Продвинутые экранированные кабели для сигнальных цепей: практические методы подключения (Часть 2)

Часть 1 рассматривала принципы работы экранированных кабелей для предотвращения помех от электрических и магнитных полей. Теперь посмотрим на более практические детали.

Как подключать экранированные кабели

Основы

Как описано в Части 1, нам нужно, чтобы экранирование было эффективно в очень широком диапазоне частот угроз. Для эффективности экранированных кабелей на высоких частотах необходимо, чтобы экран был подключен непосредственно к опорному полюсу («0В» и т.д.) на обоих концах — передающем и принимающем.

Использование «пигтейла» (короткого проводка) для подключения экрана снижает эффективность экранирования, позволяя шумовому току в экране наводить шумовое напряжение в сигнальную цепь. Для действительно гальванически изолированной цепи это может быть неважно, так как изоляция минимизирует шумовой ток, циркулирующий и текущий в пигтейле. Однако в общем пигтейлы следует минимизировать. Для широкополосных данных пигтейлы должны исключаться, чего можно достичь зажимом экрана кабеля непосредственно к шасси или опорной/заземляющей точке.

Почему не подключать оба конца экрана?

Существуют рекомендации, советующие подключать экран кабеля только с одного конца. Из вышесказанного ясно, что это лишает экран высокочастотных преимуществ. В прошлом эти рекомендации применялись к некоторым видам простых электрических цепей управления, изначально нечувствительных к высокочастотным помехам, чтобы избежать заземляющих петель — см. ниже. Это также может предотвратить циркуляцию токов короткого замыкания силовой системы в экранах кабелей, но правильнее достигать этого за счет обеспечения адекватного выравнивания потенциалов в силовой системе.

В системах распределения энергии есть применения, где экраны силовой кабелей не должны подключаться с двух концов, чтобы избежать опасных потенциалов касания при неисправностях или молниевая активность; как в системах TT. Это не относится к моторным кабелям ВЧП.

Всякий раз, когда сигнальные кабели проходят за пределы зданий и зоны выравнивания потенциалов, необходимо учитывать безопасность при электрических неисправностях и ударах молнии, когда могут существовать опасные дифференциальные потенциалы земли.

Односторонние аналоговые цепи

Рисунок 4: подключение простого одностороннего аналогового интерфейса

Простейший вид аналогового интерфейса показан на рис. 4. Это достаточно для многих общих применений. Из предыдущего объяснения видно, что у этой схемы есть слабости, которые могут быть допустимы, где не требуется управление высокой точностью и широкой полосой.

Пунктирные линии в контроллере и приводе указывают, что соединения 0В контроллера и привода обычно подключены к заземлению, либо напрямую и намеренно, либо потому, что какое-то оборудование в системе имеет внутреннее соединение 0В и заземления. В этом случае есть риск помех от следующих источников:

• Высокочастотный шумовой ток вызывает падение шумового напряжения в индуктивности пигтейлов, которое вносится в аналоговый сигнал. Это может вызывать ошибки, если аналоговые цепи восприимчивы. Можно минимизировать, сделав пигтейлы максимально короткими, чтобы уменьшить их индуктивность. Использование заземляющих зажимов непосредственно на экране кабеля на обоих концах, закрепляющих его к шасси, может устранить это полностью. Это показано синим на рис. 4.
• Низкочастотный шумовой ток вызывает падение шумового напряжения в активном сопротивлении экрана кабеля (а также в пигтейлах, но кабель обычно имеет большее сопротивление). Если частота этого шума попадает в полосу пропускания аналоговой цепи, она нарушается — например, наводка 50/60 Гц вызывает вибрацию в сервоприводе на 50/60 Гц. Это «проблема заземляющей петли» и её сложнее устранить. Возможные решения:
  • Соединить клеммы 0В или заземления на обоих концах кабелем заземления с низким сопротивлением, чтобы уменьшить падение напряжения.
  • Использовать сбалансированную (дифференциальную) аналоговую цепь сигнала (см. ниже). Это лучший метод.
  • Сделать либо аналоговый выход, либо вход гальванически изолированным, чтобы избежать тока в экране.

Сбалансированные аналоговые цепи

Точные аналоговые цепи часто имеют дифференциальные входы, иногда и дифференциальные выходы. Они обычно предоставляются для точных контроллеров, таких как сервоприводы, и для синус/косинус энкодеров вал. При правильном использовании они дают отличное подавление низкочастотных помех. В сочетании с экранированным кабелем это может обеспечить иммунитет по всему спектру шумов. Рисунок 5 показывает, как использовать дифференциальный аналоговый вход. Обратите внимание, что сигнальные жилы обычно представляют собой скрученную пару, что дополнительно улучшает шумозащищенность, делая путь двух проводников максимально сбалансированным.

Рисунок 5: Подключение дифференциального аналогового входа

В этом случае у нас односторонний выход контроллера и дифференциальный вход. Используя две жилы в экранированном кабеле, мы можем подключить инвертирующий вход непосредственно к опорному полюсу аналогового выхода контроллера. Любое низкочастотное напряжение, наведенное в экране кабеля, поэтому отвергается входом, тогда как экран всё еще дает свое отличное высокочастотное подавление. Дифференциальный вход не может отвергать общее напряжение на высоких частотах, выше своей полосы пропускания, где экран кабеля работает лучше всего. Две техники вместе дают подавление шумов по всему спектру.

Заземляющие зажимы как на рис. 4 также можно использовать, чтобы избежать высокочастотного вносимого шума, вызванного пигтейлами.

Если контроллер также предлагает дифференциальный выход, то жила AI- может быть подключена к клемме AO- вместо 0В на контроллере. Особый случай — если контроллер предлагает выход «виртуальной земли», где клемма AO- не является выходом, а сенсорным входом. В этом случае линия AO- должна быть подключена к 0В либо на одном конце, либо на другом, она не должна «висеть в воздухе».

Цифровые цепи

Цифровые цепи не восприимчивы к помехам от низкоуровневых низкочастотных ошибок, вызванных заземляющими петлями. Высокочастотные помехи в канале данных могут вызывать битовые ошибки, которые обычно обнаруживаются и отвергаются, но если они случаются слишком часто, канал может закрыться или давать неудовлетворительную производительность. Цепи энкодеров для обратной связи скорости/положения особенно склонны вызывать шум и вибрацию при высокочастотных помехах. В обоих случаях правильное управление экраном кабеля критично.

Каналы данных часто используют высокий битрейт. Для скоростей выше ~1 Мбит/с кабель должен быть правильно завершен на своем волновом сопротивлении, чтобы избежать ошибок данных от отражений. Для поддержания согласования допускаются только короткие участки неэкранированных жил.

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 указан напрямую, и в принципе он может быть неэкранированным, если имеет правильное волновое сопротивление, но обычно предпочитается экранированный кабель.

Использование сбалансированной цепи означает, что вносимый шум отвергается в значительной степени, потому что он в общем режиме, то есть одинаково влияет на обе линии и поэтому не появляется как сигнал. Однако передатчики и приемники имеют пределы своего общего диапазона, поэтому ошибки возникают, если шумовое напряжение слишком высокое, или слишком быстро меняющееся, а также если асимметрия вызывает связывание общего режима в последовательный. Стандартные чипы линейных драйверов, используемые в большинстве портов, имеют общий диапазон около 5 В и дают серьезные ошибки, если он превышается. Это можно увеличить, используя гальванически изолированные порты, но это дорого.

Рисунок 6 показывает, как организовать базовое подключение порта RS485.

Рисунок 6: Базовое подключение данных RS485 (показаны только 2 узла)

В оборудовании Control Techniques опорная клемма показана как «0В» на рис. 6. В другом оборудовании она может называться по-разному: «G» или «GND» для заземления, «SC» для экрана, или «reference». Иногда она оставлена неподключенной или даже не предусмотрена. Это может сработать для коротких линий или где порты имеют хорошо спроектированную гальваническую изоляцию. В общем гораздо предпочтительнее подключить 0В к экрану кабеля.

RS485 позволяет многопутевое подключение нескольких портов. Эффект незначительного несоответствия импеданса на каждом порту, а также вносимого шума от каждого пигтейла делает схему все более чувствительной к помехам по мере увеличения числа портов. Полные протоколы связи с высокими битрейтами, такие как Profibus, используют определенное оборудование, которое в данном случае требует прямого зажима экранов кабелей в разъемах для избежания пигтейлов, и правильной сети завершения на конечных узлах.

Клеммы и разъемы

Многие промышленные разъемы спроектированы без должного обеспечения для управления экранами кабелей, потому что не предназначались для использования на высоких частотах. Для общих применений обычно допустимо подключать экран через короткий пигтейл к контакту разъема. Однако гораздо предпочтительнее проводить соединение экрана через проводящий корпус разъема так, чтобы он продолжал окружать сигнальные жилы, как это всегда бывает в разъемах радиочастот. Если сигнальная цепь проходит через несколько разъемов, каждый со своей парой пигтейлов, вносимый шум на каждом разъеме накапливается.

Один из способов управления экранными соединениями — зажимать экраны вместе или к общему металлическому элементу. Оборудование для этого доступно у поставщиков клеммных блоков с винтовыми зажимами. Идея иллюстрируется на рис. 7.

Рисунок 7: Подключение экранов на клеммном блоке или разъеме

Цель зажима — избежать пигтейловых соединений экранов, а следовательно, избежать введения шумового напряжения, которое появилось бы на пигтейлах. Он соединяет экраны с минимальной рассеянной индуктивностью. Малая площадь непокрытых проводников на клеммах здесь гораздо менее важна, чем пигтейлы. Причина в том, что непокрытые проводники подвергаются воздействию электромагнитных полей только в непосредственной близости от клемм, тогда как пигтейлы несли бы шумовой ток, собранный на всей длине экранированного кабеля.

Обычно зажимы закрепляют на заземленных металлических частях, но это в первую очередь для безопасности. Выгода для ЭМС — очень низкая индуктивность связи между двумя экранами кабелей.

Ethernet

Ethernet — исключение из всего вышесказанного. Современный Ethernet не нуждается в экранированном кабеле, а опирается на очень хорошо сбалансированную неэкранированную скрученную пару в сочетании с гальванически изолирующей сбалансированной трансформаторной связью для отличной иммунности к общим помехам. Также он не использует многопутевую структуру, поэтому тенденция к накоплению шумового тока на множестве узлов также избегается.

Заземляющие петли

Рассмотрев резистивный эффект на рис. 3, мы хорошо понимаем, почему в некоторых приложениях советуют не подключать экран кабеля с двух концов. Ошибка напряжения IR не появилась бы, если бы экран был подключен только с одного конца, потому что тока в экране не было бы. Этот совет может даваться «чтобы избежать заземляющих петель». Однако кабель потеряет все свои возможности экранирования магнитного поля, то есть высокочастотные возможности. Этот совет верен только в очень конкретной ситуации, когда выполняются все условия:

• Дифференциальные потенциалы земли на низких частотах (например, сети) присутствуют, или рассеянные магнитные поля на частоте сети.
• Цепь использует аналоговые сигналы, чувствительные к малым возмущениям на частоте сети.
• Экран нужен только для защиты от емкостной связи на низких частотах.

Наиболее частый случай — аналоговые аудиосистемы, где даже малый уровень наводки сети вызывает раздражающий «гул». Это может также применяться в сервоконтроллерах с аналоговыми интерфейсами, но там лучше использовать дифференциальный интерфейс, как описано выше.

Двойной экран кабеля

Двойной экран иногда рекомендуется, особенно для интерфейсов энкодеров вала, где обычно есть три сбалансированные пары данных, экранированные по парам, возможно, некоторые силовые жилы, и общий экран.

В принципе для каждой пары данных нужен только один экран, и это может быть либо общий экран, либо индивидуальные. Однако преимущества двойного экрана:

• Внешний экран может быть закреплен на корпусе двигателя и энкодера, что приводит к высокому шумовому току в экране, который может возвращаться к заземлению на приводе, не попадая в клеммы 0В интерфейса энкодера.
• Клеммы 0В могут храниться изолированными от заземления — если это требуется системным дизайном — при этом обеспечивая общий высокочастотный экран, подключенный к заземлению.
• Ток заземляющей петли может быть ограничен только внешним экраном.
• Импеданс индивидуальных пар хорошо контролируется благодаря их индивидуальным экранам.

Рисунок 8 иллюстрирует, как это подключается (показано два канала для наглядности).

Рисунок 8: Подключение двойной экраненного кабеля энкодера

Ссылки

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

Еще одна рекомендуемая книга

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