Introducin La convivencia de equipos con diversas tecnologas distintas, sumadas a la falta de adecuacin de las instalaciones, facilita la emisin de energa electromagntica y con esto, es comn que se tenga problemas de compatibilidad electromagntica. EMI (Interferencia Electromagntica) es muy frecuente en funcin del mayor uso de mquinas (mquinas de soldar, por ejemplo), motores (CCMs), redes digitales y de computadores prximos a estas reas. La topologa y la distribucin de cables, los tipos de cables, las tcnicas de protecciones son factores que deben ser considerados para la minimizacin de los efectos de EMI. .

La importancia de la conexin a tierra en Instrumentacin y Automatizacin. De una forma simple y directa, la conexin a tierra tiene los siguientes objetivos:

Escoger cargas estticas acumuladas en estructuras, soportes y carcasas.;

Facilitar el funcionamiento de los dispositivos de proteccin (fusibles, disyuntores, etc.), a travs de corriente desviada a tierra;

Proteger a las personas y animales contra contactos indirectos.;

Crear puntos de referencias adecuadas a las seales y mediciones;

Minimizar los efectos de EMI (Interferencia Electromagntica).

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

Fallas de comunicacin (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 lgicas de losPLCs;

Calentamiento de equipos, placas electrnicas y sin razones aparentes;

Etc. Las seales pueden variar bsicamente debido a: Fluctuacin de tensin;

Harmonicas de corriente;

RF conducidas y radiadas;

Temporales (conduccin o radiacin);

Campos Electrostticos;

Campos Magnticos;

Reflexiones;

Crosstalk;

Atenuaciones;

Ruidos de fase;

Etc. Las principales fuentes de interferencias son:

Acoplamiento capacitivo;

Acoplamiento inductivo;

Conduccin a travs de impedancia comn (conexin a tierra): Ocurre cuando las corrientes de dos circuitos diferentes pasan por una misma impedancia. Por ejemplo, el camino de conexin a tierra comn de dos circuitos.

Acoplamiento Capacitivo El acoplamiento capacitivo es representado por la interaccin de campos elctricos entre conductores. Un conductor pasa prximo a una fuente de ruido (perturbador), capta el ruido y lo transporta para otra parte del circuito (vctima). Es el efecto de capacitancia entre dos cuerpos con cargas elctricas, separadas por un dielctrico, o que llamamos efecto de la capacitancia mutua. El efecto de campo elctrico es proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la distancia. El nivel de perturbacin depende de las variaciones de la tensin (dv/dt) y el valor de capacitancia de acoplamiento entre el cable perturbador y el cable vctima. 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 frmula XC = 1/2pfC)

La distancia entre los cables perturbadores y vctima y la longitud de los cables que corren en paralelo.

La altura de los cables en relacin al plan de referencia (en relacin al suelo).

La impedancia de entrada del circuito victima (circuito de alta impedancia de entrada son ms 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 tensin y corriente en modo comn y diferencial.

Figura 2 - Modo diferencial y modo comn - Acoplamiento capacitivo

Medidas para reducir el efecto de acoplamiento capacitivo o Limite de la extensin de cables corriendo en paralelo. o Aumente la distancia de los cables corriendo en paralelo. o Conecte a tierra una de las extremidades de los shields en los dos cables. o Reduzca el dv/dt de la seal perturbadora, aumentando el tiempo de subida de la seal,

siempre que sea posible (bajando la frecuencia de la seal). Envuelva siempre que sea posible el conductor o equipo con material metlico (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 realimentacin o de crosstalk. La figura 4 muestra la interferencia entre cables, donde el acoplamiento capacitivo entre cables induz transiente (pickups electrostticos) de tensin. En esta situacin, la corriente de interferencia es drenada a tierra por el shield sin afectar los niveles de las seales.

Figura 3 - Medidas para reducir el efecto de acoplamiento capacitivo

Figura 4 Interferencia entre cables: el acoplamiento capacitivo entre los cables induz transiente (pickups eletrostticos) de tenso

La figura 5 muestra un ejemplo de proteccin contra transientes.

Figura 5 - Ejemplo de proteccin contra transientes (mejor solucin contra corriente de Foucault) Interferencias electrostticas pueden ser reducidas:

Conexin a tierra y blindajes adecuadas.

Por el uso de canaletas y bandejamientos metlicos 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 acompaados por un campo magntico. El nivel de perturbacin 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 vctima y la longitud de los cables que corren en paralelo.

La altura de los cables con relacin al plano de referencia (en relacin 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 seal, siempre que sea posible (Resistores conectados en serie o resistores PTC en el cable perturbador, anillos de ferrita en los perturbadores y/o cable vctima).

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 metlica.

Use cables trenzados.

Use ferritas y filtros de EMI

Figura 9 - Acoplamiento inductivo entre cable y loop de tierra

El cable de par trenzado es compuesto por pares de hilos. Los hilos de un par son enroscados en espiral a fin de, a travs del efecto de cancelacin, reducir el ruido y mantener constantes las propiedades elctricas del medio por toda su extensin. El efecto de cancelacin, reduce la diafona (crosstalk) entre los pares de los hilos y disminuye el nivel de interferencia electromagntica/radiofrecuencia. El nmero de trenzas de los hilos puede ser variado a fin de reducir el acoplamiento elctrico. Con su construccin 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 comn. Para bajas frecuencias, esto es, cuando el largo del cable es menor a 1/20 de extensin de onda de frecuencia del ruido, el blindaje (malla o shield) presentar la mismo potencia en toda su extensin, en este caso, se recomienda conectar el blindaje en un solo punto de tierra. En altas frecuencias, esto es, cuando la extensin del cable es mayor que 1/20 de largo de onda de la frecuencia del ruido, el blindaje presentar 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 ngulo en que el flujo corta el area del vector (A) o an en funcin de la inductancia mutua M : Vruido = 2pfMI donde I e la corriente en el cable de potencia.

Figura 12 - Ejemplo de ruido por induccin

Uso de Cables Blindados en la minimizacin de ruidos En el tema de mejor eficiencia de la proteccin a ruidos, el doble blindaje (trenza y folio), han sido aplicada con mejoras significativas en relacin seal/ruido y podemos comentar que:

Con doble proteccin con certeza y eficiente es mayor. Existen cables hasta con mas de 3 protecciones. Cuanto mas cerrada la malla, mejor es la proteccin..

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 tendramos una mayor proteccin en ruidos de bajas frecuencias. En el caso de altas frecuencias, el blindaje presentar alta suscptibilidad al ruido y en este caso, se recomienda que sea conectada a tierra en las dos extremidades (aqu algunos cuidados deben ser tomados en la prctica por cuestiones de la potencia del equipo y en la seguridad). Con esta alternativa de doble proteccin, protegera la comunicacin de bajas y altas frecuencias, siendo mejor en la proteccin de la EMI. La eficacia de la malla (trenza) es generalmente mas eficaz en bajas frecuencias, en cuanto que el folio es ms 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 conexin a tierra de la malla en un solo punto (ver figura 15), la corriente no circular por la malla y no cancelar campos magnticos. 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 extensin del conductor que se extiende fuera del blindaje.

Garantizar una buena conexin del shield a tierra. Ocurre una distribucin de corrientes, en funcin 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 circular por el camino de menos resistencia. Sobre kHz: hay predominio de la reactancia inductiva y con esto la corriente circular por el camino de menor inductancia. El camino de menor impedancia es aquel cuyo recorrido de retorno es prximo al recorrido de ida, por presentar mayor capacitancia distribuida y menor inductancia distribuida. Al conectarse a tierra el shield en dos puntos:

No hay proteccin contra loops de tierra.

Daos 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 elctrica de conexin 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 extensin de la conexin blindaje-referencia, pues este exceso de extensin funciona como una bobina y puede facilitar la susceptibilidad a ruidos.

La mejor solucin para el blindaje magntico es reducir el rea 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 nmero de voltas pr cm.

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

En relacin a inversores, que normalmente sern generadores de ruidos, un punto importante es que la mayora de los inversores posea frecuencia de conmutacin que puede ir desde 1.0 kHz a 30 kHz. Adems de eso, algunos fabricantes de inversores comenta que atienden las normas CE, ms que en instalaciones envolviendo inversores se debe:

1. Conectar a tierra adecuadamente y segn los manuales (shield conectado a tierra en dos extremos y las carcasas de motores conectadas a tierra son recomendables de las fbricas).

2. La potencia de salida, fijacin del control (E/S) y la seal deben ser de cable blindado con cobertura igual o superior a 75%, Potncia de sada, fiao de controle (E/S) e sinal devem ser de cabo blindado, tranado com cobertura igual ou superior a 75%, hilos conductores meticos o atenuacin equivalente.

3. Todos los cables bindados deben tener su terminacin en un conector blindado apropiado. 4. Los cables de control y seaes deben quedar apartados en lo mnimo 0.3 m hilos de

fuerza/potencia.

Conclusin El blindaje contra campos magnticos no es tan eficiente cuanto lo es contra campos elctricos. El blindaje solo es eficiente cuando establece un camino de baja impedancia para tierra, y adems de eso, un blindaje fluctuante no protege contra interferencias. La malla de blindaje debe ser conectada al potencial de referencia (tierra) del circuito que est siendo blindado. Al conectar a tierra el blindaje en mas de un punto puede ser problemtico. En bajas frecuencias, los pares trenzados absorben la mayor parte de los efectos de la interferencia electromagntica. Ya en altas frecuencis esos efectos son absorbidos por el blindaje del cable. Vale la pena recordar aun que si un material no-magntico envuelve un conductor hace con que la corriente de este conductor retorne por otro camino de tal modo que el rea definida para el trayecto de esta corriente es menor que cuando el conductor no es envuelto, entonces esta proteccin ser mas efectiva. Siempre que sea posible, conecte las bandejas de cables al sistema de lnea equipotencial.

Referencias Articulos tcnicos - Csar Cassiolato

Manuales SMAR

www.system302.com.br

www.smar.com.br

http://www.smar.com/brasil2/artigostecnicos/

http://www.electrical-installation.org/wiki/Coupling_mechanisms_and_counter-measures

EMI - Interferncia Eletromagntica, Csar Cassiolato

Aterramento, Blindagem, Rudos e dicas de instalao, Csar Cassiolato

O uso de Canaletas Metlicas Minimizando as Correntes de Foucault em Instalaes PROFIBUS, Csar Cassiolato

Rudos e Interferncias em instalaes Profibus, Csar Cassiolato

Pesquisas en internet