Cables apantallados avanzados para circuitos de señal: técnicas prácticas de conexión (Parte 2)

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

Cómo conectar cables apantallados

Conceptos básicos

Como se describió en la Parte 1, necesitamos que el apantallamiento sea efectivo en un rango muy amplio de frecuencias de amenaza. Para que los cables apantallados sean efectivos a altas frecuencias, es esencial que el apantallamiento se conecte directamente al polo de referencia ("0V", etc.) en ambos extremos, emisor y receptor.

El uso de un pigtail (cola de cerdo) para conectar el apantallamiento reduce la efectividad del apantallamiento al permitir que la corriente de ruido en el apantallamiento inyecte una tensión de ruido en el circuito de señal. Para un circuito verdaderamente aislado galvánicamente esto puede ser irrelevante, porque el aislamiento minimiza la corriente de ruido que circula y fluye en el pigtail. Sin embargo, en general los pigtails deben mantenerse al mínimo. Para circuitos de datos de banda ancha, los pigtails deben evitarse, lo que puede lograrse abrazando el apantallamiento del cable directamente al chasis o punto de referencia o tierra.

¿Por qué no conectar ambos extremos del apantallamiento?

Hay guías en circulación que recomiendan conectar el apantallamiento del cable solo en un extremo. De lo anterior debería quedar claro que esto anula el beneficio de apantallamiento a alta frecuencia del apantallamiento. En el pasado, estas guías se aplicaban a algunos tipos de circuitos de control eléctrico simples que son inherentemente inmunes a interferencias de alta frecuencia, para evitar bucles de tierra —véase abajo. También puede impedir que corrientes de fallo del sistema de potencia circulen en los apantallamientos de cable, pero esto debería lograrse propiamente asegurando una conexión equipotencial adecuada en el sistema de potencia.

En sistemas de distribución de potencia hay ciertas aplicaciones donde los apantallamientos de cable de potencia no deben conectarse en ambos extremos, para evitar peligros de tensión de contacto durante fallos o actividad de rayos; como en sistemas de distribución TT. Esto no se aplica a los cables de motor de variadores de velocidad.

Siempre que los cables de señal pasen fuera de edificios y fuera de una zona de conexión equipotencial, debe considerarse la seguridad durante fallos eléctricos y rayos cuando pueden existir tensiones diferenciales de tierra potencialmente peligrosas.

Circuitos analógicos unilaterales (single-ended)

Figura 4: conexión de interfaz analógica simple unilateral

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

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

• La corriente de ruido de alta frecuencia causa una caída de tensión de ruido en la inductancia de las conexiones pigtail que se acopla a la señal analógica. Esto puede causar errores si los circuitos analógicos son susceptibles. Puede minimizarse manteniendo los pigtails lo más cortos posible, para minimizar su inductancia. El uso de abrazaderas de conexión a tierra directamente sobre el apantallamiento 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 causa caída de tensión de ruido en la resistencia del apantallamiento del cable (y también en los pigtails, pero el cable suele tener mayor resistencia). Si la frecuencia de este ruido está dentro del ancho de banda del circuito analógico, este se perturba —por ejemplo, captación a 50/60 Hz causa vibración en un variador servo a 50/60 Hz. Este es el "problema del bucle de tierra" y es más difícil de curar. Posibles soluciones son:
  • Conectar los terminales 0V o tierra en ambos extremos mediante un cable de tierra de potencia de baja resistencia para reducir la caída de tensión.
  • Usar un circuito de señal analógica balanceado (diferencial) (véase abajo). Este es el mejor método.
  • Hacer que el circuito de salida o entrada analógica sea aislado galvánicamente, para evitar corriente en el apantallamiento.

Circuitos analógicos balanceados (diferenciales)

Los circuitos analógicos de precisión a menudo proporcionan entradas diferenciales, y a veces salidas diferenciales. Se proporcionan comúnmente para controladores de precisión como variadores servo, y también para codificadores de eje sin/cos. Cuando se usan correctamente, estos dan excelente supresión de interferencias de baja frecuencia. En conjunción con un cable apantallado, esto puede lograr inmunidad en todo el espectro de ruido. La Figura 5 muestra cómo usar una entrada analógica diferencial. Nota que los hilos de señal serían normalmente un par trenzado, lo que mejora aún más la inmunidad al ruido haciendo la ruta de los dos conductores lo más balanceada posible.

Figura 5: Conexión de entrada analógica diferencial

En este caso tenemos una salida de controlador unilateral y una entrada diferencial. Al usar dos hilos en el cable apantallado, podemos conectar la entrada inversora directamente al polo de referencia de la salida analógica del controlador. Cualquier tensión de baja frecuencia inducida en el apantallamiento del cable es por tanto rechazada por la entrada, mientras que el apantallamiento sigue dando su excelente rechazo de alta frecuencia. La entrada diferencial no puede rechazar tensión de modo común a altas frecuencias, más allá de su ancho de banda, donde el apantallamiento del cable funciona mejor. Las dos técnicas combinadas dan rechazo de ruido en todo el espectro.

Las abrazaderas de conexión a tierra como en la Figura 4 también pueden usarse para evitar el acoplamiento de ruido de alta frecuencia causado por los pigtails.

Si el controlador también ofrece una salida diferencial, el hilo AI- puede conectarse al terminal AO- en lugar de a 0V en el controlador. Un caso especial es si el controlador ofrece una salida "tierra virtual", donde el terminal AO- no es una salida sino una entrada de sentido. En ese caso, la línea AO- debe conectarse a 0V en un extremo u otro, no debe permitirse que "flote".

Circuitos digitales

Los circuitos digitales no son susceptibles a perturbaciones del tipo de errores de bajo nivel de baja frecuencia causados por bucles de tierra. La interferencia de alta frecuencia en un enlace de datos puede causar errores de bit que normalmente se detectan y rechazan, pero si ocurren demasiado a menudo el canal puede cerrarse o dar rendimiento inadecuado. Los circuitos de codificador de eje para realimentación de velocidad/posición son particularmente propensos a causar ruido y vibración en presencia de ruido de alta frecuencia. En ambos casos, la gestión correcta del apantallamiento del cable es esencial.

Los enlaces de datos a menudo usan una tasa de bits alta. Para tasas above ~1 Mb/s, el cable debe terminarse correctamente en su impedancia característica para evitar errores de datos por reflexiones. Para mantener el acoplamiento, solo se pueden tolerar longitudes cortas de hilos de cable expuestos.

La interfaz digital más usada para transmisión de datos local básica se basa en los estándares RS422 y RS485, que tienen transmisores y receptores diferenciales. El tipo de cable no está directamente especificado, y en principio podría ser sin apantallar si tiene la impedancia característica correcta, pero normalmente se prefiere cable apantallado.

El uso de un circuito balanceado significa que el ruido inyectado se rechaza en considerable medida porque está en modo común, es decir, afecta a ambas líneas por igual y por tanto no aparece como señal. Sin embargo, los transmisores y receptores tienen límites en su rango de modo común, por lo que ocurren errores si la tensión de ruido es demasiado alta, o demasiado rápida, o si la asimetría hace que el ruido de modo común se acople al modo serie. Los chips line-driver estándar usados en la mayoría de puertos tienen un rango de modo común de unos 5 V y dan errores mayores si se excede. Esto puede aumentarse usando puertos aislados galvánicamente, pero esto es costoso.

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

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

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

RS485 permite conexión multi-drop de múltiples puertos. El efecto del desajuste de impedancia menor en cada puerto, así como el ruido inyectado desde cada pigtail, hace que el arreglo sea cada vez más sensible a perturbaciones a medida que aumenta el número de puertos. Protocolos de comunicación completos usando altas tasas de datos, como Profibus, usan hardware definido que en ese caso requiere abrazamiento directo de apantallamientos en los conectores para evitar pigtails, y la red de terminación de impedancia correcta conectada solo en los nodos finales.

Terminales y conectores

Muchos conectores industriales están diseñados sin provisión adecuada para la gestión de apantallamientos de cable porque no estaban pensados para usarse a alta frecuencia. Para aplicaciones generales, suele ser tolerable conectar el apantallamiento a través de un pigtail corto a un pin del conector. Sin embargo, es mucho preferible pasar la conexión del apantallamiento a través del cuerpo conductor del conector para que continúe rodeando los conductores de señal, como siempre ocurre en un conector de radiofrecuencia. Si un circuito de señal pasa por múltiples conectores, cada uno con su par de pigtails, el ruido inyectado en cada conector se acumula.

Una forma de gestionar conexiones de apantallamiento es abrazar los apantallamientos juntos o a una pieza metálica común. Hardware para esto está disponible de proveedores de bloques de terminales de tornillo. La idea se ilustra en la Figura 7.

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

El propósito de la abrazadera es evitar conexiones de apantallamiento por pigtail, y por tanto evitar la inyección de la tensión de ruido que aparecería en los pigtails. Enlaza los apantallamientos con la inductancia parásita mínima. La pequeña área de conductor sin apantallar en los terminales aquí es mucho menos importante que los pigtails. La razón es que los conductores sin apantallar solo están expuestos a campos electromagnéticos en las inmediaciones de los terminales, mientras que los pigtails transportarían corriente de ruido recogida a lo largo de todo el tendido del cable apantallado.

Normalmente las abrazaderas se fijarían a piezas metálicas puestas a tierra, pero esto es principalmente por razones de seguridad. El beneficio CEM es el enlace de inductancia muy baja entre los dos apantallamientos de cable.

Ethernet

Ethernet es una excepción a todo lo anterior. El Ethernet moderno no necesita cable apantallado, sino que se basa en un cable de par trenzado sin apantallar muy bien balanceado en conjunción con acoplamiento de transformador balanceado aislado galvánicamente para dar excelente inmunidad a ruido de modo común. Además, no usa estructura multi-drop, por lo que la tendencia a acumular corriente de ruido en múltiples nodos también se evita.

Bucles de tierra (ground loops)

Habiendo examinado el efecto de resistencia en la Figura 3, estamos bien situados para entender por qué en algunas aplicaciones se aconseja no conectar el apantallamiento del cable en ambos extremos. La tensión de error IR no aparecería si el apantallamiento solo se conectara en un extremo porque no podría haber corriente en el apantallamiento. Este consejo podría darse "para evitar bucles de tierra". Sin embargo, el cable habrá perdido todas sus capacidades de apantallamiento de campo magnético, lo que significa sus capacidades de apantallamiento de alta frecuencia. Este consejo solo es correcto en una situación muy particular, cuando se cumplen todas estas condiciones:

• Existen tensiones diferenciales de tierra a baja frecuencia (p. ej. red) o campos magnéticos parásitos a frecuencia de red.
• El circuito usa señales analógicas sensibles a pequeñas perturbaciones a frecuencia de red.
• El apantallamiento solo se requiere para proteger contra acoplamiento de campo eléctrico, a baja frecuencia.

El caso más común es en sistemas de audio analógico, donde incluso un pequeño nivel de captación de red causa un irritante "zumbido". También puede aplicarse en controladores servo con interfaces analógicas, pero allí es mejor usar una interfaz diferencial como se explicó arriba.

Cable de doble apantallamiento

El cable de doble apantallamiento a veces se recomienda, especialmente con interfaces de codificador de eje donde típicamente hay tres pares balanceados de hilos de datos que se apantallan como pares, posiblemente algunos hilos de potencia, y un apantallamiento global.

En principio, solo se necesita un apantallamiento para cada par de datos, y podría ser el apantallamiento global o los individuales. Sin embargo, los beneficios del cable de doble apantallamiento son:

• El apantallamiento exterior puede fijarse al cuerpo del motor y codificador, resultando en alta corriente de ruido en el apantallamiento que puede devolverse a tierra en el variador sin entrar en los terminales 0V del circuito de interfaz del codificador.
• Los terminales 0V pueden mantenerse aislados de tierra —si lo requiere el diseño del sistema— mientras se proporciona un apantallamiento global de alta frecuencia conectado a tierra.
• La corriente de bucle de tierra puede restringirse solo al apantallamiento exterior.
• La impedancia de los pares individuales está bien controlada gracias a sus apantallamientos individuales.

Figura 8: Conexión de cable de codificador de doble apantallamiento (dos canales mostrados para claridad).

Referencia

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6

Otro libro recomendado

Tim Williams and Keith Armstrong: EMC for Systems & Installations: Newnes: ISBN 9780750641678