Како се заштитити од EMI сметњи?

La interferencia electromagnética, conocida por el acrónimo EMI (Electromagnetic Interference), son señales electromagnéticas no deseadas que pueden perturbar el funcionamiento de los dispositivos electrónicos. La EMI ocurre cuando un campo electromagnético generado por un dispositivo afecta negativamente a otro, lo que resulta en errores de funcionamiento, pérdida de datos e, incluso, en casos extremos, daños al hardware.

En el trabajo diario con la electrónica, los problemas relacionados con la EMI pueden manifestarse de varias maneras. Pueden ser lecturas incorrectas de sensores, interrupciones en la transmisión de señales o inestabilidad en la fuente de alimentación. Por ejemplo, un apantallamiento inadecuado de las pistas en las placas de circuito impreso o cables insuficientemente protegidos pueden llevar a un acoplamiento incontrolado de ruido, lo que impacta negativamente en todo el sistema.

Con la creciente complejidad y miniaturización de los dispositivos electrónicos, el problema de la EMI se vuelve cada vez más importante. Por esta razón, el diseño adecuado de blindajes, carcasas y filtros para contrarrestar las interferencias es esencial para garantizar la fiabilidad y el funcionamiento correcto del equipo.

En los siguientes capítulos, discutiremos métodos prácticos para la protección contra EMI, comenzando por los fundamentos del blindaje de campos eléctricos y magnéticos, pasando por el diseño de carcasas y la protección de cables, hasta técnicas avanzadas de supresión de ondulación.

Fundamentos del blindaje de campos eléctricos (electrostáticos)

El blindaje de campos eléctricos, también llamados electrostáticos, es el método básico de protección de la electrónica contra las interferencias EMI. Consiste en utilizar materiales conductores que bloquean o dirigen eficazmente el campo eléctrico, evitando su interacción con elementos sensibles del dispositivo.

El principio de funcionamiento de los blindajes electrostáticos se basa en el efecto de conducción de cargas eléctricas en la superficie del blindaje. Cuando un campo eléctrico externo interactúa con el blindaje, las cargas se mueven a lo largo de la superficie del conductor, creando un campo que contrarresta la interferencia inicial. Como resultado, el interior protegido por el blindaje permanece prácticamente libre de campo electrostático.

El correcto aterrizaje (puesta a tierra) del blindaje juega un papel importante en este contexto. El aterrizaje permite la descarga de las cargas acumuladas, asegurando una protección efectiva contra las interferencias. Sin una puesta a tierra adecuada, el blindaje puede actuar como una antena en lugar de un escudo, aumentando el nivel de EMI dentro del dispositivo.

En la práctica, el blindaje a nivel de la placa de circuito impreso (PCB) se logra mediante el uso de escudos conductores y una disposición adecuada de la masa (GND). Los diseñadores de electrónica deben asegurarse de que los blindajes y las áreas de masa sean continuos, sin interrupciones ni fugas que puedan permitir que el campo eléctrico penetre en los circuitos protegidos.

En resumen, un blindaje efectivo de campos eléctricos requiere el uso de escudos conductores conectados a tierra y una disposición reflexiva de los elementos en la PCB, lo que minimiza significativamente la influencia de las interferencias electromagnéticas en la electrónica.

Mecanismos de blindaje de campos magnéticos

El blindaje de campos magnéticos es mucho más difícil que el blindaje de campos electrostáticos debido a las propiedades fundamentales del campo magnético. Si bien los campos eléctricos pueden ser bloqueados efectivamente por escudos conductores, el campo magnético de baja frecuencia penetra la mayoría de los materiales no magnéticos y requiere el uso de mecanismos de protección especiales.

Uno de los fenómenos utilizados en el blindaje magnético son las corrientes de Foucault (corrientes parásitas). Estas corrientes se inducen en materiales conductores cuando un campo magnético cambiante penetra el blindaje. Su aparición crea un campo magnético que contrarresta el campo inicial, lo que resulta en la supresión del campo magnético en el área protegida.

Los materiales conductores, como el cobre o el aluminio, pueden, por lo tanto, desempeñar un papel importante en el blindaje magnético, especialmente a frecuencias más altas donde las corrientes de Foucault son más efectivas. Sin embargo, a frecuencias más bajas, su eficacia disminuye ya que las corrientes de Foucault inducidas son más débiles.

Por lo tanto, a menudo se utilizan materiales magnéticos con alta permeabilidad magnética, que son capaces de dirigir y "capturar" eficazmente las líneas del campo magnético. Materiales como el acero o el mu-metal ofrecen un camino alternativo para el flujo magnético, permitiendo desviarlo lejos de los componentes protegidos. Como resultado, el campo magnético "evita" la zona protegida, minimizando el riesgo de interferencias.

El blindaje de campos magnéticos requiere la comprensión de los mecanismos de las corrientes de Foucault y el uso de materiales apropiados: conductores para frecuencias más altas y magnéticos con alta permeabilidad para frecuencias bajas.

Uso de materiales magnéticos para la protección contra EMI

La protección contra interferencias electromagnéticas requiere el uso de materiales apropiados que supriman eficazmente tanto los campos eléctricos como los magnéticos. En el caso de la protección contra el campo magnético, los materiales magnéticos de alta permeabilidad son de particular importancia. En este capítulo, discutiremos sus propiedades y aplicaciones prácticas.

Materiales magnéticos permeables

Los materiales magnéticos permeables se caracterizan por la capacidad de conducir el flujo magnético dentro de sí mismos, lo que permite la "captura" y el desvío efectivo del campo magnético. Gracias a esto, las líneas de campo rodean el área protegida, reduciendo su exposición a las interferencias.

Este tipo de material se utiliza a menudo como capa de blindaje dentro o fuera de las carcasas electrónicas para reforzar la protección contra campos magnéticos de baja frecuencia, que son difíciles de suprimir con otros métodos.

Ejemplos de materiales: acero y mu-metal

• Acero – ampliamente disponible y relativamente económico, el acero es un buen material de blindaje en muchas aplicaciones. Sus propiedades magnéticas permiten una supresión efectiva de las interferencias de frecuencia media y baja. Sin embargo, su eficacia está limitada por los parámetros de la aleación específica y el grosor del material.
• Mu-metal – es una aleación especial con una permeabilidad magnética muy alta, utilizada en situaciones que requieren una protección muy efectiva contra campos magnéticos. El mu-metal se caracteriza por una capacidad excepcional para absorber y desviar el campo magnético, por lo que se utiliza en dispositivos electrónicos y médicos de precisión.

Ambos materiales se pueden utilizar en diversas formas: desde placas, láminas, hasta recubrimientos aplicados a las carcasas, dependiendo de las necesidades del proyecto.

Aplicación práctica de materiales magnéticos

En la práctica, para lograr un blindaje efectivo contra EMI, los diseñadores a menudo combinan materiales conductores con materiales magnéticos. Estas soluciones permiten proteger los dispositivos tanto contra el campo eléctrico como contra el magnético, asegurando una protección integral.

La elección de un material específico depende de los requisitos de frecuencia de interferencia, costo, dimensiones y condiciones ambientales. En muchas aplicaciones, se utiliza, por ejemplo, acero como material base de la carcasa, complementado con inserciones o recubrimientos de mu-metal en las áreas más expuestas a las interferencias.

Diseño y construcción de carcasas blindadas

El blindaje efectivo de los dispositivos electrónicos contra las interferencias EMI requiere un diseño cuidadoso de la carcasa. La carcasa actúa como una barrera física que limita la penetración de campos electromagnéticos hacia adentro o hacia afuera del dispositivo. En este capítulo, discutiremos qué propiedades debe tener una carcasa blindada ideal y qué desafíos prácticos deben abordarse durante su construcción.

Propiedades ideales de las carcasas blindadas

Una carcasa blindada bien diseñada debe:

• Estar hecha de materiales conductores que reflejen o absorban eficazmente las ondas electromagnéticas. Estos son generalmente metales con buena conductividad eléctrica, como el aluminio o el acero.
• Asegurar la continuidad eléctrica en toda la superficie para evitar interrupciones que puedan causar fugas de EMI.
• Tener un aterrizaje (puesta a tierra) adecuado, lo que permite la descarga efectiva de las cargas y las interferencias acumuladas a masa.
• Minimizar los huecos y las ranuras: incluso pequeñas interrupciones pueden reducir significativamente la eficacia del blindaje.

Desafíos prácticos: costuras, aberturas y penetraciones

En realidad, una carcasa blindada ideal es un objetivo difícil de alcanzar, ya que es necesario tener en cuenta muchos elementos constructivos que pueden ser posibles lugares de fuga de EMI.

• Costuras y uniones — Los lugares donde se unen los elementos de la carcasa son críticos, ya que un ajuste inadecuado o la falta de continuidad de la conductividad pueden causar la penetración de ondas electromagnéticas. Es importante utilizar técnicas que aseguren buenos contactos, como juntas conductoras o conectores mecánicos adecuados.
• Aberturas y ventilación — Las carcasas a menudo requieren aberturas para la refrigeración o ventilación. Sin embargo, estas aberturas pueden reducir la eficacia del blindaje, permitiendo que las ondas EMI escapen. Por lo tanto, su tamaño, forma y disposición deben ser cuidadosamente diseñados.
• Penetración de cables y señales — Cualquier cable que salga de la carcasa puede convertirse en un camino de escape para las interferencias. Es necesario utilizar cables blindados y filtros apropiados que minimicen el riesgo de penetración de EMI a través de estos elementos.

El diseño de la carcasa blindada es, por lo tanto, un equilibrio entre garantizar la protección EMI y cumplir con los requisitos funcionales, como la ventilación o el fácil acceso a los componentes del dispositivo.

Importancia de la construcción de aberturas y ventilación en las carcasas

El diseño de carcasas blindadas no es solo una cuestión de materiales y estanqueidad, sino también de la planificación adecuada de las aberturas de ventilación. Las aberturas son a menudo necesarias para la refrigeración de los dispositivos electrónicos, pero pueden convertirse en un lugar de penetración de interferencias electromagnéticas (EMI). En este capítulo, discutiremos cómo el tamaño y la disposición de las aberturas afectan la eficacia del blindaje y cómo diseñar rejillas de ventilación eficientes.

Influencia del tamaño y la disposición de las aberturas en el blindaje

Las aberturas de ventilación en las carcasas deben diseñarse adecuadamente, ya que:

• Tamaño de las aberturas: Si las dimensiones de la abertura son relativamente grandes en relación con la longitud de onda de la interferencia, las ondas electromagnéticas penetran fácilmente a través de estas aberturas, reduciendo la eficacia del blindaje. Por el contrario, cuando las aberturas son significativamente más pequeñas que la mitad de la longitud de onda (media longitud de onda), la energía electromagnética es fuertemente suprimida.
• Disposición de las aberturas: El patrón y la densidad de las aberturas influyen en el flujo de aire general y el nivel de blindaje. Las aberturas demasiado densas o demasiado grandes pueden crear "pasajes" para las ondas EMI, mientras que una disposición óptima permite mantener un equilibrio adecuado entre la ventilación y la protección electromagnética.

Diseño de rejillas de ventilación eficientes

Para asegurar una buena refrigeración sin degradar excesivamente el blindaje, se utilizan diferentes soluciones:

• Aumento de la profundidad de las aberturas: Las aberturas se pueden diseñar de manera que su profundidad se asemeje a una guía de onda. En este caso, a frecuencias por debajo de la llamada frecuencia de corte, la onda electromagnética no pasará por la abertura, ya que es suprimida de manera similar a como ocurre en las guías de onda.
• Rejillas metálicas y paneles perforados: El uso de rejillas metálicas de malla fina o paneles con perforaciones pequeñas, que reducen el tamaño de las aberturas, permite un blindaje efectivo al tiempo que se mantiene el flujo de aire.
• Optimización de la forma de las aberturas: A menudo se utilizan aberturas con una forma que minimiza la propagación de las ondas EMI, por ejemplo, ranuras estrechas u aberturas con un camino alargado.

Gracias a tales soluciones, es posible mantener tanto un alto nivel de blindaje como una refrigeración efectiva, lo cual es esencial en el diseño de dispositivos electrónicos modernos.

Problemas de unión de carcasas y sus soluciones

En la construcción de carcasas blindadas, las conexiones entre elementos metálicos, como costuras, uniones o cubiertas, juegan un papel clave. Incluso pequeños huecos o contactos mal realizados pueden convertirse en "fugas" para las interferencias EMI, reduciendo significativamente la eficacia de la protección.

Consecuencias de las malas conexiones metálicas

La estanqueidad insuficiente en la carcasa, resultante de un ajuste impreciso de los elementos o la corrosión de las conexiones, provoca un debilitamiento local del campo de blindaje. En estos lugares, puede haber penetración de ondas electromagnéticas, que "se filtran" fácilmente a través de los huecos, causando interferencias tanto fuera como dentro del dispositivo.

La falta de continuidad eléctrica en las conexiones conduce a la formación de bucles de corrientes de Foucault, lo que reduce la eficacia de la supresión de campos magnéticos. Tales imperfecciones pueden llevar a graves problemas funcionales del dispositivo, por ejemplo, pérdida de estabilidad de la señal, errores de medición o funcionamiento incorrecto de los sistemas.

Técnicas para minimizar las fugas de EMI en costuras y uniones

Para minimizar el riesgo de fugas de EMI, se utilizan varios métodos probados:

• Ajuste preciso y sellado: Los elementos de la carcasa deben fabricarse con precisión, y las uniones deben sellarse adicionalmente con materiales conductores especializados o juntas metalizadas, que aseguren la continuidad eléctrica y la protección mecánica.
• Soldadura fuerte y soldadura blanda: En lugares particularmente expuestos a fugas, se utiliza soldadura fuerte o soldadura blanda, que crea conexiones metálicas duraderas y bien conductoras.
• Clips y resortes de blindaje: El uso de clips o resortes metálicos mejora la presión de los elementos de la carcasa, lo que minimiza los micro-huecos. Estos resortes también aseguran la continuidad del contacto durante vibraciones y cambios de temperatura.
• Control de calidad de las conexiones: Las pruebas regulares de resistencia de las conexiones y las inspecciones mecánicas permiten detectar y eliminar posibles problemas en la etapa temprana de la producción.

La implementación de estas soluciones permite limitar efectivamente la emisión de interferencias a través de costuras y uniones, lo que aumenta significativamente el nivel de protección EMI de todo el sistema.

Penetración de cables a través de la carcasa – ¿cómo protegerlos eficazmente?

En el tema de la protección contra las interferencias EMI, un elemento a menudo pasado por alto pero muy importante es el cableado que sale de la carcasa del dispositivo. Es a través de ellos que a menudo "escapan" señales electromagnéticas no deseadas, que pueden perturbar el funcionamiento del equipo o causar problemas de compatibilidad electromagnética.

¿Por qué los cables pueden causar fugas de EMI?

Cada cable actúa como una antena, tanto como emisor como receptor de ondas electromagnéticas. Si un cable no está protegido correctamente, la radiación EMI puede penetrar fácilmente a través de él, causando interferencias. En la práctica, esto significa que incluso si la carcasa está bien blindada, los cables conectados a ella pueden reducir la eficacia de toda la protección.

En los lugares donde los cables atraviesan la carcasa, se forman huecos o aberturas, que por sí mismos pueden convertirse en un lugar de escape de interferencias. Esto significa que la construcción de las aberturas en sí debe ser cuidadosamente diseñada y protegida.

Uso de cables blindados

Una de las formas efectivas de prevenir las fugas de EMI es el uso de cables blindados. El blindaje es una capa conductora (por ejemplo, trenza de cobre o lámina de aluminio) que rodea los cables de señal o de alimentación, que actúa como una barrera para las ondas electromagnéticas. Gracias a esto, el blindaje minimiza la radiación del cable hacia el exterior y protege el propio conductor contra interferencias externas.

Sin embargo, es importante que el blindaje esté correctamente aterrizado (conectado a tierra), lo que permite la descarga de interferencias y previene la formación de corrientes parásitas que podrían reducir la eficacia de la protección.

Conectores y juntas apropiadas

El cable en sí no lo es todo; los conectores y los puntos de paso de cables a través de la carcasa son igualmente importantes. Los conectores blindados bien elegidos aseguran la continuidad del blindaje y minimizan los huecos por los que pueden penetrar las ondas EMI.

Además, se pueden utilizar juntas, por ejemplo, anillos EMC, que rellenan los huecos alrededor de los cables en sus puntos de salida de la carcasa, evitando la penetración de interferencias.

Para limitar efectivamente la penetración de interferencias a través de los cables, se debe adoptar un enfoque integral: utilizar cables blindados, asegurar un aterrizaje adecuado de los blindajes, y cuidar los conectores sólidos y blindados y los pasos de cable herméticos a través de la carcasa. Solo entonces la protección EMI será realmente efectiva y completa.

Filtrado de señales y alimentación en carcasas blindadas

En la protección de dispositivos electrónicos contra las interferencias EMI, el blindaje de la carcasa por sí solo a menudo no es suficiente. También es importante el filtrado adecuado de las señales y las líneas de alimentación, ya que pueden transportar impulsos electromagnéticos no deseados hacia adentro o hacia afuera del dispositivo. En este capítulo, discutiremos cómo y dónde instalar mejor los filtros EMI, y cómo reducir las tensiones de interferencia a través de ellos.

¿Cómo y dónde instalar filtros EMI?

Los filtros EMI deben colocarse lo más cerca posible de los puntos donde los cables salen de la carcasa o donde se realiza la conexión a las fuentes de alimentación y señales. Gracias a esto, se puede minimizar la penetración de interferencias en las secciones posteriores del cableado.

Los más comúnmente utilizados son:

• Filtros de alimentación – que eliminan las interferencias de alta frecuencia procedentes del dispositivo o de la red de suministro. Se montan en la entrada de la línea de alimentación a la carcasa, lo que ayuda a bloquear las señales no deseadas que penetran en el circuito.
• Filtros de señal – instalados en líneas de señal, donde es importante mantener la integridad de los datos transmitidos. Protegen contra la penetración de interferencias en los circuitos electrónicos, al tiempo que evitan la emisión de señales perturbadoras hacia el exterior.

La ubicación de los filtros debe planificarse cuidadosamente para minimizar la longitud del cable sin blindaje dentro de la carcasa, ya que es en esta sección donde pueden aparecer interferencias.

Reducción de las tensiones de interferencia entre cables y carcasa

Los filtros EMI reducen eficazmente las diferencias de potencial y las corrientes perturbadoras que pueden surgir entre los cables y la carcasa del dispositivo. Sin filtrado, tales tensiones pueden causar interferencias que perturban el funcionamiento de otros elementos del sistema o incluso de instalaciones enteras.

Un elemento esencial es también el aterrizaje adecuado de los filtros y las conexiones de la carcasa, lo que permite la descarga de las corrientes perturbadoras a tierra, en lugar de a las partes sensibles de la electrónica. Los filtros se pueden combinar con elementos de supresión, como núcleos de ferrita o estranguladores, que mejoran la eficacia de la supresión de altas frecuencias. La instalación de filtros EMI correctamente seleccionados y bien posicionados, junto con un blindaje sólido de la carcasa, es clave para asegurar un alto nivel de protección contra interferencias. Los filtros permiten limitar eficazmente el ruido y las tensiones de interferencia, lo que se traduce en un funcionamiento fiable de los dispositivos electrónicos incluso en condiciones electromagnéticas difíciles.

Métodos de supresión de ondulación y guías de onda por debajo del corte

En el tema de la protección contra interferencias electromagnéticas, una de las cuestiones más avanzadas es el control de la ondulación dentro de las carcasas y el uso de guías de onda por debajo de la frecuencia de corte. Este enfoque permite mejorar significativamente el blindaje, especialmente en situaciones donde los métodos estándar no son suficientes.

Principios de funcionamiento de las guías de onda en las carcasas

La guía de onda es una estructura que dirige la propagación de ondas electromagnéticas, limitando su propagación en direcciones no deseadas. En el contexto de las carcasas blindadas, las guías de onda se utilizan como elementos constructivos que permiten controlar la penetración de ondas electromagnéticas a través de aberturas, ranuras u otros elementos de penetración.

Una característica de la guía de onda es la llamada frecuencia de corte. Por debajo de este valor, la guía de onda no deja pasar las ondas electromagnéticas: las señales de frecuencias más bajas se suprimen eficazmente, mientras que las más altas pueden viajar a través de ella. Gracias a esto, es posible diseñar aberturas de ventilación o cables que penetran en la carcasa, que no reducen significativamente el nivel de blindaje.

En la práctica, si el diámetro de la abertura es menor que la longitud de onda correspondiente a la frecuencia de corte, la guía de onda se comporta como una barrera para estas ondas. Utilizando esta propiedad, se pueden diseñar carcasas con aberturas de ventilación o entradas de cable que no causen fugas de EMI.

Cuándo usar diafragmas profundos para mejorar el blindaje

Los diafragmas profundos son elementos constructivos adicionales que aumentan la longitud de la trayectoria de las ondas electromagnéticas dentro de las aberturas o ranuras. En lugar de un paso simple y corto, el diafragma fuerza múltiples reflexiones de las ondas en las paredes, lo que resulta en su atenuación y un debilitamiento significativo de la energía que penetra a través de la abertura.

El uso de diafragmas profundos es particularmente efectivo en lugares donde se necesitan aberturas de mayor tamaño (por ejemplo, de ventilación), que, debido a su tamaño, podrían convertirse en una fuente grave de fugas de EMI. Al aumentar la longitud efectiva de la guía de onda y el área de absorción, estos diafragmas actúan como una barrera que suprime las señales, sin afectar significativamente el flujo de aire o la funcionalidad de la carcasa.

Resumen y mejores prácticas de protección contra EMI

Las interferencias electromagnéticas (EMI) son un desafío serio para la electrónica moderna. La protección contra ellas requiere la comprensión de sus fuentes, los mecanismos de propagación y los métodos efectivos de blindaje y supresión. En este artículo, hemos discutido los aspectos clave relacionados con la protección contra EMI, que se pueden resumir en algunos principios y prácticas esenciales.

Enfoque integral del blindaje

La protección efectiva contra EMI requiere el uso combinado de diferentes técnicas. El blindaje de campos eléctricos y magnéticos es la base: la elección adecuada de materiales, como escudos conductores y materiales magnéticos permeables, limita significativamente la penetración de interferencias. También es importante diseñar las carcasas teniendo en cuenta la minimización de fugas en costuras, uniones y aberturas.

Atención a los detalles constructivos

Como hemos demostrado, incluso pequeñas imperfecciones – conexiones débiles, uniones mal realizadas o pasos de cable inadecuadamente protegidos – pueden convertirse en puntos débiles para la EMI. Los diseñadores deben cuidar la correcta fijación de los elementos, el uso de cables blindados y conectores apropiados, así como la aplicación de filtros de señal y alimentación.

Uso de soluciones avanzadas

El uso de guías de onda por debajo de la frecuencia de corte y diafragmas profundos permite mantener la eficacia del blindaje incluso donde se necesitan aberturas de ventilación u otras penetraciones de la carcasa. Esta solución muestra cómo las tecnologías avanzadas pueden apoyar los métodos tradicionales de protección EMI.

Mejores prácticas:

• Diseñar pensando en el blindaje – desde la etapa de diseño del dispositivo, planificar la puesta a tierra, el blindaje y la eliminación de posibles fugas de EMI.
• Utilizar materiales apropiados – elegir escudos conductores y materiales magnéticos según las características de la interferencia.
• Cuidar las conexiones y las uniones – las conexiones sólidas, bien ajustadas y protegidas son cruciales.
• Controlar las aberturas y la ventilación – diseñar las aberturas con el objetivo de usar guías de onda y diafragmas, minimizando la penetración de ondas.
• Filtrar señales y alimentación – usar filtros en los cables para reducir las interferencias desde la fuente.
• Probar regularmente los dispositivos – las mediciones de EMI permiten detectar problemas e introducir correcciones en una etapa temprana.

Fuentes:

1. H. Ott, Inżynieria kompatybilności elektromagnetycznej, John Wiley & Sons, Nowy Jork, 2009.

2. C. R. Paul, Wprowadzenie do Kompatybilności elektromagnetycznej, 2. Ed., Wiley Series w dziedzinie mikrofalówki i inżynierii optycznej, 2006.

3. 2025 LearnEMC, LLC