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EMC

Calculadora de Efectividad de Apantallamiento

Calcula la efectividad de apantallamiento de gabinetes metálicos frente a campos eléctricos y magnéticos.

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Fórmula

SE=A+R+B,A=20log⁡10(e) tδ,R=20log⁡10η04∣ηs∣,B=20log⁡10∣1−Γ2e−2γt∣SE = A + R + B,\quad A = 20\log_{10}(e)\,\frac{t}{\delta},\quad R = 20\log_{10}\frac{\eta_0}{4|\eta_s|},\quad B = 20\log_{10}\left|1 - \Gamma^2 e^{-2\gamma t}\right|

Referencia: Ott, Electromagnetic Compatibility Engineering (2009) §6.5; Hubing, LearnEMC, Introduction to Plane-Wave Shielding Theory

SE— Eficacia total de blindaje (dB)
A— Pérdida de absorción (dB)
R— Pérdida de reflexión (dB)
B— Corrección por reflexiones múltiples (dB)
δ— Profundidad de la piel (m)
t— Grosor del escudo (m)
σ— Conductividad (S/m)
μ_r— Permeabilidad relativa
η₀— Impedancia del espacio libre, µ₀·c (Ω)
η_s— Impedancia del blindaje, (1 + j)·√(ωµ/2σ) (Ω)
Γ— Coeficiente de reflexión en cada cara, (η₀ − η_s)/(η₀ + η_s)
γ— Constante de propagación en el blindaje, (1 + j)/δ (1/m)

Cómo Funciona

La calculadora de eficacia del blindaje calcula la atenuación electromagnética de las carcasas conductivas, algo esencial para el cumplimiento de las normas de compatibilidad electromagnética (CISPR 32, parte 15 de la FCC), la inmunidad de los dispositivos médicos (IEC 60601-1-2) y las especificaciones militares (MIL-STD-461G). Los ingenieros de EMC utilizan esta tecnología para lograr el blindaje de 40 a 80 dB necesario para la protección de dispositivos electrónicos sensibles.

Según «EMC Engineering» y MIL-HDBK-419A de Henry Ott, la eficacia del blindaje SE = A + R + B, donde A es la pérdida de absorción, R es la pérdida por reflexión y B es la corrección de la retrreflexión (insignificante cuando A > 10 dB). Pérdida de absorción A = 8,686 x t/delta, donde t es el grosor y delta = sqrt (2/ (omega x mu x sigma)) es profundidad de la piel. A 1 GHz, el cobre profundidad superficiales de 2,1 um; una lámina de cobre de 1 mm proporciona A > 400 dB.

Pérdida por reflexión R = 20 x log10 (Z0/4Zs), donde Z0 = 377 ohmios (espacio libre) y Zs = sqrt (omega x mu/sigma) es la impedancia del blindaje. El cobre a 1 GHz tiene Zs = 0,0117 ohmios, lo que da como resultado R = 20 x log10 (377/ (4 x 0,0117)) = 78,1 dB. El SE total del cobre supera los 100 dB, pero las carcasas reales tienen aperturas.

Según Ott, las aberturas dominan los fallos de apantallamiento. Una sola ranura de longitud L reduce la SE a aproximadamente 20 x log10(lambda/(2L)) en las frecuencias donde L > lambda/2. Una ranura de 10 cm (f_cutoff = 1.5 GHz) solo proporciona 0 dB de apantallamiento a 1,5 GHz y una SE negativa (amplificación resonante) por encima. A 1,5 GHz, el límite de la CISPR 32 Clase B es de 50 dBuV/m (promedio, a 3 m): las aberturas de la caja deben dimensionarse para dar más de 20 dB de margen.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe una carcasa de aluminio (sigma = 3.77e7 S/m, mu_r = 1) con un grosor de pared de 2 mm para un blindaje de 40 dB a 1 GHz. ¿Longitud máxima de la ranura de ventilación?

Solución según Ott:

  1. Profundidad cutáneaa 1 GHz: delta = sqrt (2/ (2 x pi x 1e9 x 4 x pi x 1e-7 x 3,77e7)) = 2,592 um
  2. Pérdida de absorción: A = 8,686 x 0,002/2,592e-6 = 6701,9 dB (la pared no es un factor limitante)
  3. Pérdida por reflexión: Zs = sqrt (2 x pi x 1e9 x 4 x pi x 1e-7/3.77e7) = 0,0145 ohmios; R = 20 x log10 (377/ (4 x 0,0145)) = 76,3 dB
  4. Carcasa SE sin aperturas: >100 dB
  5. Para 40 dB a 1 GHz con aperturas: SE_aperture = 20 x log10 (lambda/ (2L)); lambda = 0,3 m a 1 GHz
  6. 40 = 20 x log10 (0,3/ (2L)); 100 = 0,3/ (2L); L = 1,5 mm de longitud máxima de ranura
  7. Para 20 ranuras de ventilación: utilice un filtro en forma de panal guía de ondas-más allá del punto de corte (las celdas de 5 mm proporcionan más de 60 dB a 1 GHz)

Resultado: el aluminio de 2 mm proporciona un material SE de >100 dB, pero las ranuras deben medir menos de 1,5 mm para 40 dB. Utilice un filtro en forma de panal para la ventilación.

Consejos Prácticos

  • ✓El tamaño de las aperturas es de hasta 20 lambdas como máximo: según Ott, esto proporciona un margen de 26 dB frente a la resonancia lambda/2. A 1 GHz (lambda = 30 cm), apertura máxima = 15 mm; a 3 GHz, máxima = 5 mm.
  • ✓Utilice juntas conductivas en todas las juntas: las juntas EMI (punta de dedo BeCu, espuma conductora) mantienen una resistencia de contacto de <10 mohm requerida para más de 40 dB SE según la norma MIL-HDBK-419A.
  • ✓Coloque los filtros EMI en los puntos de entrada de los cables: los condensadores de alimentación directa proporcionan entre 40 y 60 dB; los filtros PI proporcionan entre 60 y 80 dB. El filtro debe estar adherido a la carcasa para que la referencia al suelo sea correcta.

Errores Comunes

  • ✗Suponiendo que el material SE es igual a la carcasa SE, el material proporciona más de 60 a 100 dB, pero las aperturas (juntas, ventilación, pantallas) suelen limitar las carcasas reales a entre 20 y 60 dB. Por cada Ott, una sola junta sin tratar puede reducir el SE a <10 dB.
  • ✗Uso de la conductividad continua para cálculos de alta frecuencia: el efecto piel limita la corriente a la superficie; el acabado de la superficie (oxidación, pintura) puede añadir una pérdida de 10 a 20 dB. Utilice la resistencia superficial medida o especifique un acabado conductivo.
  • ✗Haciendo caso omiso de las penetraciones de los cables: los cables sin filtrar actúan como antenas de ranura dentro de carcasas blindadas. Según la norma MIL-STD-461G, todos los cables deben filtrarse en el punto de entrada o utilizar conectores blindados o filtrados.

Preguntas Frecuentes

El cobre (sigma = 5,8e7 S/m) y el aluminio (sigma = 3,77e7 S/m) son los más comunes, ya que proporcionan un material SE de >80 dB por encima de 100 kHz. Para un blindaje magnético inferior a 100 kHz, utilice mu-metal ( (mu_r = 20,000-100,000), que alcanza entre 40 y 60 dB al redirigir el flujo magnético. Según Ott, el cobre de 0,5 mm proporciona un SE equivalente al aluminio de 1 mm debido a su mayor conductividad.
Pérdida de absorción A = 8,686 x t/delta. Cuando t >> delta (típico de metales por encima de 1 MHz), el SE aumenta 8,7 dB por profundidad de espesor de la piel. A 1 MHz, la profundidad superficial del cobre es de 66 µm; el cobre de 1 mm proporciona una absorción de 130 dB. A 1 GHz, un delta = 2,1 um; incluso el cobre de 0,1 mm proporciona una absorción de más de 400 dB; las aperturas siempre predominan.
Sí, de manera significativa: según la norma MIL-HDBK-419A, la pintura no conductora añade una pérdida de 20 a 40 dB en las interfaces de unión al aumentar la resistencia de contacto. Soluciones: (1) enmascarar las superficies coincidentes con pintura; (2) utilizar pintura conductora (con relleno de níquel o cobre); (3) especificar la conversión de cromato o el anodizado conductivo para el aluminio. La oxidación de la superficie por sí sola puede añadir una pérdida de 10 dB.
De 1 a 10 GHz es el mayor desafío porque: (1) las aperturas de tamaño práctico (>5 mm) se acercan a la resonancia; (2) las transiciones entre cables y conectores tienen fugas significativas; (3) la impedancia de contacto de la junta crea ranuras. Según el CISPR 32, los límites de radiación se extienden a 6 GHz. Por encima de los 10 GHz, una longitud de onda más pequeña facilita el control de la apertura. Por debajo de 100 kHz, la pérdida por reflexión disminuye; se requiere blindaje magnético.
Según la norma MIL-STD-461G: (1) Superponga las costuras en 1/4 de longitud de onda a la frecuencia más alta (7,5 mm a 10 GHz); (2) utilice juntas conductoras continuas: punta dactilar BeCu para paneles extraíbles, espuma conductora para costuras permanentes; (3) Separe los sujetadores a intervalos de lambda/20; (4) Garantice una resistencia al contacto de menos de 2,5 mohm en toda la longitud de la costura. Las juntas EMI añaden entre 2 y 10 dólares por metro, pero proporcionan una mejora de 20 a 40 dB con respecto al contacto con el metal desnudo.

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