Cables blindados para circuitos de señales (parte 1)

Este conjunto de dos blogs analiza el uso de cables apantallados (también conocidos como blindados) para circuitos de señales. Se mencionó el tema en mi blog de EMC y prometí volver a examinarlo con más detalle.

Un blog posterior discutirá el cable de alimentación apantallado recomendado para conectar el AC VSD a su motor. En ambos casos el propósito de la pantalla es evitar el acoplamiento electromagnético no deseado entre el circuito dentro de la pantalla y otros circuitos fuera. Una diferencia clave es que la pantalla del cable del motor está ahí para proteger los circuitos externos, mientras que la pantalla del cable de señal es para proteger el circuito interno de la interferencia del ruido eléctrico externo.

Los cables apantallados son comunes en los sistemas electrónicos y generalmente se dan por sentados. Sin embargo, no son tan simples como parecen, y con frecuencia se malinterpretan y malinterpretan. Afortunadamente, los circuitos electrónicos modernos generalmente tienen una buena inmunidad al ruido eléctrico, por lo que los sistemas suelen funcionar a pesar de las malas prácticas en la gestión de cables. Sin embargo, cuando se utilizan variadores de velocidad, es más importante aplicar las prácticas correctas, ya que el inversor genera niveles bastante altos de ruido electromagnético, lo que puede provocar perturbaciones en los circuitos de control asociados si no se organizan correctamente.

La parte 1 analiza los principios generales de los cables de señal apantallados y la parte 2 analiza algunos detalles prácticos más específicos.

Algunas preguntas comunes

Hay varias reglas promovidas para la gestión de cables apantallados que han surgido por una buena razón, pero pueden ser contradictorias y confusas. Aquí hay algunas preguntas comunes que espero responder:

1. ¿Debo conectar ambos extremos de la pantalla?
2. ¿Debo no conectar ambos extremos de la pantalla??
3. ¿La pantalla debe estar conectada a tierra (tierra)?
4. ¿Debo preocuparme por los bucles de tierra?
5. ¿Qué longitud puede tener la coleta molida?
6. ¿Cómo me conecto a través de un bloque de terminales?
7. ¿Cómo conecto un circuito analógico balanceado (diferencial)?
8. ¿Qué pasa con Ethernet? ¿Puede funcionar el cable sin apantallar?

Algunos términos críticos

En la siguiente explicación:

El suelo es la tierra de seguridad o tierra (PE) en un sistema conectado a la red eléctrica, que finalmente se conecta a la red de protección del edificio y a la tierra física (tierra) debajo. Cuando los circuitos de señal están conectados a tierra y la conexión no se realiza por razones de seguridad, esto puede denominarse tierra funcional, a diferencia de la tierra de seguridad.

El retorno de la señal o la conexión común o de referencia en un sistema se denomina aquí “polo de referencia ”. En los equipos de Control Techniques, esto se denomina conexión “0V”. Esto a menudo está conectado a tierra, pero no es necesario. Algunos circuitos de datos balanceados pueden no tener un polo de referencia.

En un panel eléctrico, la masa principal de la construcción metálica se denomina “chasis ”. Por lo general, se conecta a tierra por razones de seguridad, pero por consideraciones de ruido eléctrico es más importante que comprenda una superficie conductora amplia que probablemente no tenga diferentes potenciales eléctricos a su alrededor.

En un circuito de señal balanceado o en contrafase, las líneas de señal se denominan A+ y A-. Dependiendo del diseño, puede haber o no una conexión de chasis o 0 V asociada.

“Alta frecuencia ” significa en términos generales una frecuencia en el rango de comunicación por radio, muy por encima de la frecuencia de corte del cable, p. por encima de unos 50 kHz o por ahí. En los accionamientos de velocidad variable, estas frecuencias tan altas se producen como efecto secundario de la conmutación muy rápida de los semiconductores de potencia.

¿Qué es el ruido eléctrico (¿interferencia?)

El ruido eléctrico aquí se refiere al efecto de la interacción no deseada de los circuitos eléctricos. Toda actividad eléctrica genera campos electromagnéticos que pueden inducir señales eléctricas no deseadas en los circuitos cercanos. En general, los efectos tienden a ser peores para las frecuencias en el rango de radio, porque el cambio rápido de voltaje y corriente aumenta el acoplamiento no deseado. Los circuitos de señal pueden ser sensibles a las interferencias de alta frecuencia, ya sea porque ellos mismos utilizan altas frecuencias (por ejemplo, enlaces de datos digitales en serie, datos de codificador) o porque tienen una sensibilidad no deseada a frecuencias altas mucho más allá de su ancho de banda previsto (por ejemplo, entradas analógicas). Un circuito de señal bien diseñado tendrá su ancho de banda adaptado a los requisitos de la aplicación, de modo que no sea innecesariamente sensible a las perturbaciones que cambian rápidamente. Sin embargo, los altos niveles de perturbación fuera de la banda prevista aún pueden causar errores debido a la no linealidad. Esta es la razón por la cual, por ejemplo, es bastante común escuchar interferencias en un sistema de sonido causadas por un teléfono móvil (celular).

Una característica importante de este tipo de ruido es que puede cubrir una gama de frecuencias extremadamente amplia. Pueden producirse interferencias desde fuentes de frecuencia de red de 50/60 Hz hasta teléfonos móviles y otras regiones de radiofrecuencia de alrededor de 2 a 5 GHz. Este es un rango de 8 órdenes de magnitud, y las reglas que funcionan bien para algunas frecuencias pueden ser ineficaces o incluso contraproducentes en otras. Esta es la razón por la cual las reglas para EMC y para la gestión de cables apantallados a veces pueden parecer contradictorias; es posible que hayan sido diseñadas para amenazas en rangos de frecuencia específicos.

Tenga en cuenta que otro tipo de ruido eléctrico es el ruido aleatorio generado térmicamente que existe inherentemente en todos los circuitos a temperaturas superiores a 0 K. Esto solo es de interés para equipos receptores de radio altamente sensibles y no se trata aquí.

Cómo funcionan los cables apantallados

El cable apantallado tiene uno o más núcleos de señal rodeados por un conductor de apantallamiento continuo. Un cable coaxial tiene un solo núcleo interno rodeado por una pantalla y se usa principalmente para aplicaciones de radiofrecuencia. La pantalla suele estar hecha de una trenza de alambres finos, que puede complementarse con una lámina conductora. Con menos frecuencia, la pantalla puede ser de metal sólido y puede incluir material magnético como la ferrita.

El propósito de la pantalla es evitar que la energía electromagnética externa induzca una señal no deseada en el circuito de señal. Un campo electromagnético comprende campos magnéticos y eléctricos relacionados juntos. Para ayudar a comprender su funcionamiento, primero podemos considerar por separado el efecto sobre los campos eléctricos y los campos magnéticos. Para que un circuito sea inmune a las interferencias electromagnéticas, debe serlo tanto a los campos eléctricos como magnéticos.

Proyección de campo eléctrico

Este es el mecanismo más simple de entender. La Figura 1 muestra un campo eléctrico E de una fuente de ruido exterior que incide sobre un cable apantallado en un circuito de señal simple de una sola línea (no balanceado) que conecta una fuente de señal a una carga de señal. El campo termina en el conductor de la pantalla y no penetra en el conductor interior, por lo que no se producen interferencias.

En ausencia de la pantalla, el campo eléctrico induciría corriente en el circuito de señal cada vez que cambiara. Esto provocaría un error transitorio, es decir, ruido, en el voltaje recibido, en una cantidad que depende de la impedancia del circuito:cuanto mayor sea la impedancia, mayor será el error. Normalmente, la fuente está diseñada para tener una baja impedancia a fin de minimizar el voltaje de error causado por la entrada de un campo eléctrico.

Figura 1:Mecanismo de detección de campo eléctrico

La conexión a tierra se muestra como opcional en la Figura 1, ya que en principio no es necesaria para que la pantalla funcione. Lo esencial es que los polos de referencia de la fuente y la carga deben estar conectados a la pantalla para que el voltaje de la señal exista en el conductor interno relativo a la pantalla.

En la práctica, según el diseño de la fuente y la carga, es posible que no puedan tolerar potenciales eléctricos en sus polos de referencia, por lo que es una práctica común conectar la pantalla a tierra. Tenga en cuenta que solo hay una única conexión a tierra en la Figura 1, y para el apantallamiento de campo eléctrico simple, no importa dónde se realice la conexión. Sin embargo, cuando el campo E varía con el tiempo, una corriente fluye a tierra debido a la carga eléctrica cambiante. Una vez que fluye una corriente, también debemos considerar los efectos del campo magnético. A medida que aumenta la frecuencia, la corriente asociada con un campo eléctrico también aumenta, por lo que la disposición de la Figura 1 solo tiene éxito en la exclusión de interferencias de campos eléctricos de baja frecuencia, como las de la red de 50/60 Hz.

Detección de campos magnéticos

El efecto de apantallamiento del campo magnético de un cable apantallado es un poco más difícil de entender, pero igualmente importante. Dondequiera que fluyan las corrientes eléctricas, hay campos magnéticos asociados que pueden inducir potenciales eléctricos en los circuitos cuando cambian. La Figura 2 muestra un flujo magnético B, que se origina en un circuito externo que lleva corriente, que conecta el mismo circuito que en la Figura 1.

Figura 2:Mecanismo de detección de campo magnético

Cuando el campo magnético cambia, induce un potencial en el conductor que es proporcional a la tasa de cambio del flujo magnético vinculado por el conductor, que se muestra aquí como E_B1 para la pantalla y E_B2 para el conductor interior.

El potencial inducido representaría un error transitorio en la señal recibida, es decir, ruido, excepto por el hecho que se ilustra en la Figura 2:

Se induce exactamente el mismo voltaje en los conductores interior y exterior (pantalla). Entonces E_B1 =E_B2 .

La razón de esto es que el flujo magnético que une el conductor de la pantalla también tiene inherentemente que vincular el conductor interior.

Los voltajes E_B1 y E_B2 que se muestran en rojo son iguales pero opuestos en el circuito de la señal, por lo que se cancelan en la carga.

Siempre que no ocurra nada que desequilibre los dos voltajes inducidos, la cancelación es muy exacta y el cable apantallado brinda una excelente protección contra los cambios de campos magnéticos.

Observe que en la Figura 2 ni la fuente ni la carga están conectadas a ningún otro circuito, es decir, están aisladas galvánicamente. En este caso, no puede fluir corriente en la pantalla y no hay nada que pueda causar un error entre E_B1 y E_B2 .

En la práctica, incluso con aislamiento galvánico, existe una capacitancia parásita, por lo que parte de la corriente puede fluir a frecuencias más altas. Sin embargo, cualquier corriente que fluya en la pantalla provoca un cambio en el flujo magnético que también une el conductor de la señal. El mecanismo de cancelación sigue funcionando.

Corriente de pantalla de baja frecuencia

En la Figura 2 se muestra que el voltaje inducido por el campo magnético externo es idéntico tanto en el conductor interno como en el externo. Otra fuente de tensión que no se induce por igual es la caída de tensión resistiva simple. La Figura 3 ilustra una situación en la que los extremos de envío y recepción tienen conexiones a su chasis local o tierra, y una diferencia de voltaje de tierra E_D provoca una corriente I_D para fluir en la pantalla. La diferencia de voltaje puede ser causada por una variedad de efectos en el sistema completo, esencialmente es la suma de los diversos voltajes de ruido que recoge la pantalla del cable que actúa como una antena receptora de ondas electromagnéticas de todo tipo, así como caídas de voltaje. causados ​​por corrientes parásitas circulantes, como a la frecuencia de la red.

También existe una fuente particular de tensión de diferencia de tierra en los sistemas de accionamiento que utilizan un codificador de eje de motor. A pesar del uso de cable de motor apantallado, el cuerpo del motor puede tener un voltaje de ruido significativo con respecto a tierra debido a los rápidos pulsos PWM en el devanado del motor y el cable del motor. Si el codificador de eje tiene un cuerpo de metal fijado directamente al cuerpo del motor, es difícil evitar un voltaje diferencial de tierra en la pantalla del cable del codificador.

Figura 3:Efecto de la corriente de pantalla

El I_D actual provoca una caída de voltaje en la pantalla, con dos componentes:

• Un componente inductivo IjwL donde L es la inductancia de la pantalla del cable
• Un componente resistivo IR donde R es la resistencia de pantalla del cable

El componente inductivo es causado por el campo magnético inducido por la corriente. El campo magnético también une el conductor interno, por lo que contribuye igualmente a E_B1 y E_B2 y no perturba la señal recibida.[1]

La componente resistiva no aparece en E_B2 , por lo que aparece en serie con la señal y provoca un error.

Observe que mientras que un campo eléctrico provocaría una corriente inducida, de modo que el efecto sería proporcional a la impedancia del circuito, aquí hay un voltaje inducido. Reducir la impedancia de la fuente de señal no reduce el error. Cuando la inducción de campo magnético es la principal fuente de interferencia, la mejor técnica es usar una señal de corriente, y esta es la razón del uso generalizado del método de fuente de corriente de 4 a 20 mA en sistemas de control de procesos con tramos de cable de señal muy largos.

A altas frecuencias donde la inductancia del cable domina su impedancia, el IR es relativamente pequeño. Además, debido al efecto pelicular, la resistencia efectiva es menor a alta frecuencia ya que la corriente fluye principalmente en el exterior de la pantalla, no en el interior. El resultado de esto es que a frecuencias más bajas la pantalla del cable se vuelve menos efectiva. Esto se puede medir como una frecuencia de corte de pantalla, por debajo de la cual es ineficaz. Tiende a estar en el rango de 1 kHz a 10 kHz para cables de uso común [consulte la página 62 de la referencia, por ejemplo].

La Figura 3 también destaca el efecto de las "coletas", es decir, las longitudes de cable utilizadas para hacer las conexiones de retorno de la pantalla. Puede ver que el I_D actual fluye en las coletas, y cualquier caída de voltaje allí en la inductancia de la coleta aparece en serie con la señal. El punto aquí es que se trata de una caída de tensión inductiva que no aparece en ambos conductores, por lo que no es cancelada por el cable apantallado. El cable flexible es perjudicial para la capacidad de apantallamiento del cable a frecuencias más altas.

Tipos de pantalla de cable

La pantalla de cable tradicional es una trenza de alambres finos de cobre, con una cobertura cercana al 100 % (es decir, “ventanas” mínimas en el trenzado). Algunos cables de datos utilizan una lámina de metal o una lámina de plástico metalizado, solos o con una trenza.

Para que sea eficaz en una amplia gama de frecuencias, la pantalla debe tener la máxima cobertura, baja resistencia y buena continuidad longitudinal entre las trenzas para que la corriente pueda fluir por el exterior con una caída de tensión mínima y una mezcla mínima con la corriente del interior. La lámina por sí sola tiende a tener una resistencia bastante alta y no es efectiva, pero cuando se combina con una trenza puede ayudar a separar las superficies conductoras internas y externas.

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

[1] Se necesita pensar un poco para entender esto correctamente. Todo el campo magnético causado por la corriente de pantalla tiene que enlazar el conductor interior. No todo el campo magnético causado por la corriente del conductor interno tiene que enlazar la pantalla.