Acha que basta meter a placa numa caixa de alumínio para a blindar?
Na realidade, uma caixa metálica ou um cabo blindado não servem de nada se não forem ligados à massa. Pior: uma blindagem flutuante pode até comportar-se como uma antena que recolhe ruído. Este artigo explica, a partir do circuito equivalente, porque é que a blindagem funciona.
Os três tipos de blindagem
O ruído que se propaga pelo ar segue três caminhos, e cada um exige um tipo de blindagem diferente.
- Blindagem eletrostática: bloqueia a indução eletrostática (através da capacidade parasita). Usa um condutor elétrico
- Blindagem magnética: bloqueia a indução eletromagnética (o fluxo concatenado). Material magnético em baixa frequência, condutor em alta frequência
- Blindagem eletromagnética: bloqueia as ondas eletromagnéticas (campo distante). Usa um condutor elétrico
São três fenómenos distintos, mas uma caixa metálica real assume os três em simultâneo. Comecemos pelo mais básico: a blindagem eletrostática.
Blindagem eletrostática — porque é que tem de ir à massa
A indução eletrostática é ruído transmitido através da capacidade parasita. Se existir uma capacidade parasita C1 entre a fonte de ruído A e o circuito afetado B, a variação de tensão em A transmite-se a B através dela.
O que acontece se inserirmos uma blindagem (uma placa condutora) entre A e B? Vejamos pelo circuito equivalente.
Com a blindagem ligada à massa: o ruído de A chega à blindagem através de C2, mas como esta está ligada à massa o seu potencial mantém-se em zero. Se o potencial da blindagem é zero, o ruído não passa para B através de C3.
Com a blindagem flutuante (sem ligação à massa): o ruído de A faz variar o potencial da blindagem através de C2 e segue depois para B por C3. A blindagem passa a ser o ponto médio de um divisor capacitivo que retransmite o ruído: o efeito de blindagem é nulo e pode até piorar as coisas.
É exatamente por isto que uma blindagem «só começa a funcionar depois de ligada à massa».
Blindagem eletromagnética — «reflexão» e «absorção» no metal
A blindagem contra ondas eletromagnéticas (alta frequência) funciona porque o metal as reflete e absorve.
Perda por reflexão
A impedância de onda do ar é cerca de 377 Ω; a do metal é ≪ 1 Ω. Esta grande diferença de impedância faz com que a maior parte da onda seja refletida na superfície metálica. Só com este efeito, mesmo uma chapa fina já dá uma blindagem considerável.
Perda por absorção
A parte da onda que entra no metal faz circular correntes (correntes de Foucault) e converte-se em calor. A onda decai exponencialmente à medida que avança no metal e torna-se praticamente nula a uma certa profundidade — a profundidade de penetração, ou efeito pelicular. Essa profundidade diminui com o aumento da frequência, pelo que em alta frequência mesmo metal fino absorve o suficiente.
Conclusão prática: até uma folha metálica fina blinda bem contra ondas de alta frequência. O caso incómodo é o campo magnético de baixa frequência (ruído da rede à frequência industrial, por exemplo), que exige um material magnético de alta permeabilidade, como o permalloy.
Os «furos» arruínam a blindagem
Para a blindagem eletromagnética funcionar plenamente é preciso envolver o circuito sem folgas. Só que qualquer caixa real tem furos e fendas: recortes de conectores, aberturas de ventilação, passagens de cabo, juntas de painel.
O que importa não é «a área do furo», mas o seu comprimento — o lado maior. A blindagem eletromagnética funciona porque circula corrente induzida no material, e uma fenda longa e estreita corta esse caminho de corrente. Mesmo com pouca área, uma fenda longa provoca grandes estragos.
Contramedidas:
- Para ventilação, muitos furos pequenos em vez de um grande (diâmetro bem inferior ao comprimento de onda)
- Ligar eletricamente e de forma fiável as juntas da caixa: a pintura transforma uma junta num «furo» elétrico
- Usar conectores blindados e ligar a respetiva carcaça à massa da caixa
Ligação da blindagem de um cabo: uma extremidade ou as duas?
Há a velha questão de ligar a blindagem de um cabo blindado apenas numa extremidade ou em ambas.
Do ponto de vista eletrostático basta levar a blindagem à massa, pelo que ligar só numa extremidade serve. Ligar as duas cria uma malha de massa, e um campo magnético externo que a concatene capta ruído.
Contra a indução de alta frequência, porém, o efeito de blindagem vem da corrente que circula na blindagem. E para haver corrente é preciso uma malha, pelo que ligar ambas as extremidades é vantajoso.
As medições confirmam-no: em baixa frequência ganha a ligação numa extremidade; em alta frequência, a ligação em ambas. Escolher em função das frequências em jogo, ou ligar as duas extremidades e gerir a malha por projeto, é a resposta realista.
O efeito de blindagem do plano de massa
No projeto de placas não é só a caixa metálica que blinda: o próprio plano de massa funciona como blindagem.
Aproximar uma pista de sinal do plano de massa faz com que as suas linhas de campo elétrico terminem no plano, o que reduz a diafonia para as pistas vizinhas. É exatamente o princípio da blindagem eletrostática, com o plano de massa a funcionar como condutor a potencial zero.
Colocar o plano de massa numa camada interna de uma placa multicamada, de modo a ficar intercalado com as camadas de sinal, é a disposição que maximiza este efeito.
Resumo
- Há três tipos de blindagem — eletrostática, magnética e eletromagnética — e cada um funciona por um princípio diferente
- A blindagem eletrostática exige ligação à massa. Deixá-la flutuante é contraproducente, e o circuito equivalente mostra exatamente porquê
- A blindagem eletromagnética combina reflexão e absorção. Mesmo metal fino é eficaz em alta frequência
- O que arruína uma blindagem é o comprimento da abertura. Pense no lado maior, não na área
- O plano de massa também blinda. Encaminhar perto dele reduz a diafonia
Comment