Afgemelde kabels voor signaalcircuits: Deel 1 – Best Practices

Een latere blog zal de afgeschermde voederkabel bespreken die aanbevolen wordt voor het verbinden van de AC VSD met zijn motor. In beide gevallen is het doel van het scherm om ongewensste elektromagnetische koppeling tussen het circuit binnenin het scherm en andere circuits erbuiten te voorkomen. Een belangrijk verschil is dat het motorkabelscherm er is om externe circuits te beschermen, terwijl het signaalcabelscherm er is om het circuit erin te beschermen tegen interferentie door elektrische ruis erbuiten.

Afgemelde kabels zijn alomtegenwoordig in elektronische systemen en worden doorgaans als vanzelfsprekend genomen. Echter, ze zijn niet zo simpel als ze lijken, en worden vaak misbruikt en misbegrepen. Gelukkig hebben moderne elektronische circuits doorgaans een goede immuniteit tegen elektrische ruis, dus systemen werken meestal ondanks slechte praktijken in kabelbeheer. Echter, bij het gebruik van variabele-snelheidsaandrijvingen wordt het wel wat belangrijker om correcte praktijken te gebruiken, omdat de inverter nogal hoge niveaus van elektromagnetische ruis genereert, wat storing kan veroorzaken aan de bijbehorende besturingcircuits als ze niet correct zijn ingericht.

Deel 1 kijkt naar algemene principes van afgeschermde signaalcables, en deel 2 kijkt naar enkele meer specifieke praktische details.

Enkele veelvoorkomende vragen

Er zijn verschillende regels gepromoot voor het beheer van afgeschermde kabels die ontstaan zijn uit goed doel, maar die conflicterend en verwarrend kunnen zijn. Hier zijn enkele veelvoorkomende vragen die ik hoop te beantwoorden:

1. Moet ik beide uiteinden van het scherm aansluiten?
2. Moet ik niet beide uiteinden van het scherm aansluiten??
3. Moet het scherm aangesloten worden op aard (earth)?
4. Moet ik me zorgen maken over aard (earth) lussen?
5. Hoe lang mag de aard-pigtail zijn?
6. Hoe sluit ik aan via een klemblok?
7. Hoe sluit ik een gebalanceerde (differentiële) analoge circuit aan?
8. Wat met Ethernet? Kan ongeschermde kabel werken?

Enkele cruciale termen

In de volgende uitleg:

De aard is de veiligheidsaard of earth (PE) in een net-aangesloten systeem, wat uiteindelijk verbonden is met het beschermingsbindingsnetwerk van het gebouw en met fysieke aard (earth) eronder. Wanneer signaalcircuits met de aard verbonden zijn en de verbinding niet om veiligheidsredenen is gemaakt, kan dit worden aangeduid als de functionele aard, als onderscheid van de veiligheidsaard.

De signaalretour of common of referentieverbinding in een systeem wordt hier aangeduid als de "referentiepool". In Control Techniques apparatuur wordt dit aangeduid als de "0V"-verbinding. Dit is vaak met aard verbonden, maar hoeft niet. Sommige gebalanceerde datacircuits hebben mogelijk geen referentiepool.

In een elektrisch paneel, wordt de hoofdmassa van de metalen constructie aangeduid als het "chassis". Dit is meestal voor veiligheidsredenen met aard verbonden, maar voor elektrische ruisoverwegingen is het belangrijker dat het een wijdverspreid geleidend oppervlak omvat dat onwaarschijnlijk verschillende elektrische potentialen rondom zich heeft.

In een gebalanceerde of push-pull signaalcircuit worden de signaallijnen aangeduid als A+ en A-. Afhankelijk van het ontwerp, kan er een geassocieerde 0V- of chassisverbinding zijn of niet.

"Hoge frequentie" betekent breed een frequentie in het radiocommunicatiebereik, ver boven de kabel-afsnijfrequentie, bijv. boven ongeveer 50 kHz of daaromtrent. In variabele-snelheidsaandrijvingen treden dergelijke hoge frequenties op als bijverschijnsel van het heel 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 het ergst voor frequenties in het radiobereik, omdat de snelle verandering van spanning en stroom de ongewenste koppeling versterkt. Signaalcircuits kunnen gevoelig zijn voor hoge-frequente interferentie, ofwel omdat ze zelf hoge frequenties gebruiken (bijv. seriële digitale datalinks, encoder data) of omdat ze ongewenste gevoeligheid hebben voor hoge frequenties ver buiten hun beoogde bandbreedte (bijv. analoge ingangen). Een goed ontworpen signaalcircuit zal zijn bandbreedte afgestemd hebben op de vereisten van de toepassing, zodat het niet onnodig gevoelig is voor snelle verstoringen. Echter, hoge niveaus van verstoring buiten de beoogde band kunnen nog steeds fouten veroorzaken door non-lineariteit. Dit is waarom het bijvoorbeeld vrij gebruikelijk is om interferentie te horen in een geluidssysteem veroorzaakt door een mobiele telefoon.

Een belangrijk kenmerk van dit soort ruis is dat het een extreem wijd bereik van frequenties kan bedekken. Interferentie kan optreden van netfrequentie bronnen van 50/60 Hz helemaal tot mobiele telefoon 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 oneffectief of zelfs counterproductief zijn bij anderen. Dit is waarom regels voor EMC en voor afgeschermd kabelbeheer soms conflicterend kunnen lijken – ze kunnen bedoeld zijn voor dreigingen in specifieke frequentiebereiken.

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

Hoe afgeschermde kabels werken

De afgeschermde kabel heeft één of meer signaaladern omringd door een continue schermgeleider. Een coaxiale kabel heeft een enkele innerlijke ader omringd door een scherm en wordt meestal gebruikt voor radiofrequentietoepassingen. Het scherm wordt meest vaak gemaakt van een vlecht van fijne draden, wat kan worden aangevuld door een geleidende folie. Minder algemeen kan het scherm van massief metaal zijn, en mag magnetisch materiaal zoals ferriet bevatten.

Het doel van het scherm is om externe elektromagnetische energie te voorkomen dat het een ongewenst signaal in het signaalcircuit induceert. Een elektromagnetisch veld bestaat uit gerelateerde magnetische en elektrische velden samen. Om de werking te begrijpen, kunnen we eerst apart het effect op elektrische velden en magnetische velden overwegen. Voor een circuit immuun te zijn voor elektromagnetische interferentie, moet het immuun zijn voor zowel elektrische als magnetische velden.

Elektrisch veld scherming

Dit is het eenvoudigste mechanisme om te begrijpen. Figuur 1 toont een elektrisch veld E van een externe ruisbron dat op een afgeschermde kabel in een eenvoudige eenzijdige (ongebalanceerde) signaalcircuit invalt die een signaalbron verbindt met een signaallast. Het veld eindigt op de schermgeleider en dringt niet door naar de innerlijke ader, dus er treedt geen interferentie op.

In afwezigheid van het scherm, zou het elektrische veld stroom in het signaalcircuit induceren telkens wanneer het veranderde. Dit zou een tijdelijke fout, d.w.z. ruis, in de ontvangen spanning veroorzaken, met een hoeveelheid afhankelijk van de impedantie van het circuit – hoe hoger de impedantie, hoe hoger de fout. Normaal is de bron ontworpen om een lage impedantie te hebben om de foutspanning door elektrisch veldbinnendringing te minimaliseren.

Figuur 1: Elektrisch veld schermingsmechanisme

De aardverbinding wordt als optioneel getoond in Figuur 1, omdat in principe het niet nodig is voor het scherm om te werken. Wat essentieel is, is dat de referentiepalen van de bron en de last met het scherm verbonden moeten zijn, zodat de signaalspanning op de interne ader ten opzichte van het scherm bestaat.

In de praktijk, afhankelijk van het ontwerp van de bron en last, kunnen ze wellicht geen elektrische potentiellen op hun referentiepalen tolereren, dus is het gangbare praktijk om het scherm met aard te verbinden. Let op dat er in Figuur 1 slechts een enkele verbinding met aard is, en voor eenvoudige elektrisch veldscherming maakt het niet uit waar de verbinding wordt gemaakt. Echter, wanneer het veld E in de tijd varieert, vloeit een stroom naar aard vanwege de veranderende elektrische lading. Eenmaal een stroom vloeit, moeten we ook de magnetische veldeffecten overwegen. Naarmate de frequentie toeneemt, neemt de stroom geassocieerd met een elektrisch veld ook toe, dus de aanleg van Figuur 1 is eigenlijk alleen succesvol in het uitsluiten van lage-frequente elektrisch veldinterferentie zoals van 50/60 Hz net.

Magnetisch veld scherming

Het magnetisch veld schermingseffect van een afgeschermde kabel is iets moeilijker te begrijpen, maar even belangrijk. Waar ook elektrische stromen vloeien, zijn er geassocieerde magnetische velden die elektrische potentiellen in circuits kunnen induceren wanneer ze veranderen. Figuur 2 toont een magnetische flux B, afkomstig van een extern stroomdragend circuit, die hetzelfde circuit linkt als in Figuur 1.

Figuur 2: Magnetisch veld schermingsmechanisme

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 gelinkt wordt, hier getoond als E_B1 voor het scherm en E_B2 voor de innerlijke ader.

De geïnduceerde potentiaal zou een tijdelijke fout in het ontvangen signaal vertegenwoordigen, d.w.z. ruis, behalve voor het feit dat in Figuur 2 geïllustreerd wordt:

Precies dezelfde spanning wordt geïnduceerd in zowel de innerlijke als de outer (scherm) geleiders. Dus E_B1 = E_B2.

De reden hiervoor is dat de magnetische flux die de schermgeleider linkt, inherent ook de innerlijke geleider moet linken.

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

Mits niets gebeurt om de twee geïnduceerde spanningen te onbalanceren, is de annulering zeer exact en geeft de afgeschermde kabel uitstekende bescherming tegen veranderende magnetische velden.

Let op dat in Figuur 2 noch de bron noch de last met enig ander circuit verbonden zijn, d.w.z. ze zijn galvanisch geïsoleerd. In dit geval kan geen stroom in het scherm vloeien en is er niets wat een fout tussen E_B1 en E_B2 zou kunnen veroorzaken.

In de praktijk is er zelfs met galvanische isolatie afwijkende capaciteit, zodat er bij de hogere frequenties enige stroom kan vloeien. Echter, elke stroom die in het scherm vloeiet, veroorzaakt een verandering in de magnetische flux die ook de signaalgeleider linkt. Het annuleringsmechanisme werkt nog steeds.

Laagfrequente schermstroom

In Figuur 2 wordt getoond dat de spanning geïnduceerd door het externe magnetische veld identiek is in zowel de innerlijke als de outer geleiders. Een andere bron van spanning die niet gelijk geïnduceerd is, is simpele weerstandsspanningsval. Figuur 3 illustreert een situatie waar de zend- en ontvangstzijden beide verbindingen hebben met hun lokale chassis of aard, en een aarddifferentiële spanning E_D een stroom I_D in het scherm laat vloeien. De differentiële spanning kan worden veroorzaakt door een verscheidenheid aan effecten in het complete systeem, essentieel is het de som van de verschillende ruisspanningen die worden verzameld door het kabelscherm dat fungeert als een ontvangantenna voor elektromagnetische golven van alle soorten, alsook spanningsvallen veroorzaakt door circulerende afwijkende stromen zoals op netfrequentie.

Er is ook een specifieke bron van aarddifferentiële spanning in aandrijvingssystemen die een motorasencoder gebruiken. Ondanks het gebruik van afgeschermde motorkabel, kan de motorbehuizing een significante ruisspanning ten opzichte van aard hebben vanwege de snelle PWM-pulsen in de motorwikkeling en motorkabel. Als de asencoder een metalen lichaam heeft dat direct aan de motorbehuizing vastzit, is het moeilijk om een aarddifferentiële spanning in de encoder-kabelscherm te vermijden.

Figuur 3: Effect van schermstroom

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

• Een inductieve component IjωL waar L de kabelscherminductie is
• Een weerstandscomponent IR waar R de kabelschermweerstand is

De inductieve component wordt veroorzaakt door het magnetische veld geïnduceerd door de stroom. Het magnetische veld linkt ook de innerlijke ader, dus het bijdraagt gelijk aan E_B1 en E_B2 en het stoort het ontvangen signaal niet.[1]

De weerstandscomponent verschijnt niet in E_B2, dus het verschijnt in serie met het signaal en veroorzaakt een fout.

Let op dat waar een elektrisch veld een geïnduceerde stroom zou veroorzaken, zodat het effect evenredig zou zijn met de impedantie van het circuit, is hier een geïnduceerde spanning. Het lager maken van de impedantie van de signaalbron vermindert de fout niet. Wanneer magnetische veldinductie de hoofdbron van interferentie is, is de beste techniek om een stroomsignaal te gebruiken, en dit is de reden voor het wijdverspreide gebruik van de 4 – 20 mA stroommethode in procesbesturingssystemen met zeer lange signaal kabeltrajecten.

Bij hoge frequenties waar de inductie van de kabel zijn impedantie domineert, is IR relatief klein. Ook, door skin-effect, is de effectieve weerstand lager bij hoge frequentie aangezien de stroom voornamelijk in de buitenkant van het scherm vloeit, niet de binnenkant. Het resultaat hiervan is dat bij lagere frequenties het kabelscherm minder effectief wordt. Dit kan worden gemeten als een scherm-afsnijfrequentie, onder welke het oneffectief is. Het neigt te liggen in het bereik van 1 kHz tot 10 kHz voor veelgebruikte kabels [zie pagina 62 van de referentie als voorbeeld].

Figuur 3 benadrukt ook het effect van "pigtails", d.w.z. lengtes draad gebruikt om schermterugkeerverbindingen te maken. U ziet dat de stroom I_D in de pigtails vloeit, en elke spanningsval daar in de pigtail-inductie verschijnt in serie met het signaal. Het punt hier is dat dit een inductieve spanningsval is die niet in beide geleiders verschijnt, dus niet geannuleerd wordt door de afgeschermde kabel. De pigtail is schadelijk voor de schermingscapaciteit van de kabel bij hogere frequenties.

Types kabelscherm

Het traditionele kabelscherm is een vlecht van fijne koperdraden, met een dekking die benadert 100% (d.w.z. minimale "vensters" in de vlecht). Sommige datakabels gebruiken een metalen folie of een gemetaliseerde plastic folie, hetzij alleen, hetzij met een vlecht.

Om effectief te zijn over een wijd bereik van frequenties, moet het scherm maximale dekking, lage weerstand, en goede lengterichtingcontinuïteit tussen vlechten hebben, zodat stroom langs de buitenkant met minimale spanningsval en minimale menging met de stroom aan de binnenkant kan vloeien. Alleen folie neigt ertoe een redelijk hoge weerstand te hebben en is niet effectief, maar gecombineerd met vlecht kan het helpen bij het scheiden van de innerlijke en outer geleidende oppervlaktes.

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

[1] Het kost enige nadenken om dit goed te begrijpen. Al het magnetische veld veroorzaakt door de schermstroom moet de innerlijke ader linken. Niet al het magnetische veld veroorzaakt door innerlijke ader stroom hoeft het scherm te linken.