Câbles blindés pour circuits de signaux (Partie 2)

La partie 1 a examiné les principes de fonctionnement des câbles blindés pour éviter les interférences des champs électriques et magnétiques. Passons maintenant à quelques détails plus pratiques.

Comment connecter des câbles blindés

Bases

Comme décrit dans la partie 1, nous avons besoin que le dépistage soit efficace sur une très large gamme de fréquences de menaces. Pour que les câbles blindés soient efficaces aux hautes fréquences, il est essentiel que le blindage soit connecté directement au pôle de référence ("0V", etc.) à la fois à l'émission et à la réception.

L'utilisation d'une queue de cochon pour connecter l'écran réduit l'efficacité de l'écran en permettant au courant de bruit dans l'écran d'injecter une tension de bruit dans le circuit de signal. Pour un circuit véritablement isolé galvaniquement, cela peut être sans importance, car l'isolation minimise le courant de bruit qui circule et circule dans la queue de cochon. Cependant, les nattes doivent généralement être réduites au minimum. Pour les circuits de données à large bande, les pigtails doivent être évités, ce qui peut être réalisé en fixant le blindage du câble directement au châssis ou au point de référence ou de masse.

Pourquoi ne connecteriez-vous pas les deux extrémités de l'écran ?

Il existe des directives en circulation qui recommandent de connecter le blindage du câble à une seule extrémité. Il devrait être clair d'après ce qui précède que cela va à l'encontre de l'avantage du criblage à haute fréquence de l'écran. Dans le passé, ces directives étaient appliquées à certains types de circuits de commande électriques simples qui sont intrinsèquement insensibles aux interférences à haute fréquence, pour éviter les boucles de masse - voir ci-dessous. Cela peut également empêcher les courants de défaut du système électrique de circuler dans les blindages des câbles, mais cela doit être correctement réalisé en assurant une liaison équipotentielle adéquate dans le système électrique.

Dans les systèmes de distribution d'énergie, il existe certaines applications où les blindages des câbles d'alimentation ne doivent pas être connectés aux deux extrémités, afin d'éviter les risques potentiels de contact lors de défauts ou d'activité de foudre ; comme dans les systèmes de distribution TT. Ceci ne s'applique pas aux câbles moteur des variateurs de vitesse.

Chaque fois que des câbles de signal passent à l'extérieur des bâtiments et à l'extérieur d'une zone de liaison équipotentielle, il convient de veiller à la sécurité lors de défauts électriques et de coups de foudre lorsque des potentiels de terre différentiels potentiellement dangereux peuvent exister.

Circuits analogiques unilatéral

Figure 4 :connexion d'une interface analogique simple asymétrique

Le type d'interface analogique le plus simple est illustré à la Figure 4. Il convient à de nombreuses applications générales. À partir de l'explication précédente, vous verrez que cet arrangement présente certaines faiblesses, qui peuvent être acceptables lorsqu'un contrôle à haute précision et à large bande passante n'est pas requis.

Les lignes en pointillés dans le contrôleur et le variateur indiquent que les connexions 0 V du contrôleur et du variateur sont généralement connectées à la terre, soit directement et intentionnellement, soit parce que certains équipements du système ont 0 V et la terre connectés en interne. Dans ce cas, il existe un risque de perturbation provenant des sources suivantes :

• Le courant de bruit haute fréquence provoque une chute de tension de bruit dans l'inductance des connexions en queue de cochon à coupler au signal analogique. Cela peut provoquer des erreurs si les circuits analogiques sont sensibles. Il peut être minimisé en gardant les pigtails aussi courts que possible, afin de minimiser leur inductance. L'utilisation de pinces de mise à la terre directement sur le blindage du câble aux deux extrémités, en le fixant au châssis, peut éliminer complètement ce problème. Ceci est représenté en bleu sur la figure 4.
• Le courant de bruit à basse fréquence provoque une chute de tension de bruit dans la résistance de l'écran du câble (et également dans les nattes, mais le câble a généralement la résistance la plus élevée). Si la fréquence de ce bruit se situe dans la bande passante du circuit analogique, alors il est perturbé - par exemple, un captage à 50/60 Hz provoque des vibrations dans un servo variateur à 50/60 Hz. C'est le « problème de la boucle de terre » et il est plus difficile à résoudre. Les solutions possibles sont :
• Connectez les bornes 0 V ou de terre aux deux extrémités à l'aide d'un câble de mise à la terre à faible résistance afin de réduire la chute de tension.
• Utilisez un circuit de signal analogique équilibré (différentiel) (voir ci-dessous). C'est la meilleure méthode.
• Isolez galvaniquement la sortie analogique ou le circuit d'entrée, pour éviter le courant dans l'écran.

Circuits analogiques symétriques

Les circuits analogiques de précision fournissent souvent des entrées différentielles et parfois des sorties différentielles. Ils sont généralement fournis pour les contrôleurs de précision tels que les servocommandes, ainsi que pour les codeurs d'arbre sin/cos. Lorsqu'ils sont utilisés correctement, ils offrent une excellente suppression des interférences à basse fréquence. En combinaison avec un câble blindé, cela permet d'obtenir une immunité sur l'ensemble du spectre de bruit. La figure 5 montre comment utiliser une entrée analogique différentielle. Notez que les noyaux de signal seraient normalement une paire torsadée, ce qui améliore encore l'immunité au bruit en rendant le parcours des deux conducteurs aussi bien équilibré que possible.

Figure 5 :Connexion de l'entrée analogique différentielle

Dans ce cas, nous avons une sortie de contrôleur asymétrique et une entrée différentielle. En utilisant deux conducteurs dans le câble blindé, nous pouvons connecter l'entrée inverseuse directement au pôle de référence de la sortie analogique du contrôleur. Toute tension basse fréquence induite dans l'écran du câble est donc rejetée par l'entrée, tandis que l'écran conserve son excellente réjection haute fréquence. L'entrée différentielle ne peut pas rejeter la tension de mode commun aux hautes fréquences, au-delà de sa bande passante, là où le blindage du câble fonctionne le mieux. Les deux techniques combinées donnent un rejet de bruit sur tout le spectre.

Des pinces de mise à la terre comme dans la figure 4 peuvent également être utilisées pour éviter le couplage de bruit haute fréquence causé par les nattes.

Si le contrôleur offre également une sortie différentielle, le noyau AI peut être connecté à la borne AO ​​plutôt qu'au 0V du contrôleur. Un cas particulier est si le contrôleur offre une sortie "terre virtuelle", où la borne AO- n'est pas une sortie mais une entrée de détection. Dans ce cas, la ligne AO- doit être connectée au 0V à une extrémité ou à l'autre, elle ne doit pas pouvoir "flotter".

Circuits numériques

Les circuits numériques ne sont pas sensibles aux perturbations du type d'erreurs basse fréquence de bas niveau causées par les boucles de masse. Les interférences haute fréquence dans une liaison de données peuvent provoquer des erreurs sur les bits qui sont normalement détectées et rejetées, mais si elles se produisent trop souvent, le canal peut se fermer ou donner des performances inadéquates. Les circuits de codeur d'arbre pour le retour de vitesse/position sont particulièrement enclins à provoquer du bruit et des vibrations en présence de bruit à haute fréquence. Dans les deux cas, une gestion correcte du blindage du câble est essentielle.

Les liaisons de données utilisent souvent un débit binaire élevé. Pour des débits supérieurs à environ 1 Mb/s, le câble doit être correctement terminé dans son impédance caractéristique afin d'éviter les erreurs de données dues aux réflexions. Pour maintenir l'appariement, seules de courtes longueurs d'âmes de câble exposées peuvent être tolérées.

L'interface numérique la plus largement utilisée pour la transmission de données locales de base est basée sur les normes RS422 et RS485, qui ont des émetteurs et des récepteurs différentiels. Le type de câble n'est pas directement spécifié et, en principe, il peut être non blindé à condition qu'il ait l'impédance caractéristique correcte, mais un câble blindé est généralement préféré.

L'utilisation d'un circuit équilibré signifie que le bruit injecté est largement rejeté car il est en mode commun, c'est-à-dire qu'il affecte les deux lignes de manière égale et n'apparaît donc pas comme un signal. Cependant, les émetteurs et les récepteurs ont des limites à leur plage de mode commun, de sorte que des erreurs se produisent si la tension de bruit est trop élevée ou change trop rapidement, ainsi que si l'asymétrie entraîne le couplage du bruit de mode commun dans le mode série. Les puces de pilote de ligne standard utilisées dans la plupart des ports ont une plage de mode commun d'environ 5 V et génèrent des erreurs majeures si celle-ci est dépassée. Cela peut être augmenté en utilisant des ports isolés galvaniquement, mais cela coûte cher.

La figure 6 montre comment organiser une connexion de port RS485 de base.

Figure 6 :Connexion de données RS485 de base (2 nœuds uniquement illustrés)

Dans les équipements Control Techniques, la borne de référence est indiquée par « 0V » dans la Figure 6. Dans d'autres équipements, elle peut être appelée « G » ou « GND » pour la masse, « SC » pour l'écran ou « référence ». Parfois, il n'est pas connecté, voire n'est pas fourni. Cela peut être efficace pour les liaisons courtes ou lorsque les ports ont une isolation galvanique bien conçue. Généralement, il est de loin préférable de connecter le 0 V au blindage du câble.

RS485 permet une connexion multipoint de plusieurs ports. L'effet de l'inadéquation mineure de l'impédance au niveau de chaque port ainsi que le bruit injecté par chaque pigtail rendent l'agencement de plus en plus sensible aux perturbations à mesure que le nombre de ports augmente. Les protocoles de communication complets utilisant des débits de données élevés, tels que Profibus, utilisent un matériel défini qui, dans ce cas, nécessite un serrage direct des blindages de câble dans les connecteurs pour éviter les nattes, et le réseau d'impédance de terminaison correct à connecter uniquement aux nœuds d'extrémité.

Bornes et connecteurs

De nombreux connecteurs industriels sont conçus sans disposition adéquate pour la gestion des écrans de câbles car ils n'étaient pas destinés à être utilisés à haute fréquence. Pour les applications générales, il est généralement tolérable de connecter l'écran via une courte queue de cochon à une broche de connecteur. Cependant il est de loin préférable de faire passer la connexion écran à travers le corps conducteur du connecteur afin qu'elle continue à entourer les conducteurs de signal, comme c'est toujours le cas pour un connecteur radiofréquence. Si un circuit de signal passe par plusieurs connecteurs, chacun avec sa paire de tresses, le bruit injecté au niveau de chaque connecteur s'accumule.

Une manière de gérer les connexions des écrans consiste à serrer les écrans entre eux ou sur une pièce métallique commune. Le matériel nécessaire est disponible auprès des fournisseurs de borniers à vis. L'idée est illustrée à la figure 7.

Figure 7 :Connexion des écrans à un bornier ou à un connecteur

Le but de la pince est d'éviter les connexions d'écran en queue de cochon, et donc d'éviter l'injection de la tension de bruit qui apparaîtrait au niveau des queues de cochon. Il relie les écrans avec le minimum d'inductance parasite. La petite zone de conducteur non blindé exposée aux bornes ici est beaucoup moins importante que les nattes. La raison en est que les conducteurs non blindés ne sont exposés aux champs électromagnétiques qu'à proximité immédiate des bornes, alors que les pigtails seraient porteurs d'un courant de bruit qui a été collecté tout au long du parcours du câble blindé.

Habituellement, les pinces sont fixées à des pièces métalliques mises à la terre, mais c'est principalement pour des raisons de sécurité. L'avantage CEM est la liaison à très faible inductance entre les deux blindages du câble.

Ethernet

Ethernet est une exception à tout ce qui précède. L'Ethernet moderne n'a pas besoin de câble blindé, mais s'appuie sur un câble à paire torsadée non blindé très bien équilibré en conjonction avec un couplage de transformateur équilibré à isolation galvanique pour donner une excellente immunité au bruit en mode commun. De plus, il n'utilise pas de structure multipoint, de sorte que la tendance à accumuler du courant de bruit sur plusieurs nœuds est également évitée.

Boucles de terre

Après avoir examiné l'effet de résistance sur la figure 3, nous sommes bien placés pour comprendre pourquoi, dans certaines applications, il est conseillé de ne pas connecter le blindage du câble aux deux extrémités. La tension d'erreur IR n'apparaîtrait pas si l'écran n'était connecté qu'à une extrémité car il pourrait ne pas y avoir de courant dans l'écran. Ce conseil pourrait être donné afin « d'éviter les boucles de masse ». Cependant, le câble aura perdu toutes ses capacités de blindage de champ magnétique, c'est-à-dire ses capacités de blindage à haute fréquence. Ce conseil n'est correct que dans une situation très particulière, lorsque tous ces éléments s'appliquent :

• Des tensions de terre différentielles à basses fréquences (par exemple, le secteur) sont présentes ou des champs magnétiques parasites à la fréquence du secteur.
• Le circuit utilise des signaux analogiques sensibles aux petites perturbations à la fréquence du secteur.
• L'écran n'est nécessaire que pour protéger contre le couplage de champ électrique, à basses fréquences.

Le cas le plus courant est celui des systèmes audio analogiques, où même un faible niveau de micro secteur provoque un « bourdonnement » irritant. Cela peut également s'appliquer dans les servo-contrôleurs avec des interfaces analogiques, mais là, il est préférable d'utiliser une interface différentielle comme expliqué ci-dessus.

Câble à double blindage

Un câble à double blindage est parfois recommandé, en particulier avec les interfaces de codeur d'arbre où il y a généralement trois paires équilibrées de noyaux de données qui sont blindés par paires, éventuellement certains noyaux de puissance et un écran global.

En principe, un seul écran est nécessaire pour chaque paire de données, et il peut s'agir soit de l'écran global, soit des écrans individuels. Cependant, les avantages du câble à double écran sont :

• Le blindage extérieur peut être fixé au corps du moteur et de l'encodeur, ce qui entraîne un courant de bruit élevé dans l'écran qui peut être renvoyé à la terre au niveau du variateur sans entrer dans les bornes 0 V du circuit d'interface de l'encodeur
• Les bornes 0V peuvent être maintenues isolées de la terre - si cela est requis par la conception du système - tout en fournissant un écran haute fréquence global connecté à la terre.
• Le courant de boucle de terre peut être limité à l'écran extérieur uniquement.
• L'impédance des paires individuelles est bien contrôlée en raison de leurs écrans individuels

La figure 8 illustre comment cela serait connecté (deux canaux illustrés pour plus de clarté).

Figure 8 :Connexion du câble d'encodeur à double écran

Référence

Henry W Ott :Ingénierie de la compatibilité électromagnétique :Wiley :ISBN 978-0-470-18930-6

Un autre livre recommandé

Tim Williams et Keith Armstrong :EMC pour les systèmes et les installations :Newnes :ISBN 9780750641678