¿Qué se entiende por apantallamiento?
En una conexión mediante cable, el apantallamiento designa una medida para aislar frente a los campos de interferencia electromagnéticos mediante un material conductor que se coloca alrededor del cable con el fin de garantizar una transmisión de los datos sin interferencias. Este aislamiento impide tanto que penetren las interferencias externas al cable como también que salgan señales que podrían afectar a otros sistemas electrónicos del vehículo.
¿Por qué es necesario un apantallamiento?
Debido a los numerosos sistemas de asistencia a la conducción, en los vehículos modernos se hay cada vez más tramos de transmisión conectados mediante cable con un ancho de banda elevado. Estos sistemas requieren una transmisión de los datos libre de interferencias, especialmente en las áreas críticas para la seguridad como el chasis, los frenos, la dirección y el accionamiento. Para poder alcanzar velocidades de transmisión de datos elevadas mediante cables de cobre, ya no se usan las codificaciones NRZ binarias con dos niveles de voltaje, sino codificaciones con varios estados de nivel, como por ejemplo, en 10GBASE-T1 (IEEE 802.3ch-2020), que para una velocidad de transmisión de 10 Gbit/s a través de un cable de par trenzado utiliza una PAM4 (modulación por amplitud de pulsos) con 4 niveles de voltaje. De esta forma es posible duplicar la velocidad de transmisión. Si aumenta el número de niveles con el mismo voltaje máximo, la diferencia de voltaje de los distintos niveles será menor. No obstante, esta distancia es importante para poder distinguir los estados en el receptor. Dado que hay una menor distancia de los niveles entre sí, es posible que las interferencias en el tramo de transmisión afecten con mayor facilidad a la distinción de los niveles en el receptor y que aumente la tasa de error de bits. Como en muchas ocasiones los cables eléctricos de muchos diferentes sistemas de los vehículos se encuentran agrupados, esto aumenta aún más la probabilidad de producirse interferencias. Un aislamiento eficaz y su correcta conexión es una medida importante para evitar fallos en las funciones del sistema.
Reducción del efecto y de la emisión de campos eléctricos mediante el apantallamiento correspondiente
Los campos de interferencia se pueden clasificar según su frecuencia. Los campos eléctricos electrostáticos y cuasi-electrostáticos o de baja frecuencia se pueden reducir colocando una pantalla trenzada de un material con buena conductividad alrededor de los hilos que conducen la señal. En este caso, la pantalla trenzada actúa según el principio de la jaula de Faraday. Un campo eléctrico externo provoca un desplazamiento de las cargas en el trenzado metálico, con lo cual se genera un campo opuesto en el interior del trenzado y el campo externo se anula por la superposición de los dos campos opuestos. Al aumentar la frecuencia del campo eléctrico, también aumenta el efecto de apantallamiento debido al efecto pelicular. Este fenómeno designa el desplazamiento de las corrientes desde el centro a la superficie de un conductor eléctrico cuando aumenta la frecuencia. La profundidad de penetración de los campos depende, además de la frecuencia, de la conductividad. Debido al efecto pelicular, los campos eléctricos y electromagnéticos de alta frecuencia también se pueden aislar mediante láminas finas de metal o láminas metalizadas con buena conducción. Los apantallamientos actúan tanto frente a la emisión no deseada de señales [emisión de interferencias, Electro magnetic interference (EMI)] como para evitar el efecto de las interferencias en los cables de señal [resistencia a interferencias, Electro magnetic compatibility (EMC)]. Esto se aplica de igual forma a los campos eléctricos, magnéticos y electromagnéticos.
Reducción del efecto y de la emisión de campos magnéticos mediante el apantallamiento correspondiente
Los campos magnéticos de baja frecuencia hasta el rango de cientos de kilohercios pueden penetrar en los apantallamientos metálicos e inducir corrientes parásitas en los cables de señal. Estos campos se aíslan con materiales altamente permeables. El efecto de este aislamiento consiste en que los campos magnéticos se sujetan al material del aislamiento, de forma que el campo magnético no penetra hasta el cable de señal. No obstante, como estos materiales altamente permeables son muy caros y pueden limitar la flexibilidad de un cable, los campos magnéticos de baja frecuencia se evitan mediante la transmisión diferencial de señales y el trenzado de los dos cables de señal. En la transmisión diferencial de señales se utilizan dos hilos con la mitad de la tensión nominal, pero diferente signo, y en el receptor se evalúa la tensión diferencial entre ambos hilos. Al trenzar estos dos hilos cambia la dirección de flujo de la corriente parásita inducida en cada bucle y se compensa de media con el trenzado simétrico. Este procedimiento se aplica, entre otros, a los cables UTP (Unshielded Twisted Pair). En los campos magnéticos y electromagnéticos de alta frecuencia, el efecto pelicular de un material conductor eléctrico tiene un efecto amortiguador. En este caso, hay que diferenciar entre un apantallamiento trenzado y un apantallamiento mediante lámina. En el uso de hilos trenzados como apantallamiento, la eficacia del aislamiento se reduce con frecuencias elevadas, lo cual se debe a que la superficie no se cubre por completo. Existen pequeños huecos en la pantalla trenzada por los cuales penetra el componente de campo magnético en frecuencias elevadas. Para aumentar el efecto de apantallamiento, los cables de gran calidad tienen una lámina conductora eléctrica debajo de la pantalla trenzada que protege del resto de campos de alta frecuencia.
¿Qué papel desempeña la conexión del apantallamiento con el potencial de referencia del sistema?
Un cable apantallado con una pantalla trenzada que tenga una buena conductividad y una lámina de metal o metalizada no ofrece una protección fiable si los extremos de la pantalla no están conectados correctamente al potencial de referencia del sistema. Sin la conexión al potencial de referencia del sistema, no podrán fluir las corrientes de compensación, por lo que la pantalla tendrá un efecto muy reducido frente a los campos de interferencia. Si la pantalla está conectada al potencial de referencia por un lado del cable, solo se aíslan los campos eléctricos. Para proteger frente a los campos magnéticos por encima del rango de kilohercios, la pantalla tendrá que ponerse a tierra a ambos lados para permitir el flujo de corriente. En la zona de contacto, la pantalla debe estar en contacto por todos los lados (360º) con la carcasa del conector apantallado, ya que, de lo contrario, se pueden producir aberturas por las cueles pueden penetrar los campos de interferencia de alta frecuencia y se pueden emitir señales.
¿Cómo se registra de forma metrológica el efecto de apantallamiento?
Para poder comparar el efecto de apantallamiento de los cables con diferentes pantallas trenzadas, se requieren valores de medición. Para ello, se distingue entre mediciones de baja y de alta frecuencia. En el rango de baja frecuencia se determina la impedancia de transferencia o la resistencia al acoplamiento. En esta medición, se aplica una corriente en el lado exterior de la pantalla y se mide la tensión entre el conductor interior y la pantalla. En el rango de alta frecuencia se utiliza la efectividad de apantallamiento. La efectividad de apantallamiento se puede determinar, por ejemplo, con el método de medición triaxial, y representa la relación entre la señal introducida y la señal emitida por la pantalla.
