Blindar ou não blindar?

Transcrição

1 ATERRAMENTO Blindar ou não blindar? 56 RTI MAR 2008 Paulo Marin, da Paulo Marin Consultoria Existem diversas técnicas para minimizar os efeitos da interferência eletromagnética sobre a transmissão de sinais em cabos de cobre, como a blindagem e o aterramento relacionados a sistemas de cabeamento estruturado, tratados no artigo. Impedimentos devidos a interferência em altas e baixas freqüências sobre a transmissão de sinais por meio de cabos balanceados também são abordados, bem como loops de terra em sistemas de cabeamento, métodos de aterramento eficientes e diretrizes de como aterrar a blindagem de cabos. Aredução dos efeitos da EMI - interferência eletromagnética (Electromagnetic Interference) em sistemas de cabeamento de cobre pode ser obtida pela aplicação de uma ou mais das técnicas descritas a seguir: blindagem; balanceamento; aterramento; e filtragem. A técnica de balanceamento (que se obtém quando os condutores são trançados em pares) pode ser também usada para melhorar a resposta do cabo do ponto de vista de EMI. Assim, para suprimir (ou reduzir) os efeitos da interferência eletromagnética sobre a transmissão de dados e voz, os cabos de pares são trançados e/ou envolvidos em uma blindagem. A combinação de ambas as técnicas, balanceamento e blindagem, oferece uma solução mais eficiente. Blindagem A blindagem eletromagnética é empregada para reduzir ou prevenir o acoplamento de sinais indesejados em um dado sistema, permitindo que ele opere de forma adequada em seu ambiente. A blindagem pode ser usada também para minimizar o nível de emissão de um sistema em seu ambiente de operação. Essa técnica é eficiente em vários graus dentro de Fig. 1 Para altas freqüências o efeito do trançado diminui

2 57 RTI MAR 2008 Fig. 2a Perda por absorção (conceito) uma ampla faixa do espectro eletromagnético, desde freqüências muito baixas até microondas. No entanto, vale enfatizar que há duas considerações importantes a respeito de seu uso. Em baixas freqüências, os pares trançados absorvem a maior parte dos efeitos de interferência eletromagnética (figura 1). Em freqüências altas, a blindagem do cabo absorve as ondas eletromagnéticas. Perdas por absorção A perda por absorção é um parâmetro importante relacionado à blindagem e pode ser entendido, de maneira simplista, como a capacidade de uma blindagem em absorver a onda incidente. Como conseqüência, a intensidade de campo que passará de um meio a outro em relação a uma barreira física (blindagem), posicionada entre esses dois meios, diminuirá. A figura 2a mostra que parte da onda incidente sobre a blindagem será refletida de volta ao meio 1; parte dessa onda penetrará a blindagem, passando ao meio 2 de forma atenuada e uma outra parte da onda incidente será contida, e refletirá no interior da blindagem até ser totalmente absorvida. O material e a forma da blindagem definirão quanto da onda incidente será refletida e absorvida, bem como quanto penetrará a blindagem passando ao meio 2. Assim, a perda por absorção é definida como a relação entre a espessura da blindagem (t) e seu efeito pelicular (δ), que representa a profundidade de penetração da onda contida no interior da blindagem. Matematicamente, a perda por absorção pode ser escrita da seguinte forma: A loss = 8,686 ( t δ ( (db) Quanto maior a perda por absorção (em db), melhor a resposta da blindagem. Em outras palavras, quanto maior o valor da perda por absorção (em db), menor será a intensidade de campo da onda que atravessará a blindagem e penetrará o meio 2 (esse é o objetivo da blindagem). Quando uma onda eletromagnética passa através de um meio físico, sua amplitude diminui exponencialmente. Esse efeito pode ser representado por um parâmetro Fig. 2b A perda por absorção aumenta com a espessura da blindagem Fig. 3 Perda por absorção em função da espessura da blindagem. Este gráfico pode ser usado para campos elétricos, campos magnéticos e ondas planas

3 ATERRAMENTO 58 RTI conhecido como perda por absorção. Isso ocorre porque as correntes induzidas no meio causam perdas ôhmicas e aquecimento do material. A figura 2b apresenta a perda por absorção para diferentes espessuras de blindagens, assim como para diferentes materiais empregados na blindagem de um cabo. Quanto maior a espessura da blindagem, maior será a perda por absorção para uma dada freqüência (por exemplo, 130 db em 100 khz para uma blindagem de cobre de espessura 0,125 polegadas, ou 20 db em 100 khz para uma blindagem de cobre de 0,020 polegadas de espessura). Em termos práticos, se um dado nível de perda por absorção for requerido, por exemplo 10 db em 50 khz, uma blindagem de cobre de espessura 0,020 polegadas será necessária (figura 2a). Como os cabos balanceados oferecem uma boa proteção contra interferência eletromagnética para ruídos em baixas freqüências, a blindagem não é normalmente projetada para operar nessa faixa. Cabos com um balanceamento eficiente são menos suscetíveis à EMI entre 30 e 40 MHz. Normalmente, a espessura da blindagem de cabos do tipo F/UTP (Foiled Unshielded Twisted Pair) é determinada de modo a oferecer uma perda por absorção apropriada a partir de freqüências em torno de 1,5 MHz. A perda por absorção é proporcional à espessura da blindagem e inversamente proporcional ao skin depth (profundidade de penetração de campo elétrico na blindagem causada por seu efeito pelicular) do material empregado na blindagem do cabo (figura 3). A perda por reflexão é também um parâmetro importante associado à eficiência da blindagem (figura 4). Ela é conseqüência das diferenças de impedâncias características da blindagem e do meio no qual a onda se propaga e esse parâmetro diminui com a freqüência. A perda por reflexão é uma relação entre a impedância da onda que penetra a blindagem e a impedância da blindagem. Portanto, esse parâmetro varia com a impedância da onda incidente, uma vez que a impedância da blindagem é constante. Um campo de alta impedância (elétrico) apresenta uma perda por reflexão mais alta que ondas planas. Da mesma forma, um campo de baixa impedância (magnético) apresenta uma perda por reflexão mais baixa que ondas planas. Assim, o tipo de campo, bem como seu ângulo de incidência, determina a resposta da blindagem quanto ao parâmetro perda por reflexão. As curvas apresentadas na figura 4 são para fontes pontuais gerando apenas campo elétrico ou magnético. Porém, na prática, as fontes são uma combinação de geradores de campos elétricos e magnéticos. A figura 4 mostra que a perda por reflexão de um campo elétrico diminui com a freqüência até a separação entre a fonte e a blindagem atingir um valor igual a λ/2π. A partir daí, a perda por reflexão é a mesma que para ondas planas. A perda por reflexão para um campo magnético aumenta com a freqüência até a separação entre a fonte e a blindagem atingir um valor igual a λ/2π. Então, a perda começa a diminuir na mesma taxa que para uma onda plana. Aterramento Vários parâmetros determinam a eficiência de um sistema de aterramento. Alguns são mais importantes que outros, dependendo da natureza do problema com o qual temos de lidar, assim como com as características de EMI do ambiente, considerações de segurança, estrutura de aterramento, etc. O instalador pode definir um sistema de aterramento apropriado levando em consideração esses fatores, assim como necessidades específicas dos usuários e condições do ambiente.

4

5 ATERRAMENTO 60 RTI MAR 2008 Tab. I Uso de cabo blindado com aterramento em uma única extremidade do enlace ou canal Prós Contras Cenário 1.a Não há loop de terra em baixas freqüências. Nenhuma proteção ou proteção limitada contra interferência eletromagnética, O uso de patch cord UTP corta o enlace principalmente em altas freqüências, devido a campos elétricos. em circuitos diferentes independentes. Essa prática é adequada para ambientes livres de interferências eletromagnéticas importantes. Cenário 1.b Não há loop de terra em baixas freqüências. Nenhuma proteção ou proteção limitada contra interferência eletromagnética, O uso de patch cord blindado no espaço de telecomunicações principalmente em altas freqüências, na área de trabalho devido a campos elétricos. oferece alguma proteção contra interferência eletromagnética Sujeito à formação de loops de terra em altas freqüências. para o equipamento ativo instalado nesse espaço. Uma solução única de aterramento é algo difícil de projetar, uma vez que há duas fontes diferentes que devemos considerar quando estamos trabalhando com cabeamento blindado e o aterramento da blindagem: problemas causados por campos elétricos e problemas devidos a campos magnéticos. A freqüência de ruído também deve ser levada em conta. Os campos elétricos (V/m) são gerados em sistemas de cabos em razão do acoplamento capacitivo e induzem uma tensão de ruído no canal interferido. Os campos magnéticos (A/m) são gerados em sistemas de cabos por causa do acoplamento indutivo (indutância mútua) e levam uma corrente de ruído no canal interferido. Os efeitos que os campos elétrios e magnéticos causam em sistemas de Tab. II Uso de patch cords blindados em ambas as extremidades no cenário 2 Prós Contras Blindagem total do enlace ou canal, o que oferece total Não há proteção contra loops de terra. proteção contra interferências eletromagnéticas Danos aos equipamentos ativos possivelmente significativos quando a diferença de potencial através de todo o enlace ou canal. de terra entre ambos os extremos ultrapassar 1 V (rms). Nota: A resistência elétrica do aterramento deve ser a mais baixa possível em ambos os extremos do enlace ou canal para minimizar os loops de terra, principalmente em baixas freqüências.

6 61 RTI MAR 2008 cabeamento e suas relações com o sistema de aterramento precisam ser discutidos exaustivamente. Portanto, há dois modos de acoplamento eletromagnético em um cabo o acoplamento por campo elétrico (a onda incidente tem orientação em paralelo ao condutor, com relação ao seu eixo longitudinal) e o acoplamento por campo magnético (a onda incidente tem orientação normal ao loop formado pelo cabo e o plano de terra). Normalmente uma boa recomendação quanto ao aterramento de segmentos de cabo de cobre para uma resposta satisfatória em termos de interferência por campos elétricos é o aterramento da blindagem de ambos os extremos do enlace ou canal. Para o campo magnético, o aterramento da blindagem em uma única extremidade do enlace ou canal é mais apropriado para evitar a formação de Fig. 4 Perda de reflexão em uma blindagem de cobre em função da freqüência, distância da fonte e tipo de onda loops de terra (ground loops) entre a blindagem do cabo e o plano de terra. Os loops de terra podem ser uma importante fonte de interferência em

7 ATERRAMENTO 62 RTI MAR 2008 Fig. 5 Loops de terra pela blindagem do cabo. Notas: blindagem aterrada na sala de telecomunicações e na área de trabalho há um caminho para o loop de terra devido ao chassis do equipamento cabos de cobre blindados em sistemas de cabeamento estruturado e podem representar impedimentos importantes quanto à transmissão de sinais nesses cabos quando dois ou mais pontos de conexão a terra são separados por grandes distâncias e conectados ao sistema de aterramento da rede elétrica do edifício (figura 5). Nesses casos, é necessário considerar algum tipo de separação entre os aterramentos de diferentes sistemas ou uma isolação elétrica contra a geração de loops de terra. Em baixas freqüências, de níveis de CC até 1 MHz, a blindagem do cabo pode ser aterrada em uma única extremidade do enlace e oferecer uma boa resposta quanto aos efeitos da interferência eletromagnética. Em freqüências mais altas, recomenda-se aterrar a blindagem do cabo em ambas as extremidades do enlace ou canal. Nesses casos, é muito importante que as diferenças de potencial de terra em ambos os pontos de conexão ao aterramento sejam as mínimas possíveis. Há várias normas para aterramento e equalização de aterramento, como por exemplo a NBR5410 (que também trata deste assunto), a norte-americana ANSI-J-STD-607-A, a ISO/IEC e a ISO/IEC 60364, entre outras. A diferença em tensão, entre ambos os extremos de um enlace ou canal deve ser, no máximo, de 1 V (rms) para que os efeitos dos loops de terra sejam minimizados. É também importante considerar que em altas freqüências há uma capacitância arbitrária (ou parasita, nesse caso) de acoplamento que tende a completar o loop quando a blindagem está aterrada em um único extremo do enlace ou canal (figura 6). Como aterrar? A escolha do melhor método ou prática de aterramento não é uma tarefa das mais simples, visto que há diferentes comportamentos dos sistemas de cabeamento quanto à interferência eletromagnética, dependendo do tipo de acoplamento predominante e da freqüência de operação, assim como da freqüência de ruído. As diretrizes a seguir podem ser usadas como referência na avaliação de um problema real quanto ao método ou prática de aterramento mais adequado. Para cada caso são apresentados os prós e os contras, bem como alguma nota adicional que se faça necessária. Cenário 1 O uso de cabo blindado com aterramento em uma única extremidade do enlace ou canal (no espaço de telecomunicações) pode ser feito de duas formas: Cenário 1.a Uso de patch panel, tomadas blindadas e patch cords UTP (figura 7a). Cenário 1.b Uso de patch panel, tomadas e patch cords blindados no espaço de telecomunicações e patch cord UTP na área de trabalho (figura 7b). Em ambas as aplicações existem pontos positivos e negativos que devem ser levados em consideração (tabela I). Fig. 6 Loop de terra causado pela capacitância em altas freqüências

8

9 ATERRAMENTO 64 RTI MAR 2008 Cenário 2 É previsto o aterramento da blindagem em ambas as extremidades do enlace ou canal (espaço de telecomunicações e área de trabalho), além do uso de patch cords blindados em ambas as extremidades (figura 8). Entretanto, também devem ser analisados os pontos positivos e negativos dessa aplicação (tabela II). Conclusões Fig. 7a Cenário 1.a Uso de patch panel, tomadas blindadas e patch cords UTP no processo de aterramento Fig. 7b Cenário 1.b Uso de patch panel, tomadas e patch cords blindados no espaço de telecomunicações e patch cord UTP na área de trabalho no processo de aterramento A terminação adequada da blindagem, assim como a escolha do método ou prática de aterramento que mais bem se aplica a uma dada situação, pode assegurar um melhor desempenho do sistema de cabeamento blindado para a transmissão de sinais na presença de interferência eletromagnética e também quanto à conformidade com requisitos de compatibilidade eletromagnética. Um sistema de cabeamento estruturado composto por cabos e componentes (hardware de conexão) com bom nível de balanceamento (por exemplo, boa resposta quanto à perda de conversão longitudinal, perda de transferência de conversão longitudinal, desequilíbrio resistivo,

10 65 RTI MAR 2008 Fig. 8 Cenário 2: uso de patch cords blindados em ambas as extremidades no processo de aterramento entre outros parâmetros de balanceamento) apresentará um bom comportamento e desempenho para a transmissão de sinais em presença de alguma interferência eletromagnética. Assim, sistemas de cabeamento de níveis e classes de desempenho superiores (Categoria 6 Aumentada/ Classe E A, Categoria 7/Classe F, etc.) poderão ser usados em conjunto com outras técnicas de redução e eliminação dos efeitos da interferência eletromagnética em sistemas de cabeamento em diversos ambientes e para diferentes aplicações. A combinação de ambos, bom grau de balanceamento e presença de blindagem, normalmente oferecerá uma solução confiável e eficiente. As técnicas apresentadas e discutidas neste artigo são fortemente recomendadas como diretrizes para o projeto e instalação de sistemas de cabeamento metálico para aplicações 10GBase-T (a 10 Gbit/s, 10 GbE), data centers, ambientes industriais, hospitais, aplicações militares, entre outras. A combinação de bom grau de balanceamento, blindagem e técnicas adequadas de aterramento oferecerá uma solução ótima para alien crosstalk, que é um impedimento significativo para transmissões a 10 Gbit/s em cabos de cobre.