Como el blindaje puede ayudar a minimizar ruidos

 


César Cassiolato

Introducción

La coexistencia de equipos de diverdas tecnologías diferentes sumada a la deficiencia de instalaciones facilita la emisión de energía electromagnética y esto puede causar problemas de compatibilidad electromagnética.

La EMI es la energía que causa respuesta indeseable a cualquier equipo y puede generarse por el surgimiento de chispas en los cepillos de motores, llaveado de circuitos de potencia, activación de cargas inductivas y resistivas, activación de llaves, disyuntores, lámparas fluorescentes, calentadores, bujías automotivas, descargas atmosféricas y también la descarga electrostática entre personas y equipos, aparatos de microondas, equipos de comunicación móvil, etc. Todo eso puede causar cambios y alto voltaje, baja tensión, picos, transientes, etc. y que pueden tener impacto negativo en redes de comunicación. Esto es común en industrias y fábricas donde EMI es muy frecuente debido al uso de máquinas (por ejemplo, de soldadura), y motores (CCMs), además de redes digitales y de computadoras cercanas.

El mayor problema causado por EMI son las situaciones esporádicas que degradan despacio los equipos y componentes. Incontables problemas pueden generarse por EMI, por ejemplo, en equipos electrónicos, originando fallos en la comunicación entre dispositivos de una red de equipos o computadoras, alarmes generados sin explicación, lógica o comando en relés, la quema de componentes y circuitos electrónicos, etc. Es muy común la ocurrencia de ruidos en la alimentación eléctrica debido a mala puesta a tierra y blindaje, o aún error de proyecto.

La topología y la distribución del cableado, los tipos de cables, las técnicas de protección son factores que se deben considerar para minimizar los efectos de EMI. No olvidar que en altas frecuencias los cables funcionan como un sistema de transmisión de líneas cruzadas y confusas, reflejando energía y difundiéndola entre todos los circuitos. Mantener las conexiones en buenas condiciones, pues conectores inactivos por mucho tiempo pueden desarrollar resistencia o volverse detectores de RF. 

Un ejemplo típico de la influencia de EMI en el funcionamiento de un componente electrónico, es un capacitor sometido a un pico de tensión mayor que su tensión nominal especificada, arriesgándose a degradar el dieléctrico, cuya espesura es limitada por la tensión operativa del capacitor, lo que puede producir un gradiente de potencial inferior a la rigidez dieléctrica del material, causando la disfunción o mismo quemar el capacitor. O entonces pueden generarse corrientes de polarización de transistores, llevándolos a saturación o corte, o aún, dependiendo de la intensidad, a la quema de componentes por efecto joule.

En mediciones:

  • No sé negligente, imprudente o actue con impericia en cuestiones técnicas.
  • Recuérdate: cada fábrica y sistema tiene sus detalles de seguridad. Infórmate de ellos antes de iniciar tu trabajo.
  • Siempre que posible, consulta las reglamentaciones físicas y las prácticas de seguridad de cada área.
  • Actua con seguridad en las mediciones, evitando contactos entre terminales y el cableado pues la alta tensión puede causar choque eléctrico.
  • Minimiza el riesgo de posibles problemas cumpliendo con los estándares de seguridad y de áreas clasificadas que regulan la instalación y operación de los equipos. Estos estándares varían según el área y siguen siendo actualizadas. El usuario es responsable en determinar cuales normas seguir en sus aplicaciones y garantizar que cada aplicación esté de acuerdo con ellas.
  • Una instalación inadecuada o un equipo utilizado en aplicación no recomendadas pueden perjudicar la performance del sistema y por lo tanto el proceso, además de representar una fuente de peligro y accidentes. Debido a esto, se recomienda utilizar solo profesionales entrenados y calificados para instalación, manejo y mantenimiento.

Muchas veces la confiabilidad de un sistema de control se pone en riesgo debido a sus malas instalaciones. Por lo general, los usuarios son transigentes y, tras análisis más criteriosas, se descubren problemas involucrando cables y sus rutas y embalajes, blindajes y puesta a tierra.

Es de suma importancia haber la concientización de todos participantes y más que todo, el compromiso con la confiabilidad y la seguridad de funcionamiento de máquinas y de personas en una planta. Este artículo brinda informaciones y pistas sobre sistemas de puesta a tierra, destacando  que las regulaciones locales siempre prevalecen en caso de duda.

Controlar el ruido en sistemas de automatización es vital, porque el puede volverse un serio problema en los mejores aparatos y hardware de adquisición de datos y actuación.

Todo ambiente industrial tiene ruido eléctrico en fuentes, incluso en líneas de corriente alterna de energía (CA), señales de radio, máquinas, estaciones etc.

Felizmente, dispositivos y técnicas sencillos, tales como métodos adecuados de puesta a tierra, blindajes, cables de par trenzado, control de acceso a los medios (MAC, Media Access Control), filtros y amplificadores diferenciales pueden controlar el ruido en la mayoría de las mediciones.

Los inversores de frecuencia  tienen circuitos de conmutación que pueden generar interferencia electromagnética (EMI).  Ellos contienen amplificadores de alta energía de conmutación que pueden generar EMI significativa en la frecuencias de 10 MHz a 300 MHz. Seguramente existe posibilidad de que este ruido puede generar intermitencias en equipos cercanos. Mientras la mayoría de los fabricantes tome los debidos cuidados en los  proyectos para minimizar este efecto, la inmunidad total es imposible. Entonces algunas técnicas de diseño, cableado, puesta a tierra y blindaje contribuyen considerablemente a esta minimización.

La reducción de EMI minimizará los costos iniciales y los futuros problemas de funcionamiento de cualquier sistema.

Veremos en este artículo como el blindaje adecuado puede reducir el efecto de los ruidos. Trataremos de ruidos por acoplamiento capacitivo.

Acoplamiento Capacitivo

Si el ruido resulta de un campo eléctrico, la actuación del shield es eficaz, pues no existirá Q2 en el interior de un envoltorio cerrado y conectado a tierra.

Figura 1 – La carga Q1 no puede crear cargas en un envoltorio metálico cerrado e conectado a tierra.

El acoplamiento por campo eléctrico se modela como una capacitancia entre los dos circuitos (v. figura 2). La figura 3 muestra el modelo físico.

Figura 2 – Circuito equivalente de acoplamiento capacitivo

Figura 3 – Representación física del acoplamiento capacitivo

La capacitancia equivalente, Cef, es directamente proporcional al área de actuación del campo eléctrico e inversamente proporcional a la distancia entre los dos circuitos. Por lo tanto, aumentándose la separación o reduciéndose el área, la influencia de Cef se minimizará y, por consiguiente, el acoplamiento capacitivo afectará menos la señal. El efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas eléctrica, separadas por un dieléctrico se llama de efecto de capacitancia mutua.

El nivel de acoplamiento capacitivo es directamente proporcional a la frecuencia y amplitud de la señal de ruido.

El efecto del campo eléctrico es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la distancia.

El nivel de perturbación depende de las variaciones de la tensión (dv/dt) y del valor de la capacitancia de acoplamiento entre el “cable perturbador” y el “cable víctima”.

La capacitancia de acoplamiento aumenta con:

  • El inverso de la frecuencia: El  potencial del acoplamiento capacitivo aumenta según el aumento de frecuencia, mientras la reactancia capacitiva, que se puede considerar como la resistencia del acoplamiento capacitivo, disminuye según la frecuencia y se ve en la fórmula XC = 1/2πfC).
  • La distancia entre los cables perturbadores y víctimas y la largura de los cables que corren paralelos.
  • La altura de los cables en relación al plan de referencia (al suelo).
  • La impedancia de entrada Del circuito víctima (circuitos de alta impedancia de entrada son más vulnerables.
  • El aislamiento Del cable víctima (εr del aislamiento del cable), principalmente para pares de cabos fuertemente acoplados. 

La influencia puede minimizarse usándose adecuadamente el shield que actuará como blindaje (jaula de Faraday). El blindaje debe ubicarse entre los conductores acoplados de modo capacitivo y con toma a tierra en un único punto, al lado de la fuente de señal. Ver figura 5. La figura 4 muestra una condición inadecuada, cuya corriente de circuito circula por el blindaje.

Figura 4 – Uso inadecuado del shield, conectado a tierra en más de un punto.

Figura 5 – Uso adecuado del Shield, conectado a tierra en un único punto.

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento capacitivo

  • Limitar la largura de los cables que van en paralelo  
  • Aumentar la largura entre el cable perturbador el cable víctima
  • Conectar a tierra una de las extremidades de los shields en los dos cables
  • Reducir el dv/dt de la señal perturbadora, aumentando el tiempo de subida de la  señal (bajando la frecuencia de la señal)

Envolver siempre el conductor o equipo con material metálico (blindaje de Faraday). Lo ideal es cubrirse cien por ciento de la parte a proteger y tomar a tierra este blindaje para que la capacitancia parásita entre el conductor y el blindaje no funcione como elemento de realimentación o de crosstalk. La figura 6 muestra la interferencia entre los cables, cuyo acoplamiento capacitivo entre ellos induce transientes (surtos electrostáticos) de tensión. En esta situación, la corriente de interferencia se drena a tierra a través del shield, sin afectar los niveles de señales.

Figura 6 – Interferencia entre cables :  el acoplamiento capacitivo entre cables induce transientes (pickups electrostáticos) de tensión

La figura 7 muestra ejemplo de protección contra transientes.

Figura 7 – Ejemplo de protección contra transientes (mejor solución contra la corriente de Foucault)

Interferencias electrostáticas se pueden reducir vía:

  • Toma a tierra y blindajes adecuadas
  • Aislamiento Óptico
  • Canaletas y bandejas metálicas a tierra

La figura 8 muestra la capacitancia de acoplamiento entre dos conductores separados por una distancia D.

Figura 8 – Acoplamiento capacitivo entre conductores a una distancia D

Blindaje

Toma a tierra y blindaje son requisitos obligatorios para garantizar la integridad de los datos de una planta. En la práctica suele encontrarse funcionamiento intermitente y errores crasos en mediciones debido a las malas instalaciones.

Los efectos de ruidos pueden reducirse con técnicas adecuadas de proyectos, instalación, distribución de cables, toma a tierra y blindajes. Toma a tierra inadecuada puede crear situaciones indeseables y peligrosas y que pueden comprometer el funcionamiento efectivo de un equipo o el  propio sistema.

El blindaje (shielding) debe conectarse al potencial de referencia de la señal que está protegiendo (ver figura 9).

Figura 9 – Blindaje conectada al potencial de referencia de la señal que está protegiendo

Figura 10 – Blindaje de secciones múltiples conectado al potencial de referencia de la señal que está protegiendo

Efecto blindaje x toma a tierra en un único punto

En este caso la corriente no circulará por la red y no cancelará los campos eléctricos.

Se debe reducir la largura del conductor que se extiende fuera del blindaje y garantizar buena conexión del shield con la toma a tierra. 

Figura 11 – Efecto blindaje x toma a tierra e  u único punto

Efecto Blindaje x puesta a tierra  en dos puntos

Ocurre la distribución de las corrientes, en razón de sus frecuencias, pues la corriente sigue el camino de menor impedancia.

Hasta algunos kHz: la reactancia inductiva es insignificante y la corriente circulará por el camino de menos resistencia.

Por encima de kHz: la reactancia inductiva es predominante y la corriente circulará por camino de menos inductancia.

El camino de menor impedancia es aquel cuyo trayecto de retorno es cercano del trayecto de salida, por presentar mayor capacitancia distribuida y menor inductancia distribuida.

Se debe reducir la largura del conductor que se extiende fuera del blindaje y garantizar buena conexión del shield a la toma a tierra.

Figura 12 – Efecto blindaje x toma a tierra en dos puntos

Es oportuno citar aquí:

  • No hay protección contra loops de tierra. Daños significativos a los equipos activos cuando la diferencia de potencial de tierra entre ambos extremos ultrapasar 1 V (rms).
  • La resistencia eléctrica de la toma a tierra debe ser la más baja posible en ambos lados de la sección para minimizar los loops de tierra, principalmente en bajas frecuencias.

Se usa el blindaje de dables para eliminar interferencias por acoplamiento capacitivo debidas a campos eléctricos. El blindaje solo es eficiente cuando establece un camino de baja impedancia a tierra.

Un blindaje flotante no protege contra interferencias.

La red de blindaje debe conectarse al potencial de referencia (tierra) del circuito que está siendo blindado.

Poner a tierra en más de un punto puede ser problemáticos.

Minimizar la largura de la conexión blindaje-referencia, pues funciona como una bobina. 

Figura 13 - Se debe minimizar la largura de la conexión blindaje-referencia pues funciona como una bobina.

Campos eléctricos son mucho más fáciles de blindar que los magnéticos y el uso de blindaje en un o más puntos funciona contra campos eléctricos. El uso de metales no magnéticos al rededor de conductores no protege contra campos magnéticos.

La llave para blindaje magnético es reducir el área de loop. Se usa un par trenzado o el retorno de corriente a través del blindaje. Para evitarse la radiación de un conductor, un blindaje a tierra en amos lados es por lo general utilizada por encima de la frecuencia de corte, pero deben tomarse algunos cuidados.

Protección en cuanto español

Solo se puede blindar una cantidad limitada de ruido magnético debido al loop de tierra formado. Cualquier blindaje por la cual fluye corriente de ruido no debe ser parte del camino para la señal. Utilizar un cable trenzado blindado o un cable triaxial en bajas frecuencias. La efectividad del blindaje del cable trenzado aumenta con el número de vueltas por cm.

Conclusión

Hemos visto varios detalles sobre los efectos del acoplamiento capacitivo y el uso del Shield. En los próximos artículos veremos detalles sobre el acoplamiento inductivo. Todo proyecto de automatización debe tener en cuenta los estándares de garantía de niveles adecuados de señales, y también la seguridad requerida por la aplicación.

Se recomienda ejecutar anualmente acciones preventivas de mantenimiento, chequeando cada conexión del sistema de toma a tierra, que debe asegurar la calidad de cada conexión en relación a robustez, confiabilidad y baja impedancia, garantizándose que no haya contaminación y corrosión.

Este artículo no sustituye las normas  NBR 5410  y NBR 5418, los estándares  IEC 61158 e IEC 61784, y tampoco los perfiles y guías técnicos de PROFIBUS. En caso de discrepancias o duda, prevalecen sobre ellas las normas, los estándares IEC 61158 e IEC 61784, perfiles, guías técnicos y manuales de fabricantes. Consultar, siempre que posible, el EN50170 para las regulaciones físicas y también las prácticas de seguridad del área.  

Referencia Bibliográfica

Lazos Relacionados

Acceda a la lista completa de artículos técnicos SMAR.

* César Cassiolato fue Director de Marketing, Calidad  e Ingeniería de Proyectos & Servicios de Nova Smar S/A, fue  Presidente de la Asociación PROFIBUS Brasil América Latina desde 2006 a 2010, Director Técnico del Centro de Competencia y Entrenamiento en PROFIBUS, Director Del FDT Group en Brasil, Ingeniero Certificado em  Tecnología PROFIBUS e Instalaciones PROFIBUS por la  Universidad de Manchester, Inglaterra.

Soluciones confiables

"Utilizamos cookies esenciales y tecnologías similares de acuerdo con nuestra Política de privacidad y si continúa navegando, acepta estas condiciones." Leer más