Abgeschirmte Kabel für Signalschaltkreise (Teil 1)

Dieser Satz von zwei Blogs befasst sich mit der Verwendung von abgeschirmten (auch als abgeschirmt bezeichneten) Kabeln für Signalschaltkreise. Das Thema wurde in meinem EMC-Blog angesprochen, und ich habe versprochen, es noch einmal ausführlicher zu behandeln.

In einem späteren Blog wird das abgeschirmte Stromkabel erörtert, das für den Anschluss des AC-VSD an seinen Motor empfohlen wird. In beiden Fällen besteht der Zweck des Schirms darin, eine unerwünschte elektromagnetische Kopplung zwischen dem Schaltkreis innerhalb des Schirms und anderen Schaltkreisen außerhalb zu verhindern. Ein wesentlicher Unterschied besteht darin, dass die Abschirmung des Motorkabels dazu dient, externe Schaltkreise zu schützen, während die Abschirmung des Signalkabels den Schaltkreis darin vor Störungen durch elektrisches Rauschen außerhalb schützt.

Abgeschirmte Kabel sind in elektronischen Systemen alltäglich und werden im Allgemeinen als selbstverständlich angesehen. Sie sind jedoch nicht so einfach, wie sie scheinen, und werden häufig missbraucht und missverstanden. Glücklicherweise haben moderne elektronische Schaltungen im Allgemeinen eine gute Immunität gegenüber elektrischem Rauschen, sodass Systeme normalerweise trotz schlechter Kabelführung funktionieren. Bei der Verwendung von drehzahlgeregelten Antrieben wird es jedoch wichtiger, die richtige Vorgehensweise anzuwenden, da der Umrichter ziemlich hohe elektromagnetische Störpegel erzeugt, die die zugehörigen Steuerkreise stören können, wenn sie nicht richtig angeordnet sind.

Teil 1 befasst sich mit allgemeinen Prinzipien abgeschirmter Signalkabel und Teil 2 mit einigen spezifischeren praktischen Details.

Einige häufig gestellte Fragen

Es gibt verschiedene Regeln für die Handhabung abgeschirmter Kabel, die aus gutem Grund entstanden sind, aber sie können widersprüchlich und verwirrend sein. Hier sind einige häufig gestellte Fragen, die ich hoffentlich beantworten kann:

1. Muss ich beide Enden des Bildschirms anschließen?
2. Muss ich nicht Verbinden Sie beide Enden des Bildschirms??
3. Muss der Schirm geerdet werden?
4. Muss ich mir Gedanken über Erdschleifen machen?
5. Wie lang darf der geerdete Pigtail sein?
6. Wie stelle ich eine Verbindung über eine Klemmleiste her?
7. Wie schließe ich eine symmetrische (differentielle) analoge Schaltung an?
8. Was ist mit Ethernet? Können ungeschirmte Kabel funktionieren?

Ein paar kritische Begriffe

In der folgenden Erklärung:

Der Boden ist die Schutzerde oder Erde (PE) in einem netzgekoppelten System, die letztendlich mit dem Schutzleiternetzwerk des Gebäudes und mit der darunter liegenden physikalischen Erde (Erde) verbunden ist. Wenn Signalstromkreise mit Erde verbunden sind und die Verbindung nicht aus Sicherheitsgründen hergestellt wird, kann dies im Unterschied zur Sicherheitserde als Funktionserde bezeichnet werden.

Als „Referenzpol wird hier die Signalrückführung bzw. gemeinsame oder Bezugsverbindung in einem System bezeichnet “. Bei Geräten von Control Techniques wird dies als „0 V“-Verbindung bezeichnet. Dieser ist oft mit Masse verbunden, muss es aber nicht. Einige symmetrische Datenschaltkreise haben möglicherweise keinen Bezugspol.

In einem Schaltschrank wird die Hauptmasse der Metallkonstruktion als „Chassis“ bezeichnet “. Dieser ist aus Sicherheitsgründen normalerweise mit Masse verbunden, aber aus Gründen des elektrischen Rauschens ist es wichtiger, dass er eine weit verbreitete leitende Oberfläche umfasst, die wahrscheinlich keine unterschiedlichen elektrischen Potentiale um sich herum aufweist.

In einer symmetrischen oder Gegentakt-Signalschaltung werden die Signalleitungen als A+ und A- bezeichnet. Je nach Ausführung kann ein zugehöriger 0-V- oder Masseanschluss vorhanden sein oder nicht.

„Hochfrequenz „bedeutet im weitesten Sinne eine Frequenz im Funkkommunikationsbereich, deutlich oberhalb der Kabelgrenzfrequenz, z. über etwa 50 kHz oder so ungefähr. Bei drehzahlgeregelten Antrieben treten solche hohen Frequenzen als Nebeneffekt des sehr schnellen Schaltens der Leistungshalbleiter auf.

Was ist elektrisches Rauschen (Interferenz?)

Elektrisches Rauschen bezieht sich hier auf den Effekt einer unerwünschten Wechselwirkung elektrischer Schaltungen. Alle elektrischen Aktivitäten führen zu elektromagnetischen Feldern, die unerwünschte elektrische Signale in nahegelegene Schaltkreise induzieren können. Im Allgemeinen sind die Auswirkungen bei Frequenzen im Funkbereich tendenziell am schlimmsten, da die schnelle Änderung von Spannung und Strom die unerwünschte Kopplung verstärkt. Signalschaltkreise können empfindlich auf hochfrequente Störungen reagieren, entweder weil sie selbst hohe Frequenzen verwenden (z. B. serielle digitale Datenverbindungen, Encoderdaten) oder weil sie eine unbeabsichtigte Empfindlichkeit gegenüber hohen Frequenzen haben, die weit über ihre beabsichtigte Bandbreite hinausgehen (z. B. analoge Eingänge). Eine gut ausgelegte Signalschaltung wird ihre Bandbreite an die Anforderungen der Anwendung anpassen, damit sie nicht unnötig empfindlich auf sich schnell ändernde Störungen reagiert. Hohe Störpegel außerhalb des beabsichtigten Bandes können jedoch immer noch Fehler aufgrund von Nichtlinearität verursachen. Aus diesem Grund ist es zum Beispiel ziemlich üblich, Störungen in einem Soundsystem zu hören, die von einem Mobiltelefon verursacht werden.

Ein wichtiges Merkmal dieser Art von Rauschen ist, dass es einen extrem breiten Frequenzbereich abdecken kann. Störungen können von Netzfrequenzquellen von 50/60 Hz bis hin zu Mobiltelefonen und anderen Hochfrequenzbereichen von etwa 2 – 5 GHz auftreten. Dies ist ein Bereich von 8 Größenordnungen, und Regeln, die für einige Frequenzen gut funktionieren, können bei anderen unwirksam oder sogar kontraproduktiv sein. Aus diesem Grund können Regeln für die EMV und für das geschirmte Kabelmanagement manchmal widersprüchlich erscheinen – sie könnten für Bedrohungen in bestimmten Frequenzbereichen vorgesehen sein.

Beachten Sie, dass eine andere Art von elektrischem Rauschen das thermisch erzeugte Zufallsrauschen ist, das inhärent in allen Schaltkreisen bei Temperaturen über 0 K vorhanden ist. Dies ist nur für hochempfindliche Funkempfangsgeräte von Interesse und wird hier nicht behandelt.

Wie geschirmte Kabel funktionieren

Das abgeschirmte Kabel hat eine oder mehrere Signaladern, die von einem durchgehenden Schirmleiter umgeben sind. Ein Koaxialkabel hat einen einzelnen inneren Kern, der von einer Abschirmung umgeben ist, und wird hauptsächlich für Hochfrequenzanwendungen verwendet. Der Schirm besteht meistens aus einem Geflecht aus feinen Drähten, das durch eine leitfähige Folie ergänzt werden kann. Seltener kann der Bildschirm aus massivem Metall bestehen und magnetisches Material wie Ferrit enthalten.

Der Zweck der Abschirmung besteht darin, zu verhindern, dass externe elektromagnetische Energie ein unerwünschtes Signal in den Signalkreis induziert. Ein elektromagnetisches Feld setzt sich zusammen aus verwandten magnetischen und elektrischen Feldern. Um seine Funktionsweise besser zu verstehen, können wir zunächst die Wirkung auf elektrische Felder und magnetische Felder getrennt betrachten. Damit ein Schaltkreis gegen elektromagnetische Störungen immun ist, muss er sowohl gegen elektrische als auch gegen magnetische Felder immun sein.

Elektrofeldabschirmung

Dies ist der am einfachsten zu verstehende Mechanismus. Abbildung 1 zeigt ein elektrisches Feld E von einer externen Rauschquelle, das auf ein abgeschirmtes Kabel in einem einfachen (unsymmetrischen) Signalschaltkreis mit einer einzelnen Leitung auftrifft, der eine Signalquelle mit einer Signallast verbindet. Das Feld endet am Schirmleiter und dringt nicht bis zum Innenleiter vor, so dass keine Störungen auftreten.

Ohne den Schirm würde das elektrische Feld bei jeder Änderung Strom in den Signalkreis induzieren. Dies würde einen transienten Fehler, d. h. Rauschen, in der empfangenen Spannung um einen Betrag verursachen, der von der Impedanz der Schaltung abhängt – je höher die Impedanz, desto größer der Fehler. Normalerweise ist die Quelle so ausgelegt, dass sie eine niedrige Impedanz hat, um die Fehlerspannung zu minimieren, die durch das Eindringen elektrischer Felder verursacht wird.

Abbildung 1:Abschirmmechanismus für elektrische Felder

Der Masseanschluss ist in Abbildung 1 als optional dargestellt, da er im Prinzip nicht benötigt wird, damit der Schirm funktioniert. Wesentlich ist, dass die Bezugspole der Quelle und der Last mit dem Schirm verbunden werden müssen, damit die Signalspannung auf dem Innenleiter gegenüber dem Schirm anliegt.

In der Praxis können sie je nach Auslegung der Quelle und Last möglicherweise keine elektrischen Potentiale an ihren Bezugspolen tolerieren, daher ist es üblich, den Schirm mit Masse zu verbinden. Beachten Sie, dass es in Abbildung 1 nur eine einzige Verbindung zur Erde gibt, und für eine einfache elektrische Feldabschirmung spielt es keine Rolle, wo die Verbindung hergestellt wird. Wenn sich jedoch das Feld E zeitlich ändert, fließt aufgrund der sich ändernden elektrischen Ladung ein Strom zur Erde. Sobald ein Strom fließt, müssen wir auch die Magnetfeldeffekte berücksichtigen. Wenn die Frequenz zunimmt, steigt auch der mit einem elektrischen Feld verbundene Strom, so dass die Anordnung von Fig. 1 wirklich nur beim Ausschließen von niederfrequenten elektrischen Feldstörungen, wie z. B. von 50/60-Hz-Netzen, erfolgreich ist.

Magnetfeldabschirmung

Die magnetfeldabschirmende Wirkung eines abgeschirmten Kabels ist etwas schwieriger zu verstehen, aber ebenso wichtig. Überall dort, wo elektrische Ströme fließen, sind magnetische Felder vorhanden, die bei Änderung elektrische Potentiale in Schaltkreise induzieren können. Abbildung 2 zeigt einen magnetischen Fluss B, der von einem externen stromführenden Kreis stammt und den gleichen Stromkreis wie in Abbildung 1 verbindet.

Abbildung 2:Magnetfeld-Abschirmmechanismus

Wenn sich das Magnetfeld ändert, induziert es ein Potential in den Leiter, das proportional zur Änderungsrate des magnetischen Flusses ist, der durch den Leiter verbunden ist, hier als E_B1 dargestellt für den Bildschirm und E_B2 für den Innenleiter.

Das induzierte Potential würde einen vorübergehenden Fehler im empfangenen Signal darstellen, d. h. Rauschen, mit Ausnahme der Tatsache, die in Abbildung 2 dargestellt ist:

Die exakt gleiche Spannung wird sowohl in den Innen- als auch in den Außenleiter (Schirm) induziert. Also E_B1 =E_B2 .

Der Grund dafür ist, dass der magnetische Fluss, der den Schirmleiter verbindet, zwangsläufig auch den Innenleiter verbinden muss.

Die Spannungen E_B1 und E_B2 rot dargestellt sind im Signalkreis gleich aber entgegengesetzt, heben sich also in der Last auf.

Sofern nichts passiert, was die beiden induzierten Spannungen aus dem Gleichgewicht bringt, ist die Aufhebung sehr genau und das abgeschirmte Kabel bietet einen hervorragenden Schutz vor wechselnden Magnetfeldern.

Beachten Sie, dass in Abbildung 2 weder die Quelle noch die Last mit einem anderen Stromkreis verbunden sind, d. h. sie sind galvanisch getrennt. In diesem Fall kann kein Strom im Schirm fließen und es gibt nichts, was einen Fehler zwischen E_B1 verursachen könnte und E_B2 .

In der Praxis gibt es selbst bei galvanischer Trennung eine Streukapazität, so dass ein gewisser Strom bei den höheren Frequenzen fließen kann. Jeder Strom, der im Schirm fließt, bewirkt jedoch eine Änderung des magnetischen Flusses, der auch den Signalleiter verbindet. Der Abbruchmechanismus funktioniert noch.

Niederfrequenter Schirmstrom

In Abbildung 2 ist zu sehen, dass die durch das externe Magnetfeld induzierte Spannung sowohl im Innen- als auch im Außenleiter identisch ist. Eine andere Spannungsquelle, die nicht gleichermaßen induziert wird, ist ein einfacher Widerstandsspannungsabfall. Fig. 3 veranschaulicht eine Situation, in der sowohl das sendende als auch das empfangende Ende Verbindungen zu ihrem lokalen Chassis oder Masse und einer Massedifferenzspannung E_D haben verursacht einen Strom I_D in den Bildschirm fließen. Die Differenzspannung kann durch eine Vielzahl von Effekten im Gesamtsystem verursacht werden, im Wesentlichen ist sie die Summe der verschiedenen Störspannungen, die der Kabelschirm als Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen aller Art aufnimmt, sowie Spannungsabfälle verursacht durch umlaufende Streuströme wie z. B. bei Netzfrequenz.

Es gibt auch eine besondere Quelle für Massedifferenzspannung in Antriebssystemen, die einen Motorwellen-Encoder verwenden. Trotz der Verwendung eines abgeschirmten Motorkabels kann der Motorkörper aufgrund der schnellen PWM-Impulse in der Motorwicklung und im Motorkabel eine erhebliche Rauschspannung gegenüber Erde aufweisen. Wenn der Drehgeber einen Metallkörper hat, der direkt am Motorkörper befestigt ist, ist es schwierig, eine Massedifferenzspannung in der Abschirmung des Geberkabels zu vermeiden.

Abbildung 3:Auswirkung des Schirmstroms

Die aktuelle I_D verursacht einen Spannungsabfall im Bildschirm, mit zwei Komponenten:

• Eine induktive Komponente IjwL, wobei L die Kabelschirminduktivität ist
• Eine Widerstandskomponente IR, wobei R der Kabelschirmwiderstand ist

Die induktive Komponente wird durch das durch den Strom induzierte Magnetfeld verursacht. Das Magnetfeld verbindet auch den Innenleiter, trägt also gleichermaßen zu E_B1 bei und E_B2 und es stört das empfangene Signal nicht.[1]

Die Widerstandskomponente erscheint nicht in E_B2 , erscheint also in Reihe mit dem Signal und verursacht einen Fehler.

Beachten Sie, dass, während ein elektrisches Feld einen induzierten Strom verursachen würde, so dass der Effekt proportional zur Impedanz des Stromkreises wäre, hier eine induzierte Spannung vorhanden ist. Das Verringern der Impedanz der Signalquelle reduziert den Fehler nicht. Wenn Magnetfeldinduktion die Hauptstörquelle ist, ist die beste Technik die Verwendung eines Stromsignals, und dies ist der Grund für die weit verbreitete Verwendung der 4 – 20 mA-Stromquellenmethode in Prozesssteuerungssystemen mit sehr langen Signalkabelstrecken.

Bei hohen Frequenzen, wo die Induktivität des Kabels seine Impedanz dominiert, ist IR relativ klein. Aufgrund des Skin-Effekts ist der effektive Widerstand bei hohen Frequenzen geringer, da der Strom hauptsächlich außerhalb des Bildschirms fließt, nicht im Inneren. Dies hat zur Folge, dass der Kabelschirm bei niedrigeren Frequenzen weniger wirksam ist. Dies kann als Bildschirmgrenzfrequenz gemessen werden, unterhalb derer es unwirksam ist. Sie liegt für allgemein verwendete Kabel tendenziell im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz [siehe beispielsweise Seite 62 der Referenz].

Abbildung 3 hebt auch den Effekt von „Pigtails“ hervor, d. h. Drahtlängen, die zum Herstellen von Schirmrückleitungen verwendet werden. Sie können sehen, dass die aktuelle I_D fließt in den Pigtails, und jeder Spannungsabfall dort in der Pigtail-Induktivität erscheint in Reihe mit dem Signal. Der Punkt hier ist, dass es sich um einen induktiven Spannungsabfall handelt, der nicht in beiden Leitern auftritt, also nicht durch das geschirmte Kabel aufgehoben wird. Der Pigtail beeinträchtigt die Schirmungsfähigkeit des Kabels bei höheren Frequenzen.

Arten von Kabelschirmen

Der herkömmliche Kabelschirm ist ein Geflecht aus feinen Kupferdrähten mit einer Abdeckung von nahezu 100 % (d. h. minimale „Fenster“ im Geflecht). Einige Datenkabel verwenden eine Metallfolie oder eine metallisierte Kunststofffolie, entweder allein oder mit einem Geflecht.

Um über einen breiten Frequenzbereich wirksam zu sein, muss der Schirm eine maximale Abdeckung, einen geringen Widerstand und eine gute Längskontinuität zwischen den Geflechten aufweisen, damit der Strom mit minimalem Spannungsabfall und minimaler Vermischung mit dem Strom auf der Innenseite entlang der Außenseite fließen kann. Folie allein hat tendenziell einen ziemlich hohen Widerstand und ist nicht effektiv, aber in Kombination mit Geflecht kann es helfen, die inneren und äußeren leitenden Oberflächen zu trennen.

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

[1] Es bedarf einiger Überlegung, um dies richtig zu verstehen. Das gesamte durch den Schirmstrom verursachte Magnetfeld muss den Innenleiter verbinden. Nicht das gesamte durch den Innenleiterstrom verursachte Magnetfeld muss den Schirm verbinden.