Cables apantallados para circuitos de señal: Parte 1 – Mejores prácticas

Este conjunto de dos artículos examina el uso de cables apantallados (también llamados blindados) para circuitos de señal. El tema se mencionó en mi blog de CEM, y prometí revisarlo con más detalle.

Un artículo posterior tratará el cable de potencia apantallado recomendado para conectar el VSD CA a su motor. En ambos casos, el propósito del apantallamiento es prevenir acoplamiento electromagnético no deseado entre el circuito dentro del apantallamiento y otros circuitos fuera. Una diferencia clave es que el apantallamiento del cable de motor protege circuitos externos, mientras que el apantallamiento del cable de señal protege el circuito interior de interferencias por ruido eléctrico exterior.

Los cables apantallados son omnipresentes en sistemas electrónicos y generalmente se dan por sentados. Sin embargo, no son tan simples como parecen, y se usan y entienden mal con frecuencia. Afortunadamente, los circuitos electrónicos modernos tienen generalmente buena inmunidad al ruido eléctrico, por lo que los sistemas suelen funcionar a pesar de malas prácticas en la gestión de cables. Sin embargo, al usar variadores de velocidad se vuelve bastante más importante usar la práctica correcta porque el inversor genera niveles bastante altos de ruido electromagnético, que puede causar perturbaciones en los circuitos de control asociados si no están correctamente dispuestos.

La Parte 1 examina principios generales de cables de señal apantallados, y la Parte 2 examina algunos detalles prácticos más específicos.

Algunas preguntas comunes

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

1. ¿Debo conectar ambos extremos del apantallamiento?
2. ¿Debo no conectar ambos extremos del apantallamiento?
3. ¿Debe el apantallamiento conectarse a tierra?
4. ¿Debo preocuparme por bucles de tierra?
5. ¿Cuánto puede medir el pigtail de tierra?
6. ¿Cómo conecto a través de un bloque de terminales?
7. ¿Cómo conecto un circuito analógico balanceado (diferencial)?
8. ¿Qué pasa con Ethernet? ¿Puede funcionar cable sin apantallar?

Algunos términos críticos

En la siguiente explicación:

La tierra es la tierra de seguridad o protección (PE) en un sistema conectado a red, que está ultimamente conectada a la red de unión protectora del edificio y a tierra física (ground) debajo. Cuando los circuitos de señal se conectan a tierra y la conexión no se hace por razones de seguridad, esto puede referirse como tierra funcional, distinto de la tierra de seguridad.

El retorno de señal, común o conexión de referencia en un sistema se refiere aquí como el "polo de referencia". En equipos de Control Techniques esto se refiere como la conexión "0V". Esto a menudo se conecta a tierra, pero no tiene por qué. Algunos circuitos de datos balanceados pueden no tener polo de referencia.

En un cuadro eléctrico, la masa principal de la construcción metálica se refiere como el "chasis". Esto suele conectarse a tierra por razones de seguridad, pero para consideraciones de ruido eléctrico es más importante que comprenda una superficie conductora extendida donde es improbable que haya potenciales eléctricos diferentes alrededor.

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

"Alta frecuencia" significa en sentido amplio una frecuencia en el rango de comunicaciones de radio, bien por encima de la frecuencia de corte del cable, p. ej. above ~50 kHz. En variadores de velocidad, tales altas frecuencias ocurren 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 interacción no deseada de circuitos eléctricos. Toda actividad eléctrica resulta en campos electromagnéticos que pueden inducir señales eléctricas no deseadas en circuitos cercanos. Generalmente, los efectos tienden a ser peores para frecuencias en el rango de radio, porque el cambio rápido de tensión y corriente realza el acoplamiento no deseado. Los circuitos de señal pueden ser sensibles a interferencia de alta frecuencia, ya sea porque usan altas frecuencias ellos mismos (p. ej. enlaces de datos digitales serie, datos de codificador) o porque tienen sensibilidad no intencionada a altas frecuencias mucho más allá de su ancho de banda intencionado (p. ej. entradas analógicas). Un circuito de señal bien diseñado tendrá su ancho de banda adaptado a los requisitos de la aplicación, para que no sea innecesariamente sensible a perturbaciones de cambio rápido. Sin embargo, niveles altos de perturbación fuera de la banda intencionada pueden seguir causando errores por no-linealidad. Por esto, por ejemplo, es bastante común oír interferencia en un sistema de sonido causada por un móvil (celular).

Una característica importante de este tipo de ruido es que puede cubrir un rango extremadamente amplio de frecuencias. La interferencia puede ocurrir desde fuentes de frecuencia de red de 50/60 Hz hasta regiones de radiofrecuencia de móviles y otras alrededor de 2–5 GHz. Esto es un rango de 8 órdenes de magnitud, y reglas que funcionan bien para algunas frecuencias pueden ser ineficaces o incluso contraproducentes en otras. Por esto, las reglas para CEM y gestión de cables apantallados a veces parecen conflictivas —pueden haber sido pensadas para amenazas en rangos de frecuencia específicos.

Nota que otro tipo de ruido eléctrico es el ruido aleatorio generado térmicamente que existe inherentemente en todos los circuitos a temperaturas above 0 K. Esto solo interesa para equipos de recepción de radio de alta sensibilidad y no se cubre aquí.

Cómo funcionan los cables apantallados

El cable apantallado tiene uno o más hilos de señal rodeados por un conductor de apantallamiento continuo. Un cable coaxial tiene un único hilo interior rodeado por un apantallamiento y se usa principalmente para aplicaciones de radiofrecuencia. El apantallamiento se hace más comúnmente de una trenza de hilos finos, que puede complementarse con una lámina conductora. Menos comúnmente, el apantallamiento puede ser metal sólido, y puede incluir material magnético como ferrita.

El propósito del apantallamiento es impedir que energía electromagnética externa induzca una señal no deseada en el circuito de señal. Un campo electromagnético comprende campos magnéticos y eléctricos relacionados. Para ayudar a entender su operación, podemos considerar por separado el efecto en campos eléctricos y magnéticos. Para que un circuito sea inmune a interferencia electromagnética, debe ser inmune a ambos campos eléctrico y magnético.

Apantallamiento 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 incidiendo sobre un cable apantallado en un circuito de señal simple unilateral (unbalanceado) conectando una fuente de señal a una carga de señal. El campo termina en el conductor de apantallamiento y no penetra al conductor interior, así que no ocurre interferencia.

En ausencia del apantallamiento, el campo eléctrico induciría corriente en el circuito de señal siempre que cambiara. Esto causaría un error transitorio, es decir, ruido, en la tensión recibida, por una cantidad dependiente de la impedancia del circuito —cuanto mayor la impedancia, mayor el error. Normalmente, la fuente está diseñada para tener una impedancia baja para minimizar el error de tensión causado por entrada de campo eléctrico.

Figura 1: Mecanismo de apantallamiento de campo eléctrico

La conexión a tierra se muestra como opcional en la Figura 1, porque en principio no es necesaria para que el apantallamiento funcione. Lo esencial es que los polos de referencia de la fuente y la carga deben conectarse al apantallamiento para que la tensión de señal exista en el conductor interior relativo al apantallamiento.

En la práctica, dependiendo del diseño de la fuente y la carga, podrían no tolerar potenciales eléctricos en sus polos de referencia, por lo que es práctica común conectar el apantallamiento a tierra. Observa que hay solo una conexión a tierra en la Figura 1, y para apantallamiento simple de campo eléctrico no importa dónde se haga la conexión. Sin embargo, cuando el campo E varía en el tiempo, fluye una corriente a tierra debido a la carga eléctrica cambiante. Una vez que fluye una corriente, debemos considerar también los efectos de campo magnético. A medida que la frecuencia aumenta, la corriente asociada con un campo eléctrico también aumenta, así que el arreglo de la Figura 1 es realmente solo exitoso en excluir interferencia de campo eléctrico de baja frecuencia, como la de 50/60 Hz de la red.

Apantallamiento de campo magnético

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

Figura 2: Mecanismo de apantallamiento de campo magnético

Cuando el campo magnético cambia, induce un potencial en el conductor que es proporcional a la tasa de cambio de flujo magnético enlazado por el conductor, mostrado aquí como E_B1 para el apantallamiento 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 ilustrado en la Figura 2: la tensión exacta misma se induce en ambos conductores, interior y exterior (apantallamiento). Así que E_B1 = E_B2.

La razón es que el flujo magnético que enlaza el conductor de apantallamiento inherentemente también tiene que enlazar el conductor interior.

Las tensiones E_B1 y E_B2 mostradas en rojo son iguales pero opuestas en el circuito de señal, así que se cancelan en la carga.

Siempre que nada desbalancee las dos tensiones inducidas, la cancelación es muy exacta y el cable apantallado da excelente protección contra campos magnéticos cambiantes.

Observa 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 el apantallamiento y no hay nada que pueda causar un error entre E_B1 y E_B2.

En la práctica, incluso con aislamiento galvánico hay capacitancia parásita para que algo de corriente pueda fluir a frecuencias más altas. Sin embargo, cualquier corriente que fluya en el apantallamiento causa un cambio en el flujo magnético que también enlaza el conductor de señal. El mecanismo de cancelación sigue operando.

Corriente de apantallamiento a baja frecuencia

En la Figura 2, se muestra que la tensión inducida por el campo magnético externo es idéntica en ambos conductores, interior y exterior. Otra fuente de tensión que no se induce igualmente es la simple caída de tensión resistiva. La Figura 3 ilustra una situación donde ambos extremos, emisor y receptor, tienen conexiones a su chasis o tierra local, y una tensión diferencial de tierra E_D causa una corriente I_D que fluye en el apantallamiento. La tensión diferencial puede ser causada por una variedad de efectos en el sistema completo, esencialmente es la suma de las varias tensiones de ruido recogidas por el apantallamiento del cable actuando como antena receptora de ondas electromagnéticas de todo tipo, así como caídas de tensión causadas por corrientes parásitas circulantes, como a frecuencia de red.

Hay también una fuente particular de tensión diferencial de tierra en sistemas de variadores que usan un codificador de eje de motor. A pesar del uso de cable de motor apantallado, el cuerpo del motor puede tener una tensión de ruido significativa respecto a tierra debido a los pulsos PWM rápidos en el devanado del motor y cable de motor. Si el codificador de eje tiene un cuerpo metálico fijado directamente al cuerpo del motor, es difícil evitar una tensión diferencial de tierra en el apantallamiento del cable del codificador.

Figura 3: Efecto de la corriente en el apantallamiento

La corriente I_D causa una caída de tensión en el apantallamiento, con dos componentes:

• Un componente inductivo I·jωL donde L es la inductancia del apantallamiento del cable
• Un componente resistivo I·R donde R es la resistencia del apantallamiento del cable

El componente inductivo es causado por el campo magnético inducido por la corriente. El campo magnético también enlaza el conductor interior, así que contribuye igualmente a E_B1 y E_B2 y no perturba la señal recibida.

El componente resistivo no aparece en E_B2, así que aparece en serie con la señal y causa un error.

Observa que, mientras un campo eléctrico causaría una corriente inducida, así que el efecto sería proporcional a la impedancia del circuito, aquí hay una tensión inducida. Hacer la impedancia de la fuente de señal más baja 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 extendido del método de fuente de corriente 4–20 mA en sistemas de control de proceso con tendidos de cable de señal muy largos.

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

La Figura 3 también destaca el efecto de los "pigtails", es decir, longitudes de hilo usadas para hacer conexiones de retorno del apantallamiento. Puedes ver que la corriente I_D fluye en los pigtails, y cualquier caída de tensión allí en la inductancia del pigtail aparece en serie con la señal. El punto aquí es que esta es una caída de tensión inductiva que no aparece en ambos conductores, así que no es cancelada por el cable apantallado. El pigtail es perjudicial para la capacidad de apantallamiento del cable a altas frecuencias.

Tipos de apantallamiento de cable

El apantallamiento de cable tradicional es una trenza de hilos finos de cobre, con una cobertura que se acerca al 100% (es decir, mínimas "ventanas" en el trenzado). Algunos cables de datos usan una lámina metálica o una lámina de plástico metalizado, ya sea sola o con trenza.

Para ser efectivo en un rango amplio de frecuencias, el apantallamiento necesita tener cobertura máxima, baja resistencia y buena continuidad longitudinal entre trenzas para que la corriente pueda fluir por el exterior con caída de tensión mínima y mezcla mínima con la corriente en el interior. La lámina sola tiende a tener una resistencia bastante alta y no es efectiva, pero cuando se combina con trenza puede ayudar a separar las superficies conductoras interior y exterior.

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

[1] Requiere reflexión para entender esto correctamente. Todo el campo magnético causado por la corriente del apantallamiento tiene que enlazar el conductor interior. No todo el campo magnético causado por la corriente del conductor interior tiene que enlazar el apantallamiento.