Cables blindados para circuitos de señal (parte 2)

La Parte 1 consideró los principios de cómo funcionan los cables apantallados para evitar interferencias de campos eléctricos y magnéticos. Ahora veremos algunos detalles más prácticos.

Cómo conectar cables apantallados

Conceptos básicos

Como se describe en la Parte 1, necesitamos que la detección sea efectiva en un rango muy amplio de frecuencias de amenazas. Para que los cables apantallados sean efectivos a altas frecuencias, es esencial que la pantalla esté conectada directamente al polo de referencia ("0V", etc.) tanto en el extremo de envío como en el de recepción.

El uso de un cable flexible para conectar la pantalla reduce la efectividad de la pantalla al permitir que la corriente de ruido en la pantalla inyecte un voltaje de ruido en el circuito de la señal. Para un circuito verdaderamente aislado galvánicamente, esto puede no ser importante, porque el aislamiento minimiza la corriente de ruido que circula y fluye en el cable flexible. Sin embargo, en general, las coletas deben mantenerse al mínimo. Para los circuitos de datos de banda ancha, se deben evitar los cables flexibles, lo que se puede lograr sujetando la pantalla del cable directamente al chasis o punto de referencia o tierra.

¿Por qué no conectarías ambos extremos de la pantalla?

Hay directrices en circulación que recomiendan conectar la pantalla del cable en un solo extremo. Debería quedar claro por lo anterior que esto anula el beneficio de detección de alta frecuencia de la pantalla. En el pasado, estas pautas se aplicaron a algunos tipos de circuitos de control eléctrico simples que son intrínsecamente inmunes a la interferencia de alta frecuencia, para evitar bucles de tierra; consulte a continuación. También puede evitar que las corrientes de falla del sistema de energía circulen en las pantallas de los cables, pero esto debe lograrse adecuadamente al garantizar una conexión equipotencial adecuada en el sistema de energía.

En los sistemas de distribución de energía, existen ciertas aplicaciones en las que las pantallas de los cables de alimentación no deben conectarse en ambos extremos, para evitar riesgos potenciales de contacto durante fallas o actividad de rayos; como en los sistemas de distribución TT. Esto no se aplica a los cables de motor de los variadores de velocidad.

Siempre que los cables de señal pasen fuera de los edificios y fuera de un área de unión equipotencial, se debe tener en cuenta la seguridad durante las fallas eléctricas y los rayos cuando puedan existir potenciales diferenciales de tierra potencialmente peligrosos.

Circuitos analógicos de un solo lado

Figura 4:conexión de una interfaz analógica sencilla de un solo extremo

El tipo más simple de interfaz analógica se muestra en la Figura 4. Esto es adecuado para muchas aplicaciones generales. De la explicación anterior, verá que este arreglo tiene algunas debilidades, que pueden ser aceptables donde no se requiere control de alta precisión y ancho de banda amplio.

Las líneas discontinuas en el controlador y el variador indican que las conexiones de 0 V del controlador y el variador generalmente están conectadas a tierra, ya sea directa e intencionalmente o porque algún equipo en el sistema tiene 0 V y tierra conectada internamente. En este caso, existe el riesgo de perturbaciones de las siguientes fuentes:

• La corriente de ruido de alta frecuencia provoca una caída de voltaje de ruido en la inductancia de las conexiones flexibles que se acoplan a la señal analógica. Esto puede causar errores si los circuitos analógicos son susceptibles. Se puede minimizar manteniendo los pigtails lo más cortos posible, para minimizar su inductancia. El uso de abrazaderas de puesta a tierra directamente en la pantalla del cable en ambos extremos, fijándolo al chasis, puede eliminar esto por completo. Esto se muestra en azul en la Figura 4.
• La corriente de ruido de baja frecuencia provoca una caída de voltaje de ruido en la resistencia de la pantalla del cable (y también en los pigtails, pero el cable suele tener la mayor resistencia). Si la frecuencia de este ruido está dentro del ancho de banda del circuito analógico, entonces está perturbado; por ejemplo, la captación a 50/60 Hz provoca vibraciones en un servoaccionamiento a 50/60 Hz. Este es el "problema del bucle de tierra" y es más difícil de solucionar. Las posibles soluciones son:
• Conecte los terminales de 0 V o tierra en ambos extremos mediante un cable de conexión a tierra de alimentación de baja resistencia para reducir la caída de tensión.
• Utilice un circuito de señal analógica balanceada (diferencial) (consulte a continuación). Este es el mejor método.
• Aísle galvánicamente la salida analógica o el circuito de entrada para evitar la corriente en la pantalla.

Circuitos analógicos balanceados

Los circuitos analógicos de precisión a menudo proporcionan entradas diferenciales y, a veces, salidas diferenciales. Suelen proporcionarse para controladores de precisión, como servoaccionamientos, y también para codificadores de eje sen/cos. Cuando se usan correctamente, proporcionan una excelente supresión de interferencias de baja frecuencia. Junto con un cable apantallado, esto puede lograr inmunidad en todo el espectro de ruido. La figura 5 muestra cómo utilizar una entrada analógica diferencial. Tenga en cuenta que los núcleos de señal normalmente serían un par trenzado, lo que mejora aún más la inmunidad al ruido al hacer que la ruta de los dos conductores esté lo más equilibrada posible.

Figura 5:Conexión de entrada analógica diferencial

En este caso tenemos una salida de controlador de un solo extremo y una entrada diferencial. Usando dos núcleos en el cable apantallado, podemos conectar la entrada inversora directamente al polo de referencia de la salida analógica del controlador. Por lo tanto, cualquier voltaje de baja frecuencia inducido en la pantalla del cable es rechazado por la entrada, mientras que la pantalla aún brinda su excelente rechazo de alta frecuencia. La entrada diferencial no puede rechazar el voltaje de modo común en las frecuencias altas, más allá de su ancho de banda, donde la pantalla del cable funciona mejor. Las dos técnicas combinadas ofrecen un rechazo de ruido en todo el espectro.

También se pueden usar abrazaderas de conexión a tierra como en la Figura 4 para evitar el acoplamiento de ruido de alta frecuencia causado por los cables flexibles.

Si el controlador también ofrece una salida diferencial, entonces el núcleo AI- se puede conectar al terminal AO- en lugar de 0V en el controlador. Un caso especial es si el controlador ofrece una salida de "tierra virtual", donde el terminal AO- no es una salida sino una entrada de detección. En ese caso, la línea AO- debe estar conectada a 0 V en un extremo o en el otro, no debe permitirse que "flote".

Circuitos digitales

Los circuitos digitales no son susceptibles a perturbaciones del tipo de errores de baja frecuencia de bajo nivel causados ​​por bucles de tierra. La interferencia de alta frecuencia en un enlace de datos puede causar errores de bits que normalmente se detectan y rechazan, pero si ocurren con demasiada frecuencia, el canal puede cerrarse o dar un rendimiento inadecuado. Los circuitos codificadores de eje para retroalimentación de velocidad/posición son particularmente propensos a generar ruido y vibración en presencia de ruido de alta frecuencia. En ambos casos es fundamental una correcta gestión de la pantalla del cable.

Los enlaces de datos suelen utilizar una tasa de bits alta. Para tasas por encima de 1 Mb/s, el cable debe terminar correctamente en su impedancia característica para evitar errores de datos por reflejos. Para mantener la coincidencia, solo se pueden tolerar longitudes cortas de núcleos de cable expuestos.

La interfaz digital más utilizada para la transmisión de datos locales básicos se basa en los estándares RS422 y RS485, que tienen transmisores y receptores diferenciales. El tipo de cable no se especifica directamente y, en principio, podría no estar apantallado siempre que tenga la impedancia característica correcta, pero normalmente se prefiere el cable apantallado.

El uso de un circuito balanceado significa que el ruido inyectado es rechazado en un grado considerable porque está en el modo común, es decir, afecta a ambas líneas por igual y, por lo tanto, no aparece como una señal. Sin embargo, los transmisores y receptores tienen límites en su rango de modo común, por lo que se producen errores si el voltaje del ruido es demasiado alto o cambia demasiado rápido, así como si la asimetría hace que el ruido del modo común se acople al modo en serie. Los chips de controlador de línea estándar que se usan en la mayoría de los puertos tienen un rango de modo común de aproximadamente 5 V y dan errores importantes si se excede. Esto se puede aumentar mediante el uso de puertos aislados galvánicamente, pero esto es costoso.

La Figura 6 muestra cómo organizar una conexión de puerto RS485 básica.

Figura 6:Conexión de datos RS485 básica (solo se muestran 2 nodos)

En el equipo de Control Techniques, el terminal de referencia se muestra como "0V" en la Figura 6. En otros equipos, puede llamarse "G" o "GND" para tierra, "SC" para pantalla o "referencia". A veces se deja desconectado, o incluso no se proporciona. Esto puede tener éxito para enlaces cortos o donde los puertos tienen un aislamiento galvánico bien diseñado. En general, es mucho más preferible conectar 0 V a la pantalla del cable.

RS485 permite la conexión multipunto de múltiples puertos. El efecto del desajuste de impedancia menor en cada puerto, así como el ruido inyectado de cada cable flexible, hace que la disposición sea cada vez más sensible a las perturbaciones a medida que aumenta la cantidad de puertos. Los protocolos de comunicación completos que usan altas velocidades de datos, como Profibus, usan hardware definido que, en ese caso, requiere la sujeción directa de las pantallas de los cables en los conectores para evitar coletas, y la red de impedancia de terminación correcta para conectarse solo en los nodos finales.

Terminales y conectores

Muchos conectores industriales están diseñados sin las disposiciones adecuadas para la gestión de las pantallas de los cables porque no estaban destinados a utilizarse a alta frecuencia. Para aplicaciones generales, suele ser tolerable conectar la pantalla a través de un cable flexible corto a un pin conector. Sin embargo, es mucho más preferible pasar la conexión de la pantalla a través del cuerpo conductor del conector para que continúe rodeando los conductores de señal, como siempre ocurre con un conector de radiofrecuencia. Si un circuito de señal pasa a través de múltiples conectores, cada uno con su par de coletas, el ruido inyectado en cada conector se acumula.

Una forma de gestionar las conexiones de las pantallas es sujetar las pantallas juntas o a una pieza metálica común. El hardware para esto está disponible de los proveedores de bloques de terminales de tornillo. La idea se ilustra en la Figura 7.

Figura 7:Conexión de pantallas en un bloque de terminales o conector

El propósito de la abrazadera es evitar las conexiones de la pantalla en espiral y, por lo tanto, evitar la inyección del voltaje de ruido que aparecería en las espirales. Enlaza las pantallas con el mínimo de inductancia parásita. La pequeña área de conductor sin apantallar expuesto en los terminales aquí es mucho menos importante que los cables flexibles. La razón es que los conductores no apantallados solo están expuestos a campos electromagnéticos en las inmediaciones de los terminales, mientras que los pigtails transportarían una corriente de ruido que se ha acumulado a lo largo de todo el recorrido del cable apantallado.

Por lo general, las abrazaderas se fijan a piezas metálicas conectadas a tierra, pero esto es principalmente por razones de seguridad. El beneficio de EMC es el enlace de muy baja inductancia entre las dos pantallas de cable.

Ethernet

Ethernet es una excepción a todo lo anterior. La Ethernet moderna no necesita cable apantallado, sino que se basa en un cable de par trenzado sin apantallar muy bien equilibrado junto con un acoplamiento de transformador equilibrado con aislamiento galvánico para proporcionar una excelente inmunidad al ruido de modo común. Además, no utiliza una estructura multipunto, por lo que también se evita la tendencia a acumular corriente de ruido en varios nodos.

Bucles de tierra

Habiendo observado el efecto de la resistencia en la Figura 3, estamos bien ubicados para comprender por qué en algunas aplicaciones se recomienda no conectar la pantalla del cable en ambos extremos. El voltaje de error IR no aparecería si la pantalla estuviera conectada solo en un extremo porque no podría haber corriente en la pantalla. Este consejo se puede dar para “evitar bucles de tierra”. Sin embargo, el cable habrá perdido todas sus capacidades de detección de campos magnéticos, lo que significa sus capacidades de detección de alta frecuencia. Este consejo solo es correcto en una situación muy particular, cuando se aplican todos estos:

• Hay voltajes de tierra diferenciales a bajas frecuencias (p. ej., la red) o campos magnéticos dispersos a la frecuencia de la red.
• El circuito utiliza señales analógicas que son sensibles a pequeñas perturbaciones en la frecuencia de la red.
• La pantalla solo se requiere para proteger contra el acoplamiento de campo eléctrico, a bajas frecuencias.

El caso más común para esto es dentro de los sistemas de audio analógicos, donde incluso un pequeño nivel de captación de red provoca un "zumbido" irritante. También se puede aplicar en servocontroladores con interfaces analógicas, pero allí es mejor usar una interfaz diferencial como se explicó anteriormente.

Cable con doble pantalla

A veces se recomienda el uso de cable con doble pantalla, especialmente con interfaces de codificador de eje donde normalmente hay tres pares equilibrados de núcleos de datos que se apantallan como pares, posiblemente algunos núcleos de alimentación y una pantalla general.

En principio, solo se necesita una pantalla para cada par de datos, y podría ser la pantalla general o las pantallas individuales. Sin embargo, los beneficios del cable con doble pantalla son:

• La pantalla exterior se puede fijar al motor y al cuerpo del codificador, lo que da como resultado una corriente de alto ruido en la pantalla que se puede devolver a tierra en el variador sin entrar en los terminales de 0 V del circuito de interfaz del codificador
• Los terminales de 0 V se pueden mantener aislados de tierra, si así lo requiere el diseño del sistema, al mismo tiempo que proporcionan una pantalla general de alta frecuencia conectada a tierra.
• La corriente de bucle a tierra se puede restringir solo a la pantalla exterior.
• La impedancia de los pares individuales está bien controlada debido a sus pantallas individuales

La figura 8 ilustra cómo se conectaría esto (se muestran dos canales para mayor claridad).

Figura 8:Conexión del cable del codificador con doble pantalla

Referencia

Henry W Ott:ingeniería de compatibilidad electromagnética:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

Otro libro recomendado

Tim Williams y Keith Armstrong:EMC para sistemas e instalaciones:Newnes:ISBN 9780750641678