Экранированные кабели для сигнальных цепей: Часть 1 — лучшие практики

Эта серия из двух статей посвящена использованию экранированных (также называемых экранированными) кабелей для сигнальных цепей. Тема упоминалась в моем блоге об ЭМС, и я обещал вернуться к ней подробнее.

Позже будет обсуждаться экранированный силовой кабель, рекомендуемый для подключения ВЧП к двигателю. В обоих случаях цель экрана — предотвратить нежелательную электромагнитную связь между цепью внутри экрана и другими цепями снаружи. Ключевое различие: экран моторного кабеля защищает внешние цепи, а экран сигнального кабеля защищает внутреннюю цепь от помех внешнего электрического шума.

Экранированные кабели повсеместны в электронных системах и обычно считаются само собой разумеющимися. Однако они не так просты, как кажутся, и часто используются неправильно и неверно понимаются. К счастью, современные электронные цепи обычно имеют хорошую иммунность к электрическим помехам, поэтому системы обычно работают даже при плохой практике управления кабелями. Но при использовании ВЧП правильная практика становится важнее, потому что инвертор генерирует довольно высокие уровни электромагнитного шума, который может мешать связанным цепям управления, если они не правильно организованы.

Часть 1 рассматривает общие принципы экранированных сигнальных кабелей, а Часть 2 — более конкретные практические детали.

Некоторые распространенные вопросы

Существуют различные правила управления экранированными кабелями, возникшие по веской причине, но они могут быть противоречивыми и запутывающими. Вот некоторые распространенные вопросы, на которые я надеюсь ответить:

1. Обязательно ли подключать оба конца экрана?
2. Обязательно ли не подключать оба конца экрана?
3. Обязательно ли подключать экран к заземлению (земле)?
4. Нужно ли беспокоиться о заземляющих петлях?
5. Какой длины может быть заземляющий пигтейл?
6. Как подключать через клеммный блок?
7. Как подключать сбалансированную (дифференциальную) аналоговую цепь?
8. А как же Ethernet? Может ли работать неэкранированный кабель?

Несколько критических терминов

В следующем объяснении:

Заземление — это защитное заземление (PE) в системе, подключенной к сети, которое в конечном счете соединено с защитной заземляющей сетью здания и физическим заземлением (землей) под зданием. Когда сигнальные цепи подключены к заземлению, и соединение не сделано по причинам безопасности, это может называться функциональным заземлением, в отличие от защитного.

Сигнальный возврат, общая или опорная связь в системе здесь называется «опорный полюс». В оборудовании Control Techniques это называется соединением «0В». Оно часто подключено к заземлению, но не обязано. Некоторые сбалансированные цепи данных могут не иметь опорного полюса.

В электрощите основная масса металлической конструкции называется «шасси». Обычно оно подключено к заземлению по причинам безопасности, но для соображений электрического шума важнее, что оно представляет собой обширную проводящую поверхность, которая вряд ли будет иметь разные электрические потенциалы вокруг себя.

В сбалансированной или пуш-пулл сигнальной цепи сигнальные линии называются A+ и A-. В зависимости от дизайна, может быть или не быть связанного 0В или соединения со шасси.

«Высокая частота» означает широко частоту в диапазоне радиосвязи, значительно выше граничной частоты кабеля, например, выше ~50 кГц. В ВЧП такие высокие частоты возникают как побочный эффект очень быстрого переключения силовой полупроводниковой техники.

Что такое электрический шум (помехи)?

Электрический шум здесь относится к эффекту нежелательного взаимодействия электрических цепей. Всякая электрическая активность порождает электромагнитные поля, которые могут наводить нежелательные электрические сигналы в близкие цепи. Обычно эффекты сильнее для частот в радиочастотном диапазоне, потому что быстрая смена 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 данных, данные энкодеров), либо потому что у них есть непреднамеренная чувствительность к высоким частотам далеко за пределами их предполагаемой полосы пропускания (например, аналоговые входы). Хорошо спроектированная сигнальная цепь будет иметь полосу пропускания, адаптированную к требованиям приложения, чтобы не быть излишне чувствительной к быстро меняющимся помехам. Однако высокие уровни помех вне предполагаемой полосы всё еще могут вызывать ошибки из-за нелинейности. Именно поэтому, например, довольно часто слышны помехи в звуковой системе от мобильного телефона.

Важная особенность такого шума — он может охватывать экстремально широкий диапазон частот. Помехи могут происходить от источников частоты сети 50/60 Гц до мобильной связи и других радиочастотных диапазонов ~2–5 ГГц. Это диапазон в 8 порядков, и правила, хорошо работающие для одних частот, могут быть неэффективны или даже контрпродуктивны для других. Именно поэтому правила ЭМС и управления экранированными кабелями иногда кажутся противоречивыми — они могли быть предназначены для угроз в конкретных частотных диапазонах.

Обратите внимание, что другой вид электрического шума — термически генерируемый случайный шум, присущий всем цепям при температурах выше 0 К. Это интересно только для высокочувствительной радиоприемной аппаратуры и не рассматривается здесь.

Как работают экранированные кабели

Экранированный кабель имеет одну или несколько сигнальных жил, окруженных непрерывным экранирующим проводником. Коаксиальный кабель имеет одну внутреннюю жилу, окруженную экраном, и в основном используется для радиочастотных применений. Экран чаще всего сделан из оплетки тонких проводов, которая может дополняться проводящей фольгой. Реже экран может быть цельным металлом и включать магнитный материал, такой как феррит.

Цель экрана — предотвратить наведение нежелательного сигнала во внешним электромагнитным полем в сигнальную цепь. Электромагнитное поле состоит из связанных магнитного и электрического полей. Для понимания его работы сначала рассмотрим отдельно влияние на электрические и магнитные поля. Чтобы цепь была иммунна к электромагнитным помехам, она должна быть иммунна и к электрическим, и к магнитным полям.

Экранирование электрического поля

Это самый простой для понимания механизм. Рис. 1 показывает электрическое поле E от внешнего источника шума, падающее на экранированный кабель в простой однолинейной (несбалансированной) сигнальной цепи, соединяющей источник сигнала с нагрузкой. Поле заканчивается на экранирующем проводнике и не проникает к внутренней жиле, поэтому помех не возникает.

В отсутствии экрана электрическое поле наводило бы ток в сигнальную цепь при изменении. Это вызывало бы переходную ошибку, т.е. шум, в принятом напряжении, величина которой зависит от импеданса цепи — чем выше импеданс, тем выше ошибка. Обычно источник спроектирован с низким импедансом, чтобы минимизировать ошибку напряжения от проникновения электрического поля.

Рисунок 1: Механизм экранирования электрического поля

Заземляющее соединение показано как опциональное на рис. 1, потому что в принципе оно не нужно для работы экрана. Что необходимо — это чтобы опорные полюсы источника и нагрузки были подключены к экрану, чтобы сигнальное напряжение существовало на внутренней жиле относительно экрана.

На практике, в зависимости от дизайна источника и нагрузки, они могут не терпеть электрических потенциалов на своих опорных полюсах, поэтому обычно экран подключают к заземлению. Обратите внимание: на рис. 1 только одно соединение с заземлением, и для простого экранирования электрического поля неважно, где оно сделано. Однако когда поле E меняется во времени, ток течет к заземлению из-за меняющегося электрического заряда. Как только течет ток, мы должны также учитывать эффекты магнитного поля. По мере увеличения частоты ток, ассоциированный с электрическим полем, также увеличивается, поэтому схема рис. 1 действительно успешна только в исключении низкочастотных электрических помех, например, от сети 50/60 Гц.

Экранирование магнитного поля

Эффект экранирования магнитного поля экранированного кабеля немного сложнее для понимания, но не менее важен. Везде, где текут электрические токи, есть ассоциированные магнитные поля, которые могут наводить электрические потенциалы в цепи при изменении. Рис. 2 показывает магнитный поток B, исходящий от внешней токоведущей цепи, пронизывающий ту же цепь, что и на рис. 1.

Рисунок 2: Механизм экранирования магнитного поля

Когда магнитное поле меняется, оно наводит потенциал в проводнике, пропорциональный скорости изменения магнитного потока, пронизывающего проводник, показанный здесь как E_B1 для экрана и E_B2 для внутренней жилы.

Наведенный потенциал представлял бы переходную ошибку в принятом сигнале, т.е. шум, если бы не факт, показанный на рис. 2:

Точно такое же напряжение наводится и во внутреннем, и во внешнем (экране) проводниках. Так E_B1 = E_B2.

Причина в том, что магнитный поток, пронизывающий экранный проводник, по определению также пронизывает внутренний проводник.

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

Пока ничего не нарушает баланс двух наведенных напряжений, компенсация очень точна и экранированный кабель дает отличную защиту от меняющихся магнитных полей.

Обратите внимание: на рис. 2 ни источник, ни нагрузка не подключены к какой-либо другой цепи, т.е. они гальванически изолированы. В этом случае никакой ток не может течь в экране и нет ничего, что могло бы вызвать ошибку между E_B1 и E_B2.

На практике даже с гальванической изоляцией есть рассеянная емкость, поэтому некоторый ток может течь на более высоких частотах. Однако любой ток, текущий в экране, вызывает изменение магнитного потока, которое также пронизывает сигнальный проводник. Механизм компенсации всё равно работает.

Низкочастотный ток экрана

На рис. 2 показано, что напряжение, наведенное внешним магнитным полем, идентично во внутреннем и внешнем проводниках. Другой источник напряжения, который не наводится одинаково — простое резистивное падение напряжения. Рис. 3 иллюстрирует ситуацию, где оба конца имеют соединения со своим локальным шасси или заземлением, и разностное напряжение заземления E_D вызывает ток I_D в экране. Разностное напряжение может быть вызвано различными эффектами в полной системе — по сути, это сумма различных шумовых напряжений, собранных экраном кабеля, действующим как приемная антенна для электромагнитных волн всех видов, а также падения напряжений от циркулирующих паразитных токов, например, на частоте сети.

Существует также специфический источник разностного напряжения заземления в системах приводов с энкодером вала двигателя. Несмотря на использование экранированного моторного кабеля, корпус двигателя может иметь значительное шумовое напряжение относительно заземления из-за быстрых ШИМ-импульсов в обмотке двигателя и моторном кабеле. Если энкодер имеет металлический корпус, жестко закрепленный на корпусе двигателя, то трудно избежать разностного напряжения заземления в экране кабеля энкодера.

Рисунок 3: Эффект тока экрана

Ток I_D вызывает падение напряжения в экране с двумя компонентами:

• Индуктивная составляющая I·jωL, где L — индуктивность экрана кабеля
• Резистивная составляющая I·R, где R — активное сопротивление экрана кабеля

Индуктивная составляющая вызвана магнитным полем от тока. Магнитное поле также пронизывает внутренний проводник, поэтому оно вносит равный вклад в E_B1 и E_B2 и не нарушает принятый сигнал.[1]

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

Обратите внимание: тогда как электрическое поле вызывает наведенный ток, так что эффект пропорционален импедансу цепи, здесь наводится напряжение. Уменьшение импеданса источника сигнала не уменьшает ошибку. Когда магнитная индукция — главный источник помех, лучшая техника — использовать токовый сигнал, и именно поэтому широко используется метод источника тока 4–20 мА в системах процессного управления с очень длинными сигнальными кабельными линиями.

На высоких частотах, где индуктивность кабеля доминирует в его импедансе, IR относительно мало. Также из-за кожного эффекта эффективное сопротивление меньше на высокой частоте, так как ток течет преимущественно по внешней поверхности экрана, а не внутренней. Итог: на низких частотах экран кабеля становится менее эффективным. Это можно измерить как граничную частоту экрана, ниже которой он неэффективен. Она обычно в диапазоне 1–10 кГц для распространенных кабелей [см. стр. 62 справочника, например].

Рис. 3 также подчеркивает эффект «пигтейлов» — кусков провода, используемых для заземляющих соединений экрана. Видно, что ток I_D течет в пигтейлах, и любое падение напряжения там в индуктивности пигтейла появляется последовательно с сигналом. Суть в том, что это индуктивное падение напряжения не появляется в обоих проводниках, поэтому оно не компенсируется экранированным кабелем. Пигтейл вреден для экранирующей способности кабеля на высоких частотах.

Типы экрана кабеля

Традиционный экран кабеля — оплетка тонких медных проводов с покрытием, близким к 100% (минимальные «окна» в оплетке). Некоторые кабели данных используют металлическую фольгу или металлизированную пластиковую фольгу, либо отдельно, либо с оплеткой.

Чтобы быть эффективным в широком диапазоне частот, экран должен иметь максимальное покрытие, низкое сопротивление и хорошую продольную непрерывность между оплетками, чтобы ток мог течь по внешней поверхности с минимальным падением напряжения и минимальным смешением с током на внутренней поверхности. Фольга в одиночку имеет довольно высокое сопротивление и неэффективна, но в сочетании с оплеткой может помочь в разделении внутренней и внешней проводящих поверхностей.

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

[1] Нужно подумать, чтобы понять это правильно. Весь магнитный поток, вызванный током экрана, должен пронизывать внутренний проводник. Не весь магнитный поток, вызванный током внутреннего проводника, должен пронизывать экран.