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EMC

Eficácia do protetor de cabo

Calcule a eficácia da blindagem do cabo e a impedância de transferência versus frequência. Avalie o desempenho EMI de cabos coaxiais e blindados para conformidade com EMC.

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Fórmula

SE=20log⁡10Z1∣ZT∣ l,ZT=RT+jωMTSE = 20\log_{10}\frac{Z_1}{|Z_T|\,l},\qquad Z_T = R_T + j\omega M_T

Referência: Hähner & Mund, Screening of Cables in the MHz to GHz Frequency Range — Extended Application of a Simple Measuring Method (1998), eqs. 3-1 and 3-2, the method behind IEC 62153-4-4; Vance, IEEE Trans. EMC 17(2), 1975

SE— Eficácia da blindagem: tensão da linha em relação à tensão acoplada através da blindagem (dB)
Z_1— Impedância da linha (Ω)
Z_T— Impedância de transferência por metro (mΩ/m)
R_T— Resistência CC da blindagem por metro (mΩ/m)
M_T— Indutância de transferência por metro (nH/m)
l— Comprimento do cabo (m)

Como Funciona

A Calculadora de Eficácia do Cable Shield calcula a impedância de transferência e a eficácia da blindagempara cabos blindados — essenciais para a conformidade com a EMC, controle de emissões irradiadasem nível de sistema e imunidade à interferência externa. Os engenheiros da EMC usam isso para obter a blindagem de cabo de 40-80 dB necessária para conformidade com CISPR 32 Classe B e MIL-STD-461G RE102.

De acordo com “EMC Engineering” de Henry Ott e MIL-HDBK-1857, o principal parâmetro é a impedância de transferência Z_t (mohm/m), que relaciona a corrente de blindagem à tensão induzida no condutor interno: V_inner = Z_t x I_shield x L. Em baixas frequências (abaixo de aproximadamente 1 MHz), Z_t é igual à resistência DC da blindagem. Em frequências mais altas, o efeito cutâneo diminui inicialmente, mas as aberturas de trança fazem com que Z_t suba acima de aproximadamente 10 MHz.

A eficácia da blindagem compara a tensão que vaza através da blindagem com a própria linha. Segundo Hähner e Mund (o método por trás da IEC 62153-4-4), SE = 20 x log10(Z_1 / (|Z_t| x L)), onde Z_1 é a impedância característica da linha dentro da blindagem, normalmente 50 ohms. A impedância de transferência é Zt=Rt+jωMtZ_t = R_t + j\omega M_t: a resistência CC mais uma indutância de transferência MtM_t que domina acima da frequência de canto f=Rt/(2πMt)f = R_t / (2\pi M_t). Um cabo com R_t = 10 mohm/m, M_t = 0,16 nH/m e L = 2 m tem |Z_t| x L = 28,3 mohm a 10 MHz, portanto SE = 20 x log10(50/0,0283) = 65 dB; a SE só cai para 0 dB quando |Z_t| x L se iguala a Z_1. A relação vale enquanto o cabo for mais curto que cerca de um sexto do comprimento de onda (5 m a 10 MHz, 0,5 m a 100 MHz), e a calculadora sinaliza um cabo mais longo. De acordo com a CISPR 32, os cabos devem atingir SE > 40 dB para evitar serem fontes de emissão dominantes.

Os cabos com blindagem dupla (folha mais trança) alcançam SE > 60 dB combinando a cobertura de 100% da película com a baixa resistência DC da trança. De acordo com o MIL-C-17, os cabos triaxiais atingem SE > 100 dB. Para a maioria das aplicações industriais, uma única trança com cobertura de mais de 85% fornece 30-50 dB SE adequados abaixo de 100 MHz.

Exemplo Resolvido

Problema: Avalie a blindagem de um cabo USB de 2 m com blindagem de trança única: R_t = 20 mohm/m e uma indutância de transferência M_t = 0,32 nH/m, que coloca o canto em 10 MHz, de modo que |Z_t| = 20 x sqrt(1 + (f/10 MHz)^2) mohm/m. Referido a uma linha de 50 ohms, é adequado para o CISPR 32 Classe B?

Solução segundo Ott:

  1. A 30 MHz (onde começa a medição irradiada do CISPR 32): Z_t = 20 x sqrt (1 + 9) = 63 mohm/m
  2. A 100 MHz: Z_t = 20 x sqrt (1 + 100) = 201 mohm/m
  3. A 300 MHz: Z_t = 20 x sqrt (1 + 900) = 600 mohm/m
  4. SE = 20 x log10(50 / (Z_t x 2)): 52 dB a 30 MHz, 20 x log10(50/(0,201 x 2)) = 41,9 dB a 100 MHz, 32 dB a 300 MHz
  5. Um cabo de 2 m mede um sexto do comprimento de onda a 25 MHz, então acima disso a relação de cabo curto não vale: esses valores de SE são estimativas, e a calculadora os sinaliza
  6. Com corrente de blindagem interna de 10 mA a 100 MHz: V_coupled = 201e-3 x 0,01 x 2 = 4 mV
  7. Essa tensão em LISN de 50 ohms = 4mV/50 = 80 uA, irradiando campo de aproximadamente 66 dBuV/m a 3m

Análise: a SE fica abaixo da referência de 40 dB acima de cerca de 125 MHz, e acima de 25 MHz o cabo é longo o bastante para ressoar e irradiar como uma antena. Para conformidade com a CISPR 32, é necessário um cabo com blindagem dupla (Z_t < 10 mohm/m a 100 MHz) ou adicionar pinças de ferrite para supressão adicional de 20 dB.

Dicas Práticas

  • ✓Use terminação de blindagem de 360 graus nos conectores — de acordo com MIL-STD-461G, os terrenos pigtail adicionam uma indutância de 20-50 nH que degrada SE em 10-20 dB acima de 30 MHz. A braçadeira traseira ou as terminações de crimpagem fornecem <1 nH.
  • ✓Adicione braçadeiras de ferrite nas duas extremidades do cabo — de acordo com Murata, as ferritas de encaixe fornecem atenuação CM adicional de 10 a 20 dB de 30 a 500 MHz, complementando a blindagem do cabo quando a qualidade da terminação é incerta.
  • ✓Especifique cabos com blindagem dupla para frequências acima de 100 MHz — de acordo com o guia de design do CISPR 32, o SE de trança simples se degrada significativamente acima de 100 MHz; blindagens duplas (folha + trança) mantêm mais de 60 dB a 1 GHz.

Erros Comuns

  • ✗Proteção de aterramento em apenas uma extremidade — de acordo com Ott, o aterramento de ponto único protege apenas campos elétricos; o acoplamento de campo magnético (dominante acima de aproximadamente 1 MHz) requer fluxo de corrente de blindagem, que precisa de aterramento em ambas as extremidades. Exceção: frequências de áudio abaixo de 20 kHz em que os loops de terra causam zumbido de 50/60 Hz.
  • ✗Baseando-se na classificação de eficácia da blindagem sem verificar a terminação — de acordo com o MIL-HDBK-1857, as terminações de aterramento em forma de trança adicionam uma indutância de 10 a 30 nH que contorna a blindagem acima de 10 MHz. Use uma ligação circunferencial de 360 graus nas camadas traseiras dos conectores.
  • ✗Assuming foil shields are better than braid — foil provides 100% optical coverage but has higher Z_t than braid at DC due to thin aluminum (typically 10 um). De acordo com Ott, a combinação de folha e trança oferece o melhor desempenho: película para altas frequências, trança para baixas frequências.

Perguntas Frequentes

Depende da frequência segundo Ott: a película fornece cobertura de 100% (sem aberturas), mas o alumínio fino tem maior resistência DC; a trança tem menor resistência DC, mas cobertura de 80-95% com aberturas. Abaixo de 10 MHz, a trança vence; acima de 100 MHz, a folha vence. Melhor desempenho: a combinação foil+trança atinge SE > 60 dB em todo o espectro de acordo com as especificações MIL-C-17.
De acordo com Ott, o aterramento de ponto único evita correntes de circuito de aterramento a 50/60 Hz que causam zumbido audível em sistemas de áudio. No entanto, o aterramento de ponto único não fornece proteção de campo magnético acima de aproximadamente 1 kHz. Para aplicações EMC (30 MHz a 1 GHz), sempre aterrar as duas extremidades. Para áudio, use sinalização balanceada (diferencial) para rejeitar o zumbido do modo comum em vez do aterramento de ponto único.
Sem mínimo fixo — depende do nível de ruído interno. De acordo com Ott, regra típica: as emissões internas devem estar 20 dB abaixo do limite antes que o cabo se torne a fonte dominante. Se as emissões de PCB forem 50 dBuV/m e o limite for 40 dBuV/m, o cabo SE deve ser >30 dB (para atingir uma contribuição de cabo de 50-30 = 20 dBuV/m). Na prática, recomenda-se 40+ dB SE para uma margem de conformidade confiável.
O SE diminui 6 dB por duplicação do comprimento — Z_t is por metro, então cabos mais longos emitem mais ruído. Além disso, cabos maiores que lambda/4 na frequência problemática se tornam antenas ressonantes com radiação aprimorada. De acordo com o MIL-HDBK-1857, um cabo de 1 m ressoa a 75 MHz (quarto de onda); um cabo de 2 m a 37,5 MHz. Mantenha os cabos o mais curtos possível para a EMC.
Sim — de acordo com a IEC 62153-4-3 (método triaxial) ou MIL-STD-1377. Injete corrente conhecida na superfície externa da blindagem; meça a tensão induzida no condutor interno por unidade de comprimento. Equipamento: gerador de sinal, amplificador de RF, dispositivo de injeção, analisador de espectro. Dispositivos de teste de impedância de transferência disponíveis na Fischer Custom Communications e outros. Os resultados são as curvas da ficha técnica do fabricante.

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