Las conexiones a masa de un cable apantallado: ¿en uno o dos lados?

El modo de conectar a masa la pantalla de un cable apantallado forma parte de las eternas discusiones de siempre que vuelven a salir continuamente en las conversaciones entre ingenieros de diseño y técnicos en instalaciones, en el caso de tener problemas de interferencias electromagnéticas (EMI).

 

En este post analizaremos este tema  … (Leer más



Un primer punto que debe estar claro es que disponer un cable apantallado y no conectar su pantalla a masa puede ser peor que usar un simple cable sin pantalla. Al conectar la pantalla a masa en los dos extremos, la diferencia de potencial entre masas puede dar problemas de EMI.

 

Si esto ocurre se debe evitar la excesiva diferencia de potencial entre masas con técnicas de aislamiento adecuadas o usando cables en paralelo entre masas para obtener una buena equipotencialidad entre los diferentes puntos de masa (cables PEC).

 

La solución no debe consistir en conectar la pantalla en un solo extremo.

CONEXIÓN A MASA DE LA PANTALLA EN UN SOLO EXTREMO. ACOPLO DE CAMPO ELÉCTRICO.

Para analizar esta problemática asumimos las siguientes condiciones:

 

1. Las pantallas están hechas de materiales no magnéticos (permeabilidad magnética igual a 1, de cobre o aluminio), usualmente de cobre y/o aluminio y tienen un espesor mucho menor a la profundidad del efecto pelicular a la frecuencia de interés. Si la pantalla es más gruesa que la profundidad del efecto pelicular existe un efecto de blindaje adicional.


2. El acoplo entre el emisor de interferencias y el receptor es débil y no carga el emisor. Es decir, el consumo solicitado al emisor es muy bajo.


3. Las corrientes inducidas en el circuito receptor son lo suficientemente pequeñas como para no distorsionar el campo original.


4. Los cables son electromagnéticamente cortos en comparación con la longitud de onda de la señal

 

Debemos considerar tres tipos de acoplo:

 

El primero es el acoplo capacitivo o eléctrico, que resulta de la interacción del campo eléctrico entre dos circuitos. El segundo es el acoplo inductivo o magnético, que resulta de la interacción del campo magnético entre dos circuitos. El tercero es una combinación de campo eléctrico y magnético y se denomina acoplo electromagnético o por radiación. Las técnicas desarrolladas para hacer frente al acoplo eléctrico también son apropiadas para el caso electromagnético.

 

La figura 1 muestra el acoplo capacitivo entre un conductor generador de EMI y un cable apantallado ideal. La capacidad C12 es la capacidad parásita entre los conductores 1 y 2, consistente principalmente en la capacidad entre el conductor 1 y las partes no apantalladas del conductor 2 (partes F). Si la pantalla es de cobre trenzado, cualquier capacidad que exista entre los conductores 1 y 2 a través de los agujeros en la trenza también debe incluirse en C12. La capacidad C1G es la capacidad entre el conductor 1 y masa, C2G es la capacidad entre el conductor 2 y masa, y R es la resistencia del conductor 2 a masa. 

 


La resistencia R resulta del circuito conectado al conductor 2 y no es un componente parásito. La capacidad C2G es la suma de la capacidad parásita del conductor 2 a masa más el efecto de cualquier circuito conectado al conductor 2. C1S es la capacidad entre el conductor 1 y la pantalla. CSG es la capacidad entre la pantalla y masa. 

La tensión V1 en el conductor 1 es la fuente de EMI y el conductor 2 es el circuito receptor afectado. Cualquier capacidad conectada directamente al generador, como C1G , puede despreciarse porque no tiene ningún efecto sobre el acoplo de las EMI. La tensión VN es el ruido de EMI captado entre el conductor 2 y masa.

 

El efecto de la pantalla debido al acoplo capacitivo se puede considerar en el caso de un conductor apantallado ideal con el conductor de señal totalmente protegido por la pantalla. 

El circuito equivalente para este caso ideal se muestra en la figura 2. Vamos a analizar esta configuración en tres etapas. Así, en la primera etapa E1 en la figura 2, el conductor 2 no sale fuera de la pantalla (partes F) debemos considerar la situación ideal donde:

 

  1. La pantalla encierra completamente el conductor 2; ninguna parte del conductor 2 se extiende fuera de la pantalla (R, C12 y C2G no intervienen).
  2. La pantalla es sólida: no hay agujeros en la pantalla; es decir, no es una pantalla de cobre trenzado. 
  3. La pantalla y el conductor 2 no tienen impedancia (Z) de terminación (Z a masa).

 

 

La pantalla es un conductor expuesto al conductor 1 y, debido a que no tiene impedancia de terminación, tiene una alta impedancia a masa (idealmente infinita). Por lo tanto, la tensión de ruido en la pantalla será VS :   

 


En la segunda etapa (E2, figura 2) de este análisis, el conductor 2 sale fuera de la pantalla. Así, las partes F quedan expuestas al campo eléctrico del conductor 1 (intervienen C12 y C2G). Si no consideramos la resistencia  R, la única impedancia conectada al conductor 2, cuando éste queda expuesto fuera de la pantalla, es la capacidad interna C2S, entre la pantalla y el conductor 2. Como no hay otras impedancias conectadas al conductor 2, (no consideramos R) no puede circular corriente a través de C2S. Como resultado, no puede haber caída de tensión en C2S, y la tensión en el conductor 2 será:   VN = VS

 

Por lo tanto, la pantalla no reduce la tensión de ruido captada en el conductor 2 y, por ello, al estar flotante respecto a masa no es efectiva. Si, la pantalla se conecta a masa, la tensión VS es cero y, por tanto, la tensión de ruido VN en el conductor 2 también es cero. Por ello,  podemos  asegurar que la pantalla no es efectiva a menos que esté debidamente conectada a masa.  En muchos casos la terminación de la pantalla es más importante que las características de la propia pantalla en sí. En la práctica, el conductor central se extiende más allá de la pantalla, quedando expuesto, y sobresaliendo las partes F de la figura 1.

 

Incluso si la pantalla está conectada a masa, ahora se acopla una tensión de ruido en el conductor 2. Su magnitud se expresa de la siguiente manera:

El valor de C12 y, por lo tanto, VN depende principalmente de la longitud de las partes F del conductor 2 que se extienden más allá de la pantalla y, en menor medida, de los agujeros presentes en la pantalla trenzada de cobre. Para tener un buen blindaje contra campo eléctrico, por lo tanto, es necesario:

 

(a) minimizar la longitud del conductor central que se extiende más allá del pantalla (partes F) y

(b) proporcionar una buena conexión de la pantalla a masa.

 

Una sola conexión a masa de la pantalla en un extremo es una buena protección contra el campo eléctrico, siempre que el cable sea más corto de la longitud de onda de la señal dividido por 20. En cables más largos, pueden ser necesarias varias conexiones a masa.

 

En la tercera etapa (E3, figura 2) del análisis, si al conductor receptor 2 se le añade la resistencia R a masa y si se cumple la condición usual:

entonces la tensión de ruido acoplado al conductor 2 es

Esto es lo mismo que para un cable sin pantalla, excepto que C12 se reduce en gran medida debido a  la presencia de la pantalla. La tensión de ruido VN debida al acoplo capacitivo se reduce bajando la frecuencia f, la resistencia R, la capacidad de acoplo C12 y lógicamente reduciendo la tensión perturbadora V1.

 

 La conexión de la pantalla a masa en un solo extremo solo protege contra el acoplo capacitivo o de campo eléctrico. 

CONEXIÓN A MASA DE LA PANTALLA EN LOS DOS EXTREMOS. ACOPLO DE CAMPO MAGNÉTICO

La figura 3 muestra una pantalla no magnética de cobre o aluminio, sin conexión a masa colocada alrededor del conductor 2, donde M12 es la inductancia mutua entre el conductor 1 y el conductor 2 y M1S es la inductancia mutua entre el conductor 1 y la pantalla. Debido a que la pantalla no tiene efecto sobre la geometría o las propiedades magnéticas del medio entre los circuitos 1 y 2, no tiene ningún efecto sobre la tensión inducida en el conductor 2.

 

Sin embargo, la pantalla capta una tensión debido a la corriente en el conductor 1:

 

Una sola conexión a masa en un extremo de la pantalla no cambia la situación con respecto al campo magnético. Por lo tanto, se deduce que una pantalla de cobre o aluminio colocada alrededor de un conductor y conectada a masa en un extremo no tiene ningún efecto sobre el tensión inducida magnéticamente en ese conductor.

 

Como se ha visto en el anterior apartado, efecto solo tiene efecto en el acoplo de campo eléctrico.

 

Sin embargo, si la pantalla se conecta a masa en ambos extremos, la tensión inducida en la pantalla debido a M1S en la figura 3, hará que circule una corriente por la pantalla.


Esta corriente por la pantalla inducirá una segunda tensión de ruido en el conductor 2. Antes de poder calcular esta tensión, debe determinarse la inductancia mutua entre la pantalla y su conductor central.

 

Por esta razón, es necesario calcular el acoplo magnético entre un tubo conductor hueco (la pantalla) y cualquier conductor colocado dentro del tubo, antes de continuar la explicación sobre el acoplo inductivo.

 

 

La inductancia mutua entre la pantalla y el conductor central 2 es igual a la inductancia de la pantalla. Basándonos en la reciprocidad de la inductancia mutua, el inverso también debe ser cierto. La validez de la ecuación M = L  solo depende del hecho de que no hay campo magnético en la cavidad del tubo, debido a la corriente de la pantalla. Los requisitos para que esto sea cierto son que el tubo sea cilíndrico y que la densidad de corriente sea uniforme alrededor de la circunferencia del tubo. Debido a que no hay campo magnético dentro del tubo, la ecuación se aplica independientemente de la posición del conductor dentro del tubo. En otras palabras, los dos conductores no tienen porque ser coaxiales. También es aplicable al caso de múltiples conductores dentro de una pantalla.

 

La tensión de ruido VN inducida en el conductor central 2 es cero en corriente continua y aumenta a casi la tensión VS en la pantalla a una frecuencia cinco veces la frecuencia de corte de la pantalla. Por lo tanto, si se permite que circule la corriente por la pantalla, se induce una tensión en el conductor central 2 que casi iguala la tensión en la pantalla a frecuencias superiores a cinco veces la frecuencia de corte de la pantalla. Esta es una propiedad muy importante de un conductor dentro de un blindaje. Para la mayoría de los cables, cinco veces la frecuencia de corte de la pantalla está cerca del extremo superior de la banda de frecuencia de audio (20 kHz).

 

Para evitar la radiación de un campo magnético desde un conductor conectado a masa en ambos extremos, el conductor debe estar protegido, (totalmente cubierto) y la pantalla debe estar conectada a masa en ambos extremos.

 

La figura 4 muestra los acoplos inductivos entre un conductor generador y un cable apantallado ideal cuando se coloca una pantalla de cobre o aluminio alrededor del conductor interno 2 y la pantalla está conectada a masa en ambos extremos.

 

En esta figura 4, el conductor de la pantalla se muestra separado del conductor 2 para simplificar el dibujo. Debido a que la pantalla está conectada a masa en ambos extremos, circula la corriente IS por la pantalla e induce una tensión en el conductor 2.

 

Por lo tanto, tenemos dos componentes para la tensión inducida en el conductor 2, V2 y VC. La tensión V2 es debida a la inducción directa del conductor 1 y la tensión VC es debida a la corriente inducida desde la pantalla. Estas dos tensiones son de polaridad opuesta.

 

Por lo tanto, la tensión de ruido inducida total en el conductor 2 es:      VN = V2 – V


Si usamos la identidad M = LS y observamos que la inductancia mutua M1S entre el conductor 1 y la pantalla es igual a la inductancia mutua M12 entre el conductor 1 y el conductor 2 (porque la pantalla y el conductor 2 están ubicados en el mismo lugar en el espacio con respecto al conductor 1), entonces la ecuación de VN se convierte en: 

 

Si la frecuencia es baja, el término entre paréntesis es igual a 1, y la tensión de ruido es la misma que para el cable sin pantalla. Por lo tanto, a bajas frecuencias, una pantalla, incluso cuando está conectada a masa en ambos extremos, no proporciona blindaje contra el campo magnético.

 

Si la frecuencia es alta, entonces la anterior ecuación se reduce a: 

 

A frecuencias superiores a la frecuencia de corte de la pantalla, la tensión captada deja de aumentar y permanece constante. De la anterior ecuación, podemos concluir que para minimizar la tensión de ruido acoplada al conductor 2, se debe minimizar la resistencia de la pantalla R (Conviene que la impedancia de transferencia de la pantalla del cable sea mínima). Esto ocurre porque es la corriente inducida en la pantalla la que produce el campo magnético que cancela un gran porcentaje de la inducción directa en el conductor 2.

Debido a que RS reduce la corriente en la pantalla, disminuye la efectividad de la pantalla contra campo magnético. Del dibujo central en la figura 4, podemos deducir que RS representa no solo la resistencia de la pantalla sino también toda la resistencia del circuito en el que circula la corriente IS de la pantalla. Por lo tanto, RS incluye la resistencia de la pantalla y la resistencia de terminación de la pantalla y cualquier resistencia en la masa. 

 

Para una máxima efectividad del blindaje, todas estas resistencias deben ser minimizadas.

 

Por ello, si se conecta la pantalla a masa con una coleta o “pigtail” (trenza realizada con la pantalla para conectarla a masa), en lugar de conectar la pantalla a masa a 360º con el conector adecuado, se reducirá drásticamente la efectividad del pantalla del cable contra el campo magnético.

 

Por ello deben evitarse las coletas o “pigtails”(figura 5).


La figura 6 muestra el circuito equivalente a un transformador para la configuración de la figura 4.

 

Como se puede observar, la pantalla conectada en sus dos extremos (X y Z) a masa, actúa como una espira en cortocircuito en el transformador equivalente para cortocircuitar la tensión en el devanado 2.

 

Cualquier resistencia (resistencia de la pantalla o “pigtail”) en la espira en cortocircuito (pantalla) disminuirá su efectividad para cortocircuitar la tensión en el devanado 2. 


Para evitar la radiación magnética, la fuente de EMI puede estar blindada. La figura 7(A) muestra las líneas de los campos eléctricos y magnéticos que rodean a un conductor portador de corriente, ubicado en el espacio libre.

 

Si se coloca una pantalla de cobre o aluminio alrededor de este conductor y se conecta a masa en un solo extremo, entonces las líneas del campo eléctrico terminarán en el pantalla, pero tendrá muy poco efecto sobre el campo magnético, como se muestra en la figura 7(B).

 

Al conectar la pantalla a masa en sus dos extremos, se hace circular por la pantalla una corriente igual y opuesta a la del conductor central, generando un campo magnético externo igual pero opuesto.

 

Este campo cancela el campo magnético causado por la corriente en el conductor central externo a la pantalla, lo que da como resultado la condición que se muestra en la figura 7(C), sin campos externos a la pantalla.


La figura 8(A) muestra un cable apantallado que está conectado a masa en ambos extremos.

 

La figura 8(B) presenta su circuito equivalente por el que circula una corriente I1.

 

Para evitar la radiación de campo magnético, la pantalla debe estar conectada a masa en ambos extremos, y la corriente de retorno debe circular desde el punto A al punto B en la pantalla (IS en la figura) en lugar circular por el plano de masa (IG en la figura).

 

Pero ¿por qué la corriente debe regresar del punto A al punto B a través de la pantalla en lugar del plano de masa de resistencia cero? 


Al escribir la ecuación de la malla alrededor del bucle de masa (A - RS - LS - B - A), se puede determinar que la corriente por la pantalla IS : 

Si la frecuencia está muy por encima de la frecuencia de corte de la pantalla, la corriente de la pantalla se aproxima a la corriente del conductor central. Debido a la inductancia mutua entre la pantalla y el conductor central, un cable coaxial actúa como un choque en modo común, y la pantalla proporciona un camino de retorno con una inductancia total más baja que el plano de masa a alta frecuencia.

 

A medida que la frecuencia disminuye por debajo de cinco veces la frecuencia de corte del cable, el cable proporciona cada vez menos blindaje magnético a medida que retorna más corriente a través del plano de masa.

 

Para evitar la radiación de campo magnético desde un conductor conectado a masa en ambos extremos, el conductor debe estar apantallado, y la pantalla debe estar conectada a masa en ambos extremos.

 

Este enfoque proporciona un blindaje de campo magnético a frecuencias considerablemente superiores a la frecuencia de corte del pantalla.

 

Esta reducción de radiación de campo magnético no se debe a las propiedades del blindaje magnético de la pantalla como tal. Más bien, la corriente de retorno en la pantalla genera un campo que cancela el campo del conductor central. Si se desconecta la masa de un extremo del cable, como se muestra en la figura 8(C),  la pantalla no se conecta a masa en ese extremo y la corriente de retorno circula por la pantalla.

 

Esto es cierto especialmente a frecuencias inferiores a la frecuencia de corte de la pantalla. La conexión a masa de ambos extremos de la pantalla, en este caso, reduce el blindaje porque parte de la corriente volverá a través del plano de masa. 

CONCLUSIONES

Si se conecta la pantalla de un cable apantallado a masa en un solo extremo, solo obtendremos protección contra campos eléctricos.

 

Si se conecta la pantalla de un cable apantallado a masa en los dos extremos obtendremos protección contra los campos eléctricos y magnéticos a la vez.

 

El acoplo de campo eléctrico se puede modelar como un generador de corriente (acoplo capacitivo) y el acoplo de campo magnético (inductivo) se puede modelar como un generador de tensión (acoplo inductivo).

 

REFERENCIAS:

 

  • Henry W. Ott, Electromagnetic Compatibility engineering, 2009, John Wiley & Sons
  • Tom Van Doren, “Why and how to ground electrical systems”, Van Doren Company
  • Larry West, “Cable Shield Grounded at One End Only”
  • Francesc Daura Luna, “El mito de las conexiones de los cables apantallados”, Revista Española de Electrónica”, julio 2013.
  • Francesc Daura Luna, Raimon Gómez, “El diablo está en los detalles”
  • Francesc Daura Luna “El conductor PEC/PEN/CPN y la CEM”,  diciembre 2017, www.cemdal.com/español/blog/

 

 

 

AUTOR: 

Francesc Daura Luna, Ingeniero industrial. Director de la Consultoría de compatibilidad electromagnética LEEDEO/CEMDAL

 

 

Más información:  info@leedeo.es , contacto@cemdal.com

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Comentarios: 1
  • #1

    José Mª Giménez Tresaco (jueves, 23 enero 2020 16:21)

    Muy interesante la explicación teórica conceptual del comportamiento de las pantallas y su relación con las corrientes inductoras (magnéticas) mediante el caso de un único conductor y un único cable apantallado. Esta teoría, que se puede extrapolar con métodos numéricos al caso de n conductores con intensidades diferentes en cada conductor, módulo y argumento, y n pantallas, da una idea clara del efecto del comportamiento de las pantallas de los cables.

    Un problema de segundo orden es el cálculo de los parámetros con métodos numéricos teniendo en cuenta las longitudes finitas de conductores y pantallas (no longitud infinita)con relación a los planos de masa, constituidos bien físicamente por placas metálicas base o con retorno real o ideal por tierra para cerrar el circuito, como sería el caso habitual en redes industriales, o el mix entre ambas, y la resolución de las n ecuaciones con n incógnitas.

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