¿Hasta qué punto los conectores para cables apantallados son idóneos respecto a la EMC?

Autor: Dr. Heinz Zenkner

Existen dos tipos de interferencias electromagnéticas: las que pueden penetrar en un equipo desde el exterior y provocar fallos de funcionamiento, y las que emite el propio equipo. Por ley, un equipo debe tener una determinada inmunidad intrínseca para soportar un nivel mínimo de interferencias electromagnéticas. Además, solo puede emitir una cantidad limitada de interferencias electromagnéticas a través de los cables y una cantidad limitada de ondas electromagnéticas. La correcta interacción entre el cable, el conector, el filtro de interfaz y el sistema de masa correspondiente son sumamente importantes en este caso.

Radiación de energía electromagnética a través de cables periféricos

Los cables tienen como finalidad conducir una señal eléctrica desde un lugar, el generador  de la señal, a otro lugar, el sumidero de la señal. La forma en que se transmite la señal depende de muchos factores , tales como los parámetros de la señal y las impedancias del sistema, así como las propiedades del cable y también las propiedades de apantallamiento de la cubierta de dicho cable. Todos estos puntos influyen en las propiedades de radiación del cable, pero también en su inmunidad frente a las interferencias externas.

El acoplamiento de interferencias entre cables o de circuitos a través de la interfaz en los cables son dos fenómenos comunes y bien conocidos. Existen otros tipos de acoplamiento que se generan principalmente en las placas electrónicas y están causados por inductancias o capacitancias mutuas. Este acoplamiento se conoce como diafonía. Más del 90 % de la energía de RF radiada por los cables se debe a interferencias de modo diferencial procedentes de los componentes electrónicos, que luego se irradian a través del cable en forma de interferencias de modo común. La figura 1 ilustra este «mecanismo de acoplamiento». Una forma de reducir el acoplamiento es analizar la señal  concreta o parásita, ya que la magnitud del acoplamiento viene determinada esencialmente por el espectro de frecuencias y la corriente de la señal.

Integridad de la señal  para interfaces

Los filtros están diseñados para atenuar determinadas partes del espectro de una señal a lo largo de la frecuencia. Y aquí es donde empieza el problema: Un filtro es un divisor de tensión dependiente de la frecuencia  y que requiere de una referencia a masa. Si, además de filtrar las señales de RF, también se han de filtrar las sobretensiones transitorias, el sistema de masa alrededor de la zona de interfaz es determinante para obtener la función deseada. El objetivo es conseguir una interfaz «segura respecto a EMC», de modo que los cables conectados a la interfaz no acoplen interferencias procedentes de la placa electrónica ni irradien interferencias generadas en dicha placa.

Al optar por un diseño con un conector de interfaz, se consigue una configuración mucho mejor. El conector puede establecer una conexión de baja impedancia con el componente limitador de sobretensión gracias a su conexión múltiple a masa entre la pared de la carcasa y la placa de circuito impreso. Sin embargo, el componente limitador de sobretensiones debe ubicarse cerca del conector y debe existir una conexión conductora de baja impedancia entre la carcasa del conector y la pared de la carcasa. La figura 2 muestra la estructura.

Un requisito previo para una buena conexión a masa es una elevada conductividad del panel posterior de la carcasa. Si el material de la pared trasera presenta una elevada resistencia al paso de la corriente debido a algún tratamiento de la superficie (pintura, pasivado, anodizado), los condensadores de filtro y los componentes limitadores de tensión no tendrán referencia a masa. El correspondiente efecto de filtrado de las interferencias RF se pierde y  las interferencias transitorias acopladas en el cable de interfaz se conducen directamente hacia la electrónica. Una mejora de la masa mediante una junta conductora adicional a la placa base, tal y como se muestra en la fig. 3 puede resultar útil en este caso.

Interfaces de RF para conectores coaxiales

Los cables coaxiales se utilizan para transmitir señales eléctricas de radiofrecuencia con bajas pérdidas. No obstante, estas señales de RF son «sensibles a la compatibilidad electromagnética», ya sea por la radiación o por el acoplamiento de señales de interferencia debido a amplitudes de señal muy bajas. Un requisito previo para la funcionalidad de estas interfaces no es solo una elevada atenuación de apantallamiento de los conectores y cables, sino también la adaptación de toda la ruta de la señal a la impedancia del sistema.

En la práctica no se puede lograr una equalización del cien por cien de las impedancias, es decir, una adaptación del cien por cien. Sigue habiendo desajustes, que también dependen de la “calidad” del diseño, entre otros factores. Aunque el conector, el cable y las pistas tengan la impedancia requerida del sistema, las transiciones de una sección del sistema (por ejemplo, una pista) a otra suelen causar problemas mecánicos que provocan desajustes. Otro punto que requiere especial atención es la referencia a masa de las distintas secciones del sistema: La masa de referencia para la fuente de señal es la placa de circuito impreso, así como para la pista que conecta al conector de la interfaz.

Influencia en la radiación del cable

Si se considera el sistema en su conjunto, es decir el equipo, factores como los parámetros de la señal y la impedancia de la fuente de interferencia desempeñan un papel tan importante como la característica de «antena» o de radiación del cable. En el rango de frecuencias de aprox. 30 MHz a 300 MHz, el acoplamiento por radiación está dominado por las emisiones del cable más que por la radiación directa del módulo electrónico. No deben subestimarse tampoco las propiedades electromagnéticas del entorno (alrededor del equipo). Además, el conector tiene una gran repercusión en la característica de radiación de un cable apantallado, ya que determina significativamente la impedancia de la conexión a masa.  

Otra propiedad que contribuye significativamente a la «capacidad de radiación» de un cable es la relación entre la longitud de onda de la señal de interferencia y la longitud eléctrica del cable. La longitud de onda disminuye al aumentar la frecuencia. Si la longitud de onda se hace más pequeña, los cables resultan eléctricamente largos, lo que significa que varias longitudes de onda pueden caber en la longitud del cable y éste funciona como una antena sensible.

Características de los cables coaxiales

No existe ningún cable que cumpla los «valores límite EMC», pero sí cables con una atenuación de apantallamiento dependiente de la frecuencia y una impedancia definida. Además de la importancia de la calidad del cable, el apantallamiento de un cable debe cubrir toda su longitud y circunferencia. Además, esta cubierta debe tener una alta conductividad y no debe presentar rendijas ni aberturas. El problema de los cables apantallados es que, por un lado, las interferencias externas deben mantenerse en el exterior del trenzado de apantallamiento (efecto piel).

Por otro lado, los cables coaxiales requieren un «casquillo de apantallamiento» continuo en toda su longitud y con las menores pérdidas posibles para crear una inductancia mutua entre el conductor central y el casquillo de apantallamiento, lo que justifica la impedancia característica y la propiedad de apantallamiento como tal. Solo así puede transmitirse la señal transportada en el cable coaxial con las menores pérdidas y reflexiones posibles. Por tanto, los cables coaxiales profesionales son rígidos y gruesos. Por motivos de flexibilidad, en la mayoría de los casos se emplea un apantallamiento trenzado. Sin embargo, las propiedades de apantallamiento del trenzado metálico no son tan buenas como las de los tubos macizos y perjudican la linealidad de la impedancia característica a lo largo de la frecuencia.

Requisitos del conector coaxial

A la hora de reducir los problemas de EMC, a menudo la causa no es el cable, sino el conector. En cables apantallados o coaxiales, el conector tiene que cumplir dos tareas principales:

1. Conectar el blindaje del cable a la carcasa con la menor impedancia posible.
2. Mantener la impedancia característica del cable.

Cualquier desviación del estado ideal de los dos puntos genera problemas en la integridad de la señal y la EMC. Si no es posible establecer una conexión de baja impedancia entre el blindaje del cable y la carcasa debido a blindajes de cable mal conectados o a una resistencia de paso excesiva entre los conectores y la carcasa, el uso de un cable que sea «mejor» no tiene ninguna repercusión sobre la EMC y/o la integridad de la señal.

Esto se debe a que la corriente de interferencia fluye a través del apantallamiento del cable. Normalmente solo se precisan unos 3 µA de corriente de interferencia a través del blindaje de un cable de 1 m de longitud para superar el valor límite de emisión de la intensidad del campo de interferencia según la norma CISPR 32. Cuando la corriente de retorno fluye a través de la impedancia total del conector, las terminaciones del apantallamiento del cable y los terminales de la carcasa, genera una caída de tensión, y esta tensión entre la carcasa y el apantallamiento del cable genera la corriente en el cable, lo que da lugar a emisiones radiadas. Este proceso está representado en la figura 4.

La inductancia parásita Lpar hace que la corriente de retorno en el conector no sea completamente simétrica respecto a la corriente de señal. Cualquier asimetría en el cable coaxial provoca que las líneas de campo magnético de la corriente de señal y la corriente de retorno en el cable no se anulen completamente entre sí, lo que genera una cierta «inductancia de fuga», que da lugar a una «corriente de señal neta»; la parte de la corriente de señal que se irradia a través del blindaje del cable.

Está claro que los conectores sufren los mismos problemas de EMC que los cables, ya que al fin y al cabo no son más que secciones cortas de conductor en una carcasa rígida. Por tanto, el diseño general del dispositivo no solo es crucial para cumplir los requisitos de EMC, sino también para conseguir una buena integridad de la señal y, por tanto, un buen producto. En última instancia, los conectores de los cables deben proporcionar un apantallamiento que preserve la efectividad del apantallamiento del cable. Con su familia de productos WR-SMA, Würth Elektronik eiSos ofrece una serie de conectores coaxiales diseñados para diversas aplicaciones.

Conexión a la carcasa

El conector con su cable apantallado representa, por tanto, una unidad sellada electromagnéticamente que debe conectarse a la carcasa. También es importante poner en contacto toda la circunferencia del conector con una superficie altamente conductora, resistente a la corrosión y sin huecos. ¿Por qué? La masa de la señal útil y del conector deben estar al mismo potencial en cuanto a tecnología de RF. Una carcasa metálica proporciona esa referencia de potencial y también protege los componentes electrónicos del acoplamiento de campo directo desde el exterior.

Además, una carcasa metálica proporciona una referencia de puesta a tierra de RF con baja impedancia por la capa metálica. La carcasa ideal debe encerrar perfectamente los componentes electrónicos por los seis lados sin dejar ninguna abertura. Además, el grosor mínimo del material depende de los parámetros de frecuencia e intensidad de campo de la señal que se desea apantallar. En la práctica, no obstante, no siempre es posible realizar un apantallamiento continuo en todas las dimensiones alrededor del circuito, por lo que es necesario hacer concesiones.

Autor: Dr. Heinz Zenkner – Technical Marketing EMC Consultant en © Würth Elektronik eiSos