Экранированные кабели для сигнальных цепей (Часть 2)

Официальный поставщик продукции Leroy-Somer

В части 1 рассматривались принципы работы экранированных кабелей, позволяющие избежать помех от электрических и магнитных полей. Теперь мы рассмотрим еще некоторые практические детали.

Как описано в части 1, нам нужно, чтобы проверка была эффективной в очень широком диапазоне частот угроз. Чтобы экранированные кабели были эффективными на высоких частотах, важно, чтобы экран был подключен непосредственно к опорному полюсу (“0 В” и т.д.) как на передающем, так и на принимающем концах.

Использование косички для подключения экрана снижает эффективность экранирования, позволяя току шума в экране вводить напряжение шума в сигнальную цепь. Для действительно гальванически изолированной цепи это может быть несущественно, поскольку изоляция сводит к минимуму шумовой ток, который циркулирует и протекает в косичке. Однако, как правило, косички следует свести к минимуму. Для широкополосных цепей передачи данных следует избегать косичек, чего можно достичь, прикрепив экран кабеля непосредственно к корпусу или опорной точке или точке заземления.

В обращении имеются рекомендации, в которых рекомендуется подключать кабельный экран только с одного конца. Из вышесказанного должно быть ясно, что это сводит на нет преимущества высокочастотного экранирования экрана. 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 повреждения энергосистемы в кабельных экранах, но это должно быть надлежащим образом достигнуто путем обеспечения адекватного эквипотенциального соединения в энергосистеме.

В системах распределения электроэнергии существуют определенные области применения, где экраны силовых кабелей не должны подключаться с обоих концов, чтобы избежать потенциальной опасности прикосновения во время сбоев или молниеотвода; как в системах распределения электроэнергии TT. Это не относится к кабелям двигателя приводов с регулируемой скоростью.

Всякий раз, когда сигнальные кабели проходят за пределами зданий и за пределами зоны эквипотенциального соединения, необходимо учитывать безопасность во время электрических неисправностей и ударов молнии, когда могут существовать потенциально опасные перепады потенциалов заземления.

Самый простой вид аналогового интерфейса показан на рисунке 4. Этого достаточно для многих общих применений. Из приведенного выше объяснения вы увидите, что эта схема имеет некоторые недостатки, которые могут быть приемлемы там, где не требуется управление с высокой точностью и широкой полосой пропускания.

Пунктирные линии в контроллере и приводе указывают на то, что соединения 0V контроллера и привода обычно подключены к земле, либо напрямую и намеренно, либо потому, что у некоторого оборудования в системе 0V и земля подключены внутренне. В этом случае существует риск возникновения помех из следующих источников:

Прецизионные аналоговые схемы часто обеспечивают дифференциальные входы, а иногда и дифференциальные выходы. Они обычно используются для прецизионных контроллеров, таких как сервоприводы, а также для датчиков положения вала sin/cos. При правильном использовании они обеспечивают превосходное подавление низкочастотных помех. В сочетании с экранированным кабелем это позволяет обеспечить помехозащищенность по всему спектру шумов. На рисунке 5 показано, как использовать дифференциальный аналоговый вход. Обратите внимание, что сигнальные жилы обычно представляют собой витую пару, что дополнительно повышает помехозащищенность, делая маршрут двух проводников максимально сбалансированным.

В этом случае у нас есть одноконтурный 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 на экране кабеля, отклоняется входом, в то время как экран по-прежнему обеспечивает превосходное высокочастотное отклонение. Дифференциальный вход не может отклонять синфазное напряжение на высоких частотах, выходящих за пределы его полосы пропускания, где кабельный экран работает лучше всего. Эти два метода в сочетании обеспечивают подавление шума по всему спектру.

Зажимы заземления, как показано на рисунке 4, также можно использовать, чтобы избежать высокочастотной помеховой связи, вызванной косичками.

Если контроллер также предлагает дифференциальный выход, то AI-core может быть подключен к AO-терминалу, а не к 0V на контроллере. Особый случай — это когда контроллер предлагает выход “виртуальной земли”, где AO-терминал является не выходом, а сенсорным входом. В этом случае AO-линия должна быть подключена к 0V либо на одном конце, либо на другом, нельзя допускать, чтобы она “плавала”.

Цифровые схемы не подвержены помехам, вызванным низкоуровневыми низкочастотными ошибками, вызванными контурами заземления. Высокочастотные помехи в канале передачи данных могут вызывать битовые ошибки, которые обычно обнаруживаются и отклоняются, но если они возникают слишком часто, канал может закрыться или обеспечить недостаточную производительность. Схемы датчика вала для обратной связи по скорости / положению особенно склонны вызывать шум и вибрацию в присутствии высокочастотных помех. В обоих случаях важно правильное управление кабельным экраном.

Каналы передачи данных часто используют высокую скорость передачи данных. Для скоростей выше примерно 1 Мбит /с кабель должен быть правильно подключен по своему характеристическому сопротивлению, чтобы избежать ошибок в данных из-за отражений. Для обеспечения соответствия допустимы только короткие длины открытых кабельных 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 напрямую не указан, и в принципе он может быть неэкранированным при условии, что он имеет правильное характеристическое сопротивление, но обычно предпочтителен экранированный кабель.

Использование сбалансированной схемы означает, что вводимый

шум в значительной степени отбрасывается, поскольку он находится в общем режиме, т.е. он одинаково влияет на обе линии и, следовательно, не отображается как сигнал. Однако передатчики и приемники имеют ограничения по их синфазному диапазону, поэтому ошибки возникают, если напряжение шума слишком велико или слишком быстро меняется, а также если асимметрия приводит к тому, что синфазный шум включается в последовательный режим. Стандартные микросхемы линейных драйверов, используемые в большинстве портов, имеют синфазный диапазон около 5 В и выдают серьезные ошибки при превышении этого значения. Это можно увеличить, используя порты с гальванической развязкой, но это дорого.

В оборудовании Control Techniques опорный терминал показан как “0V” на рисунке 6. В другом оборудовании он может по-разному называться “G” или “GND” для заземления, “SC” для экрана или “reference”. Иногда он остается неподключенным или даже не предоставляется. Это может быть успешным для коротких линий связи или там, где порты имеют хорошо продуманную гальваническую развязку. Как правило, гораздо предпочтительнее подключать 0V к экрану кабеля.

RS485 позволяет осуществлять многопоточное подключение нескольких портов. Эффект незначительного несоответствия импеданса в каждом порту, а также вносимый шум от каждого косички делает устройство все более чувствительным к помехам по мере увеличения количества портов. Полные протоколы связи, использующие высокие скорости передачи данных, такие как Profibus, используют определенное оборудование, которое в этом случае требует прямого зажима кабельных экранов в разъемах, чтобы избежать косичек, и подключения сети с правильным окончательным сопротивлением только на конечных узлах.

Многие промышленные разъемы спроектированы без надлежащего обеспечения управления кабельными экранами, поскольку они не были предназначены для использования на высокой частоте. Для общего применения обычно допустимо подсоединять экран через короткую косичку к контакту разъема. Однако гораздо предпочтительнее пропускать экранное соединение через проводящий корпус разъема так, чтобы оно продолжало окружать сигнальные проводники, как это всегда бывает в случае радиочастотного разъема. Если сигнальная цепь проходит через несколько разъемов, каждый со своей парой косичек, вводимый шум в каждом разъеме накапливается.

Одним из способов управления соединениями экранов является зажим экранов вместе или к общей металлической детали. Оборудование для этого можно приобрести у поставщиков винтовых клеммных колодок. Идея проиллюстрирована на рисунке 7.

Назначение зажима состоит в том, чтобы избежать подключения косичкового экрана и, следовательно, избежать подачи шумового напряжения, которое могло бы появиться на косичках. Он соединяет экраны с минимальной паразитной индуктивностью. Небольшая площадь открытого неэкранированного провода на клеммах здесь гораздо менее важна, чем косички. Причина в том, что неэкранированные проводники подвергаются воздействию электромагнитных полей только в непосредственной близости от клемм, в то время как косички будут пропускать шумовой ток, который был собран по всему отрезку экранированного кабеля.

Обычно зажимы крепятся к заземленным металлическим деталям, но это в первую очередь из соображений безопасности. Преимуществом электромагнитной совместимости является очень низкая индуктивность соединения между двумя кабельными экранами.

Ethernet является исключением из всего вышеперечисленного. Современный Ethernet не нуждается в экранированном кабеле, но полагается на очень хорошо сбалансированный неэкранированный кабель витой пары в сочетании с гальванически изолирующей симметричной трансформаторной муфтой для обеспечения превосходной синфазной помехозащищенности. Кроме того, в нем не используется структура с несколькими каплями, поэтому также исключается тенденция к накоплению шумового тока в нескольких узлах.

Рассмотрев эффект сопротивления на рисунке 3, мы можем понять, почему в некоторых приложениях рекомендуется не подключать экран кабеля с обоих концов. ИК-индикатор напряжения ошибки не отображался бы, если бы экран был подключен только с одного конца, поскольку на экране мог отсутствовать ток. Этот совет может быть дан для того, чтобы “избежать контуров заземления”. Однако кабель потеряет все свои возможности экранирования магнитным полем, что означает его возможности высокочастотного экранирования. Этот совет верен только в очень конкретной ситуации, когда применимы все вышеперечисленные:

Наиболее распространенный случай этого — в аналоговых аудиосистемах, где даже небольшой уровень сигнала от сети вызывает раздражающий “гул”. Это также может применяться в сервоконтроллерах с аналоговыми интерфейсами, но там лучше использовать дифференциальный интерфейс, как описано выше.

Иногда рекомендуется использовать кабель с двойным экраном, особенно с интерфейсами датчика вала, где обычно

три сбалансированные пары ядер данных, которые экранируются как пары, возможно, несколько ядер 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 заключаются в:

Генри У. Отт: Инженерия электромагнитной совместимости: Уайли: ISBN 978-0-470-18930-6

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