En algunos campos, de los automóviles y el aeroespacio por ejemplo, los ingenieros se han preocupado mucho por su diseño para reducir emisiones no deseadas y minimizar la susceptibilidad para interferir desde otras fuentes. Pero ahora, como los diseñadores colocan más circuitos en espacios más pequeños, e Internet de las cosas (IoT) agrega conectividad a cada dispositivo, los temas de compatibilidad electromagnética (EMC) asumen cada vez más importancia en una amplia gama de aplicaciones.
Dependiendo del espectro de frecuencia de la interferencia (banda ancha, pulso o transitorio, ESD, etc.) y los mecanismos de acoplado (irradiado o conducido), muchas técnicas diferentes se usan para reducir los efectos de EMC, incluyendo conexión a tierra, filtrado y disposición cuidadosa del PCB.
Para reducir la susceptibilidad conducida (interferencia no deseada que se propaga a través de un arnés de cableado o cable de potencia), detener el sonido en el punto en que ingresa al circuito, en el conector, es un enfoque muy efectivo. Un conector de filtro combina un conector estándar con componentes de supresión EMI/RFI para ayudar a resolver problemas de EMC. Como los elementos de filtrado se contienen dentro del conector mismo, el área de PCB funcional se mantiene a un mínimo y se ahorra peso comparado con un conector estándar y los componentes discretos del filtrado.
Un conector de filtro ahorra espacio, ofrece flexibilidad de diseño, reduce costos y permite un cambio fácil y una actualización rápida de los sistemas actuales. Las ventajas de un conector de filtro también incluyen:
- Impedancia baja de puesta a tierra: una placa de puesta a tierra y un escudo metálico que ofrecen impedancia mínima de puesta a tierra y rendimiento superior comparado con un filtro montado en un PCB.
- Eliminación de reradiación: Un conector de filtro en la interfaz no deja trayecto para que el sonido pase por encima del filtro.
- Blindaje de plano de suelo: los planos de suelo conector del filtro cubren la caja, incluyendo el puerto de conector.
- Utilización eficiente del espacio: los filtros ubicados en el conector liberan espacio en el panel del PCB.
- Rendimiento consistente: los conectores ofrecen un rendimiento de pin a pin más consistente.
- Menos componentes: y un número menor de componentes deriva en ahorro de costos.
Construcción de un conector de filtro
Un conector de filtro incluye un filtro integrado mediante el agregado de capacitores e inductores de ferrita al cuerpo del conector. Existen tres tipos de capacitores comúnmente usados: un chip capacitor cerámico que se muestra abajo; un capacitor tubular alrededor del cuerpo del pin del conector; y matrices del capacitor relativos al plano.
Una matriz de capacitor relativo al plan es un rectángulo o disco cerámico de titanato de bario, que ofrece un sustrato común para la capacitancia en cada línea de un conector. Los valores de la capacitancia pueden mezclarse incluyendo líneas de alimentación pasante y de conexión a tierra. Hay un rango típico de capacitancia disponible de 500 pF y 100.000 pF. La matriz del capacitor también ofrece un plano de conexión a tierra continuo por la interfaz del conector.
El inductor de ferrita puede ser en la forma de un grano de ferrita alrededor del pin del conector, o una parte de ferrita a través de las cuales pasan los pins. Los granos de ferrita se usan para brindar inductancia de 0.5 uH a 5 uH, junto con 10-100 ohms en el circuito equivalente.
Figura 1: “C” Construcción de un conector de filtro. (Fuente: Amphenol)
La Figura 1 muestra la construcción interna de un conector de filtro en un formato de subminiatura D. Este conector contiene un filtro de tipo C, que es simplemente un capacitor conectado entre el pin y la conexión a tierra del conector.
Selección del filtro
La selección de un circuito de filtro particular dependerá de las características de la pérdida de inserción requerida y la fuente del sistema y las impedancias de la carga. Un tipo de elemento simple, tal como un filtro “C” o “L”, es la solución más simple; llamados filtros C2, con dos capacitores paralelos, son también comunes.
Para tareas de filtrado más complejas, se pueden usar los filtros de multielementos tal como filtros "PI" o "T". Dependiendo de las disposiciones de los componentes, es posible contar con características de filtros de paso bajo, paso alto, paso banda y elimina banda.
La Figura 2 muestra una comparación entre los tipos diferentes de filtros y sus aplicaciones.
Figura 2: Comparación de tipos de filtros. (Fuente: Amphenol)
Los filtros más complejos naturalmente derivan en una construcción de conector del filtro más compleja. Abajo se muestra un filtro LC más complejo; este es un conector ARINC para uso aviónico.
Figura 3: Conector de filtro ARINC. (Fuente: Amphenol)
Factores que afectan el rendimiento del conector de filtro
Varios factores operativos afectan el rendimiento del filtro-conector y deben tenerse en cuenta durante el proceso de selección:
- Tensión de operación: la constante eléctrica de un capacitor aumenta con la tención CC aplicada, lo que resulta en una disminución en la capacitancia, y por lo tanto, en el rendimiento del filtro. La magnitud del cambio depende del tipo de material cerámico usado, el grosor dieléctrico y la tensión de CC aplicada.
- Corriente de operación: el aumento en la tensión de operación causa la saturación magnética de los elementos inductivos (ferritas), por ello los filtros con inductores de ferrita (tipos PI, LRC, CLR y T) comenzarán a funcionar como filtros “C” a medida que la ferrita se acerca a la saturación.
Rango de la temperatura de operación: el rendimiento de la pérdida de inserción y la capacitancia se especifican generalmente a una temperatura de referencia de 25° C. El coeficiente de temperatura de capacitancia (TCC), especificado en términos de piezas por millones (PPM) por °C o un porcentaje máximo, describe el cambio máximo en el valor de capacitancia sobre un rango de temperatura especificado. La dieléctrica comúnmente usada tiene un TCC de +/-15 por ciento de -55° C a +125° C.
Conectores del filtro para supresión transitoria
Mientras que los conectores convencionales de filtro EMI son efectivos porque proveen protección para transistores de energía baja, ofrecen poca protección para transistores de energía alta/tensión alta que puede resultar de iluminación, cambio de carga, descarga electroestática (ESD) o pulso electromagnético (EMP).
Para esas aplicaciones que requieren protección de circuitos sensibles de tales eventos de sobretensión, los diodos de supresión Zener o los varistores de óxido metal (MOV, por sus siglas en inglés) pueden incorporarse al cuerpo del conector ya sea en combinación con el filtrado EMI o solos.
Un MOV es un dispositivo bipolar, simétrico y no lineal. Conduce muy poca corriente a niveles de tensión baja, pero una vez que está por encima de la tensión de descarga, la tensión en todo el dispositivo permanece más bien constante a medida que disipa la energía en el material de óxido metálico en grandes cantidades. Como resultado, el varistor efectivamente fijará ambos transitorios de corriente alta negativa y positiva.
La combinación del dispositivo de supresión transitoria en el conector mejora el rendimiento de la fijación de la tensión comparado con una solución discreta mediante la eliminación de una resistencia tipo parásito e inductancia de los componentes a nivel del panel.
Filtrado de línea CA
Un requisito común es atenuar el ruido asociado con el equipo que funciona con una línea CA. En este caso, EMI deberá ser atenuado en ambas direcciones. Las emisiones conducidas deben reducirse a un nivel suficiente para pasar los límites regulatorios tal como Pieza 15 de FCC, que cubre emisiones no deseadas; y la susceptibilidad conducida debe ser adecuada para prevenir que el EMI entrante no cause un comportamiento de funcionamiento no deseado.
Los conectores con filtros de línea CA integrada están disponibles específicamente con este fin. Generalmente mediante el uso del factor de forma de IEC, el filtro es un tipo LRC para atenuar el EMI de modo común y diferencial.
Disponibilidad de conectores de filtro
Arrow Electronics ofrece más de 1.750 opciones de conectores de filtros, incluyendo circular, Subminiatura D, conectores de telecomunicaciones y energía, además de bloques terminales filtradas.