Câbles blindés pour circuits de signal : Partie 1 – Bonnes pratiques

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

Les câbles blindés sont monnaie courante dans les systèmes électroniques et sont généralement tenus pour acquis. Cependant, ils ne sont pas aussi simples qu'ils en ont l'air, et sont fréquemment mal utilisés et mal compris. Heureusement, les circuits électroniques modernes ont généralement une bonne immunité au bruit électrique, donc les systèmes fonctionnent généralement malgré de mauvaises pratiques de gestion des câbles. Cependant, lors de l'utilisation de variateurs de vitesse, il devient plutôt plus important d'utiliser les bonnes pratiques car l'onduleur génère des niveaux assez élevés de bruit électromagnétique, qui peuvent causer des perturbations aux circuits de contrôle associés s'ils ne sont pas correctement arrangés.

La Partie 1 examine les principes généraux des câbles de signal blindés, et la Partie 2 examine quelques détails pratiques plus spécifiques.

Quelques questions courantes

Il existe diverses règles promues pour la gestion des câbles blindés qui sont nées pour de bonnes raisons, mais qui peuvent être conflictuelles et confuses. Voici quelques questions courantes auxquelles j'espère répondre :

1. Dois-je connecter les deux extrémités du blindage ?
2. Ne dois-je pas connecter les deux extrémités du blindage ?
3. Le blindage doit-il être connecté à la terre ?
4. Dois-je m'inquiéter des boucles de terre ?
5. Combien de temps peut durer le pigtail de terre ?
6. Comment connecter à travers un bloc de bornes ?
7. Comment connecter un circuit analogique équilibré (différentiel) ?
8. Qu'en est-il d'Ethernet ? Le câble non blindé peut-il fonctionner ?

Quelques termes critiques

Dans l'explication suivante :

La terre est la terre de sécurité ou de protection (PE) dans un système connecté au secteur, qui est ultimement connectée au réseau de liaison de protection du bâtiment et à la terre physique (ground) en dessous. Lorsque les circuits de signal sont connectés à la terre et que la connexion n'est pas faite pour des raisons de sécurité, cela peut être appelé la terre fonctionnelle, distincte de la terre de sécurité.

Le retour de signal ou commun ou connexion de référence dans un système est appelé ici le « pôle de référence ». Dans les équipements Control Techniques, cela est appelé la connexion « 0V ». Cela est souvent connecté à la terre, mais ce n'est pas obligatoire. Certains circuits de données équilibrés peuvent ne pas avoir de pôle de référence.

Dans un tableau électrique, la masse principale de la construction métallique est appelée le « châssis ». Cela est généralement connecté à la terre pour des raisons de sécurité, mais pour les 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 ou non y avoir une connexion 0V ou châssis associée.

« Haute fréquence » signifie largement une fréquence dans la gamme des communications radio, bien au-dessus de la fréquence de coupure du câble, par exemple au-dessus d'environ 50 kHz. Dans les variateurs de vitesse, de telles hautes fréquences se produisent comme effet secondaire de la commutation très rapide des semi-conducteurs de puissance.

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

Le bruit électrique ici fait référence à l'effet d'interaction indésirable des circuits électriques. Toute activité électrique entraîne des champs électromagnétiques qui peuvent induire des signaux électriques indésirables dans les circuits proches. Généralement, les effets tendent à être pires pour les fréquences dans la gamme radio, car le changement rapide de tension et de courant renforce le couplage indésirable. Les circuits de signal peuvent être sensibles aux interférences à haute fréquence, soit parce qu'ils utilisent eux-mêmes des hautes fréquences (ex. liaisons de données série numériques, données de codeur) soit parce qu'ils ont une sensibilité non intentionnelle aux hautes fréquences bien au-delà de leur bande passante prévue (ex. entrées analogiques). Un circuit de signal bien conçu aura sa bande passante adaptée aux exigences de l'application, de sorte qu'il ne soit pas inutilement sensible aux perturbations rapides. Cependant, des niveaux élevés de perturbation en dehors de la bande prévue peuvent encore causer 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. Les interférences peuvent provenir de sources à la fréquence du secteur 50/60 Hz jusqu'aux régions de fréquence radio des téléphones portables et autres autour de 2 à 5 GHz. C'est une gamme de 8 ordres de grandeur, et les règles qui fonctionnent bien pour certaines fréquences peuvent être inefficaces ou même contre-productives à d'autres. C'est pourquoi les règles pour la CEM et pour la gestion des câbles blindés peuvent parfois sembler conflictuelles – elles peuvent avoir été destinées à des menaces dans des gammes de fréquences spécifiques.

Notez qu'un autre type de bruit électrique est le bruit aléatoire généré thermiquement qui existe inhérentement dans tous les circuits à des températures supérieures à 0 K. Cela n'intéresse que les équipements de réception radio hautement sensibles et n'est pas couvert ici.

Comment fonctionnent les câbles blindés

Le câble blindé a un ou plusieurs conducteurs de signal entourés par un conducteur de blindage continu. Un câble coaxial a un seul conducteur interne entouré par un blindage et est principalement utilisé pour les applications radiofréquence. Le blindage est le plus souvent fait d'une tresse de fils fins, qui peut être complétée par un feuillard conducteur. Moins couramment, le blindage peut être en métal solide, et peut inclure du matériau magnétique comme la ferrite.

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

Blindage du 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 externe impingeant sur un câble blindé dans un circuit de signal simple unilatéral (déséquilibré) connectant une source de signal à une charge de signal. Le champ se termine sur le conducteur de blindage et ne pénètre pas jusqu'au conducteur interne, donc aucune interférence ne se produit.

En l'absence de blindage, le champ électrique induirait un courant dans le circuit de signal chaque fois qu'il change. Cela causerait une erreur transitoire, c'est-à-dire du bruit, dans la tension reçue, d'un montant 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'intrusion du champ électrique.

Figure 1 : Mécanisme de blindage du champ électrique

La connexion à la terre est montrée comme optionnelle à la Figure 1, car en principe elle n'est pas nécessaire pour que le blindage fonctionne. Ce qui est essentiel, c'est que les pôles de référence de la source et de la charge doivent être connectés au blindage pour que la tension de signal existe sur le conducteur interne par rapport au blindage.

En pratique, selon la conception de la source et de la charge, elles pourraient ne pas tolérer de potentiels électriques sur leurs pôles de référence, donc il est courant de connecter le blindage à la terre. Notez qu'il n'y a qu'une seule connexion à la terre à la Figure 1, et pour le blindage simple du champ électrique, l'endroit où la connexion est faite n'a pas d'importance. Cependant, lorsque le champ E varie dans le temps, un courant circule vers la terre à cause de la charge électrique changeante. Une fois qu'un courant circule, nous devons aussi considérer les effets du champ magnétique. À mesure que la fréquence augmente, le courant associé à un champ électrique augmente aussi, donc l'arrangement de la Figure 1 ne réussit vraiment qu'à exclure les interférences de champ électrique à basse fréquence comme celles du secteur 50/60 Hz.

Blindage du 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 des courants électriques circulent, il y a 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 qu'à la Figure 1.

Figure 2 : Mécanisme de blindage du champ magnétique

Lorsque le champ magnétique change, il induit un potentiel dans le conducteur qui est proportionnel au taux de changement du flux magnétique lié par le conducteur, montré ici comme E_B1 pour le blindage et E_B2 pour le conducteur interne.

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

La tension exacte est induite dans les conducteurs interne et externe (blindage). Donc E_B1 = E_B2.

La raison en est que le flux magnétique qui relie le conducteur de blindage a inhérent à aussi relier le conducteur de signal.

Les tensions E_B1 et E_B2 montrées en rouge sont égales mais opposées dans le circuit de signal, donc elles s'annulent dans la charge.

Pourvu que rien n'arrive pour déséquilibrer les deux tensions induites, l'annulation est très exacte et le câble blindé donne une excellente protection contre les champs magnétiques changeants.

Remarquez 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 galvaniquement isolées. Dans ce cas, aucun courant ne peut circuler dans le blindage et il n'y a rien qui pourrait causer une erreur entre E_B1 et E_B2.

En pratique, même avec l'isolement galvanique, il y a une capacitance parasite pour que quelque courant puisse circuler aux fréquences plus élevées. Cependant, tout courant qui circule dans le blindage cause un changement dans le flux magnétique qui relie aussi le conducteur de signal. Le mécanisme d'annulation fonctionne encore.

Courant de blindage à basse fréquence

À la Figure 2, il est montré que la tension induite par le champ magnétique externe est identique dans les conducteurs interne et externe. Une autre source de tension qui n'est pas induite de manière égale est la simple chute de tension résistive. La Figure 3 illustre une situation où les extrémités d'émission et de réception ont toutes deux des connexions à leur châssis local ou à la terre, et une tension de différence de terre E_D cause un courant I_D à circuler dans le blindage. La tension de différence peut être causée par une variété d'effets dans le système complet, essentiellement c'est la somme des diverses tensions de bruit qui sont collectées par le blindage du câble agissant comme une antenne réceptrice pour les ondes électromagnétiques de toutes sortes, ainsi que les chutes de tension causées par les courants parasites circulants tels qu'à la fréquence du secteur.

Il y a aussi une source particulière de tension de différence de terre dans les systèmes d'entraînement utilisant un codeur d'arbre moteur. Malgré l'utilisation de câble moteur blindé, le corps du moteur peut avoir une tension de bruit significative par rapport à la terre à cause des impulsions MLI rapides dans l'enroulement du moteur et le câble moteur. Si le codeur d'arbre a un corps métallique fixé directement au corps du moteur, il est difficile d'éviter une tension différentielle de terre dans le blindage du câble codeur.

Figure 3 : Effet du courant de blindage

Le courant I_D cause une chute de tension dans le blindage, avec deux composantes :

• Une composante inductive IjωL où L est l'inductance du blindage du câble
• Une composante résistive IR où R est la résistance du blindage du câble

La composante inductive est causée par le champ magnétique induit par le courant. Le champ magnétique relie aussi le conducteur interne, donc il contribue de manière égale à E_B1 et E_B2 et ne perturbe pas le signal reçu.[1]

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

Remarquez que tandis qu'un champ électrique causerait un courant induit, donc l'effet serait proportionnel à l'impédance du circuit, ici il y a une tension induite. Rendre l'impédance de la source de signal plus faible ne réduit pas l'erreur. Lorsque l'induction de champ magnétique est la principale source d'interférence, la meilleure technique est d'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 longues lignes de câble de signal.

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

La Figure 3 met aussi en évidence l'effet des « pigtails », c'est-à-dire les longueurs de fil utilisées pour faire les connexions de retour de blindage. On voit que le courant I_D circule dans les pigtails, et toute chute de tension là dans l'inductance du pigtail apparaît en série avec le signal. Le point ici est que c'est une chute de tension inductive qui n'apparaît pas dans les deux conducteurs, donc elle n'est pas annulée par le câble blindé. Le pigtail est nuisible à la capacité de blindage du câble aux hautes fréquences.

Types de blindage de câble

Le blindage de câble traditionnel est une tresse de fils de cuivre fins, avec une couverture approchant 100 % (c'est-à-dire des « fenêtres » minimales dans le tressage). Certains câbles de données utilisent un feuillard métallique ou un feuillard plastique métallisé, soit seul, soit avec une tresse.

Pour être efficace sur une large gamme de fréquences, le blindage doit avoir une couverture maximale, une faible résistance, et une bonne continuité longitudinale entre les tresses pour que le courant puisse circuler à l'extérieur avec une chute de tension minimale et un mélange minimal avec le courant à l'intérieur. Le feuillard seul a tendance à avoir une résistance plutôt élevée et n'est pas efficace, mais quand il est combiné avec une tresse, il peut aider à séparer les surfaces conductrices interne et externe.

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

[1] Cela demande quelque réflexion pour bien comprendre. Tout le champ magnétique causé par le courant du blindage doit relier le conducteur interne. Pas tout le champ magnétique causé par le courant du conducteur interne doit relier le blindage.