Câbles blindés avancés pour circuits de signal : techniques de connexion pratiques (Partie 2)

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

Comment connecter les câbles blindés

Principes de base

Comme décrit dans la Partie 1, nous avons besoin que le blindage soit efficace sur une très large gamme de fréquences de menace. 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.) aux deux extrémités, émission et réception.

L'utilisation d'un pigtail (queue de cochon) pour connecter le blindage réduit l'efficacité du blindage en permettant au courant de bruit dans le blindage 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 traverse le pigtail. Cependant, les pigtails devraient généralement être réduits au minimum. Pour les circuits de données à large bande, les pigtails doivent être évités, ce qui peut être réalisé en serrant directement le blindage du câble sur le châssis ou le point de référence ou de terre.

Pourquoi ne pas connecter les deux extrémités du blindage ?

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 annule l'avantage du blindage à haute fréquence. Dans le passé, ces directives étaient appliquées à certains types de circuits de contrôle électrique simples qui sont intrinsèquement immunisés contre les interférences à haute fréquence, pour éviter les boucles de terre – voir ci-dessous. Cela peut aussi empêcher les courants de défaut du système d'alimentation de circuler dans les blindages de câbles, mais cela devrait être correctement réalisé en assurant une liaison équipotentielle adéquate dans le système d'alimentation.

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

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

Circuits analogiques unilatéraux

Figure 4 : connexion d'une interface analogique simple unilatérale

Le type le plus simple d'interface analogique est montré à la Figure 4. Cela convient pour de nombreuses applications générales. D'après l'explication précédente, vous verrez que cet arrangement a quelques faiblesses, qui peuvent être acceptables là où un contrôle à haute précision et large bande passante n'est pas requis.

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

• Le courant de bruit à haute fréquence cause une chute de tension de bruit dans l'inductance des connexions pigtail qui est couplée dans le signal analogique. Cela peut causer des erreurs si les circuits analogiques y sont sensibles. Cela peut être minimisé en gardant les pigtails aussi courts que possible, pour minimiser leur inductance. L'utilisation de pinces de mise à la terre directement sur le blindage du câble aux deux extrémités, le fixant au châssis, peut éliminer cela entièrement. Ceci est montré en bleu à la Figure 4.
• Le courant de bruit à basse fréquence cause une chute de tension de bruit dans la résistance du blindage du câble (et aussi dans les pigtails, mais le câble a généralement la résistance la plus élevée). Si la fréquence de ce bruit se trouve dans la bande passante du circuit analogique, alors il est perturbé – par exemple, une captation à 50/60 Hz cause une vibration dans un variateur servo à 50/60 Hz. C'est le « problème de boucle de terre » et il est plus difficile à guérir. Les solutions possibles sont :
• Connecter les bornes 0V ou terre aux deux extrémités par un câble de mise à la terre de puissance à faible résistance pour réduire la chute de tension.
• Utiliser un circuit de signal analogique équilibré (différentiel) (voir ci-dessous). C'est la meilleure méthode.
• Rendre soit le circuit de sortie analogique, soit le circuit d'entrée galvaniquement isolé, pour éviter le courant dans le blindage.

Circuits analogiques équilibrés

Les circuits analogiques de précision fournissent souvent des entrées différentielles, et parfois des sorties différentielles. Ils sont couramment fournis pour les contrôleurs de précision tels que les variateurs servo, et aussi pour les codeurs d'arbre sin/cos. Lorsqu'ils sont utilisés correctement, ils donnent une excellente suppression des interférences à basse fréquence. En conjonction avec un câble blindé, cela peut atteindre une immunité sur tout le spectre de bruit. La Figure 5 montre comment utiliser une entrée analogique différentielle. Notez que les conducteurs de signal seraient normalement un couple torsadé, ce qui améliore encore l'immunité au bruit en rendant le chemin des deux conducteurs aussi bien équilibré que possible.

Figure 5 : Connexion d'une entrée analogique différentielle

Dans ce cas, nous avons une sortie de contrôleur unilatérale 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 de basse fréquence induite dans le blindage du câble est donc rejetée par l'entrée, tandis que le blindage conserve son excellente réjection à haute fréquence. L'entrée différentielle ne peut pas rejeter la tension de mode commun aux hautes fréquences, au-delà de sa bande passante, où le blindage du câble fonctionne le mieux. Les deux techniques combinées donnent une réjection du bruit sur tout le spectre.

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

Si le contrôleur offre également une sortie différentielle, alors le cœur AI- peut être connecté au terminal AO- plutôt qu'au 0V au niveau du contrôleur. Un cas particulier est si le contrôleur offre une sortie « terre virtuelle », où le terminal AO- n'est pas une sortie mais une entrée de détection. Dans ce cas, la ligne AO- doit être connectée au 0V soit à une extrémité, soit à l'autre, elle ne doit pas être laissée « flottante ».

Circuits numériques

Les circuits numériques ne sont pas sensibles aux perturbations du type erreurs de basse fréquence de faible niveau causées par les boucles de terre. Les interférences à haute fréquence dans une liaison de données peuvent causer des erreurs de 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 codeurs d'arbre pour le retour de vitesse/position sont particulièrement enclins à causer 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'adaptation, seules de courtes longueurs de conducteurs de câble exposés peuvent être tolérées.

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

L'utilisation d'un circuit équilibré signifie que le bruit injecté est rejeté dans une large mesure 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 récepteurs ont des limites à leur plage de mode commun, donc des erreurs se produisent si la tension de bruit est trop élevée, ou trop rapide, ainsi que si l'asymétrie cause le couplage du bruit de mode commun en mode série. Les puces de driver de ligne standard utilisées dans la plupart des ports ont une plage de mode commun d'environ 5 V et donnent des erreurs majeures si cela est dépassé. Cela peut être augmenté en utilisant des ports isolés galvaniquement, mais cela est coûteux.

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

Figure 6 : Connexion de données RS485 de base (2 nœuds seulement montrés)

Dans les équipements Control Techniques, la borne de référence est montrée comme « 0V » à la Figure 6. Dans d'autres équipements, elle peut être appelée diversement « G » ou « GND » pour ground, « SC » pour screen, ou « reference ». Parfois, elle est laissée non connectée, ou même non fournie. Cela peut réussir pour des liaisons courtes, ou là où les ports ont une isolation galvanique bien conçue. Généralement, il est bien préférable de connecter le 0V au blindage du câble.

RS485 permet la connexion multi-drop de plusieurs ports. L'effet du désaccord d'impédance mineur à chaque port ainsi que le bruit injecté depuis chaque pigtail rend l'arrangement 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 le serrage direct des blindages de câbles dans les connecteurs pour éviter les pigtails, et le réseau de terminaison d'impédance correct à connecter aux nœuds extrêmes seulement.

Bornes et connecteurs

De nombreux connecteurs industriels sont conçus sans provision adéquate pour la gestion des blindages de câbles car ils n'étaient pas destinés à être utilisés à haute fréquence. Pour les applications générales, il est généralement tolérable de connecter le blindage par un court pigtail à une broche de connecteur. Cependant, il est bien préférable de faire passer la connexion de blindage à travers le corps conducteur du connecteur de sorte qu'il continue à entourer les conducteurs de signal, comme c'est toujours le cas pour un connecteur radiofréquence. Si un circuit de signal passe à travers plusieurs connecteurs, chacun avec sa paire de pigtails, le bruit injecté à chaque connecteur s'accumule.

Une façon de gérer les connexions de blindage est de serrer les blindages ensemble ou sur une pièce métallique commune. Le matériel pour cela est disponible auprès des fournisseurs de blocs de bornes à vis. L'idée est illustrée à la Figure 7.

Figure 7 : Connexion des blindages sur un bloc de bornes ou connecteur

Le but de la pince est d'éviter les connexions de blindage par pigtail, et donc d'éviter l'injection de la tension de bruit qui apparaîtrait aux pigtails. Elle relie les blindages avec le minimum d'inductance parasite. La petite zone de conducteur non blindé exposé aux bornes ici est beaucoup moins importante que les pigtails. La raison est que les conducteurs non blindés ne sont exposés aux champs électromagnétiques que dans le voisinage immédiat des bornes, alors que les pigtails transportent le courant de bruit qui a été collecté le long de toute la longueur du câble blindé.

Généralement, les pinces seraient fixées sur des pièces métalliques mises à la terre, mais c'est principalement pour des raisons de sécurité. L'avantage CEM est le lien à très faible inductance entre les deux blindages de câble.

Ethernet

Ethernet fait exception à tout ce qui précède. L'Ethernet moderne n'a pas besoin de câble blindé, mais repose sur un câble à paires torsadées non blindé très bien équilibré en conjonction avec un couplage par transformateur équilibré isolant galvaniquement pour donner une excellente immunité au bruit de mode commun. De plus, il n'utilise pas une structure multi-drop, donc la tendance à accumuler le courant de bruit à plusieurs nœuds est également évitée.

Boucles de terre

Après avoir examiné l'effet de résistance à 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 le blindage n'était connecté qu'à une extrémité car il n'y aurait pas de courant dans le blindage. Ce conseil pourrait être donné « pour éviter les boucles de terre ». Cependant, le câble aura perdu toutes ses capacités de blindage de champ magnétique, ce qui signifie ses capacités de blindage à haute fréquence. Ce conseil n'est correct que dans une situation très particulière, lorsque toutes ces conditions s'appliquent :

• Des tensions de terre différentielles à basse fréquence (ex. 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.
• Le blindage n'est requis que pour protéger contre le couplage de champ électrique, à basse fréquence.

Le cas le plus courant pour cela est dans les systèmes audio analogiques, où même un faible niveau de captation secteur cause un « ronflement » irritant. Cela peut aussi s'appliquer dans les contrôleurs servo avec interfaces analogiques, mais là, il est préférable d'utiliser une interface différentielle comme expliqué ci-dessus.

Câble à double blindage

Le câble à double blindage est parfois recommandé, surtout avec les interfaces de codeurs d'arbre où il y a typiquement trois paires équilibrées de conducteurs de données qui sont blindées par paires, éventuellement quelques conducteurs d'alimentation, et un blindage global.

En principe, un seul blindage est nécessaire pour chaque paire de données, et ce pourrait être soit le blindage global, soit les blindages individuels. Cependant, les avantages du câble à double blindage sont :

• Le blindage externe peut être fixé au corps du moteur et du codeur, résultant en un courant de bruit élevé dans le blindage qui peut être renvoyé à la terre au variateur sans entrer dans les bornes 0V du circuit d'interface du codeur
• Les bornes 0V peuvent être maintenues isolées de la terre – si cela est requis par la conception du système – tout en fournissant un blindage global à haute fréquence connecté à la terre.
• Le courant de boucle de terre peut être restreint au seul blindage externe.
• L'impédance des paires individuelles est bien contrôlée grâce à leurs blindages individuels

La Figure 8 illustre comment cela serait connecté (deux canaux montrés pour la clarté).

Figure 8 : Connexion de câble codeur à double blindage

Référence

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

Autre livre recommandé

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