Quando e perché usare i cavi schermati?

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Tra gli ingegneri di diversi settori come la progettazione di prodotti elettronici, apparecchiature industriali, installazioni o macchinari, esiste un mito legato alle connessioni delle schermature dei cavi schermati. La Direttiva Compatibilità Elettromagnetica 1 (EMC), in vigore a tutti gli effetti dal 20 aprile 2016, determina le condizioni che le apparecchiature o i sistemi devono soddisfare. Quando devono essere collocati in uno spazio fisico condiviso e alcuni di essi irradiano emissioni elettromagnetiche è obbligatorio usare cavi schermati. La regola è la prima norma a cui dobbiamo fare riferimento per determinare i cavi appropriati per un’installazione.

Quando bisogna usare cavi schermati

D’altra parte, date le caratteristiche meccaniche dei cavi schermati, durante il processo di installazione è molto importante rispettare i raggi minimi di curvatura, nonché le forze di trazione durante la posa. Per garantire che lo schermo non venga danneggiato bisogna operare in questa maniera, perché altrimenti influirebbe negativamente sulle prestazioni del cavo.

Inoltre, affinché uno schermo sia efficace, nei cavi schermati deve esserci continuità per tutta la lunghezza e devono essere collegati a massa solo ad un’estremità, per evitare che la corrente li attraversi. La corrente a sua volta potrebbe essere accoppiata. Infine, dobbiamo tenere presente che un sistema terrestre inappropriato può essere la prima fonte di emissione di interferenze.

Dobbiamo garantire che la condizione di impedenza di terra al momento della messa in servizio degli impianti con i cavi schermati sia mantenuta per tutta la vita del cablaggio.

L’EMI può essere irradiato (> 30 MHz) o condotto (< 30 MHz). Irradiati sono, ad esempio, quelli prodotti dalle apparecchiature elettriche nella generazione e trasformazione di energia, in cui i disturbi elettromagnetici si propongono attraverso l’aria, entrando nel circuito vittima come accoppiamento.

L’interferenza condotta entra nel circuito della vittima attraverso collegamenti comuni, sia tramite cavi schermati che strutture metalliche. Inoltre possono essere di diverso tipo a seconda della loro origine: essendo accoppiamenti reattivi (< 30 MHz) che a loro volta saranno capacitivi (alte tensioni) se provengono da campi elettrici, o induttivi (grandi correnti) se provengono da campi magnetici e, infine, se provengono da campi elettromagnetici, radiazioni.

Le interferenze

Affinché queste interferenze si verifichino, devono essere presenti tre elementi: emettitore, ricevitore e mezzo conduttivo. Pertanto, per eliminare le interferenze nei cavi schermati abbiamo tre alternative. Sopprimere o ridurre le emissioni, ridurre l’efficacia del mezzo conduttivo o proteggere il ricevitore.

Inoltre possono essere di diverso tipo a seconda della loro origine: essendo accoppiamenti reattivi (< 30 MHz) che a loro volta saranno capacitivi (alte tensioni) se provengono da campi elettrici o induttivi (grandi correnti) se provengono da campi magnetici e, se provengono da campi elettromagnetici, saranno radiazioni.

Schermatura multipla o semplice

Una delle opzioni più comunemente utilizzate è quella di utilizzare cavi schermati per alimentare apparecchiature sensibili. I cavi schermati sono quelli che incorporano nel loro design elementi metallici che agiscono come una gabbia di Faraday, proteggendo dalle interferenze elettromagnetiche o dai disturbi elettrici in entrambe le direzioni.

Dal cavo al suo ambiente, riducendo le emissioni, ad esempio dall’ambiente al cavo, riducendo interferenza. L’obiettivo della schermatura dei cavi è quindi quello di non far uscire o non far entrare il flusso elettromagnetico, agendo così sia sull’emissione che sulla ricezione dei disturbi. Solitamente l’effetto schermante può essere ottenuto mediante reti, schermi concentrici o lamine metalliche, ciascuna con proprietà schermanti differenti.

A sua volta, la schermatura può essere multipla o semplice.

La schermatura può essere applicata su tutto il conduttore o parzialmente tra gruppi di conduttori, evitando il crosstalk, cioè l’effetto che si verifica quando parte dei segnali presenti in uno dei circuiti, ritenuti disturbanti, compaiono nell’altro, chiamato disturbato.

L’efficacia dello schermo dipende dal materiale di cui è composto, dal suo spessore, dal tipo di interferenza elettromagnetica a cui è sottoposto, dalla sua frequenza, dalla distanza dalla sorgente di disturbo, dalla continuità dello schermo e dal sistema di terra. La scelta del tipo di schermatura dipenderà dall’uso a cui è destinata.

Alle basse frequenze, originate da campi elettrici, la schermatura a maglie è più efficace, mentre per le alte frequenze (oltre 100 kHz), a causa dei campi elettromagnetici, la schermatura a nastro è più efficace. Gli schermi a rete hanno aperture che riducono la loro copertura al di sotto del 100%, il che facilita la dissipazione del calore dal conduttore e la sua flessibilità. Questo sebbene riduca l’efficacia della schermatura, poiché consente il passaggio delle onde elettromagnetiche, essendo più importante quando è previsto schermare i campi magnetici rispetto ai campi elettrici.

Come collegare la schermatura a un connettore

Ecco come collegare la schermatura del cavo schermato a un connettore, un circuito stampato o dei terminali. Una pratica comune è quella di rimuovere l’isolamento dal cavo, aprire lo schermo e intrecciarlo con più o meno lunghezza, configurando un pigtail da collegare a massa come se fosse un semplice cavo.

Dove e come la schermatura di un cavo schermato è collegata a terra può cambiare radicalmente le sue prestazioni, indipendentemente dalle caratteristiche intrinseche della fabbricazione. Il collegamento a terra di una schermatura del cavo può essere l’anello più debole della catena, soprattutto alle alte frequenze.

Può essere difficile e più costoso collegare la schermatura di un cavo utilizzando un connettore dotato di un buon morsetto interno. Un buon morsetto ha sempre un’impedenza molto inferiore all’impedenza di trasferimento della schermatura.

Se invece di un connettore viene utilizzato un pigtail, è sempre un fattore limitante delle prestazioni effettive del cavo. Un connettore in grado di legare lo schermo a 360° con un morsetto interno è il modo migliore per collegare lo schermo di un cavo a terra (ad esempio, connettori BNC, N o SMA per cavi coassiali). La connessione pigtail degrada sempre le prestazioni intrinseche della schermatura ad alta frequenza.

Nel migliore dei casi, il metodo per la messa a terra della schermatura fornisce prestazioni quasi simili alle prestazioni complessive del cavo schermato. Non le migliora mai. La schermatura dei cavi schermati realizzata con treccia in rame ha un’impedenza di trasferimento che aumenta con la frequenza, ma il suo aumento è molto inferiore rispetto alla schermatura a spirale. L’impedenza di trasferimento ZT è una misura dell’efficacia della schermatura di un cavo schermato.

È il rapporto tra la corrente che fluisce attraverso la schermatura dovuta a EMI esterne e la tensione indotta nel cavo interno, all’interno della schermatura, per unità di lunghezza.

Ex tecnico hardware e software con studi di ingegneria informatica alle spalle, mi dedico da tempo alla scrittura on-line e sono in procinto di iscrivermi all’Ordine dei Giornalisti. Ho qualche anno di esperienza in diversi settori, ma l’elettronica è quello che preferisco. Mi piace seguire l’evolversi di invenzioni e nuove tecnologie e tenermi aggiornato sull’uscita di nuovi prodotti sul mercato.

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