Экранированные кабели для сигнальных цепей (Часть 1)

Официальный поставщик продукции Leroy-Somer

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 более позднем блоге будет рассмотрен экранированный кабель питания, рекомендуемый для подключения VSD 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 заключается в том, что экран кабеля двигателя предназначен для защиты внешних цепей, в то время как экран сигнального кабеля предназначен для защиты цепи внутри него от помех, создаваемых электрическим шумом снаружи.

Экранированные кабели являются обычным явлением в электронных системах и обычно воспринимаются как нечто само собой разумеющееся. Однако они не так просты, как кажутся, и часто используются неправильно и неправильно понимаются. К счастью, современные электронные схемы, как правило, обладают хорошей устойчивостью к электрическим помехам, поэтому системы обычно работают, несмотря на плохую практику управления кабелями. Однако при использовании приводов с регулируемой скоростью становится гораздо важнее использовать правильную практику, поскольку инвертор генерирует довольно высокий уровень электромагнитного шума, который может вызвать помехи в соответствующих цепях управления, если они не расположены должным образом.

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

Существуют различные правила, разработанные для управления экранированными кабелями, которые возникли по уважительной причине, но они могут быть противоречивыми и сбивающими с толку. Вот несколько распространенных вопросов, на которые я надеюсь ответить:

В следующем объяснении:

Заземление — это защитное заземление или земля (PE) в системе, подключенной к сети, которая в конечном итоге подключается к защитной соединительной сети здания и к физическому заземлению (earth) внизу. Когда сигнальные цепи подключены к земле, а подключение не производится по соображениям безопасности, это может называться функциональным заземлением, в отличие от защитного заземления.

Обратный сигнал или общее или опорное соединение в системе упоминается здесь как “опорный полюс”. В оборудовании Control Techniques это называется подключением “0 В”. Это часто подключается к земле, но в этом нет необходимости. Некоторые сбалансированные схемы передачи данных могут не иметь опорного полюса.

В электрической панели основная масса металлической конструкции называется “шасси”. Обычно он подключается к земле по соображениям безопасности, но из соображений электрического шума более важно, чтобы он имел широкую проводящую поверхность, вокруг которой вряд ли будут разные электрические потенциалы.

В сбалансированной или двухтактной сигнальной схеме сигнальные линии обозначаются как A+ и A-. В зависимости от конструкции, может быть или не быть соответствующее подключение 0 В или шасси.

“Высокая частота” в широком смысле означает частоту в диапазоне радиосвязи, значительно превышающую частоту отключения 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.

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 близлежащие цепи. Как правило, эффекты, как правило, наихудшие для частот в радиодиапазоне, поскольку быстрое изменение напряжения и тока усиливает нежелательную связь. Сигнальные схемы могут быть чувствительны к высокочастотным помехам либо потому, что они сами используют высокие частоты (например, последовательные цифровые каналы передачи данных, данные кодера), либо потому, что они обладают непреднамеренной чувствительностью к высоким частотам, значительно превышающим их предполагаемую полосу пропускания (например, аналоговые входы). Хорошо спроектированная сигнальная схема будет иметь полосу пропускания, адаптированную к требованиям приложения, так что она не будет излишне чувствительной к быстро меняющимся помехам. Однако высокие уровни помех за пределами предполагаемой полосы частот все еще могут вызывать ошибки из-за нелинейности. Вот почему, например, довольно часто можно услышать помехи в звуковой системе, вызванные мобильным телефоном.

Важной особенностью этого вида шума является то, что он может охватывать чрезвычайно широкий диапазон частот. Помехи могут возникать от сетевых источников частоты 50/60 Гц вплоть до мобильного телефона и других радиочастотных областей с частотой около 2-5 ГГц. Это диапазон в 8 порядков величины, и правила, которые хорошо работают на одних частотах, могут быть неэффективными или даже контрпродуктивными на других. Вот почему правила по электромагнитной совместимости и управлению экранированными кабелями иногда могут казаться противоречивыми – возможно, они были предназначены для угроз в определенных частотных диапазонах.

Обратите внимание, что другим видом электрического шума является генерируемый термически случайный шум, который изначально существует во всех цепях при температурах выше 0 K. Это представляет интерес только для высокочувствительного радиоприемного оборудования и здесь не рассматривается.

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

Назначение экрана состоит в том, чтобы предотвратить попадание внешней электромагнитной энергии в сигнальную цепь от нежелательного сигнала. Электромагнитное поле включает в себя связанные магнитное и электрическое поля вместе. Чтобы помочь в понимании его работы, мы можем сначала отдельно рассмотреть влияние на электрические поля и магнитные поля. Чтобы схема была невосприимчива к электромагнитным помехам, она должна быть невосприимчива как к электрическим, так и к магнитным полям.

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

В отсутствие экрана электрическое поле индуцировало бы ток в сигнальной цепи всякий раз, когда он менялся. Это привело бы к временной ошибке, т.е. шуму, в принимаемом напряжении, на величину, зависящую от импеданса схемы – чем выше импеданс, тем выше ошибка. Обычно источник сконструирован с низким импедансом, чтобы свести к минимуму напряжение ошибки, вызванное попаданием электрического поля.

Рисунок 1: Механизм экранирования электрическим полем

Подключение заземления показано как необязательное на рисунке 1, поскольку в принципе оно не требуется для работы экрана. Важно то, что опорные полюса источника и нагрузки должны быть подключены к экрану таким образом, чтобы напряжение сигнала существовало на внутреннем проводнике относительно экрана.

На практике, в зависимости от конструкции источника и нагрузки, они могут не выдерживать электрических потенциалов на своих опорных полюсах, поэтому обычной практикой является подключение экрана к земле. Обратите внимание, что на рисунке 1 показано только одно соединение с землей, и для простого экранирования электрическим полем не имеет значения, где выполнено соединение. Однако, когда поле E изменяется во времени, ток течет на землю из-за изменения электрического заряда. Как только течет ток, мы должны также учитывать эффекты магнитного поля. С увеличением частоты ток, связанный с электрическим полем, также увеличивается, поэтому схема, показанная на рисунке 1, действительно эффективна только для исключения низкочастотных помех электрического поля, таких как от сети 50/60 Гц.

Экранирующий эффект магнитного поля экранированного кабеля 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 при их изменении. На рисунке 2 показан магнитный поток В, исходящий от внешней токоведущей цепи, соединяющей ту же цепь, что и на рисунке 1.

Рисунок 2: Механизм экранирования магнитным полем

Когда магнитное поле изменяется, оно индуцирует потенциал в проводнике, который пропорционален скорости изменения магнитного потока, связанного проводником, показанного здесь как EB1 для экрана и EB2 для внутреннего проводника.

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

Точно такое же напряжение индуцируется как во внутреннем, так и во внешнем (экранном) проводниках. Итак, EB1 = EB2.

Причина этого заключается в том, что магнитный поток, который связывает проводник экрана, по своей сути также должен связывать внутренний проводник.

Напряжения EB1 и EB2, показанные красным, равны, но противоположны в сигнальной цепи, поэтому они компенсируются в нагрузке.

При условии, что ничто не приводит к дисбалансу двух индуцированных напряжений, подавление происходит очень точно, а экранированный кабель обеспечивает превосходную защиту от изменения магнитных полей.

Обратите внимание, что на рисунке 2 ни источник, ни нагрузка не подключены ни к какой другой цепи, т.е. они гальванически изолированы. В этом случае на экране не может протекать ток, и нет ничего, что могло бы вызвать ошибку между EB1 и EB2.

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

На рисунке 2 показано, что напряжение, индуцируемое внешним магнитным полем, одинаково как во внутреннем, так и во внешнем проводниках. Другим источником напряжения, которое индуцируется неодинаково, является простое резистивное падение напряжения. Рисунок 3 иллюстрирует ситуацию, когда отправляющий и принимающий концы оба подключены к своему локальному шасси или заземлению, и разность напряжений ED заземления вызывает отображение идентификатора тока на экране. Разность напряжений может быть вызвана различными эффектами в системе в целом, по сути, это сумма различных шумовых напряжений, которые собираются экраном кабеля, действующим как приемная антенна для электромагнитных волн всех видов, а также перепадами напряжения, вызванными циркулирующими блуждающими токами, например, на частоте сети..

Существует также особый источник разности напряжений заземления в приводных системах, использующих датчик положения вала двигателя. Несмотря на использование экранированного кабеля двигателя, корпус двигателя может иметь значительное шумовое напряжение относительно земли из-за быстрых ШИМ-импульсов в обмотке двигателя и кабеле двигателя. Если датчик положения вала имеет металлический корпус, прикрепленный непосредственно к корпусу двигателя, то трудно избежать перепада напряжения заземления на экране кабеля датчика.

Рисунок 3: Влияние тока экрана

Идентификатор тока вызывает падение напряжения на экране, состоящее из двух компонентов:

Индуктивная составляющая обусловлена магнитным полем, индуцируемым током. Магнитное поле также связывает внутренний проводник, поэтому оно вносит равный вклад в EB1 и EB2 и не нарушает принимаемый сигнал.[1]

Резистивный компонент не отображается в EB2, поэтому он появляется последовательно с сигналом и вызывает ошибку.

Обратите внимание, что в то время как электрическое поле вызывало бы индуцированный ток, так что эффект был бы пропорционален импедансу цепи, здесь имеется индуцированное напряжение. Уменьшение импеданса источника сигнала не уменьшает погрешность. Когда индукция магнитного поля является основным источником помех, лучшим методом является использование сигнала тока, 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 доминирует над его полным сопротивлением, ИК относительно невелик. Кроме того, из-за скин-эффекта эффективное сопротивление меньше на высокой частоте, поскольку ток протекает в основном снаружи экрана, а не внутри. Результатом этого является то, что на более низких частотах кабельный экран 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 обычно используемых кабелей [см., например, страницу 62 справочника].

На рисунке 3 также показан эффект “косичек”, то есть отрезков провода, используемых для обратного подключения экрана. Вы можете видеть, что ток ID протекает в косичках, и любое падение напряжения в индуктивности косички появляется последовательно с сигналом. Дело здесь в том, что это индуктивное падение напряжения, которое не проявляется в обоих проводниках, поэтому оно не компенсируется экранированным кабелем. Косичка вредна для экранирующей способности кабеля на более высоких частотах.

Традиционный кабельный экран представляет собой оплетку из тонких медных проводов с покрытием, приближающимся к 100% (т.е. минимальные “окна” в оплетке). В некоторых кабелях передачи данных используется металлическая фольга или металлизированная пластиковая фольга, как отдельно, так и 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 проходить снаружи с минимальным падением напряжения и минимальным смешиванием с током внутри. Фольга сама по себе имеет тенденцию обладать довольно высоким сопротивлением и неэффективна, но в сочетании с оплеткой она может помочь в разделении внутренней и внешней проводящих поверхностей.

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

[1] Требуется некоторое размышление, чтобы понять это должным образом. Все магнитное поле, создаваемое током экрана, должно связывать внутренний проводник. Не все магнитное поле, вызванное током внутреннего проводника, должно связывать экран.