Geavanceerde afgeschermde kabels voor signaalcircuits: praktische aansluittechnieken (Deel 2)

Deel 1 behandelde de principes van hoe afgeschermde kabels werken om interferentie van elektrische en magnetische velden te voorkomen. We kijken nu naar enkele meer praktische details.

Hoe afgeschermde kabels aan te sluiten

Basisprincipes

Zoals beschreven in Deel 1, hebben we de scherming nodig om effectief te zijn over een zeer breed bereik van bedreigingsfrequenties. Voor afgeschermde kabels om effectief te zijn op hoge frequenties, is het essentieel dat het scherm direct wordt aangesloten op de referentiepool ("0V" etc.) aan zowel de zend- als de ontvangstzijde.

Het gebruik van een pigtail (staartje) om het scherm aan te sluiten, vermindert de schermingseffectiviteit door ruisstroom in het scherm een ruisspanning in de signaalcircuit te laten injecteren. Voor een echt galvanisch geïsoleerd circuit mag dit onbelangrijk zijn, omdat de isolatie de ruisstroom die circuleert en in de pigtail vloeit, minimaliseert. Over het algemeen moeten pigtails echter tot een minimum worden beperkt. Voor wijdbandige datacircuits moeten pigtails vermeden worden, wat kan worden bereikt door het kabelscherm direct op het chassis of referentie- of aardpunt te klemmen.

Waarom zou u niet beide uiteinden van het scherm aansluiten?

Er zijn richtlijnen in omloop die aanbevelen om het kabelscherm maar aan één uiteinde aan te sluiten. Uit het bovenstaande moet duidelijk zijn dat dit het hoge-frequentie-schermingsvoordeel van het scherm tenietdoet. In het verleden werden deze richtlijnen toegepast op sommige soorten eenvoudige elektrische besturingcircuits die van nature immuun zijn voor hoge-frequente interferentie, om aardlussen te vermijden – zie hieronder. Het kan ook voorkomen dat stroomnet-foutstromen in kabelschermen circuleren, maar dit moet eigenlijk worden bereikt door voldoende equipotentiële binding in het stroomnet te waarborgen.

In stroomdistributiesystemen zijn er bepaalde toepassingen waar voederkabelschermen niet aan beide uiteinden mogen worden aangesloten, om aanraakspanningsgevaren tijdens fouten of bliksemactiviteit te vermijden; zoals in TT-distributiesystemen. Dit geldt niet voor de motorkabels van variabele-snelheidsaandrijvingen.

Wanneer signaalbuiten gebouwen en buiten een equipotentiële bindingszone verlopen, moet rekening worden gehouden met veiligheid tijdens elektrische fouten en bliksemslagen wanneer potentiële gevaarlijke differentiële aardpotentialen kunnen bestaan.

Eenzijdige analoge circuits

Figuur 4: aansluiting van een eenvoudige eenzijdige 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 aanleg enkele zwaktes heeft, die acceptabel kunnen zijn waar controle met hoge precisie en wijdbandbreedte niet vereist is.

De stipellijnen in de controller en aandrijving geven aan dat de 0V-verbindingen van de controller en aandrijving doorgaans met aarde zijn verbonden, hetzij direct en opzettelijk of omdat sommige apparatuur in het systeem 0V en aarde intern verbonden heeft. In dit geval is er een risico op storing van de volgende bronnen:

• Hoogfrequente ruisstroom veroorzaakt een ruisspanningsval in de inductie van de pigtail-aansluitingen die in het analoge signaal wordt gekoppeld. Dit kan fouten veroorzaken als de analoge circuits gevoelig zijn. Het kan worden geminimaliseerd door de pigtails zo kort mogelijk te houden, om hun inductie te minimaliseren. Het gebruik van aardklemmen direct op het kabelscherm aan beide uiteinden, vastgemaakt aan het chassis, kan dit volledig elimineren. Dit wordt in blauw getoond in Figuur 4.
• Laagfrequente ruisstroom veroorzaakt ruisspanningsval in de kabelschermweerstand (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 valt, dan wordt het gestoord – bijvoorbeeld opname op 50/60 Hz veroorzaakt trilling in een servoaandrijving op 50/60 Hz. Dit is het "aardlusprobleem" en is lastiger op te lossen. Mogelijke oplossingen zijn:
• Verbind de 0V- of aardklemmen aan beide uiteinden met een laagweerstands aardingskabel om de spanningsval te verminderen.
• Gebruik een gebalanceerde (differentiële) analoge signaalcircuit (zie hieronder). Dit is de beste methode.
• Maak de analoge uitgang of ingangscircuit galvanisch geïsoleerd, om stroom in het scherm te vermijden.

Gebalanceerde analoge circuits

Precisie analoge circuits bieden vaak differentiële ingangen, en soms differentiële uitgangen. Ze worden veel gebruikt voor precisie controllers zoals servoaandrijvingen, en ook voor sin/cos asencoders. Wanneer correct gebruikt, geven ze een uitstekende onderdrukking van laagfrequente interferentie. In combinatie met een afgeschermde kabel kan dit immuuniteit over het hele ruisspectrum bereiken. Figuur 5 toont hoe een differentiele analoge ingang te gebruiken. Let op dat de signaaladern normaal een twisted pair zouden zijn, wat de ruisimmuuniteit verder verbetert door de route van de twee geleiders zo goed gebalanceerd mogelijk te maken.

Figuur 5: Aansluiting van differentiele analoge ingang

In dit geval hebben we een eenzijdige controlleruitgang en een differentiele ingang. Door twee adern in de afgeschermde kabel te gebruiken, kunnen we de inverterende ingang direct verbinden met de referentiepool van de controller analoge uitgang. Elke laagfrequente spanning geïnduceerd in het kabelscherm wordt daarom door de ingang geweigerd, terwijl het scherm nog steeds zijn uitstekende hoge-frequentie-weerstand geeft. De differentiele ingang kan common-mode spanning op hoge frequenties, buiten zijn bandbreedte, waar het kabelscherm het beste werkt, niet weigeren. De twee technieken gecombineerd geven ruisonderdrukking over het hele spectrum.

Aardklemmen zoals in Figuur 4 kunnen ook worden gebruikt om de hoge-frequente ruiskoppeling te vermijden veroorzaakt door de pigtails.

Als de controller ook een differentiele uitgang biedt, kan de AI- ader verbonden worden met de AO- klem in plaats van 0V aan de controller. Een speciaal geval is als de controller een "virtuele aarde" uitgang biedt, waar de AO- klem geen uitgang is maar een sense-ingang. In dat geval moet de AO- lijn verbonden worden met 0V aan één van de uiteinden, het mag niet "tweeend" gelaten worden.

Digitale circuits

Digitale circuits zijn niet gevoelig voor storing van het soort laag-niveau laagfrequente fouten veroorzaakt door aardlussen. Hoogfrequente interferentie in een datalink kan bitfouten veroorzaken die normaal gedetecteerd en geweigerd worden, maar als ze te vaak voorkomen, kan het kanaal dichtgaan of onvoldoende prestaties geven. Asencoder circuits voor snelheids/positie-terugkoppeling zijn bijzonder geneigd om ruis en trillingen te veroorzaken in de aanwezigheid van hoogfrequente ruis. In beide gevallen is correct beheer van het kabelscherm essentieel.

Datalinks gebruiken vaak een hoge bitrate. Voor rates boven ongeveer 1 Mb/s, moet de kabel correct worden beëindigd in zijn karakteristieke impedantie om datafouten van reflecties te vermijden. Om matching te handhaven, kunnen alleen korte lengtes van ongeschermde kabeladern getolereerd worden.

De meest gebruikte digitale interface voor basaal lokale dataoverdracht is gebaseerd op de RS422 en RS485 standaarden, die differentiële zenders en ontvangers hebben. Het kabtype is niet direct gespecificeerd, en in principe zou het ongeschermd kunnen zijn mits het de correcte karakteristieke impedantie heeft, maar meestal wordt afgeschermde kabel bevorzugd.

Het gebruik van een gebalanceerde circuit betekent dat geïnjecteerde ruis in grote mate geweigerd wordt omdat het in de common mode zit, d.w.z. het beïnvloedt beide lijnen gelijk en verschijnt dus niet als signaal. Echter, de zenders en ontvangers hebben limieten aan hun common-mode bereik, dus fouten treden op als de ruisspanning te hoog is, of te snel veranderend, alsook als asymmetrie ervoor zorgt dat de common mode ruis in de serie mode wordt gekoppeld. De standaard linedriver chips die in de meeste poorten gebruikt worden, 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 duur.

Figuur 6 toont hoe een basale RS485 poortverbinding in te richten.

Figuur 6: Basale RS485 dataverbinding (alleen 2 knopen getoond)

In Control Techniques apparatuur wordt de referentieklem getoond als "0V" in Figuur 6. In andere apparatuur kan het uiteenlopend "G" of "GND" voor grond, "SC" voor scherm, of "referentie" heten. Soms wordt het niet aangesloten, of zelfs niet aangeboden. Dit kan succesvol zijn voor korte links, of waar de poorten goed ontworpen galvanische isolatie hebben. Over het algemeen is het veel preferabel om 0V met het kabelscherm te verbinden.

RS485 staat multi-drop verbinding van meerdere poorten toe. Het effect van de kleine impedantiemismatch bij elke poort alsook de geïnjecteerde ruis van elke pigtail maakt de aanleg steeds gevoeliger voor storing naarmate het aantal poorten toeneemt. Complete communicatieprotocollen met hoge data rates, zoals Profibus, gebruiken gedefinieerde hardware die in dat geval directe klemming van kabelschermen in de connectors vereist om pigtails te vermijden, en het correcte beëindigingsimpedantienetwerk aan de eindknopen te verbinden.

Klemmen en connectors

Veel industriële connectors zijn ontworpen zonder goede voorziening voor het beheer van kabelschermen, omdat ze niet bedoeld waren voor gebruik op hoge frequentie. Voor algemene toepassingen is het meestal accepteerbaar om het scherm via een korte pigtail aan een connectorpin aan te sluiten. Het is echter veel preferabel om de schermverbinding door het geleidende lichaam van de connector te laten lopen, zodat het de signaalgeleiders blijft omringen, zoals altijd het geval is bij een radiofrequentieconnector. Als een signaalcircuit door meerdere connectors gaat, elk met zijn paar pigtails, accumulateert de geïnjecteerde ruis bij elke connector.

Een manier om schermverbindingen te managen is om de schermen samen te klemmen of aan een gemeenschappelijk metalen deel. Hardware hiervoor is beschikbaar bij leveranciers van schroefklemblokken. Het idee wordt geïllustreerd in Figuur 7.

Figuur 7: Schermen verbinden aan een klemblok of connector

Het doel van de klem is om pigtail-schermverbindingen te vermijden, en daarmee de injectie van de ruisspanning die aan de pigtails zou verschijnen, te vermijden. Het linkt de schermen met het minimum aan afwijkende inductie. Het kleine gebied van ongeschermde geleider aan de klemmen hier is veel minder belangrijk dan de pigtails. De reden is dat de ongeschermde geleiders alleen blootgesteld zijn aan elektromagnetische velden in de directe nabijheid van de klemmen, terwijl de pigtails ruisstroom zouden dragen die over de hele lengte van de afgeschermde kabel is verzameld.

Meestal zouden de klemmen aan geaarde metalen delen worden bevestigd, maar dit is primair om veiligheidsredenen. Het EMC-voordeel is de zeer lage inductie link tussen de twee kabelschermen.

Ethernet

Ethernet is een uitzondering op al het bovenstaande. Modern Ethernet heeft geen afgeschermde kabel nodig, maar steunt op een zeer goed gebalanceerde ongeschermde twisted-pair kabel in combinatie met galvanisch isolerende gebalanceerde transformatorkoppeling om uitstekende common-mode ruisimmuuniteit te geven. Ook gebruikt het geen multi-drop structuur, dus de neiging om ruisstroom op te hopen bij meerdere knopen wordt ook vermeden.

Aardlussen

Naar aanleiding van het weerstandseffect in Figuur 3 zijn we goed geplaatst om te begrijpen waarom in sommige toepassingen wordt geadviseerd om het kabelscherm niet aan beide uiteinden aan te sluiten. De foutspanning IR zou niet verschijnen als het scherm alleen aan één uiteinde was aangesloten, omdat er geen stroom in het scherm zou kunnen vloeien. Dit advies kan gegeven worden "om aardlussen te vermijden". Echter, de kabel zal al zijn magnetische veldschermingscapaciteiten verliezen, wat betekent dat zijn hoge-frequentie schermingscapaciteiten verloren gaan. Dit advies is alleen correct in een zeer specifieke situatie, wanneer al deze van toepassing zijn:

• Differentiële aardspanningen op lage frequenties (bijv. net) zijn aanwezig, of afwijkende magnetische velden op netfrequentie.
• Het circuit gebruikt analoge signalen die gevoelig zijn voor kleine verstoringen op netfrequentie.
• Het scherm is alleen vereist om te beschermen tegen elektrische veldkoppeling, op lage frequenties.

Het meest voorkomende geval hiervoor is binnen analoge audiosystemen, waar zelfs een klein niveau van netopname een irriterende "hoer" veroorzaakt. Het kan ook van toepassing zijn in servocontrollers met analoge interfaces, maar daar is het beter om een differentiele interface te gebruiken zoals hierboven uitgelegd.

Dubbel afgeschermde kabel

Dubbel afgeschermde kabel wordt soms aanbevolen, vooral bij asencoder-interfaces waar er typisch drie gebalanceerde paren data-adern zijn die als paren afgeschermd zijn, mogelijk enkele voederaadern, en een overkoepelend scherm.

In principe is slechts één scherm nodig voor elk datapaar, en het zou het overkoepelende scherm of de individuele schermen kunnen zijn. Echter, de voordelen van dubbel afgeschermde kabel zijn:

• Het outer scherm kan vastgemaakt worden aan de motor- en encoder-behuizing, wat resulteert in hoge ruisstroom in het scherm die naar aard kan worden teruggevoerd aan de aandrijving zonder de encoder-interface-circuit 0V-klemmen te betreden
• De 0V-klemmen kunnen geïsoleerd van aard worden gehouden – als dit door het systeemontwerp vereist is – terwijl nog steeds een overkoepelende hoge-frequentie-scherm verbonden met aard wordt geboden.
• Aardlusstrom kan beperkt worden tot het outer scherm alleen.
• De impedantie van de individuele paren is goed gecontroleerd vanwege hun individuele schermen

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

Figuur 8: Aansluiting van dubbel afgeschermde encoder kabel

Referentie

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6

Nog een aanbevolen boek

Tim Williams and Keith Armstrong: EMC for Systems & Installations: Newnes: ISBN 9780750641678