In alcuni campi, ad esempio nei settori automobilistico e aerospaziale, gli ingegneri si sono a lungo preoccupati, nell'ambito dei loro progetti, di ridurre le emissioni indesiderate e minimizzare la suscettibilità alle inferenze di altre fonti. Tuttavia ora, mentre i progettisti integrano più circuiti in spazi ridotti e l'Internet of Things (IoT) aggiunge connettività a ogni dispositivo, i problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC) assumono maggiore importanza in un'ampia gamma di applicazioni.
A seconda dello spettro di frequenze dell'interferenza (ampiezza di banda, impulso o transiente, scarica elettrostatica e così via) e del meccanismo di accoppiamento (irradiato o condotto) vengono utilizzate molte tecniche diverse per ridurre gli effetti EMC, tra cui la messa a terra, la schermatura, il filtro e un layout PCB attento.
Per la riduzione della suscettibilità condotta (interferenze indesiderate che si propagano a un cablaggio o un cavo di alimentazione), l'interruzione del rumore nel momento in cui entra nel circuito, in corrispondenza del connettore, è un approccio molto efficace. Un connettore filtro combina un connettore standard con componenti di soppressione EMI/RFI per aiutare a risolvere i problemi di interferenza elettromagnetica. Poiché gli elementi di filtro sono contenuti nel connettore, l'area PCB funzionale viene mantenuta al minimo e viene ridotto il peso rispetto al connettore standard e ai componenti di filtro separati.
Un connettore filtro riduce lo spazio utilizzato, offre una flessibilità di progettazione, abbatte i costi e permette la retrocompatibilità facile e l'aggiornamento rapido dei sistemi esistenti. Tra i vantaggi di un connettore filtro figurano inoltre quelli riportati di seguito.
- Impedenza di terra bassa: una piastra con messa a terra e una protezione metallica forniscono un'impedenza minima alla messa a terra e prestazioni superiori rispetto a un filtro montato su PCB.
- Riradiazioni di eliminazione: un connettore filtro in corrispondenza dell'interfaccia impedisce al rumore di bypassare il filtro.
- Schermatura del piano di messa a terra: i piani di messa a terra del connettore filtro mascherano la scatola, anche in corrispondenza della porta del connettore.
- Utilizzo efficiente dello spazio: i filtri situati nel connettore liberano spazio sul circuito stampato.
- Prestazioni costanti: i connettori filtro forniscono prestazioni da pin a pin più coerenti.
- Meno componenti: grazie a un numero ridotto di componenti si ottengono risparmi sui costi.
Struttura di un connettore filtro
Un connettore filtro include un filtro integrato mediante l'aggiunta di condensatori e induttori in ferrite nel corpo del connettore. Sono tre i tipi di condensatori utilizzati comunemente: un condensatore con chip in ceramica come illustrato di seguito, un condensatore tubolare intorno al corpo del pin del connettore e array del condensatore planari.
Un array del condensatore planare è un disco o un rettangolo in ceramica al titanato di bario, che fornisce un substrato comune per la capacità su ciascuna linea di un connettore. I valori della capacità possono essere mescolati, anche sulle linee di terra e passanti. La gamma tipica di capacità disponibile è compresa tra 500 pF e 100.000 pF. L'array del condensatore fornisce inoltre un piano di terra continuo sull'interfaccia del connettore.
L'induttore in ferrite può avere la forma di un cordone in ferrite intorno al pin del connettore o di una lastra in ferrite attraverso il quale passano tutti i pin. I cordoni in ferrite vengono utilizzati per fornire un'induttanza compresa tra 0,5 uH e 5 uH, insieme a 10 - 100 ohm nel circuito equivalente.
Figura 1: Struttura di un connettore filtro "C" (fonte: Amphenol)
Nella figura 1 è illustrata la struttura interna di un connettore filtro nel formato D-subminiatura. Questo connettore contiene un filtro di tipo "C", che è semplicemente un condensatore collegato tra il pin e la terra del connettore.
Selezione del filtro
La selezione di un determinato circuito filtro dipenderà dalle caratteristiche di perdita di inserimento richieste e dalle impedenze di origine e carico del sistema. Un tipo a elemento singolo, ad esempio un filtro "C" o "L", è la soluzione più semplice. Anche i cosiddetti filtri C2, con due condensatori paralleli, sono comuni.
Per le attività di filtro più complesse è possibile utilizzare i filtri multielemento, ad esempio i filtri "PI" o "T". A seconda della disposizione dei componenti è possibile una caratteristica a passa basso, passa alto, passa banda o elimina banda.
Nella figura 2 è illustrato un confronto tra i tipi di filtro diversi e le relative applicazioni.
Figura 2: Confronto dei tipi di filtro (fonte: Amphenol)
Filtri più complessi portano naturalmente a una struttura di connettori filtro più complessa. Di seguito è illustrato un filtro LC più complesso: si tratta di un connettore ARINC per l'uso avionico.
Figura 3: Connettore filtro ARINC (fonte: Amphenol)
Fattori che influenzano le prestazioni del connettore filtro
Sono diversi i fattori operativi che influenzano le prestazioni di connettore e filtro e che devono essere presi in considerazione durante il processo di selezione.
- Tensione di esercizio: la costante dielettrica di un condensatore aumenta con la tensione CC applicata, con un conseguente calo della capacità e quindi delle prestazioni del filtro. La portata del cambiamento dipende dal tipo del materiale in ceramica utilizzato, dallo spessore dielettrico e dalla tensione CC applicata.
- Corrente di esercizio: l'aumento della corrente di esercizio causa la saturazione magnetica degli elementi induttivi (ferriti), quindi i filtri con induttori in ferrite (tipi PI, LRC, CLR e T) inizieranno a offrire prestazioni come i filtri "C" man mano che la ferrite raggiunge la saturazione.
Gamma della temperatura di esercizio: solitamente le prestazioni della capacità e della perdita di inserimento vengono specificate a una temperatura di riferimento di 25 °C. Il coefficiente della temperatura di capacità, specificato in termini di parti per milione (ppm) per °C o di percentuale massima, descrive il cambiamento massimo nel valore di capacità su una gamma di temperatura dichiarata. I dielettrici utilizzati di frequente hanno un coefficiente della temperatura di capacità pari a ±15% tra -55 °C e +125 °C.
Connettori filtro per la soppressione transiente
Mentre i connettori filtro EMI convenzionali sono efficaci per quanto riguarda la protezione da transienti a bassa energia, proteggono poco dai transienti ad alta tensione/alta energia che potrebbero risultare da fulmini, commutazione del carico, scariche elettrostatiche o impulsi elettromagnetici.
Per quelle applicazioni che richiedono una protezione dei circuiti sensibili da tali eventi di sovratensione, i diodi di soppressione Zener o i varistori in ossido di metallo possono essere integrati nel corpo del connettore da soli o in combinazione con il filtro EMI.
Un varistore in ossido di metallo è un dispositivo bipolare, simmetrico, non lineare. Conduce una quantità ridotta di corrente a livello di bassa tensione, ma, una volta che è sopra la tensione di scarica, la tensione sul dispositivo rimane abbastanza costante man mano che dissipa energia in un materiale in ossido di metallo sfuso. Di conseguenza il varistore bloccherà efficacemente i transienti a corrente elevata sia positivi sia negativi.
La combinazione del dispositivo di soppressione transiente nel connettore migliora le prestazioni di bloccaggio della tensione rispetto a una soluzione distinta eliminando la resistenza dei cavi parassiti e l'induttanza dei componenti a livello della scheda.
Filtro della linea CA
Un requisito comune è quello di attenuare i disturbi associati all'apparecchiatura alimentata a corrente alternata. In questo caso le interferenze elettromagnetiche devono essere attenuate in entrambe le direzioni. Le emissioni condotte devono essere abbassate a un livello sufficiente per superare i limiti normativi come FCC parte 15, che copre le emissioni non previste. La suscettibilità condotta dovrebbe essere adeguata per impedire che le interferenze elettromagnetiche in entrata causino un comportamento operativo indesiderabile.
A questo scopo sono disponibili connettori con filtri della linea CA integrati. Il filtro, che spesso utilizza il fattore di forma IEC, è un tipo LRC che attenua le interferenze elettromagnetiche differenziali e comuni.
Disponibilità dei connettori filtro
Arrow Electronics offre oltre 1.750 connettori filtro, tra cui connettori circolari, D-subminiatura, di alimentazione e telecomunicazione e blocchi terminali filtrati.