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Instalações Fieldbus: Acoplamentos Capacitivo e Indutivo



César Cassiolato
Diretor de Engenharia de Projetos e Serviços, Marketing e Qualidade
SMAR Equipamentos Industriais Ltda
cesarcass@smar.com.br

Introdução

A convivência de equipamentos em diversas tecnologias diferentes somada à inadequação das instalações facilita a emissão de energia eletromagnética e com isto é comum que se tenha problemas de compatibilidade eletromagnética. Isto é muito comum nas indústrias e fábricas, onde a EMI é muito freqüente em função do maior uso de máquinas (máquinas de soldas, por exemplo), motores (CCMs), redes digitais e de computadores próximas a essas áreas.

A topologia e a distribuição do cabeamento, os tipos de cabos, as técnicas de proteções são fatores que devem ser considerados para a minimização dos efeitos de EMI. Lembrar que em altas freqüências, os cabos se comportam como um sistema de transmissão com linhas cruzadas e confusas, refletindo energia e espalhando-a de um circuito a outro. Mantenha em boas condições as conexões. Conectores inativos por muito tempo podem desenvolver resistência ou se tornar detectores de RF.

Veremos neste artigo alguns detalhes sobre os efeitos de acoplamento capacitivo e indutivo, o uso da blindagem em um ponto e em dois pontos, assim como o uso do cabo de par trançados e as técnicas de proteção a EMI.

Inicialmente, veremos alguns detalhes sobre  aterramento na instrumentação e automação.

A importância do Aterramento em Instrumentação e automação

De uma forma simples e direta, o aterramento tem os seguintes objetivos:

      • Escoar cargas estáticas acumuladas em estruturas, suportes e carcaças;
      • Facilitar o funcionamento dos dispositivos de proteção ( fusíveis, disjuntores, etc. ), através da corrente desviada para a terra;
      • Proteger as pessoas e animais contra contatos indiretos;
      • Criar pontos de referências adequadas aos sinais e medições;
      •  Minimizar os efeitos de EMI (Emissão Eletromagnética).
      • Etc.

Quando falamos de equipamentos eletrônicos, como os que temos em instrumentação e automação, o sistema de aterramento deve ser visto como um circuito de baixa indutância que favorece o fluxo de corrente ao ponto de referência nula. Além disso, deve ser projetado provendo os melhores benefícios à proteção de EMI.

O sistema de aterramento deve atender a:

    • Controle de interferência eletromagnética, tanto interno ao sistema eletrônico (acoplamento capacitivo, indutivo e por impedância comum) como externo ao sistema (ambiente);
    • Segurança, sendo a carcaça dos equipamentos ligadas ao terra de proteção e, dessa forma, qualquer sinal aterrado ou referenciado à carcaça ou ao gabinete, direta ou indiretamente, fica automaticamente referenciado ao terra de distribuição de energia;

Vários são os inconvenientes por um sistema de aterramento inadequado, onde podemos citar, dentre outros:

      • Falhas de comunicação (intermitências, retries, frames corrompidos, travamentos, etc.);
      • Drifts ( erros nas medições por deslocamento das referências (offsets), causando um aumento da variabilidade dos processos, custos desnecessários com matéria-prima, etc.);
      • Excesso de EMI;
      • Aquecimento anormal das etapas de potência (inversores, conversores, etc...) e motores;
      • Acionamentos indevidos em lógicas de PLCs;
      • Queimas de equipamentos, placas eletrônicas e sem razões aparentes;
      • Etc.

Os sinais podem variar basicamente devido a:

      • Flutuação de tensão;
      • Harmônicas de corrente;
      • RF conduzidas e radiadas;
      • Transitórios (condução ou radiação);
      • Campos Eletrostáticos;
      •  Campos Magnéticos;
      • Reflexões;
      • Crosstalk;
      • Atenuações;
      • Jitter (ruído de fase);
      • Etc.

As principais fontes de interferências são:

  • Acoplamento capacitivo;
  • Acoplamento indutivo;
  • Condução através de impedância comum (aterramento): Ocorre quando as correntes de dois circuitos diferentes passam por uma mesma impedância. Por exemplo, o caminho de aterramento comum de dois circuitos.

 

Acoplamento Capacitivo

O acoplamento capacitivo é representado pela interação de campos elétricos entres condutores. Um condutor passa próximo a uma fonte de ruído (perturbador), capta este ruído e o transporta para outra parte do circuito (vítima). É o efeito de capacitância entre dois corpos com cargas elétricas, separadas por um dielétrico, o que chamamos de efeito da capacitância mútua.

O efeito do campo elétrico é proporcional à freqüência e inversamente proporcional à distância.

O nível de perturbação depende das variações da tensão (dv/dt) e o valor da capacitância de acoplamento entre o “cabo perturbador” e o “cabo vítima”.
A capacitância de acoplamento aumenta com:

  • O inverso da freqüência: O potencial para acoplamento capacitivo aumenta de acordo com o aumento da freqüência (a reatância capacitiva, que pode ser considerada como a resistência do acoplamento capacitivo, diminui de acordo com a freqüência, e pode ser vista na fórmula: XC = 1/2πfC).
  • A distância entre os cabos perturbador e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
  • A altura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)
  • A impedância de entrada do circuito vítima (circuitos de alta impedância de entrada são mais vulneráveis)
  • O isolamento do cabo vítima (εr do isolamento do cabo), principalemente para pares de cabos fortemente acoplados

A figura 1 mostra um exemplo de efeito por acoplamento capacitivo.

Figura 1 – Exemplo de efeito por acoplamento capacitivo

 

Na figura 2 podemos ver o acoplamento e suas fontes de tensão e corrente em modo comum e diferencial. 

 

Figura 2 – Modo diferencial e modo comum – Acoplamento capacitivo

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento capacitivo

    • Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo  
    • Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
    • Aterre uma das extremidades dos shields nos dois cabos    
    • Reduza o dv/dt do sinal perturbador, aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (baixando a freqüência do sinal)

Envolva sempre que possível o condutor ou equipamento com material metálico (blindagem de Faraday). O ideal é que  cubra cem por cento da parte a ser protegida e que se aterre esta blindagem para que a capacitância parasita entre o condutor e a blindagem não atue como elemento de realimentação ou de crosstalk. A figura 4 mostra a interferência entre cabos, onde o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão.Nesta situação a corrente de interferência é drenada ao terra pelo shield, sem afetar os níveis de sinais.

 

Figura 3 - Medidas para reduzir o efeito do acoplamento capacitivo

 

 



Figura 4 – Interferência entre cabos: o acoplamento capacitivo entre cabos induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão

 

A figura 5 mostra exemplo de proteção contra transientes.



Figura 5 - Exemplo de proteção contra transientes (melhor solução contra corrente de Foucault)

Interferências eletrostáticas podem ser reduzidas:

      •   Aterramento e blindagens adequadas
      •   Isolação Ótica
      •   Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados

A figura 6 mostra a capacitância de acoplamento entre dois condutores separados por uma distância D.




Figura 6 – Acoplamento capacitivo entre condutores a uma distância D

 

 

Acoplamento Indutivo

O “cabo perturbador” e o “cabo vítima” são acompanhadas por um campo magnético. O nível de perturbação depende das variações de corrente (di /dt) e da indutância de acoplamento mútuo.
O acoplamento indutivo  aumenta com:

  • A freqüência: a reatância indutiva é diretamente proporcional à freqüência (XL = 2πfL)
  • A distância entre os cabos perturbador e vítima e o comprimento dos cabos que correm em paralelo
  • A altura dos cabos com relação ao plano de referência (em relação ao solo)
  • A impedância de carga do cabo ou circuito perturbador.



Figura 7 – Acoplamento indutivo entre condutores

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabos

  •  Limite o comprimento de cabos correndo em paralelo  
  •  Aumente a distância entre o cabo perturbador e o cabo vítima
  •  Aterre uma das extremidades dos shields dos dois cabos    
  •  Reduza o dv/dt do perturbador aumentando o tempo de subida do sinal, sempre que possível (Resistores conectados em série ou resistores PTC no cabo perturbador, anéis de ferrite nos perturbadores e / ou cabo vítima)

 



Figura 8 – Acoplamento indutivo entre cabo e campo

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e campo

  • Limite a altura h do cabo ao plano de terra 
  •  Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica
  •  Use cabos trançados
  •  Use ferrites e filtros de EMI     



Figura 9 – Acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

 

Medidas para reduzir o efeito do acoplamento indutivo entre cabo e loop de terra

  • Reduza a altura (h) e o comprimento do cabo.
  • Sempre que possível coloque o cabo junto à superfície metálica
  •  Use cabos trançados
  •  Em altas freqüências aterre o shield em dois pontos (cuidado!)  e em baixas freqüências em um ponto só

 

Cabo de comunicação

Cabos com e sem shield: 60Vdc ou  5Vac e < 400Vac

Cabos com e sem shield: > 400Vac

Qualquer cabo sujeito a exposição de raios

Cabo de comunicação Fieldbus

10 cm

20 cm

50 cm

Cabos com e sem  shield: 60Vdc ou  25Vac e < 400Vac

10 cm

10 cm

50 cm

Cabos com e sem shield: > 400Vac

20 cm

10 cm

50 cm

Qualquer cabo sujeito a exposição de raios

50 cm

50 cm

50 cm

Tabela 1 – Distâncias entre cabos Fieldbus e outros tipos de cabos para garantir a proteção a EMI

 

Figura 10 – Interferência entre cabos: campos magnéticos através do acoplamento indutivo entre cabos induzem transientes (pickups eletromagnéticos) de corrente

As Interferências Eletromagnéticas podem ser reduzidas:

    •   Cabo trançado
    •   Isolação Ótica
    •   Pelo uso de canaletas e bandejamentos metálicos aterrados


Figura 11 – Indutância mútua entre dois condutores


Para minimizar o efeito de indução deve-se usar o cabo de par trançado que minimiza a área (S) e diminuem o efeito da tensão induzida Vb em função do campo B, balanceando os efeitos ( média dos efeitos segundo as distâncias):

 

O cabo de par trançado é composto por pares de fios. Os fios de um par são enrolados em espiral a fim de, através do efeito de cancelamento, reduzir o ruído e manter constantes as propriedades elétricas do meio por toda a sua extensão. O efeito de cancelamento reduz a diafonia (crosstalk) entre os pares de fios e diminui o nível de interferência eletromagnética/radiofreqüência. O número de tranças nos fios pode ser variado a fim de reduzir o acoplamento elétrico. Com sua construção proporciona um acoplamento capacitivo entre os condutores do par.Tem um comportamento mais eficaz em baixas freqüências (< 1MHz).Quando não é blindado, tem a desvantagem com o ruído em modo-comum. Para baixas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é menor que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem (malha ou shield) apresentará o mesmo potencial em toda sua extensão, neste caso recomenda-se conectar a blindagem em um só ponto de terra. Em altas freqüências, isto é quando o comprimento do cabo é maior que 1/20 do comprimento de onda da freqüência do ruído, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades.

No caso indutivo Vruído = 2πBAcosα  onde B é o campo e α é o ângulo em que o fluxo corta o vetor área(A) ou ainda em função
da indutância mútua M: Vruído = 2πfMI onde I é a corrente no cabo de potência

http://www.smar.com/images/art_canaletas_fig09.jpg

Figura 12 – Exemplo de ruído por indução

 

A figura 13 nos mostra o comportamento do sinal em relação à forma de acondicionamento do terra e shield.Perceba que a melhor condição se tem ao aterrar o shield e ainda criar uma área metálica de contato aterrada em uma canaleta metálica.

Figura 13 – Efeito no sinal dependendo do tratamento em relação ao terra e shield

 

A figura 14 detalha a situação do Profibus-DP e os loops de terra.

Figura 14 - Profibus-DP e os loops de terra.

 

Uso de Cabos Blindados na minimização de ruídos

Na questão da melhor eficiência de proteção a ruídos, a dupla blindagem (trança e folha) tem sido aplicada com melhora significativa na relação sinal/ruído e podemos comentar que:

  • Com dupla proteção com certeza a eficiência é maior. Existem cabos até com mais de 3 proteções. Quanto mais fechada a malha melhor é a proteção.
  • Pode utilizar de o shield (trança) e a folha de maneiras distintas,  aplicando-os para baixas e altas freqüências.

No caso das baixas freqüências pode-se aterrar o cabo em apenas uma das extremidades e espera-se neste caso que nestas freqüências a blindagem apresente o mesmo potencial. Com isto teríamos uma maior proteção em ruídos de baixas freqüências.

No caso das altas freqüências, a blindagem apresentará alta suscetibilidade ao ruído e neste caso, recomenda-se que seja aterrada nas duas extremidades (aqui alguns cuidados devem ser tomados na prática por questões da equipotencialidade e mesmo segurança).

Com esta alternativa da dupla proteção, protegeria a comunicação das baixas e altas freqüências, sendo melhor na proteção a EMI.

A eficácia da malha (trança) é geralmente mais eficaz em baixas freqüências, enquanto que a folha é mais eficaz em freqüências mais altas.

Cabos com shield em espiral precisam ser avaliados, pois podem apresentar efeitos indutivos e serem ineficientes em altas freqüências.

Quando se tem o aterramento da malha em um só ponto (vide figura 15), a corrente não circulará pela malha e não cancelará campos magnéticos. Quando se aterra em dois pontos tem dois caminhos da corrente, um para baixas e outro para altas freqüências. Vale ainda lembrar que:

  • Minimizar o comprimento do condutor que se estende fora da blindagem.
  •  Garantir uma boa conexão do shield ao terra.

Ocorre uma distribuição das correntes, em função das suas freqüências, pois a corrente tende a seguir o caminho de menor impedância. Até alguns kHz: a reatância indutiva  é desprezível e a corrente circulará  pelo caminho de menor resistência.

Acima de kHz: há predominância da reatância indutiva e com isto a corrente circulará  pelo caminho de menor indutância.
O caminho de menor impedância é aquele cujo percurso de retorno é próximo ao percurso de ida, por apresentar maior capacitância distribuída e menor indutância distribuída.

Ao se aterrar o shield em dois pontos:

  • Não há proteção contra loops de terra.
  • Danos aos equipamentos ativos possivelmente significativos quando a diferença de potencial de terra entre ambos os extremos ultrapassar 1 V (rms) (acima de 1 V (rms) não é recomendado aterrar em dois pontos. Deve-se ter cuidado!).
  • A resistência elétrica do aterramento deve ser a mais baixa possível em ambos os extremos do segmento para minimizar os loops de terra, principalmente em baixas freqüências.
  • Minimizar comprimento da ligação blindagem-referência, pois este excesso de comprimento funciona como uma bobina e pode facitar a susceptibilidade à ruídos.
  •  A melhor solução para blindagem magnética é reduzir a área de loop. Utiliza-se um par trançado ou o retorno de corrente pela blindagem.
  • A efetividade da blindagem do cabo trançado aumenta com o número de voltas por cm.



Figura 15 – Blindagem em baixa e alta freqüência & aterramento em um e dois pontos


Em relação a inversores, que normalmente serão geradores de ruídos, um ponto importante é que a maioria dos inversores possui freqüência de comutação que pode ir desde 1.0 kHz a 30 kHz. Além disso, alguns fabricantes de inversores comentam que atendem as normas CE, mas que em instalações envolvendo inversores deve-se:

  1. Aterrar adequadamente e segundo os seus manuais (shield aterrado nos dois extremos e as carcaças de motores aterradas são recomendações de fabricantes)
  2. Potência de saída, fiação de controle (E/S) e sinal devem ser de cabo blindado, trançado com cobertura igual ou superior a 75%, conduíte metálico ou atenuação equivalente.
  3. Todos os cabos blindados devem ter sua terminação num conector blindado apropriado.
  4. Os cabos de controle e sinais devem ficar afastados no mínimo 0.3 m fios de força/potência.

 

Conclusão

A blindagem contra campos magnéticos não é tão eficiente quanto é contra campos elétricos. A blindagem só é eficiente quando estabelece um caminho de baixa impedância para o terra e, além disso, uma blindagem flutuante não protege contra interferências. A malha de blindagem deve ser conectada ao potencial de referência (terra) do circuito que está sendo blindado. Aterrar a blindagem em mais de um ponto pode ser problemático.

Em baixas freqüências, os pares trançados absorvem a maior parte dos efeitos da interferência eletromagnética. Já em altas freqüências esses efeitos são absorvidos pela blindagem do cabo.

Vale lembrar ainda que se um material não-magnético envolve um condutor faz com que a corrente deste condutor retorne por um outro caminho de tal modo que a área definida pelo trajeto desta corrente é menor do que quando o condutor não é envolvido, então esta proteção será mais efetiva.

Sempre que possível, conecte as bandejas de cabos ao sistema de linha equipotencial.

Este artigo não substitui os padrões IEC 61158 e IEC 61784 e nem os perfis e guias técnicos do PROFIBUS. Em caso de discrepância ou dúvida, os padrões IEC 61158 e IEC 61784, perfis, guias técnicos e manuais de fabricantes prevalecem. Sempre que possível, consulte a EN50170 para as regulamentações físicas, assim como as práticas de segurança de cada área.

 


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