Экранированные кабели для сигнальных цепей (часть 2)

В части 1 были рассмотрены принципы работы экранированных кабелей во избежание помех от электрических и магнитных полей. Теперь мы рассмотрим некоторые более практические детали.

Как подключить экранированные кабели

Основы

Как описано в Части 1, нам нужно, чтобы скрининг был эффективным в очень широком диапазоне частот угроз. Чтобы экранированные кабели были эффективными на высоких частотах, необходимо, чтобы экран был подключен непосредственно к эталонному полюсу («0 В» и т. д.) как на передающем, так и на принимающем концах.

Использование косички для подключения экрана снижает эффективность экранирования, позволяя шумовому току в экране подавать шумовое напряжение в сигнальную цепь. Для действительно гальванически развязанной цепи это может быть неважно, потому что изоляция сводит к минимуму шумовой ток, который циркулирует и протекает в пигтейле. Однако, как правило, косички должны быть сведены к минимуму. Для широкополосных цепей передачи данных следует избегать косичек, чего можно добиться, закрепив экран кабеля непосредственно на шасси или опорной точке или точке заземления.

Почему бы вам не соединить оба конца экрана?

Существуют инструкции, в которых рекомендуется подсоединять экран кабеля только с одного конца. Из вышеизложенного должно быть ясно, что это сводит на нет преимущество экранирования высоких частот. В прошлом эти рекомендации применялись к некоторым видам простых электрических цепей управления, которые изначально невосприимчивы к высокочастотным помехам, чтобы избежать контуров заземления – см. ниже. Это также может предотвратить циркуляцию токов короткого замыкания энергосистемы в экранах кабелей, но это должно быть достигнуто путем обеспечения надлежащего эквипотенциального соединения в энергосистеме.

В системах распределения электроэнергии существуют определенные приложения, в которых экраны силовых кабелей не должны подключаться с обоих концов, чтобы избежать потенциальной опасности прикосновения во время сбоев или грозовых разрядов; как в распределительных системах ТТ. Это не относится к кабелям двигателей приводов с регулируемой скоростью.

Всякий раз, когда сигнальные кабели проходят за пределами зданий и за пределами зоны выравнивания потенциалов, необходимо учитывать безопасность во время электрических неисправностей и ударов молнии, когда могут существовать потенциально опасные дифференциальные потенциалы земли.

Односторонние аналоговые схемы

Рисунок 4:подключение простого несимметричного аналогового интерфейса

Простейший вид аналогового интерфейса показан на рис. 4. Этого достаточно для многих общих приложений. Из приведенного выше объяснения вы увидите, что у этой схемы есть некоторые недостатки, которые могут быть приемлемыми, когда не требуется контроль с высокой точностью и широкой полосой пропускания.

Пунктирные линии на контроллере и приводе указывают на то, что соединения 0 В контроллера и привода обычно подключены к земле либо напрямую и намеренно, либо потому, что некоторое оборудование в системе имеет 0 В и заземление внутри. В этом случае существует риск помех из следующих источников:

• Высокочастотный шумовой ток вызывает падение шумового напряжения на индуктивности пигтейлов, которые вводятся в аналоговый сигнал. Это может вызвать ошибки, если аналоговые схемы чувствительны. Его можно свести к минимуму, сделав пигтейлы как можно короче, чтобы минимизировать их индуктивность. Использование заземляющих зажимов непосредственно на экране кабеля с обоих концов, фиксирующих его к шасси, может полностью исключить это. Это показано синим цветом на рис. 4.
• Низкочастотный шумовой ток вызывает падение шумового напряжения в сопротивлении экрана кабеля (а также в пигтейлах, но кабель обычно имеет более высокое сопротивление). Если частота этого шума находится в пределах полосы пропускания аналогового контура, то он нарушен – например, срабатывание на частоте 50/60 Гц вызывает вибрацию сервопривода на частоте 50/60 Гц. Это «проблема контура заземления», и ее труднее решить. Возможные решения:
• Подсоедините клеммы 0 В или заземления на обоих концах с помощью заземляющего кабеля питания с низким сопротивлением, чтобы уменьшить падение напряжения.
• Используйте симметричную (дифференциальную) схему аналогового сигнала (см. ниже). Это лучший способ.
• Сделайте либо аналоговый выход, либо входную цепь гальванически изолированными, чтобы избежать протекания тока через экран.

Сбалансированные аналоговые схемы

Прецизионные аналоговые схемы часто имеют дифференциальные входы, а иногда и дифференциальные выходы. Они обычно поставляются для прецизионных контроллеров, таких как сервоприводы, а также для энкодеров sin/cos. При правильном использовании они обеспечивают превосходное подавление низкочастотных помех. В сочетании с экранированным кабелем это может обеспечить невосприимчивость ко всему спектру помех. На рис. 5 показано, как использовать дифференциальный аналоговый вход. Обратите внимание, что сигнальные жилы обычно представляют собой витую пару, что дополнительно повышает помехозащищенность за счет максимально сбалансированного маршрута двух проводников.

Рисунок 5:Подключение дифференциального аналогового входа

В этом случае у нас есть несимметричный выход контроллера и дифференциальный вход. Используя две жилы в экранированном кабеле, мы можем подключить инвертирующий вход непосредственно к опорному полюсу аналогового выхода контроллера. Таким образом, любое низкочастотное напряжение, индуцируемое в экране кабеля, подавляется входом, в то время как экран по-прежнему обеспечивает превосходное подавление высоких частот. Дифференциальный вход не может подавлять синфазное напряжение на высоких частотах за пределами своей полосы пропускания, где лучше всего работает экран кабеля. Комбинация этих двух методов обеспечивает подавление шума по всему спектру.

Заземляющие зажимы, как показано на рис. 4, также можно использовать, чтобы избежать наложения высокочастотных шумов, вызванных косичками.

Если контроллер также предлагает дифференциальный выход, то ядро ​​AI можно подключить к клемме AO, а не к 0 В на контроллере. Особым случаем является ситуация, когда контроллер предлагает выход «виртуальной земли», где клемма AO является не выходом, а входом считывания. В этом случае линия AO должна быть подключена к 0 В на одном или другом конце, она не должна «плавать».

Цифровые схемы

Цифровые схемы не чувствительны к помехам из-за низкочастотных ошибок низкого уровня, вызванных контурами заземления. Высокочастотные помехи в канале передачи данных могут вызывать битовые ошибки, которые обычно обнаруживаются и отбрасываются, но если они происходят слишком часто, канал может закрыться или работать неадекватно. Цепи энкодера для обратной связи по скорости/положению особенно склонны вызывать шум и вибрацию при наличии высокочастотного шума. В обоих случаях необходимо правильное управление экраном кабеля.

Каналы передачи данных часто используют высокую скорость передачи данных. Для скоростей выше примерно 1 Мбит/с кабель должен иметь правильное согласование с его характеристическим импедансом, чтобы избежать ошибок данных из-за отражений. Для обеспечения соответствия допустимы только короткие длины открытых жил кабеля.

Наиболее широко используемый цифровой интерфейс для базовой локальной передачи данных основан на стандартах RS422 и RS485, которые имеют дифференциальные передатчики и приемники. Тип кабеля не указывается напрямую, и, в принципе, он может быть неэкранированным при условии, что он имеет правильное характеристическое сопротивление, но обычно экранированный кабель предпочтительнее.

Использование симметричной схемы означает, что введенный шум в значительной степени подавляется, поскольку он находится в синфазном режиме, т. е. одинаково влияет на обе линии и, следовательно, не проявляется как сигнал. Однако передатчики и приемники имеют пределы своего синфазного диапазона, поэтому ошибки возникают, если шумовое напряжение слишком велико или слишком быстро меняется, а также если асимметрия приводит к тому, что синфазный шум накладывается на последовательный режим. Стандартные микросхемы линейного драйвера, используемые в большинстве портов, имеют синфазный диапазон около 5 В и дают серьезные ошибки, если он превышен. Это можно увеличить, используя гальванически изолированные порты, но это дорого.

На рис. 6 показано, как организовать базовое подключение к порту RS485.

Рис. 6. Базовое подключение для передачи данных RS485 (показаны только два узла)

В оборудовании Control Techniques эталонная клемма показана как «0V» на рисунке 6. В другом оборудовании она может по-разному называться «G» или «GND» для заземления, «SC» для экрана или «эталонной». Иногда его оставляют неподключенным или даже не предоставляют. Это может быть успешным для коротких каналов или портов с хорошо спроектированной гальванической развязкой. Как правило, гораздо предпочтительнее подключить 0 В к экрану кабеля.

RS485 позволяет осуществлять многоточечное подключение нескольких портов. Эффект незначительного несоответствия импеданса на каждом порту, а также наведенный шум от каждого пигтейла делает схему все более чувствительной к помехам по мере увеличения количества портов. Полные протоколы связи, использующие высокие скорости передачи данных, такие как Profibus, используют определенное аппаратное обеспечение, которое в этом случае требует прямого зажима экранов кабелей в разъемах, чтобы избежать косичек, и правильное оконечное сопротивление, которое должно быть подключено только к конечным узлам.

Клеммы и разъемы

Многие промышленные соединители разработаны без надлежащих средств управления экранами кабелей, поскольку они не предназначены для использования на высоких частотах. Для общих приложений обычно допускается подключение экрана через короткий пигтейл к штырьку разъема. Однако намного предпочтительнее пропускать соединение экрана через проводящую часть соединителя, чтобы оно продолжало окружать сигнальные проводники, как это всегда бывает в случае радиочастотного соединителя. Если сигнальная цепь проходит через несколько разъемов, каждый из которых имеет свою пару пигтейлов, вносимый шум на каждом разъеме накапливается.

Одним из способов управления соединениями экранов является крепление экранов друг к другу или к общей металлической детали. Оборудование для этого можно приобрести у поставщиков клеммных колодок с винтовыми зажимами. Идея проиллюстрирована на рис. 7.

Рис. 7. Подключение экранов к клеммной колодке или разъему

Назначение зажима состоит в том, чтобы избежать соединений экрана пигтейлов и, следовательно, избежать инжекции шумового напряжения, которое могло бы появиться на пигтейлах. Он связывает экраны с минимальной паразитной индуктивностью. Небольшая площадь оголенного неэкранированного проводника на клеммах здесь имеет гораздо меньшее значение, чем косички. Причина в том, что неэкранированные проводники подвергаются воздействию электромагнитных полей только в непосредственной близости от клемм, тогда как по пигтейлам проходит шумовой ток, который собирается на всем протяжении экранированного кабеля.

Обычно зажимы крепятся к заземленным металлическим частям, но это в первую очередь из соображений безопасности. Преимущество ЭМС заключается в очень низкой индуктивности связи между двумя экранами кабеля.

Интернет

Ethernet является исключением из всего вышеперечисленного. Современный Ethernet не нуждается в экранированном кабеле, но использует очень хорошо сбалансированный неэкранированный кабель с витой парой в сочетании с гальванически развязывающей симметричной трансформаторной связью, чтобы обеспечить превосходную устойчивость к синфазным помехам. Также не используется многоабонентская структура, что позволяет избежать накопления шумовых токов в нескольких узлах.

Петли заземления

Изучив эффект сопротивления на рис. 3, мы можем понять, почему в некоторых приложениях не рекомендуется подключать экран кабеля с обоих концов. Напряжение ошибки IR не появилось бы, если бы экран был подключен только с одного конца, потому что в экране не могло бы быть тока. Этот совет может быть дан для того, чтобы «избежать контуров заземления». Однако кабель потеряет все свои возможности экранирования магнитного поля, что означает его возможности экранирования высоких частот. Этот совет верен только в очень конкретной ситуации, когда все это применимо:

• Присутствуют дифференциальные напряжения заземления на низких частотах (например, сети) или паразитные магнитные поля на частоте сети.
• В схеме используются аналоговые сигналы, чувствительные к небольшим возмущениям частоты сети.
• Экран требуется только для защиты от воздействия электрического поля на низких частотах.

Чаще всего это происходит в аналоговых аудиосистемах, где даже небольшой уровень наводки в сети вызывает раздражающий «гул». Это также может применяться в сервоконтроллерах с аналоговыми интерфейсами, но там лучше использовать дифференциальный интерфейс, как описано выше.

Кабель с двойным экраном

Иногда рекомендуется кабель с двойным экраном, особенно с интерфейсами энкодера, где обычно есть три сбалансированные пары жил данных, которые экранированы попарно, возможно, некоторые жилы питания и общий экран.

В принципе, для каждой пары данных требуется только один экран, и это может быть либо общий экран, либо отдельные экраны. Однако преимущества кабеля с двойным экраном:

• Внешний экран может быть прикреплен к двигателю и корпусу энкодера, что приводит к возникновению высокого шумового тока в экране, который можно вернуть на землю в приводе, не входя в клеммы 0 В цепи интерфейса энкодера.
• Клеммы 0 В могут быть изолированы от земли, если это требуется конструкцией системы, и в то же время обеспечивать общий высокочастотный экран, подключенный к земле.
• Ток контура заземления может быть ограничен только внешним экраном.
• Сопротивление отдельных пар хорошо контролируется благодаря их индивидуальным экранам.

На рис. 8 показано, как это можно подключить (для наглядности показаны два канала).

Рисунок 8:Подключение кабеля энкодера с двойным экраном

Ссылка

Генри В. Отт:Разработка электромагнитной совместимости:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

Еще одна рекомендуемая книга

Тим Уильямс и Кейт Армстронг:EMC для систем и установок:Newnes:ISBN 9780750641678