Parmi les ingénieurs de différents secteurs tels que la conception de produits électroniques, d'équipements industriels, d'installations ou de machines, il existe un mythe concernant les connexions des blindages des câbles blindés. Il traite de la réalisation du raccordement de l'écran du câble blindé à un connecteur, à une carte de circuit imprimé ou à certaines bornes. Une pratique habituelle consiste à retirer l'isolant du câble, à ouvrir l'écran et à le tresser avec plus ou moins de longueur, en configurant une "queue de cochon" ou "queue de cochon" à relier à la terre comme s'il s'agissait d'un simple câble. Où et comment le blindage d'un câble blindé est relié à la terre peut modifier radicalement ses performances, quelles que soient les caractéristiques intrinsèques de sa fabrication. La connexion à la terre d'un blindage de câble peut être le maillon le plus faible de la chaîne, en particulier aux hautes fréquences. Il peut être difficile et plus coûteux de connecter le blindage d'un câble à l'aide d'un connecteur doté d'une bonne pince interne. Une bonne pince a toujours une impédance bien inférieure à l'impédance de transfert du blindage. Si une queue de cochon est utilisée à la place d'un connecteur, c'est toujours un facteur limitant des performances réelles du câble. Un connecteur qui peut joindre le blindage à 360º avec une pince interne est le meilleur moyen de connecter le blindage d'un câble à la terre (par exemple, les connecteurs BNC, N ou SMA pour les câbles coaxiaux). La connexion de type pigtail dégrade toujours les performances intrinsèques du blindage à haute fréquence. Au mieux, la meilleure méthode de mise à la terre du blindage offre des performances presque similaires aux performances globales d'un câble blindé. Cela ne les améliore jamais.
Les avantages de l'armure
Les générateurs induisent des courants bruyants dans les câbles des équipements, et ces courants provoquent l'apparition de tensions EMI aux bornes d'entrée de l'équipement victime. Ce type de mécanisme de couplage est le couplage du champ externe au câble et joue un rôle important dans les problèmes d'EMI, jouant un rôle central dans l'évaluation de l'immunité rayonnée (ou susceptibilité) de l'équipement testé. L'évaluation des performances du blindage du câble, ainsi que ses connexions à la terre, donne des informations vitales pour la bonne conception de l'installation du câble. La première ligne de défense contre cette menace EMI consiste à utiliser de bons câbles blindés. Si l'impédance de transfert de surface du blindage du câble est faible (ceci est généralement obtenu avec une bonne couverture optique), la tension EMI aux bornes de l'équipement diminue.
impédance transversale
Le blindage des câbles blindés en tresse de cuivre a une impédance de transfert qui augmente avec la fréquence, mais son augmentation est bien moindre que pour le cas du blindage en spirale. L'impédance de transfert ZT est une mesure du degré d'efficacité du blindage d'un câble blindé. C'est le rapport entre le courant traversant le blindage dû aux EMI externes et la tension induite dans le câble interne, à l'intérieur du blindage, par unité de longueur. Il peut également être défini comme le rapport entre le courant traversant le conducteur interne et la tension induite dans le blindage par unité de longueur. L'impédance de transfert ZT se détaille comme suit : ZT = (1 / IS) (dV / dl) Où IS est le courant traversant le blindage, dV est la tension induite dans le câble interne et dl est l'unité de longueur. Le bon fonctionnement du câble blindé repose sur le fait que le courant EMI à l'extérieur du câble et le courant de retour du conducteur central partagent le blindage en couches contiguës. L'effet de peau permet cela à partir d'une certaine valeur de fréquence, le courant EMI occupant une couche mince dans la zone externe du blindage, tandis que le courant de retour fait de même mais dans une couche interne du même blindage. En raison de l'effet de peau, les deux courants peuvent coexister sans interférence entre eux. La figure 1 montre les valeurs d'impédance de transfert dans les câbles avec différents types de blindage. Plus l'impédance de transfert est faible, meilleur est le blindage du câble. La plupart des problèmes avec les câbles blindés sont dus à des connexions incorrectes des blindages. Les meilleures performances pouvant être obtenues avec un câble blindé ne seront obtenues que si le blindage est correctement relié à la terre. Les exigences pour une connexion correcte du blindage à la terre sont les suivantes : 1. Une connexion à la terre à très faible impédance 2. Une connexion avec un contact entre le connecteur et le blindage à 360º 3. Une connexion à l'extrémité appropriée (ou aux extrémités ), et au point ou aux points appropriés
Les nattes ou "pigtails"
L'effet du blindage sur le champ magnétique dépend de la répartition uniforme du courant longitudinal autour de la circonférence du blindage. Par conséquent, l'efficacité du blindage magnétique près des extrémités du câble dépend fortement de la méthode utilisée pour connecter le blindage. Une connexion de type queue de cochon (figure 2) entraîne la concentration du courant de blindage sur un côté du périmètre du blindage. Pour une protection maximale, le bouclier doit se terminer uniformément autour de sa circonférence. Ceci peut être réalisé grâce à l'utilisation de connecteurs coaxiaux tels que BNC, SMA, SMB, TNC, N, K, C, etc., si un câble coaxial est utilisé. L'exemple du connecteur BNC sur le point d'être fermé et fermé est illustré à la figure 3. Le connecteur BNC assure un bon contact électrique de la tresse de blindage répartie à 360º contre le boîtier du connecteur. Une terminaison coaxiale fournit également un blindage complet au conducteur de signal interne, préservant l'intégrité du blindage pour le champ électrique. Il est important d'avoir un bon contact à 360º entre le blindage et le connecteur, ainsi qu'entre les deux moitiés qui composent le connecteur. Il existe d'autres méthodes pour fournir une terminaison de blindage à 360º, sans avoir besoin d'un connecteur. Vous pouvez utiliser des brides métalliques, des presse-étoupes métalliques, ouvrir la tresse à raccorder sur tout son pourtour..., comme sur la figure 4. Même si le connecteur n'est pas coaxial, comme dans le connecteur DB25 par exemple, les connexions de blindage peuvent aussi être utilisé à 360º. La connexion à 360° peut être réalisée à travers les boîtiers métalliques ou les capots de différents types de connecteurs. Les fabricants de connecteurs proposent une variété de solutions mécaniques pour fixer le blindage ou le blindage au connecteur ou dans un presse-étoupe, comme un cône plat, une bague de compression à iris, un tube thermorétractable conducteur et une tresse de soudure. À titre d'exemple, la figure 5 montre le détail de la connexion du blindage à 360º dans un presse-étoupe métallique. L'utilisation d'une terminaison de type queue de cochon, dont la longueur ne représente qu'une petite fraction de la longueur totale du câble, peut avoir un effet négatif important sur le couplage des interférences électromagnétiques (EMI) au câble, à des fréquences supérieures à 100 kHz. Le couplage capacitif (champ électrique) à la partie blindée du câble est négligeable car le blindage est mis à la terre. Au-dessus de 100 kHz, le couplage principal au câble est le couplage inductif de la queue de cochon. À titre d'exemple pratique, la figure 6 montre les connexions de blindage correctes et incorrectes pour un câble vidéo HDMI. La mauvaise connexion est due à une queue de cochon trop longue et la bonne connexion est due à une connexion à 360º bien faite autour du boîtier du connecteur.
Circuit équivalent
Le courant de retour d'un courant continu ou d'un signal à très basse fréquence emprunte le chemin de moindre résistance. Mais, à haute fréquence, le courant de retour emprunte le chemin de moindre impédance. L'impédance dans le circuit de retour est la résistance de la terre, la résistance des connexions, le blindage du câble, les réactances inductives des câbles et un autre facteur important, la réactance inductive de la connexion à la terre du câble. Cette réactance est fonction de l'inductance (parfois appelée ''externe'' pour la différencier de l'inductance du fil d'environ 1 μH/m). L'inductance est fonction de la surface de la boucle formée par la prise de terre. Il est évident que la zone de boucle de la connexion à la terre du câble est beaucoup plus grande que la zone de boucle entre le câble et le blindage. Par conséquent, la réactance inductive est plus élevée et le courant de retour choisira le chemin de moindre réactance, revenant à travers le blindage, selon les besoins. La figure 7 montre le circuit électrique équivalent du blindage et ses connexions de masse. Dans le schéma, LT est l'inductance de la queue de cochon, qui est d'environ 10 nH/cm. Les équations de la boucle du circuit équivalent sont présentées sur la figure 8. IL diminue proportionnellement à la diminution de l'inductance LT de la queue de cochon. Pour obtenir tous les avantages du blindage, une faible résistance et une faible inductance sont nécessaires dans la connexion du blindage à la terre. La connexion entre le blindage et le connecteur fait partie d'une chaîne. Nous avons les connexions du boîtier au connecteur, du connecteur du câble au connecteur du panneau, du connecteur du panneau au boîtier et du panneau du boîtier à la terre. Tous ont une faible impédance; sinon, si nous avons une connexion faible dans cette chaîne à la terre, cela réduira les performances de toute la chaîne et rendra presque le bouclier inutile. L'un des maillons les plus faibles de cette chaîne est la connexion du connecteur du câble au connecteur du panneau. Certains connecteurs multiconducteurs ronds utilisent la baïonnette comme mécanisme de verrouillage. Ce type de connecteur n'a que peu de points de contact et a donc une impédance de transfert élevée. Un connecteur de couplage fileté est bien meilleur car il a un contact électrique d'impédance plus faible.
Couplage des EMI au câble
À un niveau expérimental et pratique, l'effet des terminaisons de blindage sur le couplage des EMI au câble blindé est présenté. Cinq types différents de connexion à la terre d'un câble blindé avec une paire torsadée à l'intérieur de 5 mètres de longueur sont comparés, reliant deux équipements, comme illustré à la figure 2. Les connexions à la terre du blindage sont présentées de la pire à la meilleure performance (de la plus élevée). à l'impédance de connexion la plus faible) : sans connexion de blindage des deux côtés, avec connexion de blindage d'un seul côté à 9°, blindage avec connexion en queue de cochon simple des deux côtés, blindage avec connexion en queue de cochon double des deux côtés queue de cochon et blindage avec connexion des deux côtés à 360°. Une comparaison de chaque type de terminaison de blindage est illustrée à la figure 360 pour des fréquences comprises entre 10 MHz et 1 GHz.Le niveau EMI sans le câble (il s'agit de la courbe cyan) est de 1 à 5 dBuV. La courbe rouge montre le résultat sans connecter le blindage du câble à la terre. Comme on le voit, il augmente linéairement avec la fréquence avec une augmentation de 10 dB/décade, environ jusqu'à 20 MHz, où se produit la première résonance. Cette résonance est à prévoir puisqu'elle correspond à la fréquence à laquelle la longueur du fil est égale à une demi-longueur d'onde (ë / 70). La courbe en noir correspond à la connexion du blindage d'un côté à 2º, dans le connecteur. Hormis une légère diminution dans le domaine des basses fréquences, en dessous de 360 MHz, la réponse est quasiment la même que dans le cas précédent. Lorsque le blindage du câble est connecté avec une queue de cochon d'environ 10 mm de diamètre et 1 mm de longueur de part et d'autre, la tension induite décroît rapidement jusqu'à la fréquence de résonance (courbe verte). Cependant, la réponse est similaire après le pic de résonance. L'ajout d'un autre pigtail parallèle au précédent de part et d'autre améliore la situation d'environ 10 dB (courbe bleue). Mais la véritable amélioration est obtenue avec la connexion à 10º des deux côtés (courbe magenta). Hormis la fréquence de résonance, la tension induite est très proche du niveau de seuil EMI. De plus, la tension induite est inférieure de 360 dB que dans les autres cas à la fréquence de résonance, où l'on obtient la plupart des tensions induites les plus graves. Les résultats d'un autre test intéressant sont présentés sur la figure 50. Il s'agit de comparer la différence des résultats de couplage EMI sur un câble blindé, en reliant son blindage avec des pigtails de différentes longueurs. La ligne rouge est le blindage sans connexion à la terre. A l'autre extrémité, la ligne noire est le câble coaxial avec la connexion faite avec des connecteurs, sans pigtails. La ligne violette est le câble avec seulement les adaptateurs pour pouvoir connecter les pigtails plus tard. Le reste des lignes correspond aux connexions de masse avec des pigtails de différentes longueurs. Dans ce test, la première fréquence de résonance est à 11 MHz.
Connexion du blindage à la terre aux deux extrémités
La raison principale du blindage des câbles à basse fréquence est de les protéger contre le couplage de champ électrique, principalement des conducteurs de secteur à 50 Hz. Un blindage n'offre aucune protection contre le champ magnétique à basse fréquence. Cela souligne l'avantage d'utiliser des paires torsadées blindées aux basses fréquences : le blindage protège contre le couplage de champ électrique et la paire torsadée protège contre le couplage de champ magnétique. Lorsque le blindage est mis à la terre aux deux extrémités du câble, la réduction EMI possible est limitée par la différence de potentiel entre les masses et par la sensibilité de la boucle de masse aux champs magnétiques. Dans le cas d'une paire torsadée blindée avec l'écran connecté à la terre aux deux extrémités, une partie du courant de boucle de terre est forcée de traverser l'écran, car il a une impédance plus faible, plutôt que de passer par le retour du signal du conducteur. Dans un câble coaxial, son blindage doit être relié à la terre aux deux extrémités, car c'est aussi le conducteur de retour du signal. Dans ce cas, le couplage EMI peut être réduit en abaissant l'impédance de transfert du blindage, car cela réduit le couplage d'impédance commune. Si le niveau d'immunité doit être augmenté, la boucle de masse doit être ouverte à l'aide d'optocoupleurs, de selfs de mode commun ou de transformateurs d'isolement. Aux fréquences supérieures à 100 kHz, ou lorsque la longueur du câble est supérieure à ë/20, il est nécessaire de mettre le blindage à la terre aux deux extrémités. Cela est vrai aussi bien pour les câbles multiconducteurs que pour les câbles coaxiaux. Par conséquent, il est de pratique courante en haute fréquence et avec des circuits numériques de mettre à la terre le blindage du câble aux deux extrémités. Toutes les petites tensions EMI causées par la différence de potentiel de masse qui peuvent être couplées au circuit (principalement à 50 Hz et ses harmoniques) n'affecteront pas les circuits numériques et peuvent généralement être filtrées, en raison de la grande différence de tension entre les EMI et les fréquences. signal numérique. Aux fréquences supérieures à 1 MHz, l'effet de peau réduit le couplage d'impédance commun du signal et des courants EMI traversant le blindage. L'effet de peau fait circuler le courant EMI sur la surface externe du blindage et le courant de signal sur la surface interne du blindage. La connexion à la terre à double blindage fournit également un blindage contre les champs magnétiques à des fréquences supérieures à la fréquence de coupure du blindage.
Connexion de blindage à une seule extrémité
A basse fréquence, blindages de câbles blindés multiconducteurs où le blindage n'est pas le conducteur de retour des signaux, le blindage est souvent connecté à une seule extrémité. Si le blindage est connecté aux deux extrémités, des courants EMI peuvent traverser le blindage en raison de la possible différence de potentiel entre les masses des deux extrémités du câble. Cette différence de potentiel, et donc le courant traversant le blindage, est généralement due à des courants de 50 Hz circulant entre les deux masses. Dans le cas d'un câble coaxial, le courant IEMI traversant le blindage provoque une tension VEMI dont l'amplitude est égale à : VEMI = IEMI x ZT où ZT est l'impédance de transfert du blindage. Dans le cas d'une paire torsadée blindée, le courant dans le blindage peut induire des tensions inégales dans les conducteurs de signal de la paire torsadée et être une source d'EMI. Si le blindage est mis à la terre à une seule extrémité, alors à quelle extrémité doit-il être mis à la terre et à quelle terre ? Il est généralement préférable de mettre le blindage à la terre du côté de la source du signal, car c'est la référence pour la tension du signal. Cependant, si la source du signal est flottante (non mise à la terre), il est préférable de connecter le blindage à la terre côté charge. La mise à la terre du blindage du câble à une seule extrémité pour éliminer le couplage EMI de la ligne de réseau permet cependant au câble d'agir comme une antenne haute fréquence et d'être vulnérable au captage EMI haute fréquence. Les émetteurs radio AM ou FM peuvent induire des courants RF haute fréquence dans le blindage du câble. Si le blindage du câble est connecté à la terre du circuit, ces courants RF pourraient entrer dans l'équipement et provoquer des interférences. Par conséquent, la manière correcte de connecter le blindage du câble à la terre consiste à le connecter au blindage de l'équipement, et non à la terre du circuit. Cette connexion doit avoir la plus faible impédance possible et doit être réalisée à l'extérieur de l'enceinte blindée. Les blindages sur les câbles coaxiaux, où le blindage est le conducteur de retour du signal, doivent être mis à la terre aux deux extrémités, et pour la fonctionnalité, cette terre doit être connectée à la terre du circuit. Cependant, compte tenu des EMI, le blindage doit d'abord être connecté à l'enceinte de l'équipement. Cela peut facilement être accompli en connectant le blindage du câble au boîtier, puis en connectant le circuit de masse au boîtier au même point. La terre connectée à une seule extrémité du blindage est efficace aux basses fréquences (audio) car elle empêche les courants de fréquence industrielle de circuler à travers le blindage et les éventuelles EMI d'atteindre le circuit de signal. Le point de connexion à la terre unique élimine également la boucle de masse du blindage et son éventuel captage de champ magnétique. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, la connexion à la terre unique devient moins efficace. Lorsque la longueur du câble approche ë/4, la connexion du blindage à la terre à une extrémité devient une antenne très efficace. Dans ces circonstances, il est généralement nécessaire de se connecter à la terre aux deux extrémités du blindage. Aux hautes fréquences, un problème se pose : la capacité parasite a tendance à compléter le circuit de masse, ce qui rend difficile, voire impossible, le maintien de l'isolation de la masse à l'extrémité non connectée du blindage. Aunque la conexión en un solo punto es eficaz en las frecuencias de audio y más bajas, y la conexión a masa en los dos extremos es eficaz a alta frecuencia, ¿qué se puede hacer cuando la señal contiene componentes de alta y baja frecuencia a la fois? Dans ce cas, les signaux haute fréquence ne font pas partie du circuit, mais peuvent être présents dans le câble en raison du couplage en tant que signal de mode commun dans le câble. Ensuite, l'utilisation d'un blindage sera nécessaire pour empêcher le rayonnement de signaux haute fréquence. Dans ces situations, la capacité parasite peut être remplacée par un vrai condensateur (environ 33 - 47 nF), pour former une combinaison hybride de masse. Ainsi, à basse fréquence, il y a une seule liaison à la masse car l'impédance du condensateur est grande.
Conclusions
Il a été expliqué comment connecter le blindage à la terre, en utilisant des pigtails ou en utilisant des connecteurs, en veillant à ce que la connexion à 360º de la liaison du blindage obtienne toujours les meilleures performances. On a également vu que normalement le blindage d'un câble blindé doit être mis à la terre aux deux extrémités. Bien qu'il existe quelques exceptions où le blindage est mieux connecté à une seule extrémité.
