Câbles blindés pour circuits de signaux (Partie 1)

Cet ensemble de deux blogs examine l'utilisation de câbles blindés (également appelés blindés) pour les circuits de signaux. Le sujet a été évoqué dans mon blog EMC, et j'ai promis d'y revenir plus en détail.

Un blog ultérieur discutera du câble d'alimentation blindé recommandé pour connecter le VSD AC à son moteur. Dans les deux cas, le but de l'écran est d'empêcher un couplage électromagnétique indésirable entre le circuit à l'intérieur de l'écran et d'autres circuits à l'extérieur. Une différence clé est que le blindage du câble moteur est là pour protéger les circuits externes, tandis que le blindage du câble de signal est là pour protéger le circuit à l'intérieur contre les interférences par le bruit électrique à l'extérieur.

Les câbles blindés sont monnaie courante dans les systèmes électroniques et sont généralement pris pour acquis. Cependant, ils ne sont pas aussi simples qu'ils le paraissent et sont souvent mal utilisés et mal compris. Heureusement, les circuits électroniques modernes ont généralement une bonne immunité au bruit électrique, de sorte que les systèmes fonctionnent généralement malgré de mauvaises pratiques de gestion des câbles. Cependant, lors de l'utilisation de variateurs de vitesse, il devient plus important d'utiliser les bonnes pratiques car l'onduleur génère des niveaux assez élevés de bruit électromagnétique, ce qui peut perturber les circuits de commande associés s'ils ne sont pas correctement disposés.

La partie 1 examine les principes généraux des câbles de signal blindés et la partie 2 examine certains détails pratiques plus spécifiques.

Quelques questions courantes

Il existe diverses règles promues pour la gestion des câbles blindés qui ont surgi pour une bonne raison, mais elles peuvent être contradictoires et déroutantes. Voici quelques questions courantes auxquelles j'espère répondre :

1. Dois-je connecter les deux extrémités de l'écran ?
2. Ne dois-je pas connecter les deux extrémités de l'écran ? ?
3. L'écran doit-il être relié à la terre ?
4. Dois-je m'inquiéter des boucles de terre ?
5. Combien de temps la queue de cochon moulue peut-elle mesurer ?
6. Comment puis-je me connecter via un bornier ?
7. Comment connecter un circuit analogique équilibré (différentiel) ?
8. Qu'en est-il d'Ethernet ? Un câble non blindé peut-il fonctionner ?

Quelques termes critiques

Dans l'explication suivante :

Le sol est la terre de sécurité ou la terre (PE) dans un système connecté au secteur, qui est finalement connectée au réseau de protection du bâtiment et à la terre physique (terre) en dessous. Lorsque les circuits de signal sont connectés à la terre et que la connexion n'est pas établie pour des raisons de sécurité, cela peut être appelé la terre fonctionnelle, par opposition à la terre de sécurité.

Le retour du signal ou la connexion commune ou de référence dans un système est appelé ici "pôle de référence ”. Dans les équipements Control Techniques, on parle de connexion « 0 V ». Ceci est souvent relié à la terre, mais ce n'est pas obligatoire. Certains circuits de données symétriques peuvent ne pas avoir de pôle de référence.

Dans un tableau électrique, la masse principale de la construction métallique est appelée "châssis ”. Celui-ci est généralement relié à la terre pour des raisons de sécurité, mais pour des considérations de bruit électrique, il est plus important qu'il comprenne une surface conductrice étendue qui est peu susceptible d'avoir des potentiels électriques différents autour d'elle.

Dans un circuit de signal équilibré ou push-pull, les lignes de signal sont appelées A+ et A-. Selon la conception, il peut y avoir ou non une connexion 0V ou châssis associée.

"Haute fréquence ” signifie en gros une fréquence dans la plage de communication radio, bien au-dessus de la fréquence de coupure du câble, par ex. au-dessus d'environ 50 kHz ou à peu près. Dans les variateurs de vitesse, ces hautes fréquences se produisent comme un effet secondaire de la commutation très rapide des semi-conducteurs de puissance.

Qu'est-ce que le bruit électrique (interférence ?)

Le bruit électrique fait ici référence à l'effet de l'interaction indésirable des circuits électriques. Toute activité électrique entraîne des champs électromagnétiques qui peuvent induire des signaux électriques indésirables dans les circuits à proximité. Généralement, les effets ont tendance à être pires pour les fréquences de la gamme radio, car le changement rapide de tension et de courant améliore le couplage indésirable. Les circuits de signaux peuvent être sensibles aux interférences à haute fréquence, soit parce qu'ils utilisent eux-mêmes des hautes fréquences (par exemple, des liaisons de données numériques série, des données de codeur), soit parce qu'ils ont une sensibilité involontaire aux hautes fréquences bien au-delà de leur bande passante prévue (par exemple, des entrées analogiques). Un circuit de signal bien conçu aura sa bande passante adaptée aux exigences de l'application, de sorte qu'il n'est pas inutilement sensible aux perturbations à évolution rapide. Cependant, des niveaux élevés de perturbation en dehors de la bande prévue peuvent toujours provoquer des erreurs en raison de la non-linéarité. C'est pourquoi, par exemple, il est assez courant d'entendre des interférences dans un système audio causées par un téléphone portable.

Une caractéristique importante de ce type de bruit est qu'il peut couvrir une gamme de fréquences extrêmement large. Des interférences peuvent se produire à partir de sources de fréquence secteur de 50/60 Hz jusqu'à un téléphone mobile et d'autres régions de fréquence radio d'environ 2 à 5 GHz. Il s'agit d'une gamme de 8 ordres de grandeur, et les règles qui fonctionnent bien pour certaines fréquences peuvent être inefficaces ou même contre-productives pour d'autres. C'est pourquoi les règles relatives à la compatibilité électromagnétique et à la gestion des câbles blindés peuvent parfois sembler contradictoires :elles peuvent avoir été conçues pour des menaces dans des plages de fréquences spécifiques.

Notez qu'un autre type de bruit électrique est le bruit aléatoire généré thermiquement qui existe de manière inhérente dans tous les circuits à des températures supérieures à 0 K. Cela n'a d'intérêt que pour les équipements de réception radio très sensibles et n'est pas couvert ici.

Comment fonctionnent les câbles blindés

Le câble blindé comporte une ou plusieurs âmes de signal entourées d'un conducteur de blindage continu. Un câble coaxial a un seul noyau interne entouré d'un écran et est principalement utilisé pour les applications de radiofréquence. L'écran est le plus souvent réalisé à partir d'une tresse de fils fins, éventuellement complétée par une feuille conductrice. Plus rarement, l'écran peut être en métal solide et peut inclure un matériau magnétique tel que la ferrite.

Le but de l'écran est d'empêcher l'énergie électromagnétique externe d'induire un signal indésirable dans le circuit de signal. Un champ électromagnétique comprend des champs magnétiques et électriques associés. Pour aider à comprendre son fonctionnement, on peut d'abord considérer séparément l'effet sur les champs électriques et les champs magnétiques. Pour qu'un circuit soit immunisé contre les interférences électromagnétiques, il doit être immunisé contre les champs électriques et magnétiques.

Criblage de champ électrique

C'est le mécanisme le plus simple à comprendre. La figure 1 montre un champ électrique E provenant d'une source de bruit extérieure frappant un câble blindé dans un simple circuit de signal à ligne unique (asymétrique) connectant une source de signal à une charge de signal. Le champ se termine sur le conducteur d'écran et ne pénètre pas dans le conducteur interne, donc aucune interférence ne se produit.

En l'absence d'écran, le champ électrique induirait du courant dans le circuit de signal chaque fois qu'il changeait. Cela provoquerait une erreur transitoire, c'est-à-dire du bruit, dans la tension reçue, d'une quantité dépendant de l'impédance du circuit - plus l'impédance est élevée, plus l'erreur est élevée. Normalement, la source est conçue pour avoir une faible impédance afin de minimiser la tension d'erreur causée par l'entrée du champ électrique.

Figure 1 : Mécanisme de filtrage du champ électrique

La connexion à la terre est représentée comme facultative sur la figure 1, car elle n'est en principe pas nécessaire au fonctionnement de l'écran. L'essentiel est que les pôles de référence de la source et de la charge soient reliés au blindage pour que la tension du signal existe sur le conducteur interne par rapport au blindage.

En pratique, selon la conception de la source et de la charge, ils peuvent ne pas être en mesure de tolérer les potentiels électriques sur leurs pôles de référence, il est donc courant de connecter l'écran à la terre. Notez qu'il n'y a qu'une seule connexion à la terre dans la figure 1, et pour un simple blindage de champ électrique, peu importe où la connexion est établie. Cependant, lorsque le champ E varie dans le temps, un courant circule vers la terre en raison de la charge électrique changeante. Une fois qu'un courant circule, nous devons également tenir compte des effets du champ magnétique. Lorsque la fréquence augmente, le courant associé à un champ électrique augmente également, de sorte que l'agencement de la figure 1 ne réussit vraiment qu'à exclure les interférences de champ électrique à basse fréquence, telles que celles du secteur 50/60 Hz.

Criblage de champ magnétique

L'effet de blindage du champ magnétique d'un câble blindé est un peu plus difficile à comprendre, mais tout aussi important. Partout où les courants électriques circulent, il existe des champs magnétiques associés qui peuvent induire des potentiels électriques dans les circuits lorsqu'ils changent. La figure 2 montre un flux magnétique B, provenant d'un circuit externe porteur de courant, reliant le même circuit que sur la figure 1.

Figure 2 : Mécanisme de filtrage du champ magnétique

Lorsque le champ magnétique change, il induit un potentiel dans le conducteur qui est proportionnel au taux de variation du flux magnétique lié par le conducteur, représenté ici par E_B1 pour l'écran et E_B2 pour le conducteur intérieur.

Le potentiel induit représenterait une erreur transitoire dans le signal reçu, c'est-à-dire du bruit, à l'exception du fait illustré à la figure 2 :

La même tension est induite dans les conducteurs intérieur et extérieur (écran). Donc E_B1 =E_B2 .

La raison en est que le flux magnétique qui relie le conducteur de l'écran doit, par nature, également relier le conducteur interne.

Les tensions E_B1 et E_B2 indiqués en rouge sont égaux mais opposés dans le circuit du signal, ils s'annulent donc dans la charge.

Si rien ne vient déséquilibrer les deux tensions induites, l'annulation est très précise et le câble blindé offre une excellente protection contre les champs magnétiques changeants.

Notez que dans la figure 2, ni la source ni la charge ne sont connectées à un autre circuit, c'est-à-dire qu'elles sont isolées galvaniquement. Dans ce cas, aucun courant ne peut circuler dans l'écran et il n'y a rien qui puisse provoquer une erreur entre E_B1 et E_B2 .

En pratique, même avec une isolation galvanique, il existe une capacité parasite de sorte qu'un certain courant peut circuler aux fréquences les plus élevées. Cependant tout courant qui circule dans l'écran provoque une modification du flux magnétique qui relie également le conducteur de signal. Le mécanisme d'annulation fonctionne toujours.

Courant écran basse fréquence

Sur la figure 2, il est montré que la tension induite par le champ magnétique externe est identique dans les conducteurs intérieur et extérieur. Une autre source de tension qui n'est pas induite de manière égale est une simple chute de tension résistive. La figure 3 illustre une situation où les extrémités émettrice et réceptrice ont toutes deux des connexions à leur châssis local ou à la terre, et une tension de différence de terre E_D provoque un courant I_D couler dans l'écran. La différence de tension peut être causée par une variété d'effets dans le système complet, essentiellement c'est la somme des différentes tensions de bruit qui sont recueillies par l'écran du câble agissant comme une antenne de réception pour les ondes électromagnétiques de toutes sortes, ainsi que les chutes de tension causée par la circulation de courants vagabonds, comme à la fréquence du secteur.

Il existe également une source particulière de tension différentielle à la terre dans les systèmes d'entraînement utilisant un codeur d'arbre moteur. Malgré l'utilisation d'un câble moteur blindé, le corps du moteur peut avoir une tension de bruit importante par rapport à la terre en raison des impulsions PWM rapides dans l'enroulement du moteur et le câble du moteur. Si le codeur d'arbre a un corps métallique fixé directement sur le corps du moteur, il est difficile d'éviter une tension différentielle de masse dans le blindage du câble du codeur.

Figure 3 :Effet du courant d'écran

Le courant I_D provoque une chute de tension dans l'écran, avec deux composantes :

• Un composant inductif IjwL où L est l'inductance du blindage du câble
• Une composante résistive IR où R est la résistance de l'écran du câble

La composante inductive est causée par le champ magnétique induit par le courant. Le champ magnétique relie également le conducteur interne, de sorte qu'il contribue également à E_B1 et E_B2 et cela ne perturbe pas le signal reçu.[1]

La composante résistive n'apparaît pas dans E_B2 , il apparaît donc en série avec le signal et provoque une erreur.

Notez qu'alors qu'un champ électrique provoquerait un courant induit, de sorte que l'effet serait proportionnel à l'impédance du circuit, il y a ici une tension induite. La diminution de l'impédance de la source de signal ne réduit pas l'erreur. Lorsque l'induction de champ magnétique est la principale source d'interférence, la meilleure technique consiste à utiliser un signal de courant, et c'est la raison de l'utilisation généralisée de la méthode de source de courant 4 - 20 mA dans les systèmes de contrôle de processus avec de très longs câbles de signal.

Aux hautes fréquences où l'inductance du câble domine son impédance, l'IR est relativement faible. De plus, à cause de l'effet de peau, la résistance effective est moindre à haute fréquence puisque le courant circule principalement à l'extérieur de l'écran, pas à l'intérieur. Le résultat est qu'à des fréquences plus basses, le blindage du câble devient moins efficace. Cela peut être mesuré comme une fréquence de coupure d'écran, en dessous de laquelle il est inefficace. Elle se situe généralement dans la plage de 1 kHz à 10 kHz pour les câbles couramment utilisés [voir page 62 de la référence par exemple].

La figure 3 met également en évidence l'effet des "queues de cochon", c'est-à-dire des longueurs de fil utilisées pour effectuer les connexions de retour d'écran. Vous pouvez voir que l'I_D actuel circule dans les nattes, et toute chute de tension dans l'inductance de la natte apparaît en série avec le signal. Le point ici est qu'il s'agit d'une chute de tension inductive qui n'apparaît pas dans les deux conducteurs, elle n'est donc pas annulée par le câble blindé. La queue de cochon nuit à la capacité de blindage du câble à des fréquences plus élevées.

Types de blindage de câble

Le blindage de câble traditionnel est une tresse de fins fils de cuivre, avec une couverture proche de 100 % (c'est-à-dire un minimum de « fenêtres » dans la tresse). Certains câbles de données utilisent une feuille métallique ou une feuille plastique métallisée, seule ou avec une tresse.

Pour être efficace sur une large gamme de fréquences, l'écran doit avoir une couverture maximale, une faible résistance et une bonne continuité longitudinale entre les tresses afin que le courant puisse circuler le long de l'extérieur avec une chute de tension minimale et un mélange minimal avec le courant à l'intérieur. La feuille seule a tendance à avoir une résistance plutôt élevée et n'est pas efficace, mais lorsqu'elle est combinée avec une tresse, elle peut aider à séparer les surfaces conductrices intérieure et extérieure.

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

[1] Il faut un peu de réflexion pour bien comprendre cela. Tout le champ magnétique causé par le courant d'écran doit relier le conducteur interne. Tout le champ magnétique causé par le courant du conducteur interne ne doit pas nécessairement relier l'écran.