Introducción a las pinturas conductoras de electricidad para ingenieros del sector de las telecomunicaciones.

Lectura de 5 minutos

Como industria, las telecomunicaciones abarcan numerosas redes como Wi-Fi (6, 6E, 7), 5G y redes de acceso radio (RAN) abiertas, estaciones base celulares, computación perimetral y sistemas de antenas distribuidas (DAS), entre otras. Estos sistemas requieren hardware sofisticado para su funcionamiento, como radios de estación base, servidores de computación perimetral, conmutadores y enrutadores de telecomunicaciones, amplificadores de radiofrecuencia (RF), unidades de control de antena, conmutadores Ethernet y transceptores de fibra óptica.

Para los ingenieros que diseñan el hardware y los circuitos para las telecomunicaciones, la compatibilidad electromagnética (CEM) es un parámetro crítico y a menudo difícil de cumplir, dada la densa integración de la electrónica digital de alta velocidad y de radiofrecuencia (RF). Tradicionalmente, la CEM se lograba simplemente alojando los circuitos en cajas de aluminio que bloqueaban la RF externa e impedían la fuga de señales internas.

Las carcasas de aluminio actúan como una jaula de Faraday, rodeando los circuitos con un conductor eléctrico. El metal refleja y absorbe la radiación externa, impidiendo que el circuito reciba señales (por inducción o acoplamiento de radiofrecuencia). Igualmente importante, la jaula de Faraday también refleja y absorbe los campos electromagnéticos generados por el circuito, evitando así interferencias con dispositivos cercanos. La Figura 1 muestra una representación gráfica del efecto de la jaula de Faraday.

Figura 1: Representación del funcionamiento de un escudo de Faraday.

A pesar de su capacidad intrínseca para proteger contra las interferencias electromagnéticas (EMI), el aluminio es relativamente pesado y caro, por lo que los diseñadores han optado por materiales alternativos como el ABS y el policarbonato. Si bien estos materiales son más económicos y ligeros, también son aislantes eléctricos y permiten que las EMI los atraviesen sin dificultad.

Principios básicos del blindaje electromagnético

El objetivo del blindaje electromagnético es impedir que la energía electromagnética conducida o irradiada desde una fuente llegue a un circuito. El blindaje no es un resultado binario que se evalúe simplemente como blindado o no blindado, sino que mide la reducción de la radiación incidente antes de que llegue a los componentes electrónicos cercanos. El grado de reducción de la radiación se conoce como atenuación.

La atenuación de la EMI se mide en decibelios (dB), que es una función logarítmica. El blindaje efectivo varía de 20 a más de 100 dB, lo que se traduce en lo siguiente en términos de reducción de la señal.

Tabla 1: Reducción de la señal de EMI para diferentes valores de atenuación.

Es importante tener en cuenta que el blindaje depende en gran medida de la frecuencia, por lo que es necesario identificar las frecuencias de funcionamiento o los rangos de frecuencia que el material de blindaje debe atenuar.

La conductividad del material de blindaje también es una propiedad importante, especialmente a frecuencias superiores a 10 MHz. A bajas frecuencias, como en el rango de kHz, los materiales con conductividades que varían en varios órdenes de magnitud pueden ofrecer un rendimiento similar en el blindaje, mientras que en el rango de MHz y GHz, los materiales conductores como el cobre y la plata ofrecen el mejor rendimiento.

Otra variable que influye en el apantallamiento es el grosor del material. Sin embargo, esta variable es difícil de cuantificar, ya que los apantallamientos más gruesos pueden reducir la porosidad e incluso disminuir la resistencia superficial, lo que mejora la atenuación; pero la magnitud de esta mejora puede variar significativamente según la composición del apantallamiento y la frecuencia de funcionamiento.

Pinturas conductoras de electricidad como material de blindaje

El cambio de carcasas de aluminio a plásticos como el ABS y el policarbonato implica que los diseñadores ahora deben metalizar estos plásticos para lograr la compatibilidad electromagnética (CEM). Si bien las láminas y las mallas conductoras son materiales eficaces para la CEM, su aplicación requiere mucha mano de obra y son propensos a desgarros y roturas, lo que puede provocar fugas de radiación, especialmente a altas frecuencias.

Las pinturas conductoras de electricidad son una solución práctica para las viviendas, ya que las películas curadas son duraderas, altamente conductoras, económicas y fáciles de aplicar a diferentes escalas. Para un blindaje eficaz, la pintura debe aplicarse en los seis lados del interior de la vivienda para rodear completamente el circuito y crear una jaula de Faraday. Si bien la pintura puede aplicarse en el exterior de la vivienda, es más práctico aplicarla en el interior para protegerla de los daños del entorno exterior.

Las pinturas conductoras de electricidad se formulan con diferentes polímeros, cada uno con sus propias ventajas, según los requisitos de la aplicación. Los polímeros más comunes son los acrílicos, las resinas epoxi y los poliuretanos. El diagrama de radar muestra las ventajas y limitaciones de cada tipo de polímero.

Figura 2: Diagrama de radar que compara los diferentes tipos de polímeros utilizados en la formulación de pinturas conductoras de electricidad.

Como se indica en el diagrama, para aplicaciones expuestas a entornos especialmente adversos, la pintura epoxi es la más adecuada debido a su resistencia química y durabilidad, mientras que en entornos menos adversos, las pinturas acrílicas pueden ser más prácticas por su facilidad de uso. Los usuarios también deben considerar el sustrato sobre el que aplican la pintura, ya que la adherencia varía según el tipo de polímero. Para los plásticos utilizados en viviendas, los sistemas acrílicos son la opción preferida.

Si bien el tipo de polímero determina la durabilidad y la adhesión, las partículas conductoras de la pintura rigen la conductividad y la atenuación del apantallamiento. El carbono, el níquel, el cobre recubierto de plata y la plata son las partículas conductoras más comunes, por lo que la elección del sistema de pintura adecuado depende de las frecuencias que se deban apantallar y de la atenuación objetivo requerida. La Figura 3 muestra la atenuación en función de la frecuencia para cuatro pinturas acrílicas conductoras probadas según la norma IEEE-299.1:2013.

Figura 3: Comparación de la atenuación para diferentes escamas utilizadas en pinturas acrílicas conductoras, probadas según la norma IEEE-299.1:2013.

Pinturas conductoras de electricidad de MG Chemicals

MG Chemicals ha formulado una línea completa de pintura conductora de electricidad para ayudar a los ingenieros de telecomunicaciones a lograr la compatibilidad electromagnética (EMC). La línea incluye acrílicos, epoxy y poliuretano a base de agua Para adaptarse a todo tipo de sustratos y entornos. Si bien la elección del producto puede parecer abrumadora, MG cuenta con un equipo completo de soporte técnico que le guiará en su aplicación y le ayudará en todo el proceso, desde la selección del material hasta la validación y la ampliación de escala.

Cumplir con la compatibilidad electromagnética (CEM) es cada vez más difícil, ya que los diseñadores deben equilibrar este requisito con otras limitaciones como el costo y el peso. El cambio a carcasas de plástico exige un método para metalizar estas piezas de forma económica y a gran escala. Afortunadamente, los recubrimientos conductores de electricidad ofrecen una solución integral, proporcionando películas delgadas y duraderas que ofrecen un blindaje adecuado en un amplio rango de frecuencias.