Экранированные кабели для сигнальных цепей (часть 1)

В этом наборе из двух блогов рассматривается использование экранированных (также называемых экранированными) кабелей для сигнальных цепей. Эта тема упоминалась в моем блоге EMC, и я пообещал вернуться к ней более подробно.

В следующем блоге будет обсуждаться экранированный силовой кабель, рекомендуемый для подключения преобразователя частоты переменного тока к его двигателю. В обоих случаях целью экрана является предотвращение нежелательной электромагнитной связи между цепью внутри экрана и другими цепями снаружи. Ключевое отличие состоит в том, что экран кабеля двигателя предназначен для защиты внешних цепей, тогда как экран сигнального кабеля предназначен для защиты цепи внутри него от помех, создаваемых внешними электрическими помехами.

Экранированные кабели являются обычным явлением в электронных системах и обычно считаются само собой разумеющимся. Однако они не так просты, как кажутся, и часто неправильно используются и неправильно понимаются. К счастью, современные электронные схемы, как правило, хорошо защищены от электрических помех, поэтому системы обычно работают, несмотря на плохую практику прокладки кабелей. Однако при использовании приводов с регулируемой скоростью становится более важным использовать правильную практику, поскольку инвертор создает довольно высокий уровень электромагнитных помех, которые могут вызвать помехи в связанных цепях управления, если они неправильно расположены.

В части 1 рассматриваются общие принципы экранированных сигнальных кабелей, а в части 2 — некоторые более конкретные практические детали.

Некоторые распространенные вопросы

Существуют различные правила обращения с экранированными кабелями, которые возникли по уважительной причине, но они могут быть противоречивыми и запутанными. Вот несколько общих вопросов, на которые я надеюсь ответить:

1. Должен ли я подключать оба конца экрана?
2. Должен ли я не подключить оба конца экрана??
3. Должен ли экран быть заземлен?
4. Должен ли я беспокоиться о контурах заземления?
5. Какой длины может быть косичка?
6. Как подключиться через клеммную колодку?
7. Как подключить симметричную (дифференциальную) аналоговую схему?
8. А как насчет Ethernet? Можно ли использовать неэкранированный кабель?

Несколько важных терминов

В следующем объяснении:

земля это защитное заземление или земля (PE) в системе, подключенной к сети, которая в конечном итоге подключена к сети защитного заземления здания и к физическому заземлению (земле) ниже. Когда сигнальные цепи соединены с землей, а соединение не выполнено из соображений безопасности, это можно назвать функциональным заземлением, в отличие от защитного заземления.

Обратное, общее или опорное соединение сигнала в системе называется здесь «опорным полюсом». ». В оборудовании Control Techniques это соединение называется «0V». Это часто связано с землей, но это не обязательно. Некоторые симметричные схемы передачи данных могут не иметь эталонного полюса.

В электрощите основная масса металлической конструкции называется «шасси ». Обычно это соединение с землей из соображений безопасности, но из соображений электрического шума более важно, чтобы оно представляло собой обширную проводящую поверхность, вокруг которой вряд ли будут разные электрические потенциалы.

В симметричной или двухтактной сигнальной цепи сигнальные линии обозначаются как A+ и A-. В зависимости от конструкции может быть или не быть связанного 0V или соединения шасси.

«Высокая частота ” в широком смысле означает частоту в диапазоне радиосвязи, значительно превышающую частоту среза кабеля, например. выше примерно 50 кГц или около того. В приводах с регулируемой скоростью такие высокие частоты возникают как побочный эффект очень быстрого переключения силовых полупроводников.

Что такое электрические шумы (помехи?)

Электрический шум здесь относится к эффекту нежелательного взаимодействия электрических цепей. Любая электрическая активность приводит к возникновению электромагнитных полей, которые могут индуцировать нежелательные электрические сигналы в близлежащих цепях. Как правило, эти эффекты сильнее всего проявляются на частотах в радиодиапазоне, поскольку быстрое изменение напряжения и тока усиливает нежелательную связь. Сигнальные цепи могут быть чувствительны к высокочастотным помехам либо потому, что они сами используют высокие частоты (например, последовательные цифровые каналы передачи данных, данные кодировщика), либо потому, что они обладают непреднамеренной чувствительностью к высоким частотам, выходящим далеко за пределы их предполагаемой полосы пропускания (например, аналоговые входы). Хорошо спроектированная сигнальная цепь будет иметь полосу пропускания, адаптированную к требованиям приложения, чтобы она не была излишне чувствительна к быстро меняющимся помехам. Однако высокие уровни помех за пределами предполагаемой полосы все же могут вызывать ошибки из-за нелинейности. Вот почему, например, довольно часто можно услышать помехи в звуковой системе, вызванные мобильным (сотовым) телефоном.

Важной особенностью этого вида шума является то, что он может охватывать чрезвычайно широкий диапазон частот. Помехи могут возникать от источников сети с частотой 50/60 Гц вплоть до мобильного телефона и других радиочастотных диапазонов около 2–5 ГГц. Это диапазон 8 порядков, и правила, хорошо работающие для одних частот, могут оказаться неэффективными или даже контрпродуктивными для других. Вот почему правила ЭМС и управления экранированными кабелями иногда могут противоречить друг другу — они могли быть предназначены для угроз в определенных диапазонах частот.

Обратите внимание, что еще одним видом электрического шума является генерируемый тепловым воздействием случайный шум, который присутствует во всех цепях при температуре выше 0 K. Он представляет интерес только для высокочувствительного радиоприемного оборудования и здесь не рассматривается.

Как работают экранированные кабели

Экранированный кабель имеет одну или несколько сигнальных жил, окруженных сплошным экранирующим проводником. Коаксиальный кабель имеет одну внутреннюю жилу, окруженную экраном, и в основном используется для радиочастотных приложений. Экран чаще всего изготавливается из оплетки из тонких проволок, которая может быть дополнена токопроводящей фольгой. Реже экран может быть цельнометаллическим и может содержать магнитный материал, например феррит.

Назначение экрана состоит в том, чтобы не допустить, чтобы внешняя электромагнитная энергия наводила нежелательный сигнал в сигнальную цепь. Электромагнитное поле включает в себя связанные друг с другом магнитное и электрическое поля. Чтобы помочь в понимании его работы, мы можем сначала рассмотреть отдельно влияние на электрические поля и магнитные поля. Чтобы цепь была невосприимчива к электромагнитным помехам, она должна быть невосприимчива как к электрическим, так и к магнитным полям.

Скрининг электрического поля

Это самый простой для понимания механизм. На рис. 1 показано электрическое поле E от внешнего источника шума, воздействующее на экранированный кабель в простой однолинейной (несбалансированной) сигнальной цепи, соединяющей источник сигнала с сигнальной нагрузкой. Поле оканчивается на проводнике экрана и не проникает во внутренний проводник, поэтому помех не возникает.

В отсутствие экрана электрическое поле индуцировало бы ток в сигнальной цепи всякий раз, когда оно менялось. Это вызовет временную ошибку, т. е. шум, в принимаемом напряжении на величину, зависящую от импеданса цепи — чем выше импеданс, тем выше ошибка. Обычно источник имеет низкий импеданс, чтобы свести к минимуму напряжение ошибки, вызванное проникновением электрического поля.

Рисунок 1:Механизм экранирования электрического поля

Заземление показано на рис. 1 как необязательное, потому что оно в принципе не нужно для работы экрана. Важно то, что опорные полюса источника и нагрузки должны быть подключены к экрану, чтобы на внутреннем проводнике по отношению к экрану существовало сигнальное напряжение.

На практике, в зависимости от конструкции источника и нагрузки, они могут быть не в состоянии выдержать электрические потенциалы на своих опорных полюсах, поэтому общепринятой практикой является подключение экрана к земле. Обратите внимание, что на рисунке 1 имеется только одно соединение с землей, и для простого экранирования электрического поля не имеет значения, где выполняется соединение. Однако, когда поле E меняется во времени, ток течет на землю из-за изменения электрического заряда. Когда течет ток, мы должны также учитывать эффекты магнитного поля. По мере увеличения частоты ток, связанный с электрическим полем, также увеличивается, поэтому расположение на Рисунке 1 действительно эффективно только для исключения низкочастотных помех электрического поля, таких как от сети 50/60 Гц.

Скрининг магнитного поля

Эффект экранирования магнитного поля экранированным кабелем немного сложнее для понимания, но не менее важен. Везде, где протекают электрические токи, существуют связанные с ними магнитные поля, которые могут индуцировать электрические потенциалы в цепях, когда они изменяются. На рис. 2 показан магнитный поток B, исходящий от внешней цепи с током, соединяющей ту же цепь, что и на рис. 1.

Рисунок 2. Механизм экранирования магнитного поля

Когда магнитное поле изменяется, оно индуцирует в проводнике потенциал, который пропорционален скорости изменения магнитного потока, связанного с проводником, показанному здесь как E_B1 для экрана и E_B2 для внутреннего проводника.

Наведенный потенциал будет представлять собой временную ошибку в принятом сигнале, т. е. шум, за исключением факта, показанного на рисунке 2:

Одно и то же напряжение индуцируется как во внутреннем, так и во внешнем (экранном) проводнике. Итак, E_B1 =Е_B2 .

Причина этого в том, что магнитный поток, который связывает экранный проводник, по своей природе также связывает внутренний проводник.

Напряжения E_B1 и E_B2 показанные красным, равны, но противоположны в сигнальной цепи, поэтому они компенсируются в нагрузке.

Если ничего не происходит, чтобы не сбалансировать два индуцированных напряжения, компенсация будет очень точной, а экранированный кабель обеспечивает превосходную защиту от изменяющихся магнитных полей.

Обратите внимание, что на рис. 2 ни источник, ни нагрузка не подключены ни к какой другой цепи, т. е. они гальванически развязаны. В этом случае через экран не может течь ток и нет ничего, что могло бы вызвать ошибку между E_B1 и E_B2 .

На практике даже при гальванической развязке присутствует паразитная емкость, так что некоторый ток может протекать на более высоких частотах. Однако любой ток, протекающий через экран, вызывает изменение магнитного потока, который также связывает сигнальный проводник. Механизм отмены все еще работает.

Низкочастотный ток экрана

На рис. 2 показано, что напряжение, индуцируемое внешним магнитным полем, одинаково как во внутреннем, так и во внешнем проводниках. Другим источником напряжения, который не индуцируется в равной степени, является простое резистивное падение напряжения. На рис. 3 показана ситуация, когда передающая и принимающая стороны подключены к своим локальным шасси или земле, а разность потенциалов земли E_D вызывает ток I_D течь на экране. Разностное напряжение может быть вызвано различными эффектами во всей системе, по сути, это сумма различных шумовых напряжений, которые собираются экраном кабеля, действующим как приемная антенна для электромагнитных волн всех видов, а также падением напряжения. вызванные блуждающими токами, например, на частоте сети.

Существует также определенный источник дифференциального напряжения заземления в приводных системах, использующих энкодер вала двигателя. Несмотря на использование экранированного кабеля двигателя, корпус двигателя может иметь значительное шумовое напряжение относительно земли из-за быстрых импульсов ШИМ в обмотке двигателя и кабеле двигателя. Если энкодер имеет металлический корпус, прикрепленный непосредственно к корпусу двигателя, трудно избежать дифференциального напряжения заземления в экране кабеля энкодера.

Рисунок 3. Влияние тока экрана

Текущий I_D вызывает падение напряжения на экране с двумя компонентами:

• Индуктивная составляющая IjwL, где L — индуктивность экрана кабеля.
• А резистивная составляющая IR, где R – сопротивление экрана кабеля.

Индуктивная составляющая вызвана магнитным полем, индуцированным током. Магнитное поле также связывает внутренний проводник, поэтому его вклад в E_B1 одинаков. и E_B2 и это не мешает полученному сигналу.[1]

Резистивная составляющая не отображается в E_B2 , поэтому он появляется последовательно с сигналом и вызывает ошибку.

Заметьте, что в то время как электрическое поле вызвало бы индуцированный ток, так что эффект был бы пропорционален импедансу цепи, здесь присутствует индуцированное напряжение. Уменьшение импеданса источника сигнала не уменьшает ошибку. Когда индукция магнитного поля является основным источником помех, лучшим методом является использование токового сигнала, и это является причиной широкого использования метода источника тока 4–20 мА в системах управления технологическими процессами с очень длинными сигнальными кабелями.

На высоких частотах, где индуктивность кабеля преобладает над его импедансом, IR относительно невелика. Кроме того, из-за скин-эффекта эффективное сопротивление меньше на высоких частотах, поскольку ток течет в основном снаружи экрана, а не внутри. Результатом этого является то, что на более низких частотах экран кабеля становится менее эффективным. Это можно измерить как частоту среза экрана, ниже которой он неэффективен. Обычно она находится в диапазоне от 1 кГц до 10 кГц для широко используемых кабелей [например, см. стр. 62 справочника].

На рис. 3 также показан эффект «пигтейлов», т. е. отрезков провода, используемых для соединения экрана с обратной связью. Вы можете видеть, что текущий I_D течет в пигтейлах, и любое падение напряжения там на индуктивности пигтейла появляется последовательно с сигналом. Дело здесь в том, что это индуктивное падение напряжения, которое не возникает в обоих проводниках, поэтому оно не компенсируется экранированным кабелем. Косичка вредна для экранирования кабеля на более высоких частотах.

Типы экрана кабеля

Традиционный экран кабеля представляет собой оплетку из тонких медных проволок с покрытием, приближающимся к 100% (т.е. минимальными «окнами» в оплетке). В некоторых кабелях для передачи данных используется металлическая фольга или металлизированная пластиковая фольга, отдельно или с оплеткой.

Чтобы быть эффективным в широком диапазоне частот, экран должен иметь максимальное покрытие, низкое сопротивление и хорошую непрерывность по длине между оплетками, чтобы ток мог течь снаружи с минимальным падением напряжения и минимальным смешиванием с током внутри. Одна только фольга, как правило, имеет довольно высокое сопротивление и неэффективна, но в сочетании с оплеткой она может помочь в разделении внутренней и внешней проводящих поверхностей.

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

[1] Чтобы правильно это понять, нужно немного подумать. Все магнитное поле, вызванное током экрана, должно связывать внутренний проводник. Не все магнитное поле, вызванное током внутреннего проводника, должно связывать экран.