L'interferenza elettromagnetica (EMI) è un problema che provoca mal di testa ma spesso inevitabile in molti progetti di sistemi. Questo problema è onnipresente ed estremamente dannoso e il suo impatto diventerà più grave con l’aumentare della frequenza di lavoro. Le interferenze elettromagnetiche possono essere irradiate nell'aria, condotte attraverso linee di segnale e di alimentazione e iniettate nei circuiti o utilizzate come antenne per emetterle nuovamente.
Se un prodotto genera o irradia EMI (ovvero "fonte di interferenza"), potrebbe interferire con il normale funzionamento dei sistemi vicini, non superare i test di conformità e impedirne il lancio. Al contrario, se un prodotto ricopre il ruolo opposto e diventa un destinatario intenzionale o involontario di EMI (ovvero un "oggetto disturbato"), potrebbe presentare guasti intermittenti inspiegabili, guasti e prestazioni instabili.
L’impatto di questi problemi è di ampia portata e spazia dall’essere un po’ comici come il tachimetro wireless della mia bicicletta, a situazioni potenzialmente pericolose per la vita come aeroplani o ospedali, fino a causare enormi perdite nelle linee di produzione. Il mio tachimetro funziona nella banda di frequenza di 432 MHz e, per qualche motivo, su un tratto di strada di 100 metri tra una casa remota e i vicini binari Amtrak (con una linea aerea da 20 kV sopra i binari), la lettura mostra costantemente tra 65 e 85 MPH.
Come ridurre al minimo l'impatto delle EMI
Ridurre o eliminare le fonti EMI e i loro effetti può essere sia semplice che complesso. I passaggi fondamentali includono una messa a terra sufficiente, una schermatura completa, un bypass ragionevole e, naturalmente, l'uso di filtri. Oltre a questi passaggi, solitamente esiste il "Principio di Pareto": eliminare l'80% delle interferenze richiede solo il 20% dello sforzo, mentre eliminare il restante 20% delle interferenze può richiedere l'80% dello sforzo.
Qualsiasi spazio sull'involucro, come lo spazio richiesto per le spine e le prese dei connettori, è come una porta che consente all'energia EMI di passare in entrambe le direzioni. Tuttavia, se l'EMI è causata solo dall'energia irradiata, i connettori schermati possono risolvere il problema.
Decenni fa, le persone hanno iniziato ad affrontare questo problema, inizialmente utilizzando cavi coassiali e classici connettori femmina e maschio SO-239 e PL-259, nonché connettori della serie BNC. Tuttavia, questi connettori RF completamente schermati possono supportare solo un segnale ciascuno e non sono adatti per l'uso con alimentatori CC e segnali non RF.
Una buona alternativa è "tornare al futuro" utilizzando un tipo di connettore che un tempo dominava i collegamenti di comunicazione e altre interfacce: il connettore ultra piccolo di tipo D (D-Sub) prodotto da aziende come Molex (Figura 1). Prima della comparsa delle porte USB e parallele, gli ingegneri e molti consumatori utilizzavano questa versione a 9 pin (nota come DB-9) come dispositivo di interconnessione per il protocollo seriale RS-232.
Figura 1: Serie di connettori e adattatori D-sub ampiamente utilizzati e durevoli, con più numeri di contatto, valori elettrici, larghezza di banda del filtro EMI e metodi di terminazione fisica; I filtri Pi possono risolvere il problema delle EMI condotte. (Fonte immagine: Molex)
USB ed Ethernet hanno ampiamente sostituito RS-232, quindi questo protocollo è ora presente principalmente nei sistemi legacy ed è utilizzato raramente nei nuovi progetti; Tuttavia, il connettore D-sub è sopravvissuto. Ci sono molte ragioni per cui questo tipo di connettore è durevole:
Il design metallo-metallo senza giunzioni fornisce una schermatura al 100% per i cavi.
La struttura meccanica è robusta e durevole e può essere bloccata in modo affidabile tra connettori accoppiati utilizzando perni e viti.
Sono disponibili più versioni selezionabili, tra cui 9 pin, 15 pin, 25 pin, 37 pin e 50 pin.
Forniscono metodi di terminazione multipli, tra cui coppe di saldatura e pin del circuito stampato (PCB) ad inserimento diretto o ad angolo retto.
Quando il solo blocco non basta a risolvere il problema
La schermatura dei connettori D-sub risolve il problema dell'energia EMI irradiata, ma non può risolvere il problema dell'EMI condotta. Pertanto, la serie di connettori e adattatori D-sub Pi ad alte prestazioni di Molex per il filtraggio EMI (vedere anche la Figura 1) è diventata una soluzione interessante.
Questi connettori hanno filtri EMI integrati nei loro contatti, quindi non è necessario occupare spazio aggiuntivo o aggiungere componenti sul circuito stampato. Il filo di terra e il filo isolato si trovano nello stesso connettore, risparmiando ulteriormente spazio. Offrono una varietà di strutture meccaniche e tipi di terminali per soddisfare i requisiti di progettazione.
Il filtro integrato può impedire il passaggio delle EMI condotte attraverso il connettore, riducendo così le EMI in scenari critici come il controllo del motore dell'aereo, la radio di bordo, le apparecchiature di imaging, le apparecchiature di elaborazione e molti altri scenari applicativi.
Le principali caratteristiche dell'adattatore e del connettore includono:
Struttura: il guscio integrato in pressofusione e la struttura interna completamente saldata migliorano le prestazioni meccaniche ed elettriche, prevenendo malfunzionamenti in ambienti ad alte vibrazioni. Questi connettori sono conformi allo standard M24308 (MIL-DTL-24308). Il suo guscio in poliestere caricato con fibra di vetro soddisfa anche lo standard ignifugo UL 94 V-0.
Resistenza elettrica: questi connettori possono resistere a fulmini fino a DO-160 Livello IV e condizioni ambientali transitorie CA nello standard di test dell'ambiente hardware integrato.
Filtraggio elettrico: utilizzando una configurazione Pi a tre elementi (condensatore, induttore e condensatore), il filtro può assorbire il rumore ad alta frequenza dalle linee di alimentazione e di segnale. La sua forte pendenza di attenuazione aiuta a sopprimere le EMI a banda larga.
Condensatori di alimentazione: per evitare una trasmissione non necessaria del segnale nel punto di interconnessione, i condensatori di alimentazione forniscono un percorso di messa a terra a bassa impedenza. Questi condensatori possono ridurre efficacemente la radiazione condotta, soprattutto negli involucri schermati dove i condensatori tradizionali hanno prestazioni scarse.
Componenti induttivi (ferrite, bobine toroidali): questi componenti assorbono energia ad alta frequenza e la dissipano sotto forma di calore, riducendo al minimo l'accoppiamento accidentale.
La frequenza di taglio del filtraggio EMI può essere selezionata dall'utente, poiché questi connettori forniscono un'ampia gamma di valori di capacità, corrispondenti a un'ampia gamma di frequenze di taglio e relative perdite di inserzione (Figura 2).