La selezione dei cavi

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La selezione dei cavi è un aspetto spesso trascurato ma che nelle installazioni che richiedono alte velocità e grandi distanze è di fondamentale importanza. Infatti lungo il cavo il segnale subisce delle perdite a causa della resistenza non nulla del conduttore e delle perdite dovute al tipo di dielettrico usato per l'isolamento.

Il cavo richiesto per le connessioni RS422 ed RS485 è costituito da un doppino cioè di una coppia di cavi attorcigliati su se stessi e posti all'interno di una guaina isolante. Non sono adatti per nessun tipo di applicazione collegamenti realizzati utilizzando cavi non attorcigliati, tranne che tratte di poche decine di centimetri in ambienti non elettricamente rumorosi e a velocità basse.

Il primo parametro da considerare è ovviamente il numero di conduttori, ricordandosi che è necessario prevedere anche la presenza del riferimento: nel caso di una rete RS485 è quindi tipicamente necessario predisporre un cavo con un doppino ed un terzo filo per il riferimento. Nella realizzazioni di reti in cui il costo è un aspetto importante è comune l'utilizzo del filo di riferimento anche per l'alimentazione dei circuiti periferici, con l'aggiunta di un quarto filo per l'alimentazione non stabilizzata: ovviamente la soluzione è praticabile solo se la corrente assorbita è piccola e le distanze non eccessive.

L'impedenza caratteristica del cavo è un aspetto da verificare nel caso di velocità elevate anche se i valori necessari, compresi tra 100 e 150 ohm, sono quelli più comuni. Nel caso di trasmissioni ad alta velocità è importante mantenere bassa la capacità del cavo per metro lineare per non sovraccaricare eccessivamente i driver.

In genere l'uso di cavi schermati non è necessario neppure negli ambienti industriali più rumorosi. Se non ci sono particolari problemi di peso, elevata velocità, difficoltà di montaggio o costo potrebbe comunque essere opportuna l'adozione dei cavi schermati per la maggiore resistenza meccanica più che per ragioni di tipo elettrico. Occorre comunque notare che la presenza di uno schermo aumenta la capacità dei conduttori verso massa, con effetti negativi nelle trasmissioni ad alta velocità.

La scelta del tipo di cavo è in genere fatta utilizzando un grafico di tipo empirico fornito dal costruttore del cavo e simile a quello riportato a titolo di esempio e riferito al classico "doppino telefonico" AWG24, usato dalle norme come riferimento.

Prestazioni dell'AWG24

Al fine di una corretta interpretazione occorre verificare le condizioni operative utilizzate per effettuare i test, in particolare il tipo di segnale utilizzato e la presenza o meno del resistore di adattamento dell'impedenza. Come si può vedere questo cavo di bassissimo costo è adeguato fino alla massima distanza prevista dallo standard se la velocità si mantiene sotto i 100 kbit/s, valore largamente superiore a quelli più spesso usato.

Doppino

Un doppino (twisted pair) è costituito da una coppia di fili tra di loro attorcigliati in modo da formare una decina di spire per ogni metro. L'esempio più noto è forse il doppino bianco/rosso usato negli impianti telefonici da cui il nome spesso usato di "doppino telefonico".

Si tratta del metodo migliore per ridurre le interferenze ed è richiesto obbligatoriamente sia per la RS422 che per la RS485. Se usato in configurazioni differenziali permette infatti di garantire prestazioni adeguate anche in ambienti molto rumorosi e su grandi distanze.

Un po' di teoria. I disturbi trasmessi tra due conduttori generici possono essere classificati in due modi:

Trasmessi per effetto delle capacità parassite: dati due fili tra di loro isolati, si forma una struttura simile ad un condensatore (due conduttori separati da un dielettrico). Se tra i due conduttori vi è una differenza di potenziale variabile nel tempo, nel condensatore parassita passa corrente che interferisce con i segnali presenti. Ovviamente l'effetto è influenzato dalla distanza, dalla lunghezza/superficie, dalla frequenza del segnale e dall'ampiezza della tensione.

Trasmessi per effetto induttivo: dato un filo in cui scorre corrente viene generato un campo magnetico. Se è presente un secondo conduttore che forma una spira chiusa, viene generata una tensione se il campo magnetico è variabile. In questo caso l'effetto è proporzionale alla frequenza, alla distanza, all'area della spira e al suo orientamento, all'intensità della corrente.

Il doppino permette di ridurre entrambi questi effetti:

Per gli accoppiamenti capacitivi, possiamo pensare che la sorgente del disturbo (nell'immagine un cavo di alimentazione a 220V, di colore blu) sia separate dai due fili del doppino dai due condensatori C1 e C2 tra di loro uguali in quanto il sistema è sostanzialmente simmetrico (anche se nella figura, per ragioni grafiche, il filo bianco è più vicino di quello giallo). La corrente che scorre in C1 e C2 è quindi uguale e, se le impedenze di uscita dei due generatori collegati al doppino sono tra di loro uguali, anche il cambiamento di tensione è uguale. Trattandosi di un sistema differenziale in cui ha importanza la differenza di potenziale tra il filo giallo e quello bianco, l'influenza è quindi nulla.

Effetto dei disturbi generati dal campo elettrico

Si consideri ora un campo magnetico uniforme, rappresentato nella figura seguente da linee verticali dirette verso l'alto, che attraversa le spire del doppino. La tensione indotta è innanzitutto proporzionale all'area compresa tra i due fili: essendo questi molto vicini in quanto attorcigliati tra loro, questa tensione è piccola. Si consideri inoltre che le linee del campo rappresentate in figura di colore nero attraversano la "spira" in un verso (facendo riferimento alla cosiddetta "regola della mano destra", il filo giallo è sul dorso della mano) mentre quelle rosse nel verso contrario (ora è il filo blu sul dorso della mano): la tensione indotta ha quindi verso opposto nelle due spire e quindi il contributo totale è nullo.

Effetto del campo magnetico

L'uso di cavi attorcigliati è praticamente l'unica richiesta nella specifica dei cavi.

Cavi schermati

Un cavo schermato (shielded) è costituito da un cavo intorno al quale è presente un conduttore tubolare (detto calza, shield o schermo) che lo avvolge completamente che ha lo scopo di ridurre le influenze dell'ambiente esterno sui conduttori.

Due sono le soluzioni spesso adottate:

Lo schermo è unico e racchiude tutti i conduttori necessari. Le prestazioni sono buone nei confronti dei disturbi di origine esterna ma poco efficace nei disturbi di "crosstalk" tra i vari conduttori
Ogni coppia di conduttori ha un proprio schermo, soluzione più costosa ma utile per evitare disturbi tra i segnali

Erroneamente viene a volte chiamato "schermato" anche un cavo coassiale, per esempio quello dell'antenna televisiva, trattandosi di un oggetto costruttivamente simile. La differenza sostanziale per gli effetti elettrici deriva dal fatto che in un cavo coassiale la corrente che scorre nel conduttore esterno è quella "di ritorno" del conduttore interno mentre lo schermo non è attraversato da alcuna corrente.

L'efficienza dello schermo, oltre che dalle caratteristiche costruttive e dai materiali, dipende dalla frequenza del segnale di disturbo e dal tipo di accoppiamento.

Un caso concreto è rappresentato dai disturbi generati dai cavi di alimentazione in quanto, per ragioni di cablaggio, i cavi di segnale ed i cavi di alimentazione occupano per lunghi tratti gli stessi passaggi. In questo caso un cavo schermato permette di ridurre gli effetti dei disturbi causati per "effetto capacitivo": in assenza di schermo il conduttore del segnale (bianco in figura) e quello di alimentazione (blu) sono separati da un "condensatore parassita" C1che trasmette un disturbo in quanto si ha passaggio di corrente; se si interpone lo schermo, collegato a massa, la corrente che passa nel condensatore C2 non influenza il potenziale dello schermo e quindi in C3 non passa corrente generata dal disturbo

Effetto dello schermo

Lo schermo è invece sostanzialmete inutile nella riduzione degli effetti causati dalla corrente attraverso gli accoppiamenti induttivi: infatti i comuni materiali sono "trasparenti" ai campi magnetici, almeno a bassa frequenza.

Per funzionare correttamente lo schermo deve essere collegato ad un potenziale fisso, normalmente la terra. Tale collegamento può essere effettuato ad un solo capo (soluzione scelta quando il segnale è a bassa velocità) e da ambedue i capi (soluzione nella quale è opportuno l'uso di un condensatore se si vogliono evitare correnti causate dalla differenza di potenziale tra diversi punti della terra).

Un problema nell'uso dei cavi schermati deriva dal fatto che la presenza del condensatore C3 tra cavo e schermo, di valore piuttosto elevato, potrebbe dare problemi in caso di trasmissioni su distanze medio-lunghe a causa dell'eccessiva corrente richiesta al trasmettitore, problema particolarmente sentito ad alta velocità.

Lo standard RS422 non da indicazioni relativamente all'uso o meno della schermatura anche se è comunque necessario prevedere comunque l'uso di doppini anche in caso di schermatura.