Instalaciones Fieldbus: Acoplamientos Capacitivo e Inductivo

César Cassiolato

Introdución

La convivencia de equipos con diversas tecnologías distintas, sumadas a la falta de adecuación de las instalaciones, facilita la emisión de energía electromagnética y con esto, es común que se tenga problemas de compatibilidad electromagnética.  Esto es muy común en las industrias y fábricas donde la EMI (Interferencia Electromagnética) es muy frecuente en función del mayor uso de máquinas (máquinas de soldar, por ejemplo), motores (CCMs), redes digitales y de computadores próximos a estas áreas.

La topología y la distribución de cables, los tipos de cables, las técnicas de protecciones son factores que deben ser considerados para la minimización de los efectos de EMI.  Recordar que en altas frecuencias, los cables se comportan con un sistema de transmisión con líneas cruzadas y confusas, reflejando energía y esparciéndola de un circuito a otro.  Mantenga en buenas condiciones las conexiones.  Conectores inactivos por mucho tiempo, pueden desenvolver resistencia o volverse detectores de RF.

Veremos en este artículo, algunos detalles sobre los efectos de acoplamiento capacitivo e inductivo, el uso del blindaje en un punto y en dos puntos, así como el uso de cable para trancarlos y las técnicas de protección a EMI.

Inicialmente, veremos algunos detalles sobre conexión a tierra en la instrumentación y la automatización.

La importancia de la conexión a tierra en Instrumentación y Automatización.

De una forma simple y directa, la conexión a tierra tiene los siguientes objetivos:

• Escoger cargas estáticas acumuladas en estructuras, soportes y carcasas.;
• Facilitar el funcionamiento de los dispositivos de protección (fusibles, disyuntores, etc.), a través de corriente desviada a tierra;
• Proteger a las personas y animales contra contactos indirectos.;
• Crear puntos de referencias adecuadas a las señales y mediciones;
•  Minimizar los efectos de EMI (Interferencia Electromagnética).
• Etc.

Cuando hablamos de equipos electrónicos, como los que tenemos en instrumentación y automatización, el sistema de conexión a tierra debe ser visto como un circuito de baja inductancia mutua que favorece el flujo de corriente al punto de referencia nula.  Además de eso, debe ser proyectado proveyendo los mejores beneficios a la protección de EMI.

El sistema de conexión a tierra debe atender a:   

• Control de interferencia electromagnética, tanto interno al sistema electrónico (acoplamiento capacitivo, inductivo y por impedancia común) como externo al sistema (ambiente);
• Seguridad siendo a la carcasa de los equipos conectados a tierra de protección y, de esta forma, cualquier señal de conexión a tierra referenciada a la carcasa o al gabinete, directo o indirectamente, queda automáticamente referenciada a la tierra de distribución de energía.

Varios son el inconveniente por un sistema de conexión a tierra inadecuado donde podemos citar, entre otros:

• Fallas de comunicación (intermitencias, retries,  marcos corrompidos, bloqueos, etc.);
• Drifts (errores en las mediciones por dislocamiento de las referencias (offsets), causando un aumento de la variabilidad de los procesos, costos innecesarios con materia prima, etc.);
• Exceso de EMI;
• Calentamiento anormal de las etapas de potencia (inversores, convertidores, etc...) y motores;
• Acciones indebidas en las lógicas de losPLCs;
• Calentamiento de equipos, placas electrónicas y sin razones aparentes;  
• Etc.

Las señales pueden variar básicamente debido a: Fluctuación de tensión;

• Harmonicas de corriente;
• RF conducidas y  radiadas;
• Temporales (conducción o radiación);
• Campos Electrostáticos;
•  Campos Magnéticos;
• Reflexiones;
• Crosstalk;
• Atenuaciones;
• Ruidos de fase;
• Etc.

Las principales fuentes de interferencias son:

• Acoplamiento capacitivo;
• Acoplamiento inductivo;
• Conducción a través de impedancia común (conexión a tierra): Ocurre cuando las corrientes de dos circuitos diferentes pasan por una misma impedancia. Por ejemplo, el camino de conexión a tierra  común de dos circuitos.

Acoplamiento Capacitivo

El acoplamiento capacitivo es representado por la interacción de campos eléctricos entre conductores.  Un conductor pasa próximo a una fuente de ruido (perturbador), capta el ruido y lo transporta para otra parte del circuito (víctima).  Es el efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas eléctricas, separadas por un dieléctrico, o que llamamos efecto de la capacitancia mutua.

El efecto de 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 el valor de capacitancia de acoplamiento entre el “cable perturbador” y el “cable víctima”.

La capacitancia de acoplamiento aumenta con:

• El inverso de la frecuencia:  La potencia para acoplamiento capacitivo aumenta de acuerdo con el aumento de la frecuencia (la reactancia capacitiva, que puede ser considerada como la resistencia del acoplamiento capacitivo, disminuye de acuerdo con la frecuencia y puede ser vista en la fórmula XC = 1/2pfC)
• La distancia entre los cables perturbadores y víctima y la longitud de los cables que corren en paralelo.
• La altura de los cables en relación al plan de referencia (en relación al suelo).
• La impedancia de entrada del circuito victima (circuito de alta impedancia de entrada son más vulnerables).
• El aislamiento del cable victima principalmente para paredes de cables fuertemente acoplados.

La figura 1 muestra un ejemplo del efecto por acoplamiento capacitivo.



Figura 1 - Ejemplo del efecto por acoplamiento capacitivo

En la figura 2 podemos ver el acoplamiento y sus fuentes de tensión y corriente en modo común y diferencial. 

Figura 2 - Modo diferencial y modo común - Acoplamiento capacitivo

Medidas para reducir el efecto de acoplamiento capacitivo

• • Limite de la extensión de cables corriendo en paralelo.
  • Aumente la distancia de los cables corriendo en paralelo.
  • Conecte a tierra una de las extremidades de los shields en los dos cables.
  • Reduzca el dv/dt de la señal perturbadora, aumentando el tiempo de subida de la señal, siempre que sea posible (bajando la frecuencia de la señal).

Envuelva siempre que sea posible el conductor o equipo con material metálico (blindaje de Faraday).  Lo ideal es que cubra cien por cienta de la parte a ser protegida y que se conecte a tierra este blindaje para que la capacitancia parasita entre el conductor y el blindaje no actue como elemento de realimentación o de crosstalk.  La figura 4 muestra la interferencia entre cables, donde el acoplamiento capacitivo entre cables induz transiente (pickups electrostáticos) de tensión.  En esta situación, la corriente de interferencia es drenada a tierra por el “shield” sin afectar los niveles de las señales.


Figura 3 - Medidas para reducir el efecto de acoplamiento capacitivo

Figura 4 – Interferencia entre cables:  el acoplamiento capacitivo entre los cables induz transiente (pickups eletrostáticos) de tensão

La figura 5 muestra un ejemplo de protección contra transientes.

Figura 5 - Ejemplo de protección contra  transientes (mejor solución contra corriente de Foucault)

Interferencias electrostáticas pueden ser reducidas:  

• Conexión a tierra y blindajes adecuadas. 
• Isolaçción Optica.   
• Por el uso de canaletas y bandejamientos metálicos conectados a tierra.

La  figura 6 muestra la capacitancia de acoplamiento entre dos conductores separados por una distancia D. 



Figura 6 - Acoplamiento capacitivo entre conductores a una distancia D

Acoplamiento Inductivo

El “cable perturbador” y el “cable victima”, son acompañados por un campo magnético.  El nivel de perturbación depende de las variaciones de corriente (di/dt) y de la inductancia de acoplamiento mutuo.
El acoplamiento inductivo aumenta con: 

• La frecuencia:  la reactancia inductiva es directamente proporcional a la frecuencia (XL = 2pfL).
• La distancia entre los cables perturbador y víctima y la longitud de los cables que corren en paralelo.
• La altura de los cables con relación al plano de referencia (en relación al suelo).
• La impedancia de carga del cable o circuito perturbador.

Figura 7 - Acoplamiento inductivo entre conductores

Medidas para reducir el efecto de acoplamiento inductivo entre cables.

• Limite la longitud de los cables corriendo en paralelo.
• Aumente la distancia entre el cable perturbador y el cable victima.
• Conecte a tierra una de las extremidades de los “shields” de los dos cables.
• Reduzca el dv/dt del perturbador aumentando el tiempo de subida de la señal, siempre que sea posible (Resistores conectados en serie o resistores PTC en el cable perturbador, anillos de ferrita en los perturbadores y/o cable víctima). 

Figura 8 - Acoplamiento inductivo entre cable y campo

Medidas para reducir el efecto del acoplamiento inductivo entre cable y campo

• Limite la altura h del cable al plano de tierra.
• Siempre que sea posible coloque el cable junto a la superficie metálica. 
• Use cables trenzados.
•  Use ferritas y filtros de EMI

Figura 9 - Acoplamiento inductivo entre cable y loop de tierra

Medidas para reducir el efecto de acoplamiento inductivo entre cable y lopp de tierra.

• Reduzca la altura (h) y el largo del cabo.
• Siempre que sea posible ponga el cable junto a la superficie metálica
•  Use cables trenzados
•  En altas frecuencias, conexione a tierra el “shield” en dos puntos (cuidado!) y en bajas frecuencia en un solo punto solamente.

	Cable de comunicación	Cables con y sin shield: 60Vdc o  5Vac y < 400Vac	Cables con y sin shield: > 400Vac	Cualquier cable sujeto a exposición de rayos
Cable de comunicación Fieldbus		10 cm	20 cm	50 cm
Cables con y sin  shield: 60Vdc o  25Vac y < 400Vac	10 cm		10 cm	50 cm
Cables con y sin shield: > 400Vac	20 cm	10 cm		50 cm
Cualquier cable sujeto a exposición de rayos	50 cm	50 cm	50 cm

Tabela 1 - Distancias entre cables Fieldbus y otros tipos de cables para garantizar lal protección a EMI

Figura 10 - Interferencia entre cables: campos magnéticos a través del acoplamiento inductivo entre cables inducen transientes (pickups electromagnéticos) de corriente

Las interferencias Electromagnéticas pueden ser reducidas:

•   Cable trenzado
•   Isolaçión Optica
•   Por el uso de canaletas  y bandejas metalicas de conexión a tierra.

Figura 11 - Inductancia mutua entre dos conductores

Para minimizar el efecto de inducción se debe usar el cable de par trenzado que minimiza el área (S) y disminuyen el efecto de la tensión inducida Vb en función del campo B, balanciando los efectos (medida de los efectos de acuerdo a las distancias):

El cable de par trenzado es compuesto por pares de hilos.  Los hilos de un par son enroscados en espiral a fin de, a través del efecto de cancelación, reducir el ruido y mantener constantes las propiedades eléctricas del medio por toda su extensión.  El efecto de cancelación, reduce  la diafonía (crosstalk) entre los pares de los hilos y disminuye el nivel de interferencia electromagnética/radiofrecuencia.  El número de trenzas de los hilos puede ser variado a fin de reducir el acoplamiento eléctrico.  Con su construcción proporciona un acoplamiento capacitivo entre los conductores del par.  Tiene un comportamiento mas eficaz en bajas frecuencias  (< 1MHz).  Cuando no es blindado, tiene una desventaja en el ruido en modo común.  Para bajas frecuencias, esto es, cuando el largo del cable es menor a 1/20 de extensión de onda de frecuencia del ruido, el blindaje (malla o shield) presentará la mismo potencia en toda su extensión, en este caso, se recomienda conectar el blindaje en un solo punto de tierra. En altas frecuencias, esto es, cuando la extensión del cable es mayor que 1/20 de largo de onda de la frecuencia del ruido, el blindaje presentará alta susceptibilidad al ruido, en este caso, se recomienda que sea conectada a tierra en las dos extremidades.

 

En el caso inductivo Vruido = 2pBAcosa  donde B es el campo y a es el ángulo en que el flujo corta el area del vector (A) o aún en función de la inductancia mutua M : Vruido = 2pfMI donde I e la corriente en el cable de potencia.

Figura 12 - Ejemplo de ruido por inducción

La  figura 13 nos muestra el comportamiento de la señal en relación a la forma de acondicionamiento de tierra y shield.  Perciba que la mejor condición se tiene al conectar a tierra o “shield” e todavía crea un área metálico de contacto conectada a tierra en una canaleta metálica.

Figura 13 – Efecto en la señal dependiendo del tratamiento en relación a tierra y shield. 

A figura 14 detalla la situación de Profibus-DP y los loops de tierra.

Figura 14 - Profibus-DP y los loops de tierra

Uso de Cables Blindados en la minimización de ruidos

En el tema de mejor eficiencia de la protección a ruidos, el doble blindaje (trenza y folio), han sido aplicada con mejoras significativas en relación señal/ruido y podemos comentar que: 

• Con doble protección con certeza y eficiente es mayor.  Existen cables hasta con mas de 3 protecciones.  Cuanto mas cerrada la malla, mejor es la protección..
• Puede utilizar el “shield” (trenza) y el folio de maneras distintas, aplicando para bajas y altas frecuencias. 

En el caso de bajas frecuencias se puede conectar a tierra el cable en solo una extramidad y se espera que en caso que en estas frecuencias el blindaje presente el mismo potencial.  Con esto tendríamos una mayor protección en ruidos de bajas frecuencias.

En el caso de altas frecuencias, el blindaje presentará alta suscptibilidad al ruido y en este caso, se recomienda que sea conectada a tierra en las dos extremidades (aquí algunos cuidados deben ser tomados en la práctica por cuestiones de la potencia del equipo y en la seguridad).

Con esta alternativa de doble protección, protegería la comunicación de bajas y altas frecuencias, siendo mejor en la protección de la EMI.

La eficacia de la malla (trenza) es generalmente mas eficaz en bajas frecuencias, en cuanto que el folio es más eficaz en frecuencias mas altas.

Los cables con “shield” en esperial requieren ser evaluados pues pueden presentar efectos inductivos y ser ineficientes en altas frecuencias.

En cuanto se tiene la conexión a tierra de la malla en un solo punto (ver figura 15), la corriente no circulará por la malla y no cancelará campos magnéticos.  Cuando se conecta a tierra en dos puntos, tiene dos caminos de corriente, uno para bajas y otro para altas frecuencias.   Vale la pena recordar que:

• Minimizar la extensión del conductor que se extiende fuera del blindaje.
• Garantizar una buena conexión del “shield” a tierra.

Ocurre una distribución de corrientes, en función de las frecuencias, pues la corriente tiende a seguir el camino de menor ipedancia.  Hasta algunos kHx: la reactancia inductiva es despreciable y la corriente circulará por el camino de menos resistencia.

Sobre kHz:  hay predominio de la reactancia inductiva y con esto la corriente circulará por el camino de menor inductancia.

El camino de menor impedancia es aquel cuyo recorrido de retorno es  próximo al recorrido de ida, por presentar mayor capacitancia distribuida y menor inductancia distribuida.

Al conectarse a tierra el “shield” en dos puntos:

• No hay protección contra loops de tierra.   
• Daños a los equipos activos posiblemente significativos cuando la diferencia de potencial de tierra entre ambos extremos ultrapase 1 V (rms) (sobre 1 V (rms) no es recomendado conectar a tierra en dos puntos.  Se debe tener cuidado!)   
• La resistencia eléctrica de conexión a tierra debe ser la mas baja posible en ambos extremos del segmento para minimizar los “loops” de tierra, principalmente en bajas frecuencias.
• Minimizar la extensión de la conexión blindaje-referencia, pues este exceso de extensión funciona como una bobina y puede facilitar la susceptibilidad a ruidos.
• La mejor solución para el blindaje magnético es reducir el área de “loop”.  Se utiliza un par trenzado o el retorno de corriente por el blindaje.
• La efectividad del blindaje del cable trenzado aumento con el número de voltas pr cm. 

Figura 15 – Blindaje en baja y alta frecuencia & conexión a tierra en uno y dos puntos.

En relación a inversores, que normalmente serán generadores de ruidos, un punto importante es que la mayoría de los inversores posea frecuencia de conmutación que puede ir desde 1.0 kHz a 30 kHz.  Además de eso, algunos fabricantes de inversores comenta que atienden las normas CE, más que en instalaciones envolviendo inversores se debe: 

1. Conectar a tierra adecuadamente y según los manuales (“shield” conectado a tierra en dos extremos y las carcasas de motores conectadas a tierra son recomendables de las fábricas). 
2. La potencia de salida, fijación del control (E/S) y la señal deben ser de cable blindado con cobertura igual o superior a 75%, Potência de saída, fiação de controle (E/S) e sinal devem ser de cabo blindado, trançado com cobertura igual ou superior a 75%, hilos conductores metáicos o atenuación equivalente. 
3. Todos los cables bindados deben tener su terminación en un conector blindado apropiado. 
4. Los cables de control y señaes deben quedar apartados en lo mínimo 0.3 m hilos de fuerza/potencia.   

Conclusión

El blindaje contra campos magnéticos no es tan eficiente cuanto lo es contra campos eléctricos.  El blindaje solo es eficiente cuando establece un camino de baja impedancia para tierra, y además de eso, un blindaje fluctuante no protege contra interferencias.  La malla de blindaje debe ser conectada al potencial de referencia (tierra) del circuito que está siendo blindado.  Al conectar a tierra el blindaje en mas de un punto puede ser problemático.

En bajas frecuencias, los pares trenzados absorben la mayor parte de los efectos de la interferencia electromagnética.  Ya en altas frecuencis esos efectos son absorbidos por el blindaje del cable.

Vale la pena recordar aun que si un material no-magnético envuelve un conductor hace con que la corriente de este conductor retorne por otro camino de tal modo que el área definida para el trayecto de esta corriente es menor que cuando el conductor no es envuelto, entonces esta protección será mas efectiva.

Siempre que sea posible, conecte las bandejas de cables al sistema de línea equipotencial. 

Este articulo no substituye los patrones  IEC 61158 y IEC 61784  y tampoco los perfiles y guías técnicas de PROFIBUS. En caso de discrepancia o dúda, los patrones  IEC 61158 e IEC 61784, perfiless, guías técnicas y Manuales de fabricantes prevalecen. Siempre que sea posible, consulte la EN50170 para los reglamentos físicos, asi como las practicads de seguridad de cada área.

Referencias

• Articulos técnicos - César Cassiolato
• Manuales SMAR
• https://www.smar.com/es/system302
• https://www.smar.com/es
• https://www.smar.com/es/articulos-tecnicos
• http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measures
• EMI - Interferência Eletromagnética, César Cassiolato
• Consejos de puesta a tierra, blindaje, ruido e instalación, César Cassiolato
• El uso de Canales Metálicos Minimizando Corriente de Foucault en Instalación PROFIBUS, César Cassiolato
• Ruidos e Interferencias en instalaciones Profibus, César Cassiolato
• Pesquisas en internet