Blog

Jul 02, 2023

Cosas que quizás no hayas oído sobre el blindaje

¿Qué determina la eficacia del blindaje de un cable? ¿Y cómo afecta la decisión de poner a tierra o no un escudo en su efectividad? Afortunadamente, existe una teoría bien desarrollada sobre

¿Qué determina la eficacia del blindaje de un cable? ¿Y cómo afecta la decisión de poner a tierra o no un escudo en su efectividad? Afortunadamente, existe una teoría bien desarrollada sobre el blindaje, que se analizará como una forma de obtener una comprensión general de lo que se puede esperar del rendimiento del blindaje. Pero hay más. La forma en que se termina el escudo puede afectar significativamente su efectividad, como veremos.

La teoría del blindaje comienza con un modelo del entorno físico del escudo. El modelo supone que el cable está encamisado, de modo que un blindaje no está en contacto con un plano de tierra en ninguna parte excepto posiblemente en los extremos. Siendo ese el caso, una línea de transmisión está formada por cualquier plano de tierra que exista y el exterior del escudo. Asimismo, el interior de la pantalla y los conductores encerrados forman también una línea de transmisión. Así, lo que tenemos son dos líneas de transmisión acopladas por la fuga a través del blindaje (ver Figura 1).

Figura 1: El modelo básico del entorno físico.

El acoplamiento de las líneas de transmisión interior y exterior se caracteriza por un mecanismo llamado impedancia de transferencia superficial, Zt. En la mayoría de las instalaciones, el blindaje, y por tanto la línea de transmisión exterior, está en cortocircuito a tierra en ambos extremos o en un extremo, como se muestra esquemáticamente en la Figura 2, cuando el interruptor SW está cerrado o abierto respectivamente.

Figura 2: El modelo del entorno físico incluidas las terminaciones.

Los conductores internos terminan en cada extremo en alguna impedancia, que cuando se realizan mediciones, generalmente es una carga abierta, corta o adaptada.

Si el blindaje termina en ambos extremos, la corriente puede fluir a lo largo del exterior del blindaje. Esta corriente puede deberse a bucles de tierra causados ​​por las tierras en los extremos del cable que tienen diferentes potenciales (Vd), o puede deberse a la inducción de campos externos, o ambas. En cualquier caso, la corriente de protección externa se acopla a los circuitos internos a través de la impedancia de transferencia de superficie, Zt.

Si el blindaje termina en un solo extremo, el bucle de tierra se rompe. La corriente se limita a la que se induce a fluir a través de la capacitancia distribuida entre el exterior del blindaje y el plano de tierra (ver Figura 3).

Figura 3: Modelo de un cable terminado en un solo extremo

La corriente inducida puede ser pequeña, en cuyo caso la cantidad importante es la distribución de voltaje a lo largo del cable. El voltaje es cero donde termina el cable, pero puede ser alto en el extremo abierto para frecuencias donde el cable excede una décima parte de una longitud de onda, porque, en ese punto, se convierte en una antena muy eficiente.

En el extremo abierto, hay un acoplamiento capacitivo entre el blindaje y los conductores del cable debido a la capacitancia de franja Cf (ver Figura 4). Como el voltaje a través de esta capacitancia puede ser alto, se puede acoplar una corriente significativa a los conductores del cable a través de la capacitancia de franjas.

Figura 4: El esquema básico para el acoplamiento cuando un extremo del blindaje está en circuito abierto

Hasta ahora hemos considerado un modelo del entorno físico y eléctrico de un escudo. Ahora debemos considerar las características de la construcción de un escudo y cómo eso afecta su rendimiento.

Para empezar, consideremos un cable conectado a tierra en ambos extremos. Para ver cómo funciona un cable conectado a tierra de esa manera, debemos analizar la impedancia de transferencia de la superficie. En pocas palabras, la impedancia de transferencia de superficie relaciona el voltaje desarrollado a través de los circuitos dentro de un cable blindado con las corrientes que fluyen en el exterior del cable. Así, en la Figura 2, con el interruptor cerrado, la corriente Ishield en el exterior del blindaje da lugar a V1 y V2 en los conductores dentro del blindaje, a través de Zt.

Entonces, ¿cómo determinamos qué es Zt? Bueno, podemos medirlo o podemos calcularlo. La ruta de medición se ha descrito en [3] y más adelante se mostrará un ejemplo. Vale la pena discutir la ruta de cálculo porque proporciona una idea de la física involucrada.

Dijimos anteriormente que el blindaje del cable y el plano de tierra forman una línea de transmisión. No podemos decir mucho sobre el caso general de esto, por lo que, para simplificar, consideraremos un coaxial con un plano de tierra enrollado a su alrededor, como se muestra en la Figura 5.

Figura 5: Configuración básica para calcular Zt

En este caso, el blindaje y el plano de tierra forman un coaxial (por lo que tenemos un coaxial dentro de un coaxial, a menudo llamado triaxial). Esta configuración se puede lograr en la práctica para un cable blindado con cubierta tirando de una trenza sobre la cubierta; lo cual se hace a menudo para medir Zt, como se explica en [4].

Ahora supongamos que fluye una corriente por el exterior del escudo. A partir de las ecuaciones de Maxwell, esta corriente generará una onda viajera que tiene campos eléctricos y magnéticos, como se ilustra en la Figura 6. Si los conductores no tienen resistencia, el campo E (Er) es radial y el campo H (HΘ) es circunferencial (el modo TEM con el que algunos de ustedes pueden estar familiarizados). Sin embargo, dado que el blindaje tiene cierta resistencia, el producto de la corriente que fluye sobre el blindaje y la resistencia del blindaje generará un campo E EZ en la dirección Z, de modo que el campo E resultante ya no es radial sino "inclinado" como se muestra en la Figura 7.

Figura 6: Muestra los campos de la onda viajera.

Figura 7: Orientación de los campos para calcular Zt

Debido a que el escudo tiene una resistencia finita, el campo EZ no desaparece en el escudo, sino que tiene un valor fuertemente decreciente en función de la profundidad de penetración (relacionado con el concepto de "profundidad de la piel"), como se muestra esquemáticamente en la Figura 8. La onda EZ alcanza un valor muy atenuado de EZ(a) en el interior del escudo.

Figura 8: Una onda con un componente EZ(b) que viaja por el exterior de un escudo, que tiene un componente en decadencia en el escudo y que alcanza EZ(a) dentro del escudo.

Desde la teoría de circuitos, EZ(a) está relacionada con EZ(b) por las relaciones:

EZ(a) = ZaaIa + ZtIb

EZ(b) = ZtIa + ZbbIb

Donde Ia es la corriente en el interior del blindaje, Ib es la corriente en el exterior del blindaje, Zaa es la impedancia de la superficie del blindaje interior y Zbb es la impedancia de la superficie del blindaje exterior. Zaa, Zbb y Zt se pueden calcular a partir de las propiedades físicas del caso, por ejemplo Schelkunoff [1].

Reorganizando las ecuaciones de la diapositiva anterior, el campo EZ(a) en el interior del blindaje se puede expresar en términos de la corriente Ib y el voltaje EZ(b) en el exterior del blindaje como:

Ignorando los términos que son pequeños

EZ(a) = ZtIb

Shelkunoff dio una fórmula para calcular Zt como

donde RDC es la resistencia CC del blindaje, t es el espesor del blindaje en centímetros, µr es la permeabilidad del blindaje con respecto al aire, σr es la conductividad del blindaje con respecto al cobre y f es la frecuencia en megahercios. Observe que Zt depende de la frecuencia.

Dentro del blindaje, EZ(a) impulsa una onda, básicamente, TEM (si la resistencia del conductor es pequeña) que se propaga a lo largo de los conductores. La corriente Ia provocada por la onda que viaja dentro del blindaje da lugar a tensiones V1 y V2 a través de las terminaciones del cable (ver Figura 2). La amplitud de la corriente [y por tanto V1 y V2] depende de EZ(a) y Zt.

Para ver si la fórmula de Shelkunoff realmente funciona, realizamos una medición en RG402, un coaxial de blindaje sólido [3]. Los resultados se muestran en la Figura 9, donde los términos corto-corto y corto-adaptado se refieren a dos métodos diferentes para medir la impedancia de transferencia de superficie. La Figura 9 muestra que la fórmula de Shelkunoff es un buen predictor de la impedancia de transferencia de superficie [y por tanto de la eficacia del blindaje]. También muestra que, para un escudo sólido, la efectividad del mismo sigue mejorando a medida que aumenta la frecuencia.

Figura 9: Ejemplo de Zt para un escudo sólido

Los escudos trenzados se comportan de manera diferente a los sólidos, debido a los agujeros en el escudo creados durante el proceso de trenzado. La situación es similar para los escudos envueltos, que parecen antenas de ranura. Los orificios o ranuras acoplan los campos fuera del blindaje con los campos internos del blindaje mediante inductancia y capacitancia mutuas. La impedancia de transferencia de superficie se puede calcular para este caso, por ejemplo, consulte [2]. Pero es complicado, en particular, porque es difícil determinar cuáles son la capacitancia y la inductancia mutuas.

Generalmente lo que se hace es producir una muestra del cable trenzado o enrollado, y luego medir su Zt en función de la frecuencia (como medida de efectividad del blindaje). Como ejemplo, utilizando un método desarrollado para hacer esto [3], medimos el Zt de RG-58U, un cable coaxial ampliamente utilizado. El resultado se muestra en la Figura 10. Observe que, a diferencia de los blindajes sólidos, Zt para un blindaje trenzado aumenta con la frecuencia y eventualmente se vuelve oscilatorio. Los escudos envueltos, en general, muestran el mismo comportamiento que los trenzados.

Un punto importante, como se explica en [5], es que Zt aumenta hasta un primer valor máximo a medida que aumenta la frecuencia, y este pico nunca se excede a medida que aumenta aún más la frecuencia. La frecuencia a la que se produce el primer pico depende de la longitud del cable y pasa a frecuencias más bajas a medida que aumenta la longitud del cable. De hecho, Zt se puede representar frente al producto de la frecuencia y la longitud del cable. Por ejemplo, se puede generar un gráfico como el de la Figura 11 ajustando una curva a los valores máximos de los datos trazados en la Figura 10.

Figura 10: Ejemplo de Zt para un escudo trenzado

Por qué sucede esto se explora más detalladamente en [5] y [4], donde se analiza el comportamiento oscilatorio en función de la longitud del cable y la frecuencia; y también por qué Zt alcanza un valor máximo en alguna frecuencia y luego disminuye a medida que la frecuencia aumenta aún más.

Independientemente de cómo esté terminado el blindaje del cable trenzado o envuelto, básicamente actúa como un filtro de paso alto. El resultado es que una sobretensión que viaja por los conductores internos de un cable blindado tendrá un tiempo de subida más pronunciado que la sobretensión inducida en el exterior del blindaje. A modo de ilustración, en la Figura 12 se muestra el efecto de un blindaje conectado a tierra en ambos extremos sobre el espectro de frecuencia de una sobretensión por rayo. Aquí, el espectro de frecuencia de una primera sobretensión por rayo negativo de 4,5×77 se ha multiplicado por el espectro Zt que se muestra en la Figura 11, suponiendo un cable de 10 m de longitud. La Figura 12 muestra que se suprimen los componentes de baja frecuencia de la sobretensión. El resultado es que la sobretensión que aparece en los conductores internos del cable tendrá un tiempo de subida más pronunciado que la sobretensión en el exterior del blindaje. Tenga en cuenta que se produciría un efecto similar si el blindaje estuviera conectado a tierra solo en un extremo, ya que el acoplamiento capacitivo resultante también suprime los componentes de baja frecuencia de la sobretensión.

Figura 11: Zt de la Figura 10 representado como el producto de la frecuencia y la longitud del cable

Figura 12: El efecto de un blindaje coaxial RG-58 de 10 m conectado a tierra en ambos extremos sobre una primera sobretensión de rayo negativa de 4,5×77

Habiendo examinado la teoría del blindaje, queda la cuestión práctica de cómo terminar el blindaje. Esta decisión depende del entorno en el que está instalado el cable.

Si un blindaje termina en un solo extremo, puede existir un voltaje relativamente alto en el extremo abierto del blindaje. Debido a que existe una capacitancia entre el extremo del blindaje y los conductores del cable, se pueden inyectar interferencias eléctricas directamente en las cargas del cable. La magnitud de esta capacitancia depende mucho de la instalación, por lo que realmente no se puede calcular. El acoplamiento capacitivo es mayor a altas frecuencias, donde la reactancia capacitiva es la más baja.

Se ha argumentado [6] que unir un escudo en un solo extremo destruye su efectividad, y hay algo de verdad en ello, especialmente en altas frecuencias, como se muestra en la Figura 13 basada en los datos de [7]. La implicación de esa observación es que un escudo nunca debe estar adherido sólo por un extremo. Pero la observación se hizo en el contexto de decir que un sistema diseñado adecuadamente no tiene bucles de tierra, una condición que tal vez no se pueda lograr en la práctica.

Figura 13: El efecto de terminar un blindaje en un solo extremo

Como nota, la diferencia entre los gráficos "sin blindaje" y "360° en un lado" en la Figura 13 es de 18 dB a 1 mHz. Extrapolar este gráfico a 100 Hz [algo bastante arriesgado] conduce a una diferencia estimada entre las dos curvas de 63 dB. Por lo tanto, un blindaje conectado a tierra en un solo extremo puede tener un rendimiento razonable en frecuencias de audio, pero no en frecuencias de radiodifusión y superiores.

La conexión a tierra de un blindaje en ambos extremos elimina el problema del acoplamiento capacitivo y es más efectiva cuando la diferencia de potencial entre las dos terminaciones del blindaje es baja. En este caso, las corrientes del circuito de tierra serán pequeñas y el blindaje tendrá su máxima efectividad, siempre que esté terminado correctamente. Como se señala en [6], la terminación adecuada es que el blindaje esté unido en cada extremo con una terminación de 360°. La Figura 14 muestra dos ejemplos.

Figura 14: Dos ejemplos de terminación de blindaje de 360°

Si no se hace esto, gran parte del beneficio de terminar un escudo en ambos extremos puede disminuir o perderse; por ejemplo, como se muestra en la Figura 15 a partir de los datos de [7]. Tenga en cuenta la pérdida de eficacia del blindaje cuando se utilizan pigtails (ver también [8]).

Figura 15: Pérdida de efectividad del blindaje debido a terminar el blindaje con pigtails

Volviendo a las preguntas originales: ¿Qué determina la eficacia del blindaje de un cable? ¿Y cómo afecta la decisión de poner a tierra o no un escudo en su efectividad?

La teoría del blindaje brinda una comprensión general de lo que se puede esperar del desempeño del escudo, pero la manera en que se termina el escudo también tiene un impacto significativo en la efectividad del escudo.

Un factor importante a considerar es si las tierras en los extremos opuestos del cable están cerca del mismo potencial. Si es así, las corrientes del circuito de tierra serán mínimas. En este caso, es probable que conectar a tierra ambos extremos del blindaje proporcione el mejor rendimiento de blindaje. Si las tierras tienen potenciales sustancialmente diferentes, las corrientes del bucle de tierra podrían ser un problema y, en este caso, dejar un extremo del blindaje sin terminar puede brindar el mejor rendimiento general del blindaje, siempre que el blindaje contra altas frecuencias no sea un problema.

La decisión de rescindir o no rescindir depende de la solicitud. Desafortunadamente, no existe una regla que se aplique a todas las situaciones y, a menudo, se requiere un experimento para determinar la mejor manera de terminar el escudo.

cabletierramartinshieldshielding

Al Martin fue colaborador frecuente de la revista In Compliance y autor o coautor de más de 35 artículos sobre EMC y telecomunicaciones. Falleció en agosto de 2021.