Cabos Blindados para Circuitos de Sinal: Parte 1 – Melhores Práticas

Este conjunto de dois artigos analisa o uso de cabos blindados (também referidos como shielded) para circuitos de sinal. O assunto foi referido no meu artigo sobre EMC, e prometi revisitá-lo em mais detalhe.

Um artigo posterior discutirá o cabo de potência blindado recomendado para conectar o VSD CA ao seu motor. Em ambos os casos, o propósito da blindagem é evitar acoplamento eletromagnético indesejado entre o circuito dentro da blindagem e outros circuitos fora. Uma diferença chave é que a blindagem do cabo de motor está lá para proteger circuitos externos, enquanto a blindagem do cabo de sinal é para proteger o circuito dentro dela de interferência por ruído elétrico externo.

Cabos blindados são comuns em sistemas eletrônicos e geralmente tomados como garantidos. No entanto, não são tão simples quanto parecem, e são frequentemente mal utilizados e mal compreendidos. Felizmente, circuitos eletrônicos modernos têm geralmente boa imunidade a ruído elétrico, então sistemas geralmente funcionam apesar de más práticas no gerenciamento de cabos. No entanto, ao usar inversores de frequência, torna-se bem mais importante usar prática correta porque o inversor gera níveis bastante altos de ruído eletromagnético, que pode causar perturbação nos circuitos de controle associados se não forem propriamente arranjados.

A Parte 1 analisa princípios gerais de cabos de sinal blindados, e a Parte 2 analisa 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 ambas as extremidades da blindagem?
2. Devo não conectar ambas as extremidades da blindagem??
3. A blindagem deve ser conectada à terra (ground)?
4. Devo me preocupar com loops de terra (ground loops)?
5. Quanto tempo pode ter o pigtail de terra?
6. Como conectar através de um bloco de terminais?
7. Como conectar um circuito analógico balanceado (diferencial)?
8. E o Ethernet? Cabo não blindado pode funcionar?

Alguns termos críticos

Na explicação seguinte:

O terra (ground/earth) é o terra de segurança ou terra (PE) em um sistema conectado à rede, que é finalmente conectado à rede de ligação de proteção do edifício e à terra física (earth) abaixo. Quando circuitos de sinal são conectados à terra e a conexão não é feita por razões de segurança, isso pode ser referido como terra funcional, distinto do terra de segurança.

O retorno de sinal, comum ou conexão de referência em um sistema é referido aqui como o "polo de referência". Em equipamentos Control Techniques, isso é referido como a conexão "0V". Isso é frequentemente conectado à 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 referida como o "chassi". Isso geralmente está conectado à terra por razões de segurança, mas para considerações de ruído elétrico é mais importante que compreenda uma superfície condutora ampla que é improvável de ter potenciais elétricos diferentes ao seu redor.

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

"Alta frequência" significa amplamente uma frequência na faixa de comunicação de rádio, bem acima da frequência de corte do cabo, ex.: acima de cerca de 50 kHz. Em inversores de frequência, tais altas frequências ocorrem como efeito colateral da comutação muito rápida dos semicondutores de potência.

O que é ruído elétrico (interferência)?

Ruído elétrico aqui refere-se ao efeito de 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 mudança rápida de tensão e corrente realça o acoplamento indesejado. Circuitos de sinal podem ser sensíveis a interferência de alta frequência, seja porque usam altas frequências eles mesmos (ex.: enlaces de dados digitais seriais, dados de encoder) ou porque têm sensibilidade não intencional a altas frequências bem além de sua banda intencional (ex.: entradas analógicas). Um circuito de sinal bem projetado terá sua banda adaptada aos requisitos da aplicação, para que não seja desnecessariamente sensível a distúrbios de mudança rápida. No entanto, níveis altos de perturbação fora da banda intencional ainda podem causar erros por não-linearidade. É por isso que, por exemplo, é bastante comum ouvir interferência em um sistema de som causada por um telefone móvel (celular).

Uma característica importante deste tipo de ruído é que pode cobrir uma faixa extremamente ampla de frequências. Interferência pode ocorrer de fontes de frequência de rede de 50/60 Hz até regiões de radiofrequência de telefone móvel e outras de cerca de 2–5 GHz. Isso é uma faixa de 8 ordens de magnitude, e regras que funcionam bem para algumas frequências podem ser ineficazes ou até contraproducentes em outras. É por isso que regras para EMC e gerenciamento de cabos blindados às vezes podem parecer conflitantes – podem ter sido destinadas a ameaças em faixas de frequência específicas.

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

Como cabos blindados funcionam

O cabo blindado tem um ou mais condutores de sinal envolvidos por um condutor de blindagem contínuo. Um cabo coaxial tem um único núcleo interno envolvido por uma blindagem e é usado principalmente para aplicações de radiofrequência. A blindagem é mais comumente feita de uma trama de fios finos, que pode ser suplementada por uma folha condutiva. Menos comumente, a blindagem pode ser metal sólido, e pode incluir material magnético como ferrita.

O propósito da blindagem é impedir que energia eletromagnética externa induza um sinal indesejado no circuito de sinal. Um campo eletromagnético compreende campos magnético e elétrico relacionados. Para ajudar a entender sua operação, podemos primeiro considerar separadamente o efeito em campos elétricos e magnéticos. Para um circuito ser imune a interferência eletromagnética, ele deve ser imune a ambos campos elétricos e magnéticos.

Blindagem 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 incidindo sobre um cabo blindado em um circuito de sinal simples unilateral (desbalanceado) conectando uma fonte de sinal a uma carga de sinal. O campo termina no condutor de blindagem e não penetra no condutor interno, então nenhuma interferência ocorre.

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

Figura 1: Mecanismo de blindagem de campo elétrico

A conexão de terra é mostrada como opcional na Figura 1, porque em princípio não é necessária para a blindagem funcionar. O que é essencial é que os polos de referência da fonte e da carga devem ser conectados à blindagem para que a tensão de sinal exista no condutor interno relativo à blindagem.

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

Blindagem de campo magnético

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

Figura 2: Mecanismo de blindagem 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 blindagem 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:

Exatamente a mesma tensão é induzida tanto no condutor interno quanto no externo (blindagem). Então E_B1 = E_B2.

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

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

Desde que nada aconteça para desbalancear as duas tensões induzidas, o cancelamento é muito exato e o cabo blindado dá excelente proteção contra campos magnéticos variáveis.

Note que na Figura 2, nem a fonte nem a carga estão conectadas a qualquer outro circuito, ou seja, são galvanicamente isoladas. Neste caso, nenhuma corrente pode fluir na blindagem e não há nada que pudesse causar erro entre E_B1 e E_B2.

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

Corrente de blindagem de baixa frequência

Na Figura 2, mostra-se que a tensão induzida pelo campo magnético externo é idêntica em ambos condutores interno e externo. Outra fonte de tensão que não é induzida igualmente é a simples queda de tensão resistiva. A Figura 3 ilustra uma situação onde as extremidades de envio e recepção têm conexões aos seus respectivos chassis ou terra, e uma tensão diferencial de terra E_D causa uma corrente I_D a fluir na blindagem. A tensão diferencial pode ser causada por uma variedade de efeitos no sistema completo, essencialmente é a soma das várias tensões de ruído que são captadas 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 diferencial de terra em sistemas de inversores usando encoder de eixo do motor. Apesar do uso de cabo de motor blindado, o corpo do motor pode ter uma tensão de ruído significativa relativa à terra devido aos pulsos PWM rápidos no enrolamento do motor e cabo de motor. Se o encoder de eixo tem corpo metálico fixado diretamente ao corpo do motor, então é difícil evitar uma tensão diferencial de terra na blindagem do cabo do encoder.

Figura 3: Efeito da corrente na blindagem

A corrente I_D causa uma queda de tensão na blindagem, com dois componentes:

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

O componente indutivo é causado pelo campo magnético induzido pela corrente. O campo magnético também liga o condutor interno, então contribui igualmente para E_B1 e E_B2 e não perturba o sinal recebido.[1]

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

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

Em altas frequências onde a indutância do cabo domina sua impedância, IR é relativamente pequeno. Também, devido ao efeito de pele, a resistência efetiva é menor em alta frequência, pois a corrente flui principalmente no exterior da blindagem, não no interior. 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 da blindagem, abaixo da qual é ineficaz. Tende a estar na faixa de 1 kHz a 10 kHz para cabos comumente usados [veja página 62 da referência, por exemplo].

A Figura 3 também destaca o efeito de "pigtails", ou seja, comprimentos de fio usados para fazer conexões de retorno da blindagem. Você pode ver que a corrente I_D flui nos pigtails, e qualquer queda de tensão lá 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 condutores, então não é cancelada pelo cabo blindado. O pigtail é prejudicial à capacidade de blindagem do cabo em frequências mais altas.

Tipos de blindagem de cabo

A blindagem tradicional de cabo é uma trama de fios finos de cobre, com cobertura aproximando 100% (ou seja, mínimas "janelas" na trama). Alguns cabos de dados usam folha metalizada ou folha plástica metalizada, sozinha ou com trama.

Para ser eficaz sobre uma ampla faixa de frequências, a blindagem precisa ter cobertura máxima, baixa resistência, e boa continuidade longitudinal entre tramas para que a corrente possa fluir ao longo do exterior com queda de tensão mínima e mistura mínima com a corrente no interior. Folha sozinha tende a ter resistência bastante alta e não é eficaz, mas quando combinada com trama pode ajudar a separar as superfícies condutoras interna e externa.

Referência

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

Outro livro recomendado

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

[1] Requer algum pensamento para entender isso propriamente. Todo o campo magnético causado pela corrente na blindagem tem que ligar o condutor interno. Nem todo o campo magnético causado pela corrente no condutor interno tem que ligar a blindagem.