Abgeschirmte Kabel für Signalschaltkreise (Teil 2)

Teil 1 befasste sich mit den Prinzipien, wie geschirmte Kabel funktionieren, um Störungen durch elektrische und magnetische Felder zu vermeiden. Wir sehen uns nun einige praktischere Details an.

So schließen Sie geschirmte Kabel an

Grundlagen

Wie in Teil 1 beschrieben, muss das Screening über einen sehr weiten Bereich von Bedrohungsfrequenzen wirksam sein. Damit geschirmte Kabel bei hohen Frequenzen wirksam sind, muss der Schirm sowohl auf der Sende- als auch auf der Empfangsseite direkt mit dem Bezugspol („0 V“ usw.) verbunden werden.

Die Verwendung eines Pigtails zum Anschluss des Schirms verringert die Schirmungseffektivität, indem zugelassen wird, dass Rauschstrom im Schirm eine Rauschspannung in den Signalkreis einspeist. Für eine wirklich galvanisch getrennte Schaltung kann dies unwichtig sein, da die Isolierung den Rauschstrom minimiert, der im Pigtail zirkuliert und fließt. Im Allgemeinen sollten Pigtails jedoch auf ein Minimum beschränkt werden. Bei Breitband-Datenschaltungen müssen Pigtails vermieden werden, was erreicht werden kann, indem der Kabelschirm direkt an das Gehäuse oder den Referenz- oder Erdungspunkt geklemmt wird.

Warum würden Sie nicht beide Enden des Bildschirms anschließen?

Es sind Richtlinien im Umlauf, die empfehlen, den Kabelschirm nur einseitig anzuschließen. Aus dem Obigen sollte klar sein, dass dies den Hochfrequenz-Screening-Vorteil des Screens zunichte macht. In der Vergangenheit wurden diese Richtlinien auf einige Arten von einfachen elektrischen Steuerkreisen angewendet, die von Natur aus immun gegen Hochfrequenzstörungen sind, um Masseschleifen zu vermeiden – siehe unten. Es kann auch verhindern, dass Fehlerströme des Stromversorgungssystems in Kabelschirmen zirkulieren, aber dies sollte ordnungsgemäß erreicht werden, indem ein angemessener Potenzialausgleich im Stromversorgungssystem sichergestellt wird.

In Stromverteilungssystemen gibt es bestimmte Anwendungen, bei denen die Abschirmungen von Stromkabeln nicht an beiden Enden angeschlossen werden dürfen, um potenzielle Berührungsgefahren bei Fehlern oder Blitzeinwirkung zu vermeiden; wie in TT-Verteilsystemen. Dies gilt nicht für die Motorkabel von Frequenzumrichtern.

Immer wenn Signalkabel außerhalb von Gebäuden und außerhalb eines Potentialausgleichsbereichs verlaufen, muss die Sicherheit bei elektrischen Fehlern und Blitzeinschlägen berücksichtigt werden, wenn potenziell gefährliche Erdpotentiale vorhanden sein können.

Einseitige analoge Schaltungen

Abbildung 4:Anschluss einer einfachen Single-Ended-Analogschnittstelle

Die einfachste Art einer analogen Schnittstelle ist in Abbildung 4 dargestellt. Diese ist für viele allgemeine Anwendungen ausreichend. Aus der vorangehenden Erklärung werden Sie sehen, dass diese Anordnung einige Schwächen hat, die akzeptabel sein können, wenn eine Steuerung mit hoher Präzision und großer Bandbreite nicht erforderlich ist.

Die gestrichelten Linien in der Steuerung und im Antrieb zeigen an, dass die 0-V-Anschlüsse der Steuerung und des Antriebs normalerweise mit Masse verbunden sind, entweder direkt und absichtlich oder weil bei einigen Geräten im System 0 V und Masse intern verbunden sind. In diesem Fall besteht die Gefahr von Störungen durch folgende Quellen:

• Hochfrequenter Rauschstrom verursacht einen Rauschspannungsabfall in der Induktivität der in das analoge Signal einzukoppelnden Pigtail-Verbindungen. Dies kann zu Fehlern führen, wenn die analogen Schaltungen anfällig sind. Sie kann minimiert werden, indem die Pigtails so kurz wie möglich gehalten werden, um ihre Induktivität zu minimieren. Durch die Verwendung von Erdungsklemmen direkt am Kabelschirm an beiden Enden und dessen Befestigung am Gehäuse kann dies vollständig beseitigt werden. Dies ist in Abbildung 4 blau dargestellt.
• Niederfrequenter Rauschstrom verursacht einen Rauschspannungsabfall im Kabelschirmwiderstand (und auch in den Pigtails, aber das Kabel hat normalerweise den höheren Widerstand). Wenn die Frequenz dieses Rauschens innerhalb der Bandbreite der analogen Schaltung liegt, wird es gestört – zum Beispiel verursacht eine Anregung mit 50/60 Hz eine Schwingung in einem Servoantrieb mit 50/60 Hz. Dies ist das „Erdschleifenproblem“ und ist schwieriger zu beheben. Mögliche Lösungen sind:
• Verbinden Sie die 0-V- oder Masseanschlüsse an beiden Enden mit einem niederohmigen Erdungskabel, um den Spannungsabfall zu reduzieren.
• Verwenden Sie einen symmetrischen (differentiellen) analogen Signalschaltkreis (siehe unten). Dies ist die beste Methode.
• Machen Sie entweder den analogen Ausgangs- oder Eingangskreis galvanisch getrennt, um Strom im Schirm zu vermeiden.

Symmetrische Analogschaltungen

Analoge Präzisionsschaltkreise bieten oft differenzielle Eingänge und manchmal differenzielle Ausgänge. Sie werden üblicherweise für Präzisionssteuerungen wie Servoantriebe und auch für Sin/Cos-Drehgeber bereitgestellt. Bei richtiger Anwendung bieten diese eine hervorragende Unterdrückung von niederfrequenten Störungen. In Verbindung mit einem geschirmten Kabel kann damit eine Störfestigkeit über das gesamte Störspektrum erreicht werden. Abbildung 5 zeigt, wie ein differenzieller Analogeingang verwendet wird. Beachten Sie, dass die Signaladern normalerweise ein verdrilltes Paar sind, was die Störfestigkeit weiter verbessert, indem die Route der beiden Leiter so gut ausbalanciert wie möglich gemacht wird.

Abbildung 5:Anschluss des differenziellen Analogeingangs

In diesem Fall haben wir einen Single-Ended-Controller-Ausgang und einen Differenzeingang. Durch die Verwendung von zwei Adern im abgeschirmten Kabel können wir den invertierenden Eingang direkt mit dem Bezugspol des Analogausgangs des Reglers verbinden. Jede im Kabelschirm induzierte niederfrequente Spannung wird daher vom Eingang zurückgewiesen, während der Schirm immer noch seine hervorragende Hochfrequenzunterdrückung bietet. Der Differenzeingang kann die Gleichtaktspannung bei hohen Frequenzen jenseits seiner Bandbreite nicht unterdrücken, wo die Kabelabschirmung am besten funktioniert. Die Kombination der beiden Techniken ergibt eine Rauschunterdrückung über das gesamte Spektrum.

Erdungsklemmen wie in Abbildung 4 können ebenfalls verwendet werden, um die durch die Pigtails verursachte hochfrequente Rauschkopplung zu vermeiden.

Wenn der Controller auch einen differentiellen Ausgang bietet, kann der AI-Kern an der AO-Klemme statt an 0 V am Controller angeschlossen werden. Ein Sonderfall liegt vor, wenn der Controller einen „virtuellen Erdungs“-Ausgang bietet, wobei der AO-Anschluss kein Ausgang, sondern ein Sense-Eingang ist. In diesem Fall muss die AO-Leitung an beiden Enden auf 0 V gelegt werden, sie darf nicht „schwimmen“.

Digitale Schaltungen

Digitale Schaltungen sind nicht anfällig für Störungen durch niedrige Frequenzfehler, die durch Masseschleifen verursacht werden. Hochfrequente Interferenzen in einer Datenverbindung können Bitfehler verursachen, die normalerweise erkannt und zurückgewiesen werden, aber wenn sie zu oft auftreten, kann der Kanal geschlossen werden oder eine unzureichende Leistung erbringen. Drehgeberschaltungen für Geschwindigkeits-/Positionsrückmeldung neigen besonders dazu, in Gegenwart von hochfrequentem Rauschen Geräusche und Vibrationen zu verursachen. In beiden Fällen ist eine korrekte Handhabung des Kabelschirms unerlässlich.

Datenverbindungen verwenden häufig eine hohe Bitrate. Bei Raten über etwa 1 Mb/s muss das Kabel in seinem Wellenwiderstand korrekt abgeschlossen werden, um Datenfehler durch Reflexionen zu vermeiden. Um die Anpassung aufrechtzuerhalten, können nur kurze Längen freiliegender Kabeladern toleriert werden.

Die am weitesten verbreitete digitale Schnittstelle für grundlegende lokale Datenübertragung basiert auf den Standards RS422 und RS485, die über differenzielle Sender und Empfänger verfügen. Der Kabeltyp ist nicht direkt spezifiziert und kann im Prinzip ungeschirmt sein, vorausgesetzt, es hat die richtige charakteristische Impedanz, aber normalerweise wird ein geschirmtes Kabel bevorzugt.

Durch die Verwendung einer symmetrischen Schaltung wird eingekoppeltes Rauschen weitgehend unterdrückt, da es im Gleichtakt ist, d. h. beide Leitungen gleichermaßen beeinflusst und daher nicht als Signal erscheint. Sender und Empfänger sind jedoch in ihrem Gleichtaktbereich begrenzt, so dass Fehler auftreten, wenn die Rauschspannung zu hoch ist oder sich zu schnell ändert, sowie wenn durch Asymmetrie das Gleichtaktrauschen in den Serienmodus eingekoppelt wird. Die in den meisten Ports verwendeten Standard-Leitungstreiberchips haben einen Gleichtaktbereich von etwa 5 V und geben große Fehler, wenn dieser überschritten wird. Dies kann durch die Verwendung galvanisch getrennter Ports erhöht werden, dies ist jedoch kostspielig.

Abbildung 6 zeigt, wie eine grundlegende RS485-Port-Verbindung eingerichtet wird.

Abbildung 6:Einfache RS485-Datenverbindung (nur 2 Knoten gezeigt)

Bei Geräten von Control Techniques ist der Referenzanschluss in Abbildung 6 als „0 V“ dargestellt. Bei anderen Geräten kann er auch als „G“ oder „GND“ für Masse, „SC“ für Schirm oder „Referenz“ bezeichnet werden. Manchmal bleibt es unverbunden oder wird sogar nicht bereitgestellt. Dies kann für kurze Verbindungen erfolgreich sein oder wenn die Ports eine gut konzipierte galvanische Trennung aufweisen. Im Allgemeinen ist es weitaus besser, 0 V an den Kabelschirm anzuschließen.

RS485 ermöglicht eine Multidrop-Verbindung mehrerer Ports. Der Effekt der geringfügigen Impedanzfehlanpassung an jedem Port sowie des injizierten Rauschens von jedem Pigtail macht die Anordnung mit zunehmender Anzahl von Ports zunehmend empfindlich gegenüber Störungen. Vollständige Kommunikationsprotokolle mit hohen Datenraten, wie z. B. Profibus, verwenden definierte Hardware, die in diesem Fall ein direktes Klemmen der Kabelschirme in den Steckverbindern erfordert, um Pigtails zu vermeiden, und das richtige Abschlussimpedanznetzwerk, das nur an den Endknoten angeschlossen werden muss.

Klemmen und Anschlüsse

Viele Industriesteckverbinder sind ohne geeignete Vorkehrungen für das Management von Kabelschirmen konzipiert, da sie nicht für den Einsatz bei Hochfrequenz vorgesehen sind. Für allgemeine Anwendungen ist es normalerweise akzeptabel, den Schirm durch ein kurzes Pigtail mit einem Steckerstift zu verbinden. Es ist jedoch bei weitem vorzuziehen, die Schirmverbindung durch den leitenden Körper des Verbinders zu führen, so dass sie weiterhin die Signalleiter umgibt, wie es bei einem Hochfrequenzverbinder immer der Fall ist. Wenn ein Signalstromkreis durch mehrere Anschlüsse verläuft, jeder mit seinem Pigtail-Paar, summiert sich das injizierte Rauschen an jedem Anschluss.

Eine Möglichkeit, Schirmverbindungen zu handhaben, besteht darin, die Schirme aneinander oder an ein gemeinsames Metallteil zu klemmen. Hardware hierfür ist von Anbietern von Schraubklemmenblöcken erhältlich. Die Idee ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7:Anschließen von Schirmen an einer Klemmleiste oder einem Stecker

Der Zweck der Klemme besteht darin, Pigtail-Schirmverbindungen zu vermeiden und damit die Einspeisung von Rauschspannung zu vermeiden, die an den Pigtails auftreten würde. Es verbindet die Schirme mit einem Minimum an Streuinduktivität. Der kleine Bereich des freigelegten ungeschirmten Leiters an den Klemmen ist hier viel weniger wichtig als die Pigtails. Der Grund dafür ist, dass die ungeschirmten Leiter nur in unmittelbarer Nähe der Klemmen elektromagnetischen Feldern ausgesetzt sind, während die Pigtails Störströme führen würden, die sich entlang des gesamten Verlaufs des geschirmten Kabels gesammelt haben.

Üblicherweise werden die Klemmen an geerdeten Metallteilen befestigt, dies jedoch hauptsächlich aus Sicherheitsgründen. Der EMV-Vorteil liegt in der sehr niederinduktiven Verbindung zwischen den beiden Kabelschirmen.

Ethernet

Ethernet ist eine Ausnahme von all dem oben Genannten. Modernes Ethernet benötigt kein abgeschirmtes Kabel, sondern stützt sich auf ein sehr gut symmetrisches, ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel in Verbindung mit einer galvanisch isolierenden symmetrischen Transformatorkopplung, um eine hervorragende Gleichtakt-Störfestigkeit zu gewährleisten. Außerdem wird keine Multi-Drop-Struktur verwendet, sodass die Tendenz zur Akkumulation von Rauschstrom an mehreren Knoten ebenfalls vermieden wird.

Erdschleifen

Nachdem wir uns den Widerstandseffekt in Abbildung 3 angesehen haben, können wir gut verstehen, warum in einigen Anwendungen empfohlen wird, den Kabelschirm nicht an beiden Enden anzuschließen. Die Fehlerspannung IR würde nicht erscheinen, wenn der Schirm nur an einem Ende angeschlossen wäre, da kein Strom im Schirm fließen könnte. Dieser Hinweis könnte gegeben werden, um „Erdschleifen zu vermeiden“. Das Kabel hat jedoch alle seine Magnetfeld-Abschirmfähigkeiten verloren, was bedeutet, dass es seine Hochfrequenz-Abschirmfähigkeiten hat. Dieser Ratschlag ist nur in einer ganz bestimmten Situation richtig, wenn all dies zutrifft:

• Erddifferenzspannungen bei niedrigen Frequenzen (z. B. Netz) oder magnetische Streufelder bei Netzfrequenz vorhanden sind.
• Die Schaltung verwendet analoge Signale, die empfindlich auf kleine Störungen bei Netzfrequenz reagieren.
• Die Abschirmung ist nur zum Schutz gegen elektrische Feldkopplung bei niedrigen Frequenzen erforderlich.

Der häufigste Fall dafür ist in analogen Audiosystemen, wo selbst eine kleine Netzaufnahme ein irritierendes „Brummen“ verursacht. Es kann auch in Servocontrollern mit analogen Schnittstellen zutreffen, aber dort ist es besser, eine differenzielle Schnittstelle wie oben beschrieben zu verwenden.

Doppelt abgeschirmtes Kabel

Doppelt abgeschirmte Kabel werden manchmal empfohlen, insbesondere bei Drehgeberschnittstellen, bei denen typischerweise drei symmetrische Paare von Datenadern vorhanden sind, die paarweise abgeschirmt sind, möglicherweise einige Leistungsadern und eine Gesamtabschirmung.

Im Prinzip wird für jedes Datenpaar nur ein Bildschirm benötigt, und zwar entweder der Gesamtbildschirm oder die Einzelbildschirme. Die Vorteile eines doppelt abgeschirmten Kabels sind jedoch:

• Die äußere Abschirmung kann am Motor- und Encodergehäuse befestigt werden, was zu einem hohen Rauschstrom in der Abschirmung führt, der am Antrieb zur Erde zurückgeführt werden kann, ohne in die 0-V-Klemmen des Encoder-Schnittstellenschaltkreises einzudringen
• Die 0-V-Klemmen können von der Erde isoliert gehalten werden – wenn dies vom Systemdesign gefordert wird – und dennoch einen gesamten Hochfrequenzschirm bereitstellen, der mit der Erde verbunden ist.
• Erdschleifenstrom kann allein auf den äußeren Schirm beschränkt werden.
• Die Impedanz der einzelnen Paare ist aufgrund ihrer individuellen Abschirmung gut kontrollierbar

Abbildung 8 zeigt, wie dies angeschlossen werden würde (zwei Kanäle zur Verdeutlichung).

Abbildung 8:Anschluss des doppelt geschirmten Geberkabels

Referenz

Henry W Ott:Elektromagnetische Verträglichkeitstechnik:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

Ein weiteres empfehlenswertes Buch

Tim Williams und Keith Armstrong:EMV für Systeme und Installationen:Newnes:ISBN 9780750641678