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EMC

Efectividad del Blindaje de Cable

Calcula la efectividad de blindaje de cable coaxial o blindado versus frecuencia usando el modelo de impedancia de transferencia.

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Fórmula

SE=20log⁡10Z1∣ZT∣ l,ZT=RT+jωMTSE = 20\log_{10}\frac{Z_1}{|Z_T|\,l},\qquad Z_T = R_T + j\omega M_T

Referencia: Hähner & Mund, Screening of Cables in the MHz to GHz Frequency Range — Extended Application of a Simple Measuring Method (1998), eqs. 3-1 and 3-2, the method behind IEC 62153-4-4; Vance, IEEE Trans. EMC 17(2), 1975

SE— Efectividad de blindaje: tensión de la línea frente a la tensión acoplada a través de la pantalla (dB)
Z_1— Impedancia de línea (Ω)
Z_T— Impedancia de transferencia por metro (mΩ/m)
R_T— Resistencia de CC del blindaje por metro (mΩ/m)
M_T— Inductancia de transferencia por metro (nH/m)
l— Longitud del cable (m)

Cómo Funciona

La calculadora de eficacia del blindaje de cables calcula la impedancia de transferencia y la eficacia del blindajepara los cables blindados, lo que es esencial para el cumplimiento de las normas de compatibilidad electromagnética, el control a nivel del sistema emisiones radiadasy la inmunidad a las interferencias externas. Los ingenieros de EMC utilizan esta tecnología para lograr el blindaje de cables de 40 a 80 dB necesario para cumplir con la norma CISPR 32 de clase B y con la norma MIL-STD-461G RE102.

Según «EMC Engineering» y MIL-HDBK-1857 de Henry Ott, el parámetro clave es la impedancia de transferencia Z_t (mohm/m), que relaciona la corriente de blindaje con la tensión inducida en el conductor interno: V_inner = Z_t x I_shield x L. A bajas frecuencias (por debajo de aproximadamente 1 MHz), Z_t equivale a la resistencia DC de blindaje. A frecuencias más altas, el efecto piel se reduce inicialmente a Z_t, pero las aperturas de la trenza hacen que Z_t se eleve por encima de aproximadamente 10 MHz.

La efectividad de blindaje compara la tensión que se filtra a través de la pantalla con la propia línea. Según Hähner y Mund (el método en que se basa la IEC 62153-4-4), SE = 20 x log10(Z_1 / (|Z_t| x L)), donde Z_1 es la impedancia característica de la línea dentro del blindaje, normalmente 50 ohmios. La impedancia de transferencia es Zt=Rt+jωMtZ_t = R_t + j\omega M_t: la resistencia de CC más una inductancia de transferencia MtM_t que domina por encima de la frecuencia de esquina f=Rt/(2πMt)f = R_t / (2\pi M_t). Un cable con R_t = 10 mohm/m, M_t = 0,16 nH/m y L = 2 m tiene |Z_t| x L = 28,3 mohm a 10 MHz, por lo que SE = 20 x log10(50/0,0283) = 65 dB; la SE solo cae a 0 dB cuando |Z_t| x L iguala a Z_1. La relación es válida mientras el cable sea más corto que aproximadamente una sexta parte de la longitud de onda (5 m a 10 MHz, 0,5 m a 100 MHz), y la calculadora señala un cable más largo. Según el CISPR 32, los cables deben alcanzar una SE > 40 dB para evitar ser las principales fuentes de emisión.

Los cables con doble blindaje (lámina más trenza) alcanzan una SE > 60 dB al combinar la cobertura del 100% de la lámina con la baja resistencia a la corriente continua de la trenza. Según la norma MIL-C-17, los cables triaxiales alcanzan una SE > 100 dB. Para la mayoría de las aplicaciones industriales, una sola trenza con una cobertura de más del 85% proporciona un SE adecuado de 30 a 50 dB por debajo de 100 MHz.

Ejemplo Resuelto

Problema: Evalúe el blindaje de un cable USB de 2 m con blindaje de una sola trenza: R_t = 20 mohm/m y una inductancia de transferencia M_t = 0,32 nH/m, que sitúa la esquina en 10 MHz, de modo que |Z_t| = 20 x sqrt(1 + (f/10 MHz)^2) mohm/m. Referido a una línea de 50 ohmios, ¿es adecuado para el CISPR 32 de clase B?

Solución según Ott:

  1. A 30 MHz (donde empieza la medida radiada del CISPR 32): Z_t = 20 x sqrt (1 + 9) = 63 mohm/m
  2. A 100 MHz: Z_t = 20 x sqrt (1 + 100) = 201 mohm/m
  3. A 300 MHz: Z_t = 20 x sqrt (1 + 900) = 600 mohm/m
  4. SE = 20 x log10(50 / (Z_t x 2)): 52 dB a 30 MHz, 20 x log10(50/(0,201 x 2)) = 41,9 dB a 100 MHz, 32 dB a 300 MHz
  5. Un cable de 2 m mide una sexta parte de la longitud de onda a 25 MHz, así que por encima de esa frecuencia la relación de cable corto no se cumple: estos valores de SE son estimaciones, y la calculadora los señala
  6. Con una corriente de blindaje interno de 10 mA a 100 MHz: V_coupled = 201e-3 x 0.01 x 2 = 4 mV
  7. Este voltaje en un LISN de 50 ohmios = 4 mV/50 = 80 uA, irradia un campo de aproximadamente 66 dBuV/m a 3 m

Análisis: la SE cae por debajo de la referencia de 40 dB por encima de unos 125 MHz, y por encima de 25 MHz el cable es lo bastante largo para resonar e irradiar como una antena. Para cumplir con la norma CISPR 32, necesitará un cable de doble blindaje (Z_t < 10 mohm/m a 100 MHz) o añadir pinzas de ferrita para una supresión adicional de 20 dB.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice una terminación de blindaje de 360 grados en los conectores: según la norma MIL-STD-461G, las conexiones a tierra en espiral añaden una inductancia de 20 a 50 nH que degrada el SE entre 10 y 20 dB por encima de 30 MHz. Las terminaciones de engaste o pinza en la carcasa trasera proporcionan una potencia inferior a 1 nH.
  • ✓Añada abrazaderas de ferrita en ambos extremos del cable: según Murata, las ferritas a presión proporcionan una atenuación CM adicional de 10 a 20 dB entre 30 y 500 MHz, lo que complementa el blindaje del cable cuando la calidad de la terminación es incierta.
  • ✓Especifique cables de doble blindaje para frecuencias superiores a 100 MHz: según la guía de diseño CISPR 32, el SE de trenza única se degrada significativamente por encima de los 100 MHz; los blindajes dobles (lámina + trenza) mantienen una relación de más de 60 dB a 1 GHz.

Errores Comunes

  • ✗Protección de conexión a tierra solo en un extremo: según Ott, la conexión a tierra de un solo punto solo protege los campos eléctricos; el acoplamiento de campo magnético (dominante por encima de aproximadamente 1 MHz) requiere un flujo de corriente de protección, que necesita una conexión a tierra en ambos extremos. Excepción: frecuencias de audio inferiores a 20 kHz en las que los bucles de tierra producen un zumbido de 50/60 Hz.
  • ✗Basándose en el índice de eficacia del blindaje sin comprobar la terminación, según la MIL-HDBK-1857, las terminaciones de tierra en espiral añaden una inductancia de 10 a 30 nH que evita el blindaje por encima de los 10 MHz. Utilice una unión circunferencial de 360 grados a las carcasas traseras de los conectores.
  • ✗Assuming foil shields are better than braid — foil provides 100% optical coverage but has higher Z_t than braid at DC due to thin aluminum (typically 10 um). Según Ott, la combinación de lámina y trenza proporciona el mejor rendimiento: lámina para frecuencias altas, trenza para frecuencias bajas.

Preguntas Frecuentes

Depende de la frecuencia según Ott: la lámina proporciona una cobertura del 100% (sin aberturas), pero el aluminio fino tiene una mayor resistencia a la corriente continua; la trenza tiene una menor resistencia a la corriente continua, pero una cobertura del 80 al 95% con las aberturas. Por debajo de 10 MHz, la trenza gana; por encima de 100 MHz, la lámina gana. Mejor rendimiento: la combinación de lámina y trenza alcanza una SE > 60 dB en todo el espectro según las especificaciones MIL-C-17.
Según Ott, la conexión a tierra de un solo punto evita que las corrientes de bucle de tierra a 50/60 Hz provoquen un zumbido audible en los sistemas de audio. Sin embargo, la conexión a tierra de un solo punto NO proporciona protección contra campos magnéticos por encima de aproximadamente 1 kHz. En el caso de las aplicaciones EMC (de 30 MHz a 1 GHz), conecte siempre a tierra ambos extremos. Para el audio, utilice una señalización balanceada (diferencial) para rechazar el zumbido en modo común en lugar de la conexión a tierra de un solo punto.
No hay un mínimo fijo: depende del nivel de ruido interno. Según Ott, regla típica: las emisiones internas deben estar 20 dB por debajo del límite antes de que el cable se convierta en la fuente dominante. Si las emisiones de PCB son de 50 dBuV/m y el límite es de 40 dBuV/m, el cable SE debe tener más de 30 dB (para lograr una contribución de cable de 50 a 30 dBuV/m = 20 dBuV/m). En la práctica, se recomienda un SE de más de 40 dB para obtener un margen de cumplimiento fiable.
El SE reduce 6 dB al duplicar la longitud ( Z_t es por metro), por lo que los cables más largos generan más ruido. Además, los cables más largos que los lambda/4 con una frecuencia problemática se convierten en antenas resonantes con una radiación mejorada. Según la norma MIL-HDBK-1857, un cable de 1 m resuena a 75 MHz (cuarto de onda) y un cable de 2 m a 37,5 MHz. Mantenga los cables lo más cortos posible para EMC.
Sí, según IEC 62153-4-3 (método triaxial) o MIL-STD-1377. Inyecte la corriente conocida en la superficie exterior del blindaje; mida la tensión inducida en el conductor interno por unidad de longitud. Equipo: generador de señales, amplificador de RF, dispositivo de inyección, analizador de espectro. Los dispositivos de prueba de impedancia de transferencia están disponibles en Fischer Custom Communications y otros. Los resultados son curvas especificadas por el fabricante.

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