Afgeschermde kabels voor signaalcircuits (deel 2)

Deel 1 ging in op de principes van hoe afgeschermde kabels werken om interferentie van elektrische en magnetische velden te voorkomen. We bekijken nu wat meer praktische details.

Hoe afgeschermde kabels aansluiten

Basis

Zoals beschreven in deel 1, hebben we de screening nodig om effectief te zijn over een zeer breed scala aan dreigingsfrequenties. Om afgeschermde kabels effectief te laten zijn bij hoge frequenties, is het essentieel dat de afscherming rechtstreeks wordt aangesloten op de referentiepool (“0V” enz.) aan zowel de verzendende als de ontvangende kant.

Het gebruik van een pigtail om het scherm aan te sluiten vermindert de effectiviteit van de afscherming doordat ruisstroom in het scherm een ​​ruisspanning in het signaalcircuit kan injecteren. Voor een echt galvanisch gescheiden circuit kan dit onbelangrijk zijn, omdat de isolatie de ruisstroom die circuleert en vloeit in de pigtail minimaliseert. Over het algemeen moeten staartjes echter tot een minimum worden beperkt. Voor breedband datacircuits moeten pigtails worden vermeden, wat kan worden bereikt door de kabelafscherming rechtstreeks op het chassis of referentie- of massapunt te klemmen.

Waarom zou je niet beide uiteinden van het scherm met elkaar verbinden?

Er zijn richtlijnen in omloop die aanbevelen om de kabelafscherming slechts aan één uiteinde aan te sluiten. Uit het bovenstaande moge duidelijk zijn dat hiermee het hoogfrequente screeningsvoordeel van het scherm teniet wordt gedaan. In het verleden werden deze richtlijnen toegepast op sommige soorten eenvoudige elektrische besturingscircuits die inherent immuun zijn voor hoogfrequente interferentie, om aardlussen te voorkomen - zie hieronder. Het kan ook voorkomen dat foutstromen van het voedingssysteem circuleren in kabelschermen, maar dit moet op de juiste manier worden bereikt door te zorgen voor een adequate potentiaalvereffening in het voedingssysteem.

In stroomdistributiesystemen zijn er bepaalde toepassingen waarbij stroomkabelafschermingen niet aan beide uiteinden mogen worden aangesloten om mogelijke gevaren bij aanraking tijdens storingen of blikseminslag te voorkomen; zoals in TT-distributiesystemen. Dit geldt niet voor de motorkabels van frequentieregelaars.

Telkens wanneer signaalkabels buiten gebouwen en buiten een potentiaalvereffeningsgebied lopen, moet rekening worden gehouden met de veiligheid tijdens elektrische storingen en blikseminslagen wanneer er potentieel gevaarlijke differentiële aardpotentiaal kan bestaan.

Enkelzijdige analoge circuits

Afbeelding 4:aansluiting van een eenvoudige single-ended analoge interface

De eenvoudigste soort analoge interface wordt getoond in figuur 4. Dit is voldoende voor veel algemene toepassingen. Uit de voorgaande uitleg zult u zien dat deze opstelling enkele zwakke punten heeft, die acceptabel kunnen zijn wanneer besturing met hoge precisie en brede bandbreedte niet vereist is.

De stippellijnen in de controller en drive geven aan dat de 0V-aansluitingen van de controller en drive meestal zijn verbonden met aarde, hetzij direct en opzettelijk, of omdat sommige apparatuur in het systeem 0V en aarde intern heeft aangesloten. In dit geval is er een risico op verstoring door de volgende bronnen:

• Hoogfrequente ruisstroom veroorzaakt een ruisspanningsval in de inductantie van de pigtail-verbindingen die in het analoge signaal worden gekoppeld. Dit kan fouten veroorzaken als de analoge circuits gevoelig zijn. Het kan worden geminimaliseerd door de staartjes zo kort mogelijk te houden, om hun inductie te minimaliseren. Het gebruik van aardingsklemmen direct op de kabelafscherming aan beide uiteinden, die deze aan het chassis bevestigen, kan dit volledig elimineren. Dit wordt in het blauw weergegeven in Afbeelding 4.
• Laagfrequente ruisstroom veroorzaakt ruisspanningsdaling in de weerstand van de kabelafscherming (en ook in de pigtails, maar de kabel heeft meestal de hogere weerstand). Als de frequentie van deze ruis binnen de bandbreedte van het analoge circuit ligt, wordt deze verstoord - bijvoorbeeld, oppikking bij 50/60 Hz veroorzaakt trillingen in een servoaandrijving bij 50/60 Hz. Dit is het "aardlusprobleem" en is moeilijker te verhelpen. Mogelijke oplossingen zijn:
• Verbind de 0V- of aardingsklemmen aan beide uiteinden met een aardingskabel met lage weerstand om de spanningsval te verminderen.
• Gebruik een gebalanceerd (differentieel) analoog signaalcircuit (zie hieronder). Dit is de beste methode.
• Maak het analoge uitgangs- of ingangscircuit galvanisch geïsoleerd om stroom in het scherm te voorkomen.

Gebalanceerde analoge circuits

Precisie-analoge circuits bieden vaak differentiële ingangen en soms differentiële uitgangen. Ze worden gewoonlijk geleverd voor precisiecontrollers zoals servoaandrijvingen, en ook voor sin/cos-as-encoders. Bij correct gebruik geven deze een uitstekende onderdrukking van laagfrequente interferentie. In combinatie met een afgeschermde kabel kan hiermee immuniteit worden bereikt over het gehele ruisspectrum. Afbeelding 5 laat zien hoe u een differentiële analoge ingang gebruikt. Merk op dat de signaalkernen normaal gesproken een getwist paar zouden zijn, wat de ruisimmuniteit verder verbetert door de route van de twee geleiders zo goed uitgebalanceerd mogelijk te maken.

Figuur 5:Aansluiting van differentiële analoge ingang

In dit geval hebben we een single-ended controller-uitgang en een differentiële ingang. Door gebruik te maken van twee aders in de afgeschermde kabel kunnen we de inverterende ingang direct verbinden met de referentiepool van de analoge uitgang van de controller. Elke laagfrequente spanning die in de kabelafscherming wordt geïnduceerd, wordt daarom afgewezen door de ingang, terwijl de afscherming nog steeds zijn uitstekende hoogfrequente afwijzing geeft. De differentiële ingang kan de common-mode-spanning niet afwijzen bij de hoge frequenties, buiten de bandbreedte, waar de kabelafscherming het beste werkt. De twee technieken gecombineerd geven ruisonderdrukking over het hele spectrum.

Aardingsklemmen zoals in afbeelding 4 kunnen ook worden gebruikt om de hoogfrequente ruiskoppeling die door de pigtails wordt veroorzaakt, te voorkomen.

Als de controller ook een differentiële uitgang biedt, kan de AI-core worden aangesloten op de AO-terminal in plaats van 0V op de controller. Een speciaal geval is als de controller een "virtuele aarde"-uitgang biedt, waarbij de AO-terminal geen uitgang is maar een detectie-ingang. In dat geval moet de AO-lijn aan het ene of het andere uiteinde op 0V worden aangesloten en mag deze niet "zweven".

Digitale circuits

Digitale circuits zijn niet gevoelig voor storingen door het soort laagfrequente fouten veroorzaakt door aardlussen. Hoogfrequente interferentie in een datalink kan bitfouten veroorzaken die normaal worden gedetecteerd en afgewezen, maar als ze te vaak voorkomen, kan het kanaal sluiten of onvoldoende presteren. As-encodercircuits voor snelheids-/positiefeedback zijn met name geneigd om geluid en trillingen te veroorzaken in de aanwezigheid van hoogfrequente ruis. In beide gevallen is een correct beheer van de kabelafscherming essentieel.

Datalinks gebruiken vaak een hoge bitrate. Voor snelheden boven ongeveer 1 Mb/s moet de kabel correct worden afgesloten in zijn karakteristieke impedantie om gegevensfouten door reflecties te voorkomen. Om de afstemming te behouden, kunnen alleen korte stukken blootliggende kabeladers worden getolereerd.

De meest gebruikte digitale interface voor basis lokale datatransmissie is gebaseerd op de RS422- en RS485-standaarden, die differentiële zenders en ontvangers hebben. Het kabeltype is niet direct gespecificeerd en kan in principe niet-afgeschermd zijn, mits het de juiste karakteristieke impedantie heeft, maar meestal heeft afgeschermde kabel de voorkeur.

Het gebruik van een gebalanceerd circuit betekent dat geïnjecteerde ruis in aanzienlijke mate wordt afgewezen omdat het zich in de gemeenschappelijke modus bevindt, d.w.z. het beïnvloedt beide lijnen gelijk en verschijnt daarom niet als een signaal. De zenders en ontvangers hebben echter grenzen aan hun common-mode-bereik, dus er treden fouten op als de ruisspanning te hoog is of te snel verandert, en als asymmetrie ervoor zorgt dat de common-mode-ruis wordt gekoppeld aan de seriemodus. De standaard line-driver-chips die in de meeste poorten worden gebruikt, hebben een common-mode-bereik van ongeveer 5V en geven grote fouten als dit wordt overschreden. Dit kan worden verhoogd door galvanisch geïsoleerde poorten te gebruiken, maar dit is kostbaar.

Afbeelding 6 laat zien hoe u een basis RS485-poortverbinding kunt maken.

Afbeelding 6:Basis RS485-gegevensverbinding (alleen 2 knooppunten weergegeven)

In Control Techniques-apparatuur wordt de referentieterminal weergegeven als "0V" in figuur 6. In andere apparatuur kan deze op verschillende manieren "G" of "GND" worden genoemd voor aarde, "SC" voor scherm of "referentie". Soms wordt het niet aangesloten of zelfs niet verstrekt. Dit kan succesvol zijn voor korte verbindingen, of waar de poorten goed ontworpen galvanische isolatie hebben. Over het algemeen is het veel beter om 0V aan te sluiten op de kabelafscherming.

RS485 maakt multi-drop-verbinding van meerdere poorten mogelijk. Het effect van de kleine impedantie-mismatch bij elke poort en de geïnjecteerde ruis van elke pigtail maakt de opstelling steeds gevoeliger voor verstoring naarmate het aantal poorten toeneemt. Volledige communicatieprotocollen die hoge datasnelheden gebruiken, zoals Profibus, gebruiken gedefinieerde hardware die in dat geval directe klemming van kabelschermen in de connectoren vereist om pigtails te voorkomen, en het juiste afsluitimpedantienetwerk dat alleen op de eindknooppunten hoeft te worden aangesloten.

Aansluitingen en connectoren

Veel industriële connectoren zijn ontworpen zonder de juiste voorzieningen voor het beheer van kabelschermen, omdat ze niet bedoeld waren om met hoge frequentie te worden gebruikt. Voor algemene toepassingen is het meestal acceptabel om het scherm via een korte pigtail aan te sluiten op een connectorpin. Het heeft echter verre de voorkeur om de schermverbinding door het geleidende lichaam van de connector te leiden, zodat deze de signaalgeleiders blijft omringen, zoals altijd het geval is bij een radiofrequentieconnector. Als een signaalcircuit meerdere connectoren passeert, elk met zijn paar staartjes, hoopt de geïnjecteerde ruis op elke connector zich op.

Een manier om schermverbindingen te beheren is om de schermen aan elkaar of aan een gemeenschappelijk metalen onderdeel te klemmen. Hardware hiervoor is verkrijgbaar bij leveranciers van schroefklemmen. Het idee wordt geïllustreerd in figuur 7.

Figuur 7:Schermen aansluiten op een aansluitblok of connector

Het doel van de klem is om pigtail-schermverbindingen te vermijden en daarom de injectie van de ruisspanning te vermijden die bij de pigtails zou verschijnen. Het verbindt de schermen met een minimum aan verdwaalde inductantie. Het kleine oppervlak van de onbeschermde niet-afgeschermde geleider bij de klemmen is hier veel minder belangrijk dan de staartjes. De reden is dat de niet-afgeschermde geleiders alleen worden blootgesteld aan elektromagnetische velden in de onmiddellijke nabijheid van de terminals, terwijl de pigtails een ruisstroom zouden voeren die langs het hele traject van de afgeschermde kabel is verzameld.

Gewoonlijk zouden de klemmen aan geaarde metalen onderdelen worden bevestigd, maar dit is voornamelijk om veiligheidsredenen. Het EMC-voordeel is de zeer lage inductantieverbinding tussen de twee kabelschermen.

Ethernet

Ethernet is een uitzondering op al het bovenstaande. Modern Ethernet heeft geen afgeschermde kabel nodig, maar vertrouwt op een zeer goed uitgebalanceerde niet-afgeschermde twisted pair-kabel in combinatie met galvanisch isolerende gebalanceerde transformatorkoppeling om een ​​uitstekende common-mode ruisimmuniteit te geven. Het maakt ook geen gebruik van een multi-drop-structuur, dus de neiging om ruisstroom op meerdere knooppunten te accumuleren wordt ook vermeden.

Grondlussen

Na het weerstandseffect in figuur 3 te hebben bekeken, zijn we goed geplaatst om te begrijpen waarom in sommige toepassingen wordt geadviseerd om de kabelafscherming niet aan beide uiteinden aan te sluiten. De foutspanning IR zou niet verschijnen als het scherm slechts aan één uiteinde zou zijn aangesloten, omdat er geen stroom in het scherm zou kunnen zijn. Dit advies kan worden gegeven om “aardlussen te vermijden”. De kabel zal echter al zijn magnetische veldafschermingsmogelijkheden hebben verloren, wat betekent zijn hoogfrequente afschermingsmogelijkheden. Dit advies is alleen correct in een zeer specifieke situatie, wanneer al deze van toepassing zijn:

• Er zijn differentiële aardspanningen bij lage frequenties (bijv. net) aanwezig, of magnetische strooivelden bij netfrequentie.
• De schakeling gebruikt analoge signalen die gevoelig zijn voor kleine storingen op de netfrequentie.
• Het scherm is alleen nodig om te beschermen tegen elektrische veldkoppeling, bij lage frequenties.

Het meest voorkomende geval hiervoor is binnen analoge audiosystemen, waar zelfs een klein niveau van de netspanning een irritant "gebrom" veroorzaakt. Het kan ook van toepassing zijn in servocontrollers met analoge interfaces, maar daar is het beter om een ​​differentiële interface te gebruiken zoals hierboven uitgelegd.

Dubbel afgeschermde kabel

Dubbel afgeschermde kabel wordt soms aanbevolen, vooral bij encoderinterfaces waar er doorgaans drie gebalanceerde paren datacores zijn die als paren zijn afgeschermd, mogelijk enkele voedingskernen en een algemeen scherm.

Per datapaar is in principe maar één scherm nodig, en dat kan het totale scherm zijn of de afzonderlijke schermen. De voordelen van dubbel afgeschermde kabel zijn echter:

• Het buitenste scherm kan aan de motor en de encoderbehuizing worden bevestigd, wat resulteert in een hoge ruisstroom in het scherm die bij de omvormer naar aarde kan worden teruggevoerd zonder de 0V-klemmen van het encoderinterfacecircuit te betreden
• De 0V-aansluitingen kunnen geïsoleerd worden gehouden van aarde – als dit vereist is door het systeemontwerp – terwijl ze toch een algeheel hoogfrequent scherm bieden dat op aarde is aangesloten.
• Grondlusstroom kan worden beperkt tot alleen het buitenste scherm.
• De impedantie van de individuele paren wordt goed gecontroleerd vanwege hun individuele schermen

Afbeelding 8 illustreert hoe dit zou worden aangesloten (twee kanalen getoond voor de duidelijkheid).

Afbeelding 8:Aansluiting van dubbel afgeschermde encoderkabel

Referentie

Henry W Ott:Elektromagnetische compatibiliteitstechniek:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

Nog een aanbevolen boek

Tim Williams en Keith Armstrong:EMC voor systemen en installaties:Newnes:ISBN 9780750641678