Cabos blindados para circuitos de sinal (Parte 2)

A Parte 1 considerou os princípios de como os cabos blindados funcionam para evitar a interferência de campos elétricos e magnéticos. Vejamos agora alguns detalhes mais práticos.

Como conectar cabos blindados

Noções básicas

Conforme descrito na Parte 1, precisamos que a triagem seja eficaz em uma ampla gama de frequências de ameaças. Para que os cabos blindados sejam eficazes em altas frequências é essencial que a blindagem seja conectada diretamente ao polo de referência (“0V” etc.) tanto no lado emissor quanto no receptor.

O uso de um pigtail para conectar a tela reduz a eficácia da blindagem, permitindo que a corrente de ruído na tela injete uma tensão de ruído no circuito do sinal. Para um circuito verdadeiramente isolado galvanicamente isso pode não ser importante, porque o isolamento minimiza a corrente de ruído que circula e flui no pigtail. No entanto, geralmente as tranças devem ser reduzidas ao mínimo. Para circuitos de dados de banda larga, os pigtails devem ser evitados, o que pode ser obtido prendendo a blindagem do cabo diretamente ao chassi ou ponto de referência ou terra.

Por que você não conectaria as duas extremidades da tela?

Existem diretrizes em circulação que recomendam conectar a blindagem do cabo em apenas uma extremidade. Deve ficar claro a partir do exposto que isso anula o benefício de triagem de alta frequência da tela. No passado, essas diretrizes foram aplicadas a alguns tipos de circuitos de controle elétrico simples que são inerentemente imunes à interferência de alta frequência, para evitar loops de terra – veja abaixo. Também pode impedir que as correntes de falha do sistema de energia circulem nas blindagens dos cabos, mas isso deve ser alcançado adequadamente garantindo a ligação equipotencial adequada no sistema de energia.

Em sistemas de distribuição de energia existem certas aplicações em que as blindagens dos cabos de energia não devem ser conectadas em ambas as extremidades, a fim de evitar riscos potenciais de contato durante falhas ou atividade de raios; como nos sistemas de distribuição TT. Isto não se aplica aos cabos do motor dos variadores de velocidade.

Sempre que cabos de sinal passam fora de edifícios e fora de uma área de ligação equipotencial, deve-se considerar a segurança durante falhas elétricas e relâmpagos quando podem existir potenciais diferenciais de terra potencialmente perigosos.

Circuitos analógicos de um lado

Figura 4:conexão de interface analógica simples de terminação única

O tipo mais simples de interface analógica é mostrado na Figura 4. Isso é adequado para muitas aplicações gerais. A partir da explicação anterior, você verá que esse arranjo tem alguns pontos fracos, que podem ser aceitáveis ​​onde o controle de alta precisão e largura de banda larga não é necessário.

As linhas tracejadas no controlador e no inversor indicam que as conexões de 0V do controlador e do inversor geralmente estão conectadas ao terra, direta e intencionalmente ou porque alguns equipamentos do sistema possuem 0V e terra conectados internamente. Neste caso, existe o risco de perturbação das seguintes fontes:

• Corrente de ruído de alta frequência causa uma queda de tensão de ruído na indutância das conexões de pigtail a serem acopladas ao sinal analógico. Isso pode causar erros se os circuitos analógicos forem suscetíveis. Pode ser minimizado mantendo as tranças o mais curtas possível, para minimizar sua indutância. O uso de grampos de aterramento diretamente na blindagem do cabo em ambas as extremidades, fixando-o ao chassi, pode eliminar isso por completo. Isso é mostrado em azul na Figura 4.
• Corrente de ruído de baixa frequência causa queda de tensão de ruído na resistência da blindagem do cabo (e também nas tranças, mas o cabo geralmente tem a resistência mais alta). Se a frequência desse ruído estiver dentro da largura de banda do circuito analógico, ele será perturbado – por exemplo, pickup em 50/60 Hz causa vibração em um servoconversor em 50/60 Hz. Este é o “problema do loop de terra” e é mais difícil de resolver. As soluções possíveis são:
• Conecte os terminais de 0V ou terra em ambas as extremidades por um cabo de aterramento de baixa resistência para reduzir a queda de tensão.
• Use um circuito de sinal analógico balanceado (diferencial) (veja abaixo). Este é o melhor método.
• Faça a saída analógica ou o circuito de entrada isolado galvanicamente, para evitar corrente na tela.

Circuitos analógicos balanceados

Circuitos analógicos de precisão geralmente fornecem entradas diferenciais e, às vezes, saídas diferenciais. Eles são comumente fornecidos para controladores de precisão, como servoacionamentos, e também para codificadores de eixo sin/cos. Quando usados ​​corretamente, proporcionam excelente supressão de interferência de baixa frequência. Em conjunto com um cabo blindado, isso pode obter imunidade a todo o espectro de ruído. A Figura 5 mostra como usar uma entrada analógica diferencial. Observe que os núcleos de sinal normalmente seriam um par trançado, o que melhora ainda mais a imunidade ao ruído, tornando a rota dos dois condutores o mais balanceada possível.



Figura 5:Conexão da entrada analógica diferencial

Neste caso, temos uma saída do controlador single-ended e uma entrada diferencial. Utilizando dois núcleos no cabo blindado podemos conectar a entrada inversora diretamente ao pólo de referência da saída analógica do controlador. Qualquer tensão de baixa frequência induzida na blindagem do cabo é, portanto, rejeitada pela entrada, enquanto a blindagem ainda oferece sua excelente rejeição de alta frequência. A entrada diferencial não pode rejeitar a tensão de modo comum nas altas frequências, além de sua largura de banda, onde a blindagem do cabo funciona melhor. As duas técnicas combinadas fornecem rejeição de ruído em todo o espectro.

Grampos de aterramento como na Figura 4 também podem ser usados ​​para evitar o acoplamento de ruído de alta frequência causado pelas tranças.

Se o controlador também oferecer uma saída diferencial, então o AI-core pode ser conectado ao terminal AO em vez de 0V no controlador. Um caso especial é se o controlador oferece uma saída “terra virtual”, onde o terminal AO- não é uma saída, mas uma entrada de detecção. Nesse caso, a linha AO- deve ser conectada a 0V em uma extremidade ou na outra, não devendo “flutuar”.

Circuitos digitais

Os circuitos digitais não são suscetíveis a perturbações do tipo de erros de baixa frequência de baixo nível causados ​​por loops de terra. A interferência de alta frequência em um link de dados pode causar erros de bits que normalmente são detectados e rejeitados, mas se ocorrerem com muita frequência, o canal pode fechar ou apresentar desempenho inadequado. Os circuitos do codificador de eixo para feedback de velocidade/posição são particularmente inclinados a causar ruído e vibração na presença de ruído de alta frequência. Em ambos os casos, o gerenciamento correto da blindagem do cabo é essencial.

Os links de dados geralmente usam uma alta taxa de bits. Para taxas acima de cerca de 1 Mb/s, o cabo deve ser terminado corretamente em sua impedância característica para evitar erros de dados por reflexões. Para manter a correspondência, apenas comprimentos curtos de núcleos de cabos expostos podem ser tolerados.

A interface digital mais utilizada para transmissão de dados locais básicos é baseada nos padrões RS422 e RS485, que possuem transmissores e receptores diferenciais. O tipo de cabo não é especificado diretamente e, em princípio, pode não ser blindado, desde que tenha a impedância característica correta, mas geralmente é preferível o cabo blindado.

O uso de um circuito balanceado significa que o ruído injetado é rejeitado em um grau considerável porque está no modo comum, ou seja, afeta ambas as linhas igualmente e, portanto, não aparece como sinal. No entanto, os transmissores e receptores têm limites para sua faixa de modo comum, portanto, ocorrem erros se a tensão do ruído for muito alta ou mudar muito rapidamente, bem como se a assimetria fizer com que o ruído do modo comum seja acoplado ao modo série. Os chips de driver de linha padrão usados ​​na maioria das portas têm uma faixa de modo comum de cerca de 5V e apresentam erros graves se isso for excedido. Isso pode ser aumentado usando portas isoladas galvanicamente, mas isso é caro.

A Figura 6 mostra como organizar uma conexão de porta RS485 básica.





Figura 6:conexão de dados RS485 básica (apenas 2 nós mostrados)

Nos equipamentos da Control Techniques, o terminal de referência é mostrado como “0V” na Figura 6. Em outros equipamentos, pode ser chamado de “G” ou “GND” para terra, “SC” para tela ou “referência”. Às vezes, é deixado desconectado ou até mesmo não fornecido. Isso pode ser bem-sucedido para links curtos ou onde as portas têm isolamento galvânico bem projetado. Geralmente é preferível conectar 0V à blindagem do cabo.

RS485 permite a conexão multi-drop de várias portas. O efeito da pequena incompatibilidade de impedância em cada porta, bem como o ruído injetado de cada pigtail, torna o arranjo cada vez mais sensível a perturbações à medida que o número de portas aumenta. Protocolos de comunicação completos usando altas taxas de dados, como o Profibus, usam hardware definido que, nesse caso, requer a fixação direta das telas dos cabos nos conectores para evitar tranças, e a rede de impedância de terminação correta a ser conectada apenas nos nós finais.

Terminais e conectores

Muitos conectores industriais são projetados sem provisão adequada para o gerenciamento de blindagens de cabos porque não foram projetados para serem usados ​​em alta frequência. Para aplicações gerais, geralmente é tolerável conectar a tela através de uma trança curta a um pino do conector. No entanto, é preferível passar a ligação de blindagem através do corpo condutor do conector para que continue a envolver os condutores de sinal, como é sempre o caso de um conector de radiofrequência. Se um circuito de sinal passa por vários conectores, cada um com seu par de tranças, o ruído injetado em cada conector se acumula.

Uma maneira de gerenciar conexões de tela é prender as telas juntas ou em uma peça de metal comum. O hardware para isso está disponível nos fornecedores de bornes de parafuso. A ideia é ilustrada na Figura 7.



Figura 7:telas de conexão em um bloco de terminais ou conector

A finalidade do grampo é evitar conexões de tela de pigtail e, portanto, evitar a injeção da tensão de ruído que apareceria nos pigtails. Ele liga as telas com o mínimo de indutância parasita. A pequena área de condutor não blindado exposto nos terminais aqui é muito menos importante do que as tranças. A razão é que os condutores não blindados são expostos apenas a campos eletromagnéticos nas imediações dos terminais, enquanto os pigtails estariam transportando uma corrente de ruído que foi coletada ao longo de toda a extensão do cabo blindado.

Normalmente, os grampos seriam fixados em peças metálicas aterradas, mas isso ocorre principalmente por motivos de segurança. O benefício EMC é o link de indutância muito baixa entre as duas telas de cabo.

Ethernet

Ethernet é uma exceção a todos os itens acima. A Ethernet moderna não precisa de cabo blindado, mas depende de um cabo de par trançado não blindado muito bem balanceado em conjunto com o acoplamento de transformador balanceado com isolamento galvânico para fornecer excelente imunidade a ruído de modo comum. Também não usa uma estrutura multi-drop, então a tendência de acumular corrente de ruído em vários nós também é evitada.

Circuitos de aterramento

Tendo visto o efeito de resistência na Figura 3, estamos bem posicionados para entender porque em algumas aplicações é aconselhável não conectar a blindagem do cabo em ambas as extremidades. A tensão de erro IR não apareceria se a tela estivesse conectada apenas em uma extremidade porque não poderia haver corrente na tela. Este conselho pode ser dado para “evitar loops de terra”. No entanto, o cabo terá perdido todas as suas capacidades de blindagem de campo magnético, o que significa suas capacidades de blindagem de alta frequência. Este conselho só é correto em uma situação muito particular, quando todos estes se aplicam:

• Tensões de terra diferenciais em baixas frequências (por exemplo, rede elétrica) estão presentes ou campos magnéticos dispersos na frequência da rede elétrica.
• O circuito usa sinais analógicos que são sensíveis a pequenas perturbações na frequência da rede.
• A tela é necessária apenas para proteção contra acoplamento de campo elétrico, em baixas frequências.

O caso mais comum para isso é em sistemas de áudio analógico, onde mesmo um pequeno nível de captação de rede causa um “zumbido” irritante. Também pode ser aplicado em servocontroladores com interfaces analógicas, mas é melhor usar uma interface diferencial conforme explicado acima.

Cabo de blindagem dupla

O cabo de blindagem dupla às vezes é recomendado, especialmente com interfaces de codificador de eixo onde normalmente há três pares balanceados de núcleos de dados que são blindados como pares, possivelmente alguns núcleos de energia e uma blindagem geral.

Em princípio, apenas uma tela é necessária para cada par de dados, e pode ser a tela geral ou as telas individuais. No entanto, os benefícios do cabo de blindagem dupla são:

• A tela externa pode ser fixada no motor e no corpo do codificador, resultando em alta corrente de ruído na tela que pode ser retornada ao terra no inversor sem entrar nos terminais de 0V do circuito de interface do codificador
• Os terminais de 0V podem ser mantidos isolados do terra – se isso for exigido pelo projeto do sistema – enquanto ainda fornecem uma tela geral de alta frequência conectada ao terra.
• A corrente do circuito de aterramento pode ser restrita apenas à tela externa.
• A impedância dos pares individuais é bem controlada por causa de suas telas individuais

A Figura 8 ilustra como isso seria conectado (dois canais mostrados para maior clareza).



Figura 8:Conexão do cabo do codificador de blindagem dupla

Referência

Henry W Ott:Engenharia de compatibilidade eletromagnética:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

Outro livro recomendado

Tim Williams e Keith Armstrong:EMC para Sistemas e Instalações:Newnes:ISBN 9780750641678