaje sirve tanto para no dejar salir el flujode los campos de la zona encerrada por él, como para evitar que en una zona protegida por el mismo entre campo alguno. El ámbito de atenuación de los blindajes abarca un extensoespectro de frecuencias, ya que en el mercado existen materiales para apantallar desde  1 HZ a casi 1 THZ.  La forma en que se presentan los  blindajes son: cajas, armarios, juntas eléctricas, compartimentos internos, pinturas conductoras, láminas metálicas, cables apantallados, diferentes tipos de depósitos conductores sobre plásticos.

La efectividad total de un blindaje es igual a la suma de las perdidas por absorción más las pérdidas por reflexión más un factor que contabiliza las múltiples reflexiones en los blidajes. Un blindaje electrostático contra campos eléctricos debe incluir todos los componentes  a proteger, debe conectarse a un potencial constante que puede ser la masa  de un sistema y debe tener alta conductividad. Un blindaje magnético efectivo también debe encerrar totalmente a los componentes que se quiere proteger y debe tener alta permeabilidad. No existe el blindaje perfecto contra campos de alta frecuencia. Un blindaje compuesto por un material buen reflector y uno con alta permeabilidad da buenos resultados en bastantes casos con una considerable efectividad.

Es usual tener blindajes agujerados en los equipos electrónicos para obtener ventilación y otros requisitos mecánicos. Todos los agujeros, juntas y ranuras reducen la efectividad del blindaje. De forma práctica, en caso de un blindaje agujerado, la efectividad intrínseca del material tiene menor importancia que la pérdida a través de ranuras y juntas.
 
 

Se presentan otras técnicas de apantallados  que difieren de los materiales  presentados  en  forma  de  planchas,  cajas,  armarios, o    << racks>>  metálicos. Por último, se presenta un estudio sobre la efectividad del blindaje de los cables apantallados para poder seleccionarlos según la aplicación.

Veamos seguidamente una sencilla introducción a los campos electromagnéticos enfocada a su aplicación de blindajes.

Las características de un campo están determinadas por su generador, su frecuencia, el medio de propagación y por la distancia  entre el generador y el punto donde está situado el receptor de la interferencia. En un punto cercano a la fuente del campo, las propiedades del mismo están determinadas principalmente por las características  de la fuente. Lejos de ésta, las propiedades están determinadas principalmente por el medio de propagación.

LA EFECTIVIDAD DE LOS BLINDAJES

La efectividad de un  blindaje puede especificarse en términos de atenuación  en dB de la intensidad de campo. Así, la efectividad s está definida para campos eléctricos  por [ 4 ]:

  S = 20 log (Eo/E1) (dB)

y para campos magnéticos como:

  S = 20 log (Ho/H1) (dB)
 

En las ecuaciones precedentes, Eo(Ho) es la intensidad de campo incidente y E1(H1) la intensidad de campo que traspasa el blindaje. La efectividad de un blindaje varía con la frecuencia, la geometría del campo, la posición desde donde el campo es medido, con el tipo de campo que está siendo  atenuado, la polarización y con la dirección de la incidencia. Los resultados del cálculo de la efectividad sirven para comparar varios materiales en función de su atenuación.
 
 
 
 

BLINDAJES CONTRA EL ACOPLAMIENTO CAPACITIVO

En los apartados anteriores se ha tratado la problemática de los blindajes desde el punto de vista de los campos. Aquí, de forma más practica, sin dejar de lado la teoría de campos, se enfoca desde el punto de vista de la teoría de los circuitos donde, por ejemplo, la capacitación de un campo eléctrico o magnético es tratada como un acoplamiento capacitivo o inductivo respectivamente.

Un blindaje capacitivo (electrostático) contra campos eléctricos debe incluir todos los componentes a proteger, debe conectarse a un potencial constante que puede ser la masa del sistema y debe tener alta conductividad. Se debe tener en cuenta que un blindaje mal conectado a la masa de la fuente de alimentación puede asimismo actuar como antena retransmisora de las radiaciones recibidas por conducción [10] a través de la red y puede resultar perjudicial. Los materiales más usuales para construir estos blindajes son el cobre y el aluminio.

El acoplamiento capacitivo es debido al paso de señales  de interferencia a través de capacidades parásitas. Este es el caso de la inestabilidad en frecuencia de un oscilador debida al acercamiento  de la mano al mismo. En los sistemas digitales, este acoplamiento provoca intermodulaciones (diafonía) en los cables múltiples.

El modo de bloquear el acoplamiento capacitivo consiste en encerrar el circuito o el conductro que se quiere proteger dentro de un blindaje electrostático o de Faraday. Si su cobertura es del 100%  (jaula de Faraday), no es necesario conectarlo a masa pero, usualmente, lo está para asegurar que las capacidades  blindaje-circuito lleven las señales a masa no actúen como elementos de realimentación o de intermodulación. [11].

Para evitar el acoplamiento entre un circuito generador de interferencias y un circuito interferido se usa un blindaje de Faraday puesto a masa. En los circuitos digitales de alta velocidad es conveniente utilizar este tipo de blindaje en forma de planos de masa insertados entre las capas de la placa de la placa de circuito impreso para eliminar las capacidades parásitas entre ellas. Otra aplicación común es la de los transformadores  apantallados  electrotáticamente.
 
 
 

BLINDAJES CONTRA EL ACOPLAMIENTO INDUCTIVO
 

Un blindaje magnético efectivo debe encerrrar totalmente a los componentes que se quiere proteger y debe tener alta permeabilidad. Con este tipo de blindaje contra el acoplamiento inductivo (campo magnético) es a veces más difícil obtener una buena efectividad en comparación con el blindaje electrostático, porque es más fácil tener alta conductividad al mismo tiempo en un blindaje magnético.

En el campo cercano, las EMI pueden tener un 90% de intensidad de campo magnético H y un 10% de campo eléctrico  E, en cuyo caso son irrelevantes las pérdidas por reflexión [12]. Sería aconsejable entonces reforzar las pérdidas de reflexión, escogiendo el hierro como material para el blindaje. Un mejor conductor que el hierro podría ser menos caro, pero completamente inefectivo.

En el acoplamiento magnético, el mecanismo físico  es la inducción magnética B, proveniente  de cualquier interferencia externa, que induce una tensión parásita en un bucle de corriente en el circuito interferido, de acuerdo con la ley de Lenz:

   V = -N  A(dB/dt)

donde N es el número de espiras del circuito receptor y A es el área del bucle. En general, N vale 1 espira en caso de tener acoplamiento.

 Es necesario tener en cuenta dos aspectos para defender a un circuito de este acoplamiento. Un aspecto es el de intentar minimizar los campos perjudiciales en la misma fuente que los genera. Esto se consigue reduciendo el área de los bucles de corriente a apantallado magnéticamente con materiales de alta permeabilidad todo el genereador de interferencias, disponiendo los cables lo más cerca posible de un plano de masa, si éste existe. El otro es reducir la capacitación inductiva en el circuito interferido, minizando el área de sus bucles, ya que, según la ley de Lenz, la tensión inducida en un bucle es proporcional a su área. Así, los dos aspectos implican la reducción de las áreas.
 
 
 
 

BLINDAJES CONTRA EL ACOPLAMIENTO POR RADIOFRECUENCIA
 

No existe el blindaje perfecto contra campos de alta frecuencia. Como ya se ha dicho, al chocar con la superficie del blindaje, es reflejada una parte de la onda incidente y el restro atraviesa el blindaje, siendo atenuada por éste. Un material con alta conductividad es un buen reflector  y un material con alta permeabilidad es un buen absorbente. El blindaje compuesto por estos dos materiales da buenos resultados en bastantes casos con una considerable efectividad pero, sin embargo, no es práctico. Este problema se soluciona utilizando un blindaje multiple con dos metales diferentes dispuestos el uno junto al otro gracias  a un baño galvánico. Es usual apantallar con un material ferromagnético galvanizado y con cobre dirigido hacia la fuente del campo para provocar una pérdida sustancial por reflexión.

La forma de trabajo  de este blindaje utiliza el echo de que los campos EMI inducen corrientes en el material del blindaje. Las corrientes inducidas disipan energía de dos modos: pérdidas por calor (absorción) en el material y pérdidas de radiación (reflexión) al rerradiar sus propios campos sobre el blindaje. La energía necesaria a ambos mecanismos es absorbida de los campos incidentes EMI y, por ello, las EMI quedan sin energía para penetrarlo.
 

LAS CARGAS ELECTROSTACTICAS Y LOS BLINDAJES
 

 Como ya ha dicho en el capitulo anterior, una forma de proteger un equipo contra descargas electrostáticas (ESD) es mediante un blindaje contra los campos que producen las ESD. Un blindaje conectado a tierra que rodee el circulo facilitará que la corriente de la descarga circule  hacia tierra. Para que esto sea efectivo, el blindaje debe ser continuo porque, de otra forma, una parte de esta corriente podria circular a través del circulo pretendidamente protegido, protegido, es decir, en el caso de que el blindaje interno no existiera, la corriente circularía  a traves de la linea discontinua (3).
 
 
 
 
 

 Las discontinuidades en la caja metálica del equipo ( juntas, agujeros, aperturas,) pueden causar diferencias de potencial entre distintos puntos del mismo cuando éste se somete a una descarga. Estas tensiones, combinadas con las capacidades parásitas entre las diferentes partes del blindaje pueden producir tensiones parásitas sobre el circuito que pueden afectar su correcto funcionamiento.

 Hay dos formas de solucionar este problema. La primera es procurar que el blindaje sea lo más continuo posible. La segunda añadir un segundo blindaje interno para bloquear el acoplamiento capacitivo  entre el blindaje externo (caja) y el circulo. Este blindaje  interno, la caja metálica y la masa deben conectarse a tierra en el mismo punto. En este caso, la corriente de descarga seguirá la línea continua interna (2). En este caso de llegar una dercarga, el blindaje externo eleva transitoriamente su tensión debido a la ESD, mientras que el blindaje interno permanece a una tensión prácticamente nula porque está conectado a masa. La alta diferencia de potencial y la capacidad parásita entre los  dos blindajes facilita la circulación de la corriente de descarga, que luego sigue el camino hacia tierra a través del blindaje interno.

 Dado el circuito y el blindaje interno están conectados a masa, la diferencia de potencial entre ellos es prácticamente nula en caso de llegar una descarga, pero como sigue existiendo una capacidad parásita entre el circulo y el blindaje interno, transitoriamente puede haber una diferencia de potencial entre algún punto del blindaje interno y su conexión a masa, pudiendo parecer una descarga secundaria desde éste a alguna parte del circuito. La solución consiste, como ya se ha dicho, en conectar este blindaje interno a masa y tierra en un solo punto  junto al circuito y la caja, y en separar físicamente el circuito del blindaje interno.

 Si se utiliza el blindaje interno, la distancia necesaria será menor que en el caso de emplear la misma técnica sólo entre la caja y el circuito.

EL BLINDAJE DE LOS CABLES APANTALLADOS

 Usualmente es seleccionado un cable apantallado como último recurso ante la detección de un problema de EMI. En estas circunstancias, si el cable apantallado  no da buenos resultados, se piensa que éste no es adecuado y, por el contrario, si soluciona el problema, se considera un mal menor y se piensa en que ojalá se hubiera utilizado desde el principio.

Para seleccionar un cable pantallado : indentificar anticipadamente el tipo de interferencia determinado su margen de frecuencias; extraer de los catálogos la mejor información sobre el metodo de prueba más idóneo para la aplicación especifica y el cable apantallado más efectivo para solventar el problema especifico de interferencia, siempre que cumpla los parámetros de diseño (coste, cobertura, flexibilidad,).

El apantallamiento de los cables se realiza recubriendo los mismos con mallas de tejido metálico con  distintas características según estén mezclado con plásticos  (tipo PVC) o rencientemente con fibras de rayón o lagodón, formando un tejido sumamente  flexible en que las propias fibras son metalizadas con cobre, níquel o plata.

Cabe destacar que la efectividad de un blindaje decrece cuando la frecuencia aumenta y, por ello,  la efectividad  de un cable apantallado  a una cierta frecuencia  no implica que se igual  en otra. Comparando los cables apantallados en función de la frecuencia, los pares trenzados apantallados  son usuales a frecuencias menores de 100 KHZ. Por encima de IMHZ, las pérdidas en los pares trenzados apantallados se incrementan considerablemente. Por otra parte el cable coaxial tiene una impedancia caracteristica más uniforme y menos pérdidas, siendo viable su correcto trabajo desde la corriente continua hasta la UHF. Los pares trenzados apantallados tiene más capacidad que los cables coaxiales y, por ello, no son convenientes a altas frecuencias o en circuitos de alta impedancia. Un cable coaxial se comporta a altas frecuencias como un clable triaxial debido al efecto pelicular, empezando a ser importante este efecto alrededor de 1 MHZ.

Un cable triaxiales un cable coaxial con dos blindajes coaxiales, de forma que el interno actúa como retorno de señal y el externo como blindaje propiamente dicho. Se una en el caso de necesitar una relación señal/ruido más elevada que la del cable coaxial. El cable cuadraxial se usa para llevar señales de muy bajo nivel en ambientes con mucha interferencia. En él se tiene un par trenzado con una impedancia característica específica, rodeado por dos blindajes coaxiales, como el caso traixial. El blindaje interno se conecta a la masa del equipo (en un solo punto) y el externo a tierra (chasis), si la masa y la tierra están  separadas eléctricamente. Si no es así, se conectan los dos en el mismo punto de tierra. Otra posibilidad es conectar el blindaje en la masa del circuito receptor de la señal y externo conectarlo a la masa del circuito  emisor de la señal que lleve el cable.
 
 

En todo sistema electrónico, los cables pueden ser emisores o receptores de interferencia y por ello se debe tener en cuenta su aportación a lo uno o a lo otro. Un cable apantallado puede tener diferentes sistemas de construcción que le dan las distintas caracteristicas  ante la interferencia, tales como: una lámina, una rejilla o una trencilla metálica (usualmente de cobre, aluminio o alguna aleación conductora). Los cables apantallados pueden tener diversas presentaciones: cables apantallados, cables multiconductores con blindaje laminado, trenzado o espiral, cables con pares trenzados múltiples apantallados individualmente  cada par o bien todos juntos, ETC.

BLINDAJES TRENZADOS

 Un Blindaje trenzado consiste en grupos de cobre o de aluminio, unos grupos trenzados en la dirección de las manillas del reloj y otros al contrario. Este tipo de cable es ideal para minimizar las interferencias de baja frecuencia, porque tiene menor  resistencia en continua que el laminado. Es efectivo  tanto en audio como en RF. Generalmente, a mayor cobertura de la trenza, mayor efectividad de apantallado. La cobertura usual se sitúa entre el 80% y el 95%. Una cobertura del 100% es inalcanzable con el trenzado.

 Otras características a tener en cuenta son el ángulo deltrenzado, el diámetro de los hilos y el número de hilos de los grupos que forman la trenza, así como el número de grupos. Los cables apantallados trenzados son generalmente más pesados y voluminosos que los otros tipos de cables apantallados y, en algunos casos, son dificiles de conectar en sus extremos, debido a que es necesario pelear y peinar la trenza antes de retorcela hasta formar con ella una especie de cfola, para soldarla luego como si fuera un cable unifilar, aunque la mejor forma de conectarla es soldarla a 360º , respetando su simetría circular a con su conector coaxial BNC.

BLINDAJES EN FORMA ESPERAL

 Un cable con blindaje espiral consiste en un conductor en forma de espiral dispuesto alrededor del conductor interno. Las ventajas de este cable son una mayor cobertura (97%)que el anterior y más flexibilidad. Está especialmente indicado para aplicaciones de baja frecuencia y audio. Como norma, tener en cuenta que este cable no está indicado para frecuencias mayores a unos 20 KHZ, debido al efecto inductivo de la espiral.
 
 

BLINDAJES LAMINADOS

 Los cables con blindajes laminados tienen una capa de aluminio laminada junto a una película de poliéster o polipropileno.Debido a su pequeño espesor se usa generalmente para apantallar pares trenzados individualmente en cables multipares, y para reducir la diafonía  entre ellos. Tienen menos peso  y volumen que los blindajes trenzados y los espirales, y son más efectivos que éstos en el campo de la RF, siendo más flexibles. Su desventaja, a tener en cuenta, su alta resistencia en continua.
 

 Existen cables que solo cierran mecánicamente la lámina, mientras que otros lo hacen tambien eléctricamente. Sin este cierre eléctrico puede existir una abertura por la que se tengan fugas de señal que puedan causar interferencias, o bien se disminuya la protección a la capacitación de EMI.
 

 
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