Las interferencias electromagnéticas son un problema generalizado y creciente en la ingeniería contemporánea. La aglomeración de equipos electrónicos, tanto en bienes de consumo como en sistemas militares vitales, crea un complicado entorno de campos electromagnéticos. Estos campos, cuando no se controlan, pueden destruir o perjudicar el funcionamiento de aparatos electrónicos sensibles. La práctica básica de aislar los dispositivos contra esta contaminación electromagnética se denomina apantallamiento EMI. Esta lectura describirá los conceptos de blindaje electromagnético, los materiales implicados, incluidos los materiales magnéticos, la importancia del diseño mecánico y las mejores prácticas de integración. Se trata de una hoja de ruta hacia la realización del apantallamiento no sólo como propiedad de un material, sino como sistema.
¿Qué es el blindaje EMI y por qué es importante?
La interferencia electromagnética (IEM) es una perturbación no deseada producida por alguna fuente externa que interactúa con un circuito eléctrico por inducción electromagnética, acoplamiento electrostático o conducción, incluidas cuestiones como las interferencias de radio. Es, en definitiva, ruido electrónico. Los orígenes de estas interferencias son diversos y pueden clasificarse como artificiales o naturales.
Las fuentes artificiales están en todas partes y pueden ser cualquier cosa, tan pequeñas como líneas eléctricas y transmisores de radiofrecuencia o tan grandes como las partes internas de un dispositivo electrónico adyacente. Cualquier circuito eléctrico puede ser fuente de energía electromagnética no deseada, así como víctima de ella. El entorno electromagnético se ha vuelto mucho más denso con la proliferación de circuitos digitales de alta velocidad, sistemas de comunicación inalámbricos y fuentes de alimentación conmutadas.
Los fenómenos naturales, como las erupciones solares y la caída de rayos, se consideran fuentes naturales y pueden causar fuertes pulsos electromagnéticos que pueden dañar o interferir con los dispositivos electrónicos no protegidos en un amplio radio.
El apantallamiento EMI desempeña un papel directo y fundamental para garantizar que la energía electromagnética no perturbe el funcionamiento de los dispositivos electrónicos. Se trata de una práctica que reduce el campo electromagnético hasta un punto en el que deja de ser una fuente de problemas de rendimiento. La aplicación de esta práctica abarca casi todos los ámbitos en los que se aplica la electrónica.
Considere estos escenarios de aplicación:
- Productos sanitarios: Un marcapasos o una máquina de resonancia magnética deben funcionar con una fiabilidad del 100% en un entorno hospitalario. Sin una protección adecuada contra las interferencias electromagnéticas, la radiación electromagnética emitida por un teléfono móvil u otros dispositivos eléctricos cercanos podría interrumpir el funcionamiento del dispositivo, lo que supondría un riesgo para la vida.
- Aeroespacial y Defensa: Las aeronaves militares y la aviónica aeroespacial deben funcionar en un entorno de gran intensidad de radar y comunicaciones. El blindaje es necesario para garantizar que la electrónica sensible no se interrumpa y que los sistemas de misión crítica sigan funcionando. Se trata de la seguridad nacional y la seguridad del personal.
- Automóvil: Los coches modernos son sofisticados dispositivos electrónicos con decenas de microprocesadores que gestionan la sincronización del motor, así como sofisticados sistemas de asistencia al conductor. El apantallamiento se utiliza para mantener los componentes de alta potencia del vehículo, como los sistemas de encendido o los motores eléctricos de propulsión, alejados de los sensibles sistemas electrónicos de control y navegación del vehículo.
La falta de un blindaje eficaz contra las interferencias electromagnéticas socavaría esencialmente la fiabilidad de los dispositivos electrónicos que constituyen la base de las infraestructuras modernas.
Cómo funciona el blindaje EMI
La función de un blindaje EMI es formar una barrera que impida el paso de las ondas electromagnéticas, incluidas las ondas de radio. Esto se consigue mediante dos procesos físicos principales: la reflexión y la absorción. La envolvente que realiza este trabajo se conoce comúnmente como jaula de Faraday, una envolvente que se utiliza para apantallar campos electromagnéticos.
Cuando una onda electromagnética interactúa con un material conductor, la interacción viene definida por las propiedades del material y de la onda.
1. Reflexión: La reflexión es el primer y más importante mecanismo de apantallamiento en la mayoría de las frecuencias. El material de apantallamiento debe ser altamente conductor de la electricidad. Cuando la onda electromagnética incide en la superficie de la pantalla, los portadores de carga del material conductor (por ejemplo, los electrones de un metal) vibran. Esta vibración genera un segundo campo electromagnético opuesto al campo incidente. La energía de la onda entrante es reflejada, en gran parte, por la superficie de la pantalla, que no puede ser penetrada. Cuanto más conductor sea el material, mejor será la reflexión.
2. Absorción: La energía electromagnética que no se refleja y penetra en el material de blindaje es absorbida. La onda provoca corrientes a medida que viaja a través del medio conductor. Estas corrientes producen calor, transformando la energía electromagnética en energía térmica debido a la resistencia del material. Esto amortigua la onda a medida que atraviesa el espesor del blindaje. El rendimiento de absorción viene determinado por el grosor del blindaje y su permeabilidad magnética. Para proporcionar blindaje contra campos magnéticos de baja frecuencia, se necesitan materiales de alta permeabilidad magnética que absorban la energía del campo.
Un buen blindaje EMI es, por tanto, una aplicación de una jaula de Faraday que rodea los componentes electrónicos sensibles. Esta barrera de blindaje electromagnético refleja la mayor parte de la radiación electromagnética incidente en su superficie exterior y absorbe gran parte de la energía restante que penetra en el material, impidiendo que se perturben los circuitos eléctricos internos del mismo.
Materiales clave para un blindaje EMI eficaz
La elección del material de apantallamiento depende de las necesidades de la aplicación, como la gama de frecuencias de las interferencias, el entorno, las propiedades mecánicas y el coste. Existe una gran selección de materiales conductores.
- Metales sólidos: Las láminas metálicas son una solución convencional y muy eficaz. El cobre, el aluminio y el acero inoxidable son metales muy conductores de la electricidad y pueden ser blindajes muy eficaces en una amplia gama de frecuencias. El cobre suele considerarse el estándar de rendimiento porque es más conductor que el aluminio, que es ligero y menos caro. El acero inoxidable es duradero y resistente a la corrosión.
- Revestimientos conductores: En las aplicaciones en las que la envolvente está compuesta por un material no conductor, como el plástico, se utilizan revestimientos conductores. Estos acabados llevan rellenos conductores como níquel, cobre, plata o nanotubos de carbono suspendidos en un aglutinante. Pueden pulverizarse o aplicarse con brocha, formando un revestimiento conductor en las paredes interiores de la caja.
- Juntas conductoras y elastómeros: Las juntas de blindaje EMI son necesarias para sellar las costuras y juntas de un recinto. Normalmente están compuestas de una sustancia elastomérica, como la silicona, rellena de partículas conductoras. Estas juntas se instalan entre las superficies de acoplamiento, por ejemplo, una puerta y su marco, para proporcionar una ruta conductora continua y eliminar las fugas.
- Láminas y cintas metálicas: Las cintas son láminas de cobre o aluminio con soporte adhesivo que se utilizan para sellar pequeños huecos, envolver cables o apantallar componentes concretos de un sistema mayor. Ofrecen una aplicación sencilla y fácil.
- Malla metálica: La malla metálica tejida o expandida puede utilizarse en aplicaciones que requieran ventilación o transparencia visual, por ejemplo, ventanas blindadas. El límite superior de frecuencia de la eficacia de apantallamiento de la malla viene determinado por el tamaño de las aberturas de la malla.
A continuación se muestra una tabla comparativa de los materiales de apantallamiento más comunes:
| Tipo de material | Ventajas | Desventajas | Frecuencias aplicables | Coste relativo |
| Cobre/Aluminio macizo | Alta conductividad, excelente SE | Más pesado, puede ser costoso, requiere fabricación | Amplia (de kHz bajos a >10 GHz) | Moderado a alto |
| Acero inoxidable | Duradero y resistente a la corrosión | Menor conductividad que Cu/Al | Amplia (de kHz bajos a >10 GHz) | Moderado |
| Revestimientos conductores | Ligero, se adapta a formas complejas | Susceptible al rayado, SE más bajo que el metal sólido | Media a alta (>10 MHz) | Bajo a moderado |
| Juntas EMI | Sella huecos, proporciona estanqueidad ambiental | Requiere una compresión específica, puede desgastarse con el tiempo | Amplio, depende del relleno | Moderado |
| Cintas metálicas | Flexible, fácil de aplicar para blindaje puntual | Menor durabilidad, el adhesivo puede degradarse | Amplia, depende de la conductividad del adhesivo | Bajo |
| Malla metálica | Permite el flujo de aire/visibilidad | SE limitada a frecuencias más altas | Media a alta (>1 MHz) | Moderado |
La elección del material es el primer paso para el éxito de una estrategia de blindaje. Sin embargo, la selección del material por sí sola es insuficiente.
Más allá de los materiales: El papel fundamental de la integridad del recinto
La eficacia teórica de apantallamiento de un material concreto puede tener poca importancia en la práctica cuando se pierde la integridad mecánica del recinto. Un blindaje EMI es un sistema. No es su elemento más fuerte el que define su rendimiento, sino el más débil. Las discontinuidades físicas en el recinto son la fuente más probable de fracaso en un diseño de blindaje EMI, en lugar del material.
Cualquier costura, junta, ranura u orificio en una caja blindada es una abertura. Electromagnéticamente, estas aberturas son antenas de ranura. A medida que la longitud física de una abertura se convierte en una gran fracción de la longitud de onda de la onda electromagnética incidente, la abertura permitirá el paso de esa onda con una atenuación mínima. Un orificio largo y estrecho puede ser una fuga mucho mayor que un orificio redondo de igual superficie.
Esto implica que incluso un recinto hecho de cobre grueso y sólido será un dispositivo de apantallamiento pobre a menos que su puerta encaje perfectamente contra el marco. La discontinuidad estrecha y persistente entre el marco y la puerta forma una antena de ranura larga capaz de acoplar la energía electromagnética dentro y fuera del recinto. Del mismo modo, la integridad de la jaula de Faraday se ve comprometida por costuras sin sellar entre paneles, puntos de acceso a cables sin filtrar y orificios de ventilación.
Un buen diseño del recinto tiene como objetivo eliminar o reducir estas aberturas. La superposición de las costuras debe asegurarse mediante fijaciones o, más a menudo, mediante juntas EMI conductoras. Las aberturas necesarias deben tratarse de forma especial para minimizar la posibilidad de fugas. Debe asumirse que cualquier discontinuidad en la continuidad conductiva de la envolvente es un posible punto de fallo.
Selección de herrajes críticos para puertas y paneles blindados
Dado que la integridad de la envolvente es el factor más importante, el hardware industrial empleado en la construcción y fijación de la envolvente no es un factor secundario; es un elemento clave del sistema de blindaje. El sitio cerraduras, pestillosy bisagras que mantienen cerradas las puertas y los paneles de acceso participan directamente en garantizar el sellado continuo de baja impedancia que se necesita para asegurar un blindaje eficaz.
- Pestillos y cerraduras: El propósito principal de un pestillo o cerradura en una aplicación de blindaje es ejercer una fuerza de compresión consistente y adecuada sobre las juntas EMI que recubren el marco de la puerta o panel. Para deformarse correctamente y formar un sello conductor eficaz entre las superficies metálicas de acoplamiento, la junta debe tener una cierta cantidad de presión. Cuando la fuerza no es suficiente, habrá huecos y el sellado no será completo. Cuando la fuerza es excesiva o no se distribuye uniformemente, la junta puede sufrir daños permanentes, lo que afecta a su rendimiento a largo plazo. Los buenos cierres, especialmente con compresión ajustable, permiten al diseñador ajustar y mantener la fuerza correcta necesaria para lograr el mejor rendimiento de la junta en todo el perímetro de la abertura.
- Bisagras: Las bisagras también desempeñan un papel igualmente importante, sobre todo en puertas blindadas grandes o pesadas, típicas de bastidores de equipos o cámaras de pruebas ambientales. Una bisagra mal diseñada o de tamaño insuficiente hará que una puerta pesada cuelgue por su propio peso con el tiempo. El resultado de este hundimiento es un hueco cónico en la parte superior y lateral de la puerta opuesta a la bisagra que rompe el sellado y proporciona una gran vía de fuga de EMI. Las bisagras de alta precisión y resistencia son necesarias para sostener el peso de la puerta sin que se doble durante todo su ciclo de vida, y para mantener la alineación y la integridad del sellado intactas tras miles de ciclos de apertura y cierre.
En este sentido, la colaboración con un fabricante de hardware especial es una consideración de diseño muy importante. KUNLONG cuenta con más de 20 años de experiencia en ingeniería y producción de herrajes industriales para su uso en aplicaciones exigentes. Sabemos que una caja blindada no tiene un pestillo como dispositivo de cierre y una bisagra como pivote. Se trata de piezas de desarrollo que son fundamentales para el rendimiento del sistema. Nuestros productos se fabrican con materiales de calidad superior, como acero inoxidable SUS304 y SUS316, para que sean duraderos y resistentes a la corrosión, y se someten a decenas de miles de ciclos para garantizar su fiabilidad a lo largo del tiempo. Para el ingeniero que diseña un sistema blindado, la elección de herrajes endurecidos y probados es una inversión directa en el rendimiento y la vida útil del producto final.
Retos del apantallamiento EMI en industrias clave
Aunque los principios del blindaje son universales, los retos y las prioridades de diseño son muy diferentes en los distintos sectores.
- Aeroespacial y Defensa: Esta industria exige la máxima fiabilidad en condiciones ambientales adversas. El blindaje debe ser resistente a radares de alta potencia, sistemas de comunicaciones y posibles amenazas de guerra electrónica. Los componentes deben ser de alta calidad militar (por ejemplo, MIL-STD-461) y soportar vibraciones, choques y temperaturas extremas. El coste está por detrás de la redundancia y el rendimiento absoluto.
- Medicina y sanidad: La primera cuestión es la seguridad del paciente y la precisión del diagnóstico. El blindaje ayuda a que los equipos médicos, como los monitores de pacientes y las bombas de infusión, no se vean afectados por la multitud de fuentes de radiofrecuencia presentes en un hospital. En el caso de los equipos de diagnóstico sensibles, como las máquinas de resonancia magnética y electroencefalografía, el blindaje es necesario para garantizar que el ruido externo no corrompa las señales de bajo nivel y dé lugar a diagnósticos erróneos.
- Telecomunicaciones y centros de datos: El problema en esta industria es la manipulación de concentraciones muy elevadas de equipos electrónicos. En el caso de los armarios de comunicaciones 5G y los bastidores de los centros de datos, se necesita blindaje para evitar la diafonía y las interferencias entre sistemas adyacentes. El mayor problema es encontrar un equilibrio entre el blindaje y las consideraciones térmicas; la refrigeración debe estar bien ventilada, pero todas las rejillas de ventilación son posibles fugas de EMI y deben diseñarse con cuidado.
- Automoción y movilidad eléctrica: El vehículo contemporáneo, especialmente un vehículo eléctrico (VE), es un espacio electromagnéticamente complejo. Los potentes motores eléctricos, las baterías de alto voltaje y los inversores producen mucha IEM. Este ruido debe aislarse para no interferir con los sistemas de control críticos, la navegación GPS y los sistemas de infoentretenimiento. Las soluciones de apantallamiento deben ser ligeras, económicas y capaces de sobrevivir al entorno extremo de la automoción.
Estas aplicaciones generales se subdividen en otras más especializadas en las que el hardware mecánico desempeña un papel aún más significativo. Hay que tener en cuenta las cámaras de pruebas ambientales en producción e investigación. Estas cámaras deben ofrecer un entorno blindado y exponer un dispositivo a temperaturas extremas, entre -70 °C y más de 200 °C. Los herrajes, como bisagras y pestillos, no sólo deben sellar perfectamente contra la EMI, sino que también deben poder funcionar de forma fiable en estas condiciones térmicas extremas sin romperse ni deformar la puerta. Del mismo modo, los grandes armarios de control industrial de una fábrica deben proteger los delicados componentes electrónicos contra la fuerte EMI emitida por los motores y la maquinaria cercanos, y sus pesadas puertas deben estar perfectamente alineadas a lo largo de los años de uso repetido. En este tipo de aplicaciones, la elección de herrajes probados y de alta durabilidad es fundamental para el funcionamiento de los equipos.
Mejores prácticas para el diseño y la integración del blindaje
El blindaje EMI no es una opción; es una ciencia de diseño fundamental que debe abordarse en las primeras fases de diseño del producto. Siempre es más costoso y menos eficaz adaptar un blindaje ya diseñado que incorporar estos principios durante el diseño. Esta sección es una guía detallada de las mejores prácticas de diseño, integración y verificación.
1. Diseño básico de la caja
El sistema de apantallamiento se basa en el recinto físico. Debe diseñarse de forma que esté contenido electromagnéticamente.
- Selección de materiales: Como ya se ha explicado, lo primero que hay que tener en cuenta es el material (conductividad eléctrica y permeabilidad magnética). Esta elección debe hacerse en la fase inicial porque afecta al diseño mecánico, el peso, el coste y las propiedades térmicas. Debe elegirse en función de la frecuencia que se vaya a apantallar y de los factores ambientales, incluido el requisito de resistencia a la corrosión.
- Espesor de pared: El grosor del material de apantallamiento necesario depende del mecanismo de atenuación. En la EMI de alta frecuencia, donde la reflexión es el mecanismo de apantallamiento dominante, la conductividad es más importante que el grosor. Una capa fina de material extremadamente conductor puede ser bastante eficaz. Pero en el caso de los campos magnéticos de baja frecuencia, donde la absorción es el proceso más importante, el grosor es importante. Cuanto mayor es el grosor del material, mayor es la pérdida de absorción, y el campo se atenúa a su paso.
- Disciplina de apertura: La caja blindada perfecta es una caja lisa, conductora y sin agujeros. Esto no es factible, pero el principio que debe seguirse en el diseño inicial debe ser la disciplina de las aberturas: mantener el número y el tamaño de todas las aberturas al mínimo. Cualquier agujero necesario en los cables, pantallas, botones o ventilación debe justificarse y tratarse. Incluso los pequeños agujeros innecesarios en el diseño deben evitarse desde el principio.
2. Gestión de las aperturas necesarias
Como una caja totalmente sellada no suele ser una opción, uno de los aspectos más importantes del proceso de diseño es el control de las aberturas necesarias para que no se conviertan en fuentes de fugas de EMI.
- Costuras y uniones: Los paneles de una envolvente deben estar unidos entre sí para crear una vía conductora continua. La forma más común de abertura son las costuras de estos paneles. La respuesta son las juntas conductoras EMI, que se colocan en las costuras y se sujetan con tornillos. El patrón de los tornillos, su número y la distancia entre ellos son importantes para proporcionar una fuerza constante sobre la junta y una conexión eléctrica de baja impedancia en toda la longitud de la costura.
- Pantallas de visualización: Las pantallas necesitan aberturas transparentes, y éstas pueden ser fuentes importantes de fugas de IEM. Para resolver este problema, se utilizan ventanas blindadas. Suelen fabricarse de dos formas distintas:
- Micromalla: Una malla metálica de calibre fino se lamina sobre o dentro de una ventana de cristal o policarbonato. La malla forma un efecto de jaula de Faraday y es lo suficientemente fina para ser ópticamente transparente.
- Revestimientos conductores: Se aplica un revestimiento conductor transparente a la superficie de la ventana, por ejemplo, óxido de indio y estaño (ITO). Este revestimiento ofrece un buen apantallamiento en radiofrecuencias y está conectado a tierra con el chasis de la caja.
- Puertos de ventilación: Puede ser necesario un flujo de aire de refrigeración, pero los orificios de ventilación pueden ser grandes. Los respiraderos en forma de panal son la respuesta típica. Se trata de una combinación de tubos hexagonales pequeños y profundos fundidos. Esta construcción es una guía de ondas. El aire puede pasar libremente, pero las ondas electromagnéticas por encima de la frecuencia de corte de la guía de ondas no pueden propagarse a través de los tubos pequeños y se reflejan. Esto permite una buena ventilación con una pérdida mínima de la integridad del blindaje.
3. Control de entradas y salidas (E/S)
La ruta más típica de la EMI para rodear un blindaje es a través de los cables. La carcasa puede estar diseñada a la perfección, pero si se utiliza un cable como antena, el sistema fallará.
- Terminación del blindaje del cable: La pantalla de un cable apantallado debe terminarse con una conexión de baja impedancia de 360 grados a la pared de la caja en el punto de entrada. Esto se hace mediante conectores apantallados especializados y carcasas traseras. Debe evitarse el error habitual de conectar el apantallamiento al chasis con un cable "pigtail", ya que forma una antena y no es eficaz a altas frecuencias.
- Filtrado: Los conductores no apantallados (incluidas las líneas de alimentación y de señal) que deban atravesar la pared del armario deben filtrarse. Los filtros EMI se colocan en el punto de entrada para eliminar el ruido de alta frecuencia no deseado en las líneas, de modo que no se transmita al interior ni al exterior del armario.
4. Aplicación de una estrategia de puesta a tierra de baja impedancia
El apantallamiento se basa en una conexión a tierra adecuada. En el caso de la EMI, una toma de tierra es una vía de retorno de corriente de ruido de baja impedancia. El apantallamiento debe conectarse a la masa del chasis del sistema para tener un punto de referencia y drenar las corrientes inducidas. Dichas conexiones deben realizarse mediante correas anchas o contacto directo con la superficie en lugar de cables finos para reducir la inductancia y ser eficaces a altas frecuencias.
5. Verificación mediante pruebas
La última es comprobar el rendimiento del diseño. La eficacia del apantallamiento (SE) es una unidad de decibelios (dB), que es una medida de la atenuación de un campo electromagnético por un apantallamiento. Es el único medio de comprobar empíricamente que las decisiones de diseño han dado lugar a un producto que satisface sus necesidades, incluidas las de organismos reguladores como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC). Se realiza colocando el dispositivo en un entorno controlado y midiendo sus emisiones y susceptibilidad con antenas y analizadores de espectro en un rango de frecuencias.
Conclusión
El blindaje EMI eficaz no es una característica que pueda añadirse a un producto al final del ciclo de diseño. Es un campo de la ingeniería de sistemas en el que la física, la ciencia de los materiales y el diseño mecánico deben tenerse muy en cuenta desde el principio. Una cadena ininterrumpida de decisiones define el rendimiento de un apantallamiento: la elección de los materiales adecuados, la integridad de la estructura de la caja, el apantallamiento de los cables, la calidad del hardware que lo mantiene unido, el tratamiento de todas las aberturas y penetraciones de cables, y una estrategia de puesta a tierra adecuada.
La avería de uno de los eslabones de esta cadena puede inutilizar todo el sistema. Por ello, no es un lujo sino una necesidad tratar con proveedores que tengan profundos conocimientos en sus áreas de especialización. Cuando se trata del hardware mecánico crítico que garantiza la integridad física de su escudo, es necesario cooperar con un proveedor de hardware profesional. Le instamos a que busque el asesoramiento de expertos para asegurarse de que cada parte de su diseño contribuye positivamente al objetivo general: un producto que funcione de forma fiable en el entorno electromagnético deseado.
