La schermatura dei cavi

Contenere l’energia elettrica in modo che i segnali che fluiscono in un cavo non creino effetti indesiderati all’esterno, interferendo con cavi vicini, ma anche proteggere i segnali da interferenze esterne: questi gli obiettivi del Shielding.

Il termine “shield” (scudo) nel caso dei sistemi industriali si riferisce alle soluzioni che impediscono a segnaliesterni in desiderati di entrare, ma anche di uscire, alterando il funzionamento di altri sistemi vicini.

Il termine “shield”, traducibile come “scudo”, è utilizzato in molteplici contesti diversi, e un esempio emblematico tra i tanti riguarda un noto brand di abbigliamento tecnico che pubblicizza un recente prodotto come “Wind Shield Hybrid Soft Shell Jacket”, a garanzia di massima protezione dagli elementi esterni (nello specifico, il vento). Nel caso dei sistemi industriali occorre impedire non solo che qualcosa di indesiderato entri, ma anche che qualcosa esca, creando effetti ancora una volta indesiderati nell’ambiente di lavoro. A questo “qualcosa” ci si riferisce con il termine tecnico di “electrical noise” (rumore elettrico), chiaramente mutuato dall’esperienza quotidiana dato che il rumore in quanto tale disturba, soprattutto se stanno ristrutturando un appartamento vicino al vostro. Al di là delle divagazioni, va chiarito subito che si sta parlando di interferenza elettromagnetica, o EMI (Electromagnetic Interference), che può essere irradiata nell’etere o trasmessa via cavo. Da evidenziare che in effetti i cavi possono comportarsi sia come sorgente che come destinazione di EMI: un cavo può condurre rumore elettrico ai sistemi e agli apparati che collega, e anche agire da antenna irradiando il rumore, ma lo stesso cavo può anche subire l’interferenza emessa da altre sorgenti.

L’interferenza elettromagnetica (EMI, Electromagnetic Interference), può essere irradiata nell’etere o trasmessa via cavo; i cavi possono comportarsi sia come sorgente che come destinazione di EMI

A volte, in riferimento a queste problematiche, si parla di “isolamento”, ma non è corretto in quanto un isolamento, nelle diverse possibili varianti realizzative, protegge un cavo da rischi di rottura e abrasioni da frizione (protezione meccanica), e da agenti esterni quali possono essere umidità, liquidi o gas corrosivi e alte temperature (protezione ambientale). L’isolamento, in genere ottenuto con coating o rivestimenti in polietilene, polivinilclorulo o politetrafluoroetilene (PE, PVC, PTFE), è trasparente all’energia elettromagnetica e non offre protezione alcuna: occorre uno shielding, o schermatura, che si basa su diverse soluzioni costruttive dei cavi, in funzione del livello di protezione imposto dalla rumorosità elettrica dell’ambiente. Prima di procedere, dato che si è fatto cenno all’isolamento, può essere interessante tener presente che il trend attuale è verso una nuova generazione di smart coating che, integrando delle funzionalità di sensing, presenta capacità di selfhealing, sostanzialmente di autoriparazione, modificando le sue proprietà in risposta a variazioni ambientali, per esempio specifici agenti chimici, eccesso di sforzo meccanico o danneggiamenti, anche se ancora molte sono le sfide tecnologiche da affrontare.

Isolamento e schermatura sono due concetti diversi: l’isolamento garantisce protezione meccanica e ambientale ai cavi, ma è trasparente all’energia elettromagnetica, quindi alle interferenze.

Alcune note sull’interferenza elettromagnetica
Il tema delle interferenze negli ambienti industriali è in genere sviluppato ponendo attenzione a due aspetti diversi anche se tra loro interconnessi: EMI ed EMC. Il secondo termine, compatibilità elettromagnetica, si riferisce alla capacità di un’apparecchiatura di coesistere con altre nell’ambientazione elettromagnetica cui è destinata senza causare o subire danni o degradi funzionali. Del resto, tutti i prodotti elettrici ed elettronici devono aderire ai limiti EMI/EMC imposti dagli standard, riferiti ad ambientazioni diverse, per esempio aerospaziali, commerciali, industriali, medicali, militari, prima di essere resi disponibili all’utente. In pratica si può dire che con EMC si intende il controllo dell’EMI, con individuazione delle contromisure progettuali e applicative atte a prevenire emissioni che possono avere effetti indesiderati. Dopo questa precisazione, in merito alle interferenze elettromagnetiche ne esistono di livelli e tipologie diverse.

Ma le ambientazioni factory floor, dove cioè si trovano i macchinari utilizzati in produzione, sono elettricamente rumorose e generano interferenze che possono alterare anche gravemente l’andamento dei processi.

I livelli di rumore elettrico, sulla base dei quali poi approntare il corretto shielding, possono essere così generalizzati: alto, quando la sorgente è rappresentata da processi elettrolitici, grandi motori elettrici, generatori, trasformatori, sistemi di riscaldamento a induzione, linee di potenza; medio, relativo sostanzialmente a impianti manifatturieri tipici, con motori, generatori e trasformatori di media potenza; basso, tipico di laboratori uffici, linee di assemblaggio leggere, con piccoli motori e generatori e trasformatori di bassa potenza. Come tipologia, le interferenze elettromagnetiche possono essere classificate in vari modi, per esempio sulla base del modo in cui si creano, se conseguenza dell’azione dell’uomo, e ci si riferisce all’uso di apparecchiature e dispositivi elettrici ed elettronici, o se conseguenza di fenomeni naturali, per esempio fulmini e conseguenti scariche elettriche. Altre classificazioni riguardano durata e banda di frequenza; nel primo caso un’interferenza può essere continua, come quella generata in continuazione da un circuito, o impulsiva, come nel caso della commutazione di correnti elevate, mentre nel secondo la distinzione è tra narrowband (banda stretta), per esempio segnali spuri causati dall’intermodulazione o altre forme di distorsione in dispositivi trasmittenti tipo router WiFi, e broadband (banda larga), per esempio saldatrici ad arco.

I livelli di rumore elettrico sono particolarmente alti quando la sorgente è per esempio un grande motore elettrico con effetti sui cavi vicini solo se non adeguatamente schermati.

E’ poi importante individuare quale meccanismo di accoppiamento porta l’interferenza dalla sorgente all’entità che la subisce, o “vittima” come spesso viene denominata. Di base vi può essere un accoppiamento per irraggiamento, tipico quando sorgente e vittima sono separate da una distanza almeno superiore a quella della lunghezza d’onda del segnale di rumore, oppure un accoppiamento per conduzione, quando esiste una canale fisico su cui il segnale può viaggiare, per esempio cavi di alimentazione o cavi di interconnessione tra sistemi. L’accoppiamento per conduzione prevede due modalità: common mode, quando il rumore presenta la stessa fase nei due conduttori, oppure differenziale, quando vi è sfasamento. Nel descrivere i fenomeni di interferenza nei cavi si parla poi spesso di crosstalk, con ciò intendendo in fenomeno per cui un segnale trasmesso su un canale conduttore crea un effetto indesiderato su un altro canale; alla base dei crosstalk vi sono indesiderati accoppiamenti di tipo magnetico (campo magnetico che varia) o capacitivo (tensione che varia). Per concludere questa prima parte, da sottolineare che concettualmente un adeguato shielding si ottiene inserendo una barriera metallica lungo il cammino di propagazione delle onde elettromagnetiche tra la sorgente della radiazione e il dispositivo che si è individuato necessitare di protezione; la barriera può essere applicata a livello della sorgente, posto sia nota, e il dispositivo o l’apparecchiatura considerata suscettibile alle interferenze. Il concetto di barriera resta anche nel caso dei cavi, ovviamente con implementazioni reali ben precise, stante anche la diversa fenomenologia di propagazione dei disturbi.

Una causa di interferenza tra cavi è il fenomeno del crosstalk un segnale trasmesso su un canale conduttore crea un effetto indesiderato su un altro canale nelle immediate vicinanze

Lo specifico dei cavi
Non necessariamente un cavo deve essere schermato: nelle applicazioni industriali un cavo “unshielded” può essere usato se l’ambiente in cui è posto è controllato, per esempio all’interno di un quadro elettrico dove il metallo del quadro protegge tutta l’elettronica presente dagli effetti EMI. Ma le ambientazioni factory floor, dove cioè si trovano i macchinari utilizzati in produzione, sono elettricamente rumorose e generano interferenze che possono alterare anche gravemente l’andamento dei processi, e i cavi in particolare possono essere la causa principale del trasferimento di interferenze, sia come sorgente che come destinazione dell’interferenza stessa. Il modo principale per combattere la propagazione dell’EMI nei cavi è la schermatura con una protezione che avvolge completamente la parte interna dei conduttori che trasportano segnali di controllo o alimentazione elettrica.

Non necessariamente un cavo deve essere
schermato: nelle applicazioni industriali
un cavo “unshielded” può essere usato se l’ambiente in cui è posto è controllato.

La schermatura agisce sulle interferenze in due modi: riflette l’energia che proviene dall’esterno, e può assorbire il rumore elettrico e portarlo verso massa. In entrambi i casi le interferenze non raggiungono il conduttore. In realtà non si può escludere che una parte dell’energia riesca a passare attraverso lo schermo protettivo, ma è talmente attenuata che non causa effetti indesiderati. Sul mercato sono disponibili cavi con vari livelli di schermatura e conseguenti diversi livelli di efficacia contro il rumore elettrico. L’entità e la tipologia di shielding dipende poi da numerosi fattori, tra cui, oltre all’ambiente elettrico in cui il cavo deve essere installato, lunghezza e diametro del cavo, frequenza del rumore e del segnale utile, metodologia di terminazione dei cavi, flessibilità richiesta per l’applicazione, senza dimenticare la disponibilità degli utenti ad affrontare i costi di un shielding che potrebbe andare oltre le reali necessità, dato che spesso e volentieri l’approccio è quello di bypassare, anche per difficoltà oggettive, precise valutazioni EMI/EMC del proprio ambiente, indirizzandosi verso una soluzione ad ampia copertura.

La schermatura Foil (a foglio) consiste in un foglio di alluminio laminato su un nastro di poliestere avvolto tra i conduttori e la guaina. Il poliestere garantisce la robustezza meccanica e l’alluminio la copertura da interferenze.

 Tipologie di shielding
Vi sono due tipi di shielding base normalmente usati per i cavi: Foil e Braid, anche se poi vanno considerate alcune varianti di mercato. La schermatura Foil (a foglio) consiste in un foglio di alluminio laminato su un nastro di poliestere avvolto tra i conduttori e la guaina. Il poliestere garantisce la robustezza meccanica e l’alluminio la copertura da interferenze. Un filo di rame, detto “di drenaggio” è aggiunto per il collegamento a massa dell’intera schermatura. Questo tipo di shield è generalmente usato quando si devono schermare i doppini, ma risulta però poco flessibile e non adatto ai cavi per posa mobile. Per quanto efficace contro i disturbi RFI (interferenze a radiofrequenza), lo è meno nei confronti di quelli EMI. Da ricordare che per i doppini sono normalmente adottate le seguenti denominazioni: FTP, Folied Twisted Pair, con lo strato di metallo che circonda tutti i cavi; STP, Shielded Twisted Pair, con il metallo posto attorno a ogni coppia di cavi; UTP, Unshielded Twisted Pair, con assenza di schermo.

 

Tra le varianti di doppini schermati, quella denominata STP, Shielded Twisted Pair, con il metallo posto attorno a ogni coppia di cavi.

Il Braid schielding, o Braided (schermo a treccia), molto efficace per i disturbi di natura EMI, è costituito da gruppi di fili solitamente di rame nudo o stagnato, tra loro intrecciati in modo da formare un maglia metallica (woven mesh) che avvolge il cavo. Tra i vantaggi della soluzione Braid, il fatto che la treccia costituisce un cammino a bassa resistenza verso massa, e la maggiore semplicità, rispetto al Foil, delle operazioni di crimpaggio e terminazione con un connettore; inoltre, dato che l’alluminio ha una conducibilità elettrica pari a due terzi quella del rame, lo schermo Braid avendo il rame è più efficace contro il rumore elettrico, anche se la struttura comporta maggiori dimensioni e costi. Un’altra tipologia è la schermatura a spirale, usata soprattutto nei cavi che devono garantire flessibilità: è costituita da un filo di rame avvolto a spirale tra i conduttori e la guaina, permette un’ottima flessibilità meccanica, ma come risultati a livello di protezione è da considerarsi inferiore alla tipologia Foil.

 

Il Braid schielding, o schermo a treccia, è costituito da gruppi di fili di rame nudo o stagnato, tra loro intrecciati in modo da formare una maglia metallica (woven mesh) che avvolge il cavo.

Malgrado questo in una applicazione in cui i cavi sono soggetti a ripetute flessioni, la scelta è sostanzialmente obbligata dato che la schermatura Braid potrebbe rompersi. Più performante è la schermatura combinata, in quanto efficace per tutti i tipi di disturbi a qualsiasi frequenza: consiste nell’abbinamento tra uno schermo a treccia e uno a foglio tra conduttori e guaina. Infine esiste anche il cosiddetto “Supra-Shield”, combinazione ottimizzata tra schermatura a treccia e speciali schermi a foglio, che, con un accurato progetto di costruzione, consente elevate prestazioni anche a frequenze elevate. Tra le varianti proposte da alcuni costruttori vi sono anche le schermature denominati French Braid, che combinano le caratteristiche di Braid con quelle della spirale, quindi capacità di copertura contro i disturbi ma anche estrema flessibilità.

Un’altra tipologia è la schermatura a spirale: usata soprattutto nei cavi che devono garantire flessibilità, è costituita da un filo di rame avvolto a spirale tra i conduttori e la guaina.

L’importanza del grounding
Nella pratica, lo scopo finale di una schermatura è quello di condurre verso massa (ground) tutti i rumori di natura elettrica che riesce a intercettare. L’importanza di questo concetto base non va assolutamente sottostimata in quando un’errata interpretazione delle sue implicazioni può rendere inefficace qualsiasi tipologia di shielding. La schermatura del cavo e la sua terminazione devono avere un cammino a bassa impedenza verso massa, e un cavo schermato non “grounded” non può lavorare in modo efficace, secondo le aspettative dell’utilizzatore. Qualsiasi interruzione o degrado di questo cammino può tradursi in un aumento dell’impedenza e in un abbassamento dell’efficacia della schermatura. Altra regola d’oro riguarda i connettori: un sistema “shielded” è buono quanto il suo componente più debole, e se un cavo di alta qualità è depresso nelle sue prestazioni da un connettore di bassa qualità, un connettore eccellente non può fare nulla per migliorare un cavo scadente. Il comportamento progettuale più corretto consiste nell’assicurarsi che il connettore garantisca la stessa efficacia di protezione che caratterizza il cavo con cui viene usato.

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