Elettronica Conduttori - Cavi elettrici speciali

Schermatura cavi

Questa sezione Web è nata con l'intento di ricordare quanto la bontà del progetto della schermatura di un cavo sia basilare da un punto di vista EMC per garantire le prestazioni elettromagnetiche del sistema nel quale il cavo verrà installato. Nella sezione oltre alle nozioni fondamentali circa la grandezza, Zt , che meglio esprime l'efficienza di schermatura di un cavo coassiale, sono riportate tuttavia anche alcune nozioni relative agli effetti determinanti che le terminazioni dei cavi hanno sulle prestazioni del generico sistema (apparato A-cablaggio-apparato B). Un ottima progettazione dello schermo potrebbe (e spesso succede) essere inficiata, in parte o del tutto, da una scarsa attenzione alla progettazione e alla scelta dei componenti riguardanti le terminazioni dei cavi. Il comportamento EMI del sistema ne risulterebbe così seriamente compromesso.

ELETTRONICA CONDUTTORI si propone in tal senso anche nell'attività di consulenza presso il Cliente per l'ingegnerizzazione del cablaggio completo.

I cavi di interconnessione tra apparati ed i relativi connettori costituiscono la via principale attraverso la quale l'interferenza elettromagnetica (EMI) si propaga nell'ambiente esterno circostante l'apparato.
Analogamente, l'interferenza, dall'esterno, si accoppia a tali conduttori elettrici di interconnessione per lo scambio dei segnali tra gli apparati del sistema, creando così delle situazioni di suscettibilità.

E' importante sottolineare che il cablaggio costituisce un area di incerta responsabilità per quanto rigurda il l'ingegnerizzazione del sistema : non è infatti mai chiaro chi deve scegliere i cavi, stabilire il loro percorso, oppure la locazione degli stessi all'interno del sistema.
Può succedere pertanto che un apparato risulti perfettamente progettato dal punto di vista EMC, ma che la scelta dei cavi di interconnessione tra esso e gli altri apparati costituenti il sistema oppure il mondo esterno non sia stata definita con uguale cura. In tal caso, il sottosistema apparato-cavo non potrà superare, ad esempio, le prove di qualifica EMC.

Ci sono essenzialmente tre meccanismi per i quali i fenomeni di emissione e suscettibilità si manifestano nelle connessioni elettriche :

• emissioni irradiate dai cavi, che funzionano come antenne trasmittenti
• suscettibilità irradiata dei cavi, che funzionano come antenne riceventi
• accoppiamento elettrico / magnetico (E / H) tra cavi

Nel controllo delle emissioni interferenti interviene il principio di reciprocità, ovvero quello che è fatto ad un cavo per ridurre le emissioni irradiate è valido anche per incrementare la sua protezione nei confronti della suscettibilità irradiata.

Per quanto riguarda gli schermi dei cavi, inoltre, deve essere ricordato che la loro qualità dipende non solo dal valore delle efficienza di schermatura della calza del cavo, ma anche dal modo con il quale gli schermi sono terminati sui contenitori degli apparati.
Sotto questo punto di vista della terminazioni degli schermi, intervengono fortemente i connettori, i quali costituiscono un indispensabile mezzo di connessione tra cavi e apparati.

Soltanto recentemente si inizia a superare la tendenza di considerare i cavi e i connettori come due entità separate, e si comincia a considerarli nella loro unicità, secondo il punto di vista EMC.

Nella letteratura esistono già molti studi volti alla verifica e alla quantificazione dell'effetto della connessione dello schermo di un cavo allo chassis di un apparato (mediante il cosidetto pigtail); tutti concordano sulla criticità dell'elemento pigtail, rispetto all'efficienza di schermatura alla radiazione.

Di conseguenza, è facile comprendere che senza dubbio l'influenza del tipo di connettore è rilevante dal punto di vista EMC : l'influenza inizia ad intervenire in generale già da alcuni MHz, oppure alla frequenza per la quale la lunghezza del cavo è pari a un decimo della lunghezza d'onda.

Naturalmente oltre a queste seppur rilevanti criticità, il contributo del cavo sulle prestazioni EMC globali del sistema, è comunque fondamentale. L'efficacia della schermatura può essere seriamente compromessa a causa dell'impiego di un cavo con caratteristiche di protezione EMI scadenti. La schermatura del cavo molto spesso può rappresentare la più critica via di perdita di prestazione EMI dell'intero sistema.
In funzione della frequenza, i contributi chiave che influenzano le prestazioni dello schermo di un cavo sono :

• il materiale costituente lo schermo
• il metodo di terminazione (a clamp, a solder, tipologia di pigtail, tipo di connettore)
• la geometria dell'installazione (lunghezza del cavo, altezza rispetto al piano di massa, orientamento in funzione del vettore di campo perturbante, materiale costituente il piano di massa)

In ultima analisi, ognuno di questi contributi si manifesta diversamente, a seconda della natura dello schermo : campo E vicino, campo H vicino, campo lontano.

MATERIALI COSTITUENTI LO SCHERMO E SPESSORI IN FUNZIONE DEL TIPO DI EMI

Lo schermo di un cavo può essere costituito da un film sottile di alluminio, un foglio o substrato di mylar, una calza di rame, un foglio di metallo attorcigliato, un tubo corrugato. Tutti questi materiali e tecnologie hanno proprietà schermanti di base che dipendono da due meccanismi :

• di riflessione
• diassorbimento

La riflessione è un fenomeno irradiato ed è il risultato di un disadattamento tra l'impedenza dell'onda esterna disturbante e l'impedenza della barriera schermante.

L'assorbimento dipende dall'effetto di penetrazione (skin effect). Per frquenze sufficientemente alte, lo skin effect diventa preponderante, per cui l'assorbimento diventa significativo. Se lo schermo fosse un tubo solido, il fenomeno di assorbimento si incrementerebbe esponenzialmente. Se lo schermo è una calza, tutte le minuscole aperture a forma rombica dovute alla struttura geometrica dei sottilissimi fili di rame costituenti la calza annulleranno l'effetto di assorbimento, rendendo lo schermo sempre più trasparente all'aumentare della frequenza. In funzione della tecnica adottata per la copertura ottica della calza, questo effetto dovuto alle aperture rombiche può intervenire anche a partire già da circa 1 - 10 MHz, deteriorando significativamente l'efficienza di schermatura (SE) della calza.

TERMINAZIONE DELLO SCHERMO

La tecnica di terminazione dello schermo può radicalmente influenzare la sua prestazione EMI, può essere anche l'aspetto più critico, soprattutto alle frequenze elevate.

In prima approssimazione, la bontà di uno schermo può essere associata alla resistenza in continua della calza, anche se questo effetto diventa trascurabile già per frequenze nel campo HF. Siccome è molto difficile avere lo schermo terminato da un dispositivo tipo clamp o pigtail la cui impedenza sia inferiore di quella del materiale costituente lo schermo, la configurazione hardware della terminazione è il grande fattore limitante delle prestazione del sistema.

Per esempio, consideriamo una calza con un valore di resistenza di 3 mohm / m. Assumiamo un pezzo di lunghezza 0.75 m di questa calza collegante normalmente due racks metallici mediante connettori. Una resistenza di bonding tipica della calza alla clamp del connettore è 0.5 mohm. Un connettore normale, serrato manualmente, fornisce una resistenza di contatto di circa 3 mohm al ricettacolo. Infine, la resistenza di contatto di un connettore socket flange al rack wall, assumendo che sia serrato con dispositivo meccanico e fissato con 4 viti è ancora 0.5 mohm. Tenendo conto delle due terminazioni del cavo, la resistenza di terminazione totale sarà :

Rterm = 2 (0.5 + 3 + 0.5) = 8 mohm > 2.25 mohm della resistenza della calza schermante

Il contributo delle terminazioni sulla resistenza complessiva dello schermo è maggiore di più di tre volte quella della calza considerata da sola.

Una terminazione dello schermo può non soltanto deteriorare l'efficienza della prestazione schermante nei confronti del sistema, ma addirittura può essere la sorgente del meccanismo, e potrebbe addirittura causare maggiori disturbi EMI rispetto al caso di assenza di schermatura.

La chiave per prevenire o risolvere tali problematiche è sempre la stessa : identificare tutti i possibili percorsi dell'EMI.

GEOMETRIA COMPLETA DEL CAVO INSTALLATO

Lo schermo di un cavo può essere visto come la congiunzione di due linee di trasmissione, con lo schermo che è il mezzo di trasferimento tra loro. I due modelli circuitali sono :

• Il circuito interno 2 ha parametri ben controllati come le impedenze di sorgente Z_g e di carico Z_l, e impedenza caratteristica Z₀₂. Questi parametri definiscono i valori di corrente e tensione in ogni punto nel circuito, includendo gli effetti di riflessione e onde stazionarie.
• Il circuito esterno 1 ha parametri molto poco controllabili, in quanto ognuna delle impedenze di terminazione Z_g1 e Z_g2 possono variare da 0 a infinito, a seconda delle condizioni di grounding, e la sua impedenza caratteristica Z₀₁ dipende dal rapporto h/D, ovvero l'altezza del cavo sopra il piano di massa rispetto al diametro del cavo.

L'efficienza di uno schermo è infatti la misura della percentuale di energia trasferita dal circuito 2 al circuito 1 nel caso di emissione EMI, oppure trasferita dal circuito 1 al 2 nel caso di suscettibilità.

L'impedenza caratteristica del circuito1 ha un notevole effetto su questo trasferimento di energia, specialmente a valori multipli di landa/4.

Perciò, per un dato schermo installato, con certe terminazioni ci saranno comportamenti diversi, a seconda della sua lunghezza e della sua altezza sopra il relativo piano di massa.

DEFINIZIONE DI EFFICIENZA DI SCHERMATURA PER SCHERMI DI CAVI

La definizione di base dell'efficienza di schermatura (SE), è:

SE(dB) = 20 log [V_{indotta senza schermo} / V_{indotta con lo schermo} ]

Il metodo di terminazione dello schermo influenza fortemente tale risultato e può nascondere completamente i parametri da misurare.

A causa di questi problemi, una misura preferibile per valutare la qualità dello schermo, è quella che sfrutta la grandezza denominata impedenza superficiale di trasferimento _Zt. Questa grandezza fornisce in pratica una figura di merito come parametro assoluto, piuttosto che relativo come la SE definita sopra. Inoltre, la misura di Zt è relativamente facile da effettuare.

IMPEDENZA SUPERFICIALE DI TRASFERIMENTO ( Z_t ) DI CAVI COASSIALI

Per definire la qualità di un cavo dal punto di vista EMC, si valuta appunto la grandezza impedenza superficiale di trasferimento (STI = Surface Transfer Impedance). Considerando la figura di riferimento, si osserva lo schermo del cavo sul quale fluisce la corrente Is e la conseguente caduta di tensione DV, che si genera all'interno del cavo, su una lunghezza Δx.

La grandezza Z_t è definita mediante la relazione seguente : < Z_t = ΔV / (I_s· Δx) (ohm / m) Più piccola è la Z_t migliore è la qualità dello schermo, dal punto di vista della riduzione dell'EMI.
Al di sotto di circa 100 KHz la funzione è praticamente uguale alla resistenza dello schermo in continua. La Z_t è costituita da 2 componenti :

1. componente di penetrazione, che rappresenta l'energia diffusa attraverso il metallo dello schermo
2. componente di accoppiamento, che rappresenta l'energia diffusa di campo H attraverso i buchi rombici

La forma completa della Zt può essere scritta :
Z_t = R_DC + jwM₁₂
A bassa frequenza, la Z_t è uguale alla resistenza DC della calza. All'aumentare della frequenza, intervengono due effetti :

• diminuzione della funzione a causa dello skin effetto
• salita della funzione proporzionale alla frequenza a causa dell'accoppiamento di campo H attraverso la configurazione della calza