Cabos blindados para circuitos de sinal (Parte 1)

Este conjunto de dois blogs analisa o uso de cabos blindados (também chamados de blindados) para circuitos de sinal. O assunto foi mencionado em meu blog da EMC e prometi revisitá-lo com mais detalhes.

Um blog posterior discutirá o cabo de alimentação blindado recomendado para conectar o AC VSD ao seu motor. Em ambos os casos, o objetivo da tela é evitar acoplamento eletromagnético indesejado entre o circuito dentro da tela e outros circuitos externos. Uma diferença fundamental é que a blindagem do cabo do motor existe para proteger os circuitos externos, enquanto a blindagem do cabo de sinal serve para proteger o circuito interno contra interferência de ruído elétrico externo.

Cabos blindados são comuns em sistemas eletrônicos e geralmente são aceitos como garantidos. No entanto, eles não são tão simples quanto parecem, e são frequentemente mal utilizados e mal compreendidos. Felizmente, os circuitos eletrônicos modernos geralmente têm boa imunidade ao ruído elétrico, de modo que os sistemas geralmente funcionam apesar das más práticas no gerenciamento de cabos. No entanto, ao usar variadores de velocidade, torna-se mais importante usar a prática correta, pois o inversor gera níveis bastante elevados de ruído eletromagnético, que pode causar distúrbios nos circuitos de controle associados se não estiverem dispostos adequadamente.

A parte 1 aborda os princípios gerais dos cabos de sinal blindados e a parte 2 aborda alguns detalhes práticos mais específicos.

Algumas perguntas comuns

Existem várias regras promovidas para o gerenciamento de cabos blindados que surgiram por boas razões, mas podem ser conflitantes e confusas. Aqui estão algumas perguntas comuns que espero responder:

1. Devo conectar as duas extremidades da tela?
2. Devo não conectar as duas extremidades da tela?
3. A tela deve ser conectada ao terra (terra)?
4. Devo me preocupar com loops de terra?
5. Qual ​​o comprimento do rabo de cavalo?
6. Como me conecto por meio de um bloco de terminais?
7. Como conecto um circuito analógico balanceado (diferencial)?
8. E a Ethernet? O cabo não blindado pode funcionar?

Alguns termos críticos

Na seguinte explicação:

O terreno é o aterramento de segurança ou terra (PE) em um sistema conectado à rede elétrica, que é finalmente conectado à rede de ligação de proteção do edifício e ao aterramento físico (terra) abaixo. Quando os circuitos de sinal são conectados ao terra e a conexão não é feita por motivos de segurança, isso pode ser chamado de terra funcional, diferentemente do terra de segurança.

O retorno de sinal ou conexão comum ou de referência em um sistema é referido aqui como o “pólo de referência ”. Nos equipamentos da Control Techniques, isso é chamado de conexão “0V”. Isso geralmente é conectado ao terra, mas não precisa ser. Alguns circuitos de dados balanceados podem não ter um polo de referência.

Em um painel elétrico, a massa principal da construção metálica é chamada de “chassis ”. Isso geralmente é conectado ao terra por razões de segurança, mas por questões de ruído elétrico é mais importante que compreenda uma superfície condutora ampla que provavelmente não terá diferentes potenciais elétricos ao seu redor.

Em um circuito de sinal balanceado ou push-pull, as linhas de sinal são chamadas de A+ e A-. Dependendo do projeto, pode ou não haver uma conexão de 0V ou chassi associada.

“Alta frequência ” significa amplamente uma frequência na faixa de comunicação de rádio, bem acima da frequência de corte do cabo, por exemplo acima de cerca de 50 kHz ou próximo. Em acionamentos de velocidade variável, essas altas frequências ocorrem como um efeito colateral da comutação muito rápida dos semicondutores de potência.

O que é ruído elétrico (interferência?)

O ruído elétrico aqui se refere ao efeito da interação indesejada de circuitos elétricos. Toda atividade elétrica resulta em campos eletromagnéticos que podem induzir sinais elétricos indesejados em circuitos próximos. Geralmente os efeitos tendem a ser piores para frequências na faixa de rádio, porque a rápida mudança de tensão e corrente aumenta o acoplamento indesejado. Os circuitos de sinal podem ser sensíveis à interferência de alta frequência, seja porque eles próprios usam altas frequências (por exemplo, links de dados digitais seriais, dados de codificador) ou porque têm sensibilidade não intencional a altas frequências muito além da largura de banda pretendida (por exemplo, entradas analógicas). Um circuito de sinal bem projetado terá sua largura de banda adaptada aos requisitos da aplicação, de modo que não seja desnecessariamente sensível a distúrbios que mudam rapidamente. No entanto, altos níveis de perturbação fora da faixa pretendida ainda podem causar erros devido à não linearidade. É por isso que, por exemplo, é bastante comum ouvir interferências em um sistema de som causadas por um telefone celular (celular).

Uma característica importante desse tipo de ruído é que ele pode cobrir uma faixa extremamente ampla de frequências. A interferência pode ocorrer de fontes de frequência de rede de 50/60 Hz até telefones celulares e outras regiões de frequência de rádio de cerca de 2 a 5 GHz. Esta é uma faixa de 8 ordens de magnitude, e as regras que funcionam bem para algumas frequências podem ser ineficazes ou até mesmo contraproducentes em outras. É por isso que as regras para EMC e para gerenciamento de cabos blindados às vezes podem parecer conflitantes - elas podem ter sido destinadas a ameaças em faixas de frequência específicas.

Observe que outro tipo de ruído elétrico é o ruído aleatório gerado termicamente que existe inerentemente em todos os circuitos em temperaturas acima de 0 K. Isso é de interesse apenas para equipamentos de recepção de rádio altamente sensíveis e não é abordado aqui.

Como funcionam os cabos blindados

O cabo blindado tem um ou mais núcleos de sinal cercados por um condutor blindado contínuo. Um cabo coaxial tem um único núcleo interno cercado por uma tela e é usado principalmente para aplicações de radiofrequência. A tela é mais comumente feita de uma trança de fios finos, que pode ser complementada por uma folha condutora. Menos comumente, a tela pode ser de metal sólido e pode incluir material magnético, como ferrite.

O objetivo da tela é evitar que a energia eletromagnética externa induza um sinal indesejado no circuito de sinal. Um campo eletromagnético compreende campos magnéticos e elétricos relacionados juntos. Para ajudar a entender seu funcionamento, podemos primeiro considerar separadamente o efeito nos campos elétricos e nos campos magnéticos. Para que um circuito seja imune à interferência eletromagnética, ele deve ser imune a campos elétricos e magnéticos.

Triagem de campo elétrico

Este é o mecanismo mais simples de entender. A Figura 1 mostra um campo elétrico E de uma fonte de ruído externa colidindo com um cabo blindado em um circuito de sinal simples de linha única (desbalanceado) conectando uma fonte de sinal a uma carga de sinal. O campo termina no condutor de blindagem e não penetra no condutor interno, portanto, não ocorre interferência.

Na ausência da tela, o campo elétrico induziria corrente no circuito de sinal sempre que mudasse. Isso causaria um erro transitório, ou seja, ruído, na tensão recebida, em uma quantidade que depende da impedância do circuito – quanto maior a impedância, maior o erro. Normalmente a fonte é projetada para ter uma baixa impedância a fim de minimizar o erro de tensão causado pela entrada do campo elétrico.



Figura 1:mecanismo de triagem de campo elétrico

A ligação à terra é mostrada como opcional na Figura 1, pois em princípio não é necessária para que a tela funcione. O essencial é que os polos de referência da fonte e da carga estejam conectados à blindagem para que a tensão do sinal exista no condutor interno em relação à blindagem.

Na prática, dependendo do projeto da fonte e da carga, eles podem não tolerar potenciais elétricos em seus polos de referência, por isso é prática comum conectar a tela ao terra. Observe que há apenas uma única conexão ao terra na Figura 1 e, para uma simples blindagem de campo elétrico, não importa onde a conexão é feita. No entanto, quando o campo E está variando no tempo, uma corrente flui para a terra devido à mudança de carga elétrica. Uma vez que uma corrente flui, devemos também considerar os efeitos do campo magnético. À medida que a frequência aumenta, a corrente associada a um campo elétrico também aumenta, de modo que o arranjo da Figura 1 só é realmente bem-sucedido na exclusão de interferência de campo elétrico de baixa frequência, como da rede elétrica de 50/60 Hz.

Triagem de campo magnético

O efeito de blindagem do campo magnético de um cabo blindado é um pouco mais difícil de entender, mas igualmente importante. Onde quer que as correntes elétricas fluam, existem campos magnéticos associados que podem induzir potenciais elétricos em circuitos quando eles mudam. A Figura 2 mostra um fluxo magnético B, originado de um circuito externo de transporte de corrente, ligando o mesmo circuito da Figura 1.



Figura 2:mecanismo de triagem de campo magnético

Quando o campo magnético muda, ele induz um potencial no condutor que é proporcional à taxa de variação do fluxo magnético ligado pelo condutor, mostrado aqui como E_B1 para a tela e E_B2 para o condutor interno.

O potencial induzido representaria um erro transitório no sinal recebido, ou seja, ruído, exceto pelo fato ilustrado na Figura 2:

A exata mesma tensão é induzida nos condutores interno e externo (tela). Então E_B1 =E_B2 .

A razão para isso é que o fluxo magnético que liga o condutor de tela tem inerentemente também para ligar o condutor interno.

As tensões E_B1 e E_B2 mostrados em vermelho são iguais, mas opostos no circuito de sinal, então eles se cancelam na carga.

Desde que nada aconteça para desequilibrar as duas tensões induzidas, o cancelamento é muito exato e o cabo blindado oferece excelente proteção contra mudanças de campos magnéticos.

Observe que na Figura 2 nem a fonte nem a carga estão conectadas a nenhum outro circuito, ou seja, estão isoladas galvanicamente. Neste caso, nenhuma corrente pode fluir na tela e não há nada que possa causar um erro entre E_B1 e E_B2 .

Na prática, mesmo com isolamento galvânico, há capacitância parasita para que alguma corrente possa fluir nas frequências mais altas. No entanto, qualquer corrente que flui na tela causa uma mudança no fluxo magnético que também liga o condutor de sinal. O mecanismo de cancelamento ainda funciona.

Corrente de tela de baixa frequência

Na Figura 2, mostra-se que a tensão induzida pelo campo magnético externo é idêntica nos condutores interno e externo. Outra fonte de tensão que não é igualmente induzida é a simples queda de tensão resistiva. A Figura 3 ilustra uma situação em que as extremidades de envio e recebimento têm conexões com seu chassi ou terra local e uma tensão de diferença de terra E_D causa uma corrente I_D fluir na tela. A diferença de tensão pode ser causada por uma variedade de efeitos no sistema completo, essencialmente é a soma das várias tensões de ruído que são reunidas pela blindagem do cabo agindo como uma antena receptora para ondas eletromagnéticas de todos os tipos, bem como quedas de tensão causadas por correntes parasitas circulantes, como na frequência da rede.

Há também uma fonte particular de tensão de diferença de terra em sistemas de acionamento usando um codificador de eixo do motor. Apesar do uso de cabo de motor blindado, o corpo do motor pode ter uma tensão de ruído significativa em relação ao terra devido aos pulsos PWM rápidos no enrolamento do motor e no cabo do motor. Se o encoder do eixo tiver um corpo de metal fixado diretamente no corpo do motor, é difícil evitar uma tensão diferencial de terra na blindagem do cabo do encoder.



Figura 3:Efeito da corrente da tela

O atual I_D provoca uma queda de tensão na tela, com dois componentes:

• Um componente indutivo IjwL onde L é a indutância da blindagem do cabo
• Um componente resistivo IR onde R é a resistência da blindagem do cabo

A componente indutiva é causada pelo campo magnético induzido pela corrente. O campo magnético também liga o condutor interno, por isso contribui igualmente para E_B1 e E_B2 e não perturba o sinal recebido.[1]

O componente resistivo não aparece em E_B2 , então ele aparece em série com o sinal e causa um erro.

Observe que enquanto um campo elétrico causaria uma corrente induzida, de modo que o efeito seria proporcional à impedância do circuito, aqui há uma tensão induzida. Diminuir a impedância da fonte de sinal não reduz o erro. Quando a indução do campo magnético é a principal fonte de interferência, a melhor técnica é usar um sinal de corrente, e esta é a razão para o uso generalizado do método de fonte de corrente de 4 – 20 mA em sistemas de controle de processo com cabos de sinal muito longos.

Em altas frequências onde a indutância do cabo domina sua impedância, o IR é relativamente pequeno. Além disso, devido ao efeito pelicular, a resistência efetiva é menor em alta frequência, pois a corrente flui principalmente na parte externa da tela, não na parte interna. O resultado disso é que em frequências mais baixas a blindagem do cabo se torna menos eficaz. Isso pode ser medido como uma frequência de corte de tela, abaixo da qual é ineficaz. Ele tende a estar na faixa de 1 kHz a 10 kHz para cabos comumente usados ​​[consulte a página 62 da referência, por exemplo].

A Figura 3 também destaca o efeito de “tranças”, ou seja, comprimentos de fio usados ​​para fazer conexões de retorno de tela. Você pode ver que o atual I_D flui nos pigtails, e qualquer queda de tensão na indutância do pigtail aparece em série com o sinal. O ponto aqui é que esta é uma queda de tensão indutiva que não aparece em ambos os condutores, portanto, não é cancelada pelo cabo blindado. O pigtail é prejudicial à capacidade de blindagem do cabo em frequências mais altas.

Tipos de tela de cabo

A blindagem tradicional do cabo é uma trança de fios de cobre finos, com uma cobertura próxima de 100% (ou seja, “janelas” mínimas na trança). Alguns cabos de dados usam uma folha de metal ou uma folha de plástico metalizado, sozinho ou com uma trança.

Para ser eficaz em uma ampla faixa de frequências, a tela precisa ter cobertura máxima, baixa resistência e boa continuidade longitudinal entre as tranças para que a corrente possa fluir ao longo do lado de fora com queda de tensão mínima e mistura mínima com a corrente no interior. A folha sozinha tende a ter uma resistência bastante alta e não é eficaz, mas quando combinada com trança pode ajudar a separar as superfícies condutoras internas e externas.

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





[1] É preciso pensar um pouco para entender isso corretamente. Todo o campo magnético causado pela corrente da tela deve ligar o condutor interno. Nem todo o campo magnético causado pela corrente do condutor interno tem que ligar a tela.