Afgeschermde kabels voor signaalcircuits (deel 1)

Deze set van twee blogs gaat in op het gebruik van afgeschermde (ook wel afgeschermde) kabels voor signaalcircuits. Het onderwerp werd genoemd in mijn EMC-blog en ik beloofde het opnieuw in meer detail te bekijken.

Een latere blog zal de afgeschermde voedingskabel bespreken die wordt aanbevolen voor het aansluiten van de AC VSD op de motor. In beide gevallen is het doel van het scherm het voorkomen van ongewenste elektromagnetische koppeling tussen het circuit in het scherm en andere circuits daarbuiten. Een belangrijk verschil is dat de motorkabelafscherming er is om externe circuits te beschermen, terwijl de signaalkabelafscherming het circuit binnenin moet beschermen tegen interferentie door elektrische ruis daarbuiten.

Afgeschermde kabels zijn gemeengoed in elektronische systemen en worden over het algemeen als vanzelfsprekend beschouwd. Ze zijn echter niet zo eenvoudig als ze lijken en worden vaak misbruikt en verkeerd begrepen. Gelukkig zijn moderne elektronische circuits over het algemeen goed ongevoelig voor elektrische ruis, dus systemen werken meestal ondanks slechte praktijken op het gebied van kabelbeheer. Bij het gebruik van frequentieregelaars wordt het echter belangrijker om de juiste praktijk te gebruiken, omdat de omvormer vrij hoge niveaus van elektromagnetische ruis genereert, die de bijbehorende regelcircuits kan verstoren als ze niet goed zijn gerangschikt.

Deel 1 gaat in op de algemene principes van afgeschermde signaalkabels, en deel 2 op wat meer specifieke praktische details.

Enkele veelgestelde vragen

Er zijn verschillende regels gepromoot voor het beheer van afgeschermde kabels die om een ​​goede reden zijn ontstaan, maar ze kunnen tegenstrijdig en verwarrend zijn. Hier zijn enkele veelgestelde vragen die ik hoop te beantwoorden:

1. Moet ik beide uiteinden van het scherm aansluiten?
2. Moet ik niet sluit beide uiteinden van het scherm aan??
3. Moet het scherm worden aangesloten op aarde (aarde)?
4. Moet ik me zorgen maken over aardingslussen?
5. Hoe lang mag de gemalen staart zijn?
6. Hoe maak ik verbinding via een aansluitblok?
7. Hoe sluit ik een gebalanceerd (differentieel) analoog circuit aan?
8. Hoe zit het met Ethernet? Kan niet-afgeschermde kabel werken?

Een paar kritische termen

In de volgende uitleg:

De grond is de veiligheidsaarde of aarde (PE) in een op het lichtnet aangesloten systeem, dat uiteindelijk is verbonden met het beschermende verbindingsnetwerk van het gebouw en met de fysieke aarde (aarde) eronder. Wanneer signaalcircuits zijn aangesloten op aarde en de verbinding om veiligheidsredenen niet wordt gemaakt, kan dit de functionele aarde worden genoemd, in tegenstelling tot de veiligheidsaarde.

De signaalretour of gemeenschappelijke of referentieverbinding in een systeem wordt hier de "referentiepool" genoemd ”. In Control Techniques-apparatuur wordt dit de “0V”-aansluiting genoemd. Deze is vaak verbonden met aarde, maar dat hoeft niet. Sommige gebalanceerde datacircuits hebben mogelijk geen referentiepool.

In een elektrisch paneel wordt de hoofdmassa van de metalen constructie het "chassis" genoemd ”. Dit is om veiligheidsredenen meestal met aarde verbonden, maar om redenen van elektrische ruis is het belangrijker dat het een wijdverbreid geleidend oppervlak heeft dat waarschijnlijk geen verschillende elektrische potentialen eromheen heeft.

In een gebalanceerd of push-pull signaalcircuit worden de signaallijnen A+ en A- genoemd. Afhankelijk van het ontwerp is er al dan niet een bijbehorende 0V- of chassisverbinding.

"Hoge frequentie ” betekent in grote lijnen een frequentie in het radiocommunicatiebereik, ruim boven de kabelafsnijfrequentie, b.v. boven ongeveer 50 kHz of daaromtrent. Bij frequentieregelaars treden zulke hoge frequenties op als neveneffect van het zeer snelle schakelen van de vermogenshalfgeleiders.

Wat is elektrische ruis (interferentie?)

Elektrische ruis verwijst hier naar het effect van ongewenste interactie van elektrische circuits. Alle elektrische activiteit resulteert in elektromagnetische velden die ongewenste elektrische signalen in nabijgelegen circuits kunnen induceren. Over het algemeen zijn de effecten meestal het ergst voor frequenties in het radiobereik, omdat de snelle verandering van spanning en stroom de ongewenste koppeling versterkt. Signaalcircuits kunnen gevoelig zijn voor hoogfrequente interferentie, hetzij omdat ze zelf hoge frequenties gebruiken (bijv. seriële digitale datalinks, encodergegevens) of omdat ze een onbedoelde gevoeligheid hebben voor hoge frequenties die ver buiten hun beoogde bandbreedte liggen (bijv. analoge ingangen). Een goed ontworpen signaalschakeling zal zijn bandbreedte hebben afgestemd op de eisen van de toepassing, zodat deze niet onnodig gevoelig is voor snel veranderende storingen. Hoge niveaus van verstoring buiten de beoogde band kunnen echter nog steeds fouten veroorzaken vanwege niet-lineariteit. Daarom is het bijvoorbeeld heel gewoon om storing in een geluidsinstallatie te horen die wordt veroorzaakt door een mobiele (mobiele) telefoon.

Een belangrijk kenmerk van dit soort ruis is dat het een extreem breed frequentiebereik kan bestrijken. Er kan interferentie optreden van netfrequentiebronnen van 50/60 Hz tot aan mobiele telefoons en andere radiofrequentiegebieden van ongeveer 2 – 5 GHz. Dit is een bereik van 8 ordes van grootte, en regels die goed werken voor sommige frequenties kunnen ineffectief of zelfs contraproductief zijn voor andere. Dit is de reden waarom regels voor EMC en voor afgeschermd kabelbeheer soms tegenstrijdig kunnen lijken - ze zijn mogelijk bedoeld voor bedreigingen in specifieke frequentiebereiken.

Merk op dat een ander soort elektrische ruis de thermisch gegenereerde willekeurige ruis is die inherent aanwezig is in alle circuits bij temperaturen boven 0 K. Dit is alleen van belang voor zeer gevoelige radio-ontvangstapparatuur en wordt hier niet behandeld.

Hoe afgeschermde kabels werken

De afgeschermde kabel heeft een of meer signaaladers omgeven door een doorlopende afschermende geleider. Een coaxkabel heeft een enkele binnenkern omgeven door een scherm en wordt meestal gebruikt voor radiofrequentietoepassingen. Het scherm is meestal gemaakt van een vlechtwerk van fijne draden, eventueel aangevuld met een geleidende folie. Minder vaak is het scherm mogelijk van massief metaal en kan het magnetisch materiaal zoals ferriet bevatten.

Het doel van het scherm is om te voorkomen dat externe elektromagnetische energie een ongewenst signaal in het signaalcircuit induceert. Een elektromagnetisch veld omvat gerelateerde magnetische en elektrische velden samen. Om de werking ervan te helpen begrijpen, kunnen we eerst het effect op elektrische velden en magnetische velden afzonderlijk bekijken. Om een ​​circuit immuun te maken voor elektromagnetische interferentie, moet het immuun zijn voor zowel elektrische als magnetische velden.

Elektrische veldafscherming

Dit is het eenvoudigste mechanisme om te begrijpen. Figuur 1 toont een elektrisch veld E van een externe ruisbron die invalt op een afgeschermde kabel in een eenvoudig enkellijnig (ongebalanceerd) signaalcircuit dat een signaalbron verbindt met een signaalbelasting. Het veld eindigt op de schermgeleider en dringt niet door tot in de binnengeleider, waardoor er geen interferentie optreedt.

Bij afwezigheid van het scherm zou het elektrische veld stroom in het signaalcircuit induceren wanneer het veranderde. Dit zou een tijdelijke fout veroorzaken, d.w.z. ruis, in de ontvangen spanning, met een hoeveelheid die afhankelijk is van de impedantie van het circuit - hoe hoger de impedantie, hoe groter de fout. Normaal gesproken is de bron ontworpen om een ​​lage impedantie te hebben om de foutspanning die wordt veroorzaakt door het binnendringen van een elektrisch veld te minimaliseren.

Figuur 1:Elektrisch veldscreeningmechanisme

De massaverbinding is als optioneel weergegeven in figuur 1, omdat deze in principe niet nodig is om het scherm te laten werken. Essentieel is dat de referentiepolen van de bron en de belasting op het scherm moeten worden aangesloten, zodat de signaalspanning op de interne geleider staat ten opzichte van het scherm.

In de praktijk kunnen ze, afhankelijk van het ontwerp van de bron en de belasting, mogelijk geen elektrische potentialen op hun referentiepolen verdragen, dus is het gebruikelijk om het scherm met aarde te verbinden. Merk op dat er slechts één verbinding met aarde is in figuur 1, en voor eenvoudige elektrische veldafscherming maakt het niet uit waar de verbinding wordt gemaakt. Wanneer het veld E echter in de tijd varieert, vloeit er een stroom naar aarde vanwege de veranderende elektrische lading. Zodra er een stroom vloeit, moeten we ook rekening houden met de magnetische veldeffecten. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de stroom die bij een elektrisch veld hoort ook toe, dus de opstelling van figuur 1 is eigenlijk alleen succesvol in het uitsluiten van laagfrequente elektrische veldinterferentie zoals van 50/60 Hz-net.

Magnetische veldafscherming

Het magnetische veldafschermende effect van een afgeschermde kabel is iets moeilijker te begrijpen, maar even belangrijk. Overal waar elektrische stromen vloeien, zijn er magnetische velden die elektrische potentialen in circuits kunnen induceren wanneer ze veranderen. Figuur 2 toont een magnetische flux B, afkomstig van een extern stroomvoerend circuit, dat hetzelfde circuit verbindt als in figuur 1.

Figuur 2:Magnetisch veldscreeningmechanisme

Wanneer het magnetische veld verandert, induceert het een potentiaal in de geleider die evenredig is met de veranderingssnelheid van de magnetische flux die door de geleider is verbonden, hier weergegeven als E_B1 voor het scherm en E_B2 voor de binnengeleider.

Het geïnduceerde potentieel zou een tijdelijke fout in het ontvangen signaal vertegenwoordigen, d.w.z. ruis, behalve het feit dat wordt geïllustreerd in figuur 2:

Exact dezelfde spanning wordt geïnduceerd in zowel de binnen- als buitengeleiders (scherm). Dus E_B1 =E_B2 .

De reden hiervoor is dat de magnetische flux die de schermgeleider verbindt inherent ook de binnenste geleider moet verbinden.

De spanningen E_B1 en E_B2 weergegeven in rood zijn gelijk maar tegengesteld in het signaalcircuit, dus ze annuleren in de belasting.

Op voorwaarde dat er niets gebeurt dat de twee geïnduceerde spanningen uit balans brengt, is de annulering zeer nauwkeurig en biedt de afgeschermde kabel een uitstekende bescherming tegen veranderende magnetische velden.

Merk op dat in figuur 2 noch de bron noch de belasting zijn aangesloten op een ander circuit, d.w.z. ze zijn galvanisch geïsoleerd. In dit geval kan er geen stroom in het scherm vloeien en is er niets dat een fout zou kunnen veroorzaken tussen E_B1 en E_B2 .

In de praktijk is er zelfs bij galvanische scheiding sprake van parasitaire capaciteit, zodat bij de hogere frequenties enige stroom kan vloeien. Elke stroom die in het scherm vloeit, veroorzaakt echter een verandering in de magnetische flux die ook de signaalgeleider verbindt. Het annuleringsmechanisme werkt nog steeds.

Laagfrequente schermstroom

In figuur 2 wordt getoond dat de spanning die wordt geïnduceerd door het externe magnetische veld identiek is in zowel de binnen- als buitengeleiders. Een andere spanningsbron die niet gelijkmatig wordt geïnduceerd, is een eenvoudige resistieve spanningsval. Afbeelding 3 illustreert een situatie waarin de verzendende en ontvangende uiteinden beide verbindingen hebben met hun lokale chassis of aarde, en een aardingsverschilspanning E_D veroorzaakt een huidige I_D in het scherm te laten vloeien. Het verschilspanning kan worden veroorzaakt door een verscheidenheid aan effecten in het volledige systeem, in wezen is het de som van de verschillende ruisspanningen die worden verzameld door het kabelscherm dat werkt als een ontvangstantenne voor allerlei soorten elektromagnetische golven, evenals spanningsdalingen veroorzaakt door circulerende zwerfstromen zoals bij netfrequentie.

Er is ook een bepaalde bron van aardverschilspanning in aandrijfsystemen die een motoras-encoder gebruiken. Ondanks het gebruik van afgeschermde motorkabel, kan het motorlichaam een ​​aanzienlijke ruisspanning hebben ten opzichte van aarde vanwege de snelle PWM-pulsen in de motorwikkeling en motorkabel. Als de asencoder een metalen behuizing heeft die rechtstreeks op de motorbehuizing is bevestigd, is het moeilijk om een ​​aardverschilspanning in de afscherming van de encoderkabel te vermijden.

Figuur 3:Effect van schermstroom

De huidige I_D veroorzaakt een spanningsval in het scherm, met twee componenten:

• Een inductieve component IjwL waarbij L de inductantie van de kabelafscherming is
• Een resistieve component IR waarbij R de kabelafschermingsweerstand is

De inductieve component wordt veroorzaakt door het magnetische veld dat door de stroom wordt opgewekt. Het magnetische veld verbindt ook de binnenste geleider, dus het draagt ​​gelijkelijk bij aan E_B1 en E_B2 en het stoort het ontvangen signaal niet.[1]

De resistieve component komt niet voor in E_B2 , dus het verschijnt in serie met het signaal en veroorzaakt een fout.

Merk op dat terwijl een elektrisch veld een geïnduceerde stroom zou veroorzaken, zodat het effect evenredig zou zijn met de impedantie van het circuit, er hier een geïnduceerde spanning is. Het verlagen van de impedantie van de signaalbron vermindert de fout niet. Wanneer magnetische veldinductie de belangrijkste storingsbron is, is de beste techniek om een ​​stroomsignaal te gebruiken, en dit is de reden voor het wijdverbreide gebruik van de 4 – 20 mA stroombronmethode in procesbesturingssystemen met zeer lange signaalkabels.

Bij hoge frequenties waar de inductantie van de kabel zijn impedantie domineert, is IR relatief klein. Vanwege het skin-effect is de effectieve weerstand ook minder bij hoge frequentie, omdat de stroom voornamelijk naar de buitenkant van het scherm vloeit, niet naar binnen. Het gevolg hiervan is dat bij lagere frequenties de kabelafscherming minder effectief wordt. Dit kan worden gemeten als een schermafsnijfrequentie, waaronder het niet effectief is. Het ligt meestal in het bereik van 1 kHz tot 10 kHz voor veelgebruikte kabels [zie bijvoorbeeld pagina 62 van de referentie].

Figuur 3 benadrukt ook het effect van "pigtails", d.w.z. draadlengtes die worden gebruikt om schermretourverbindingen te maken. U kunt zien dat de huidige I_D stroomt in de pigtails en elke spanningsval daar in de pigtail-inductantie verschijnt in serie met het signaal. Het punt hier is dat dit een inductieve spanningsval is die niet in beide geleiders voorkomt en dus niet wordt opgeheven door de afgeschermde kabel. De pigtail is schadelijk voor het afschermend vermogen van de kabel bij hogere frequenties.

Soorten kabelafscherming

De traditionele kabelafscherming is een vlechtwerk van fijne koperdraden, met een dekking van bijna 100% (d.w.z. minimale "vensters" in het vlechtwerk). Sommige datakabels gebruiken een metaalfolie of een gemetalliseerde plastic folie, alleen of met een vlecht.

Om effectief te zijn over een breed frequentiebereik, moet het scherm maximale dekking, lage weerstand en goede continuïteit in de lengterichting tussen de vlechten hebben, zodat de stroom langs de buitenkant kan stromen met een minimale spanningsval en minimale vermenging met de stroom aan de binnenkant. Folie alleen heeft meestal een vrij hoge weerstand en is niet effectief, maar in combinatie met vlechtwerk kan het helpen bij het scheiden van de binnenste en buitenste geleidende oppervlakken.

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

[1] Het vergt wat denkwerk om dit goed te begrijpen. Al het magnetische veld dat door de schermstroom wordt veroorzaakt, moet de binnengeleider verbinden. Niet al het magnetische veld dat wordt veroorzaakt door stroom in de binnengeleider hoeft het scherm te verbinden.