Fortgeschrittene geschirmte Kabel für Signalleitungen: Praktische Anschlusstechniken (Teil 2)

Teil 1 behandelte die Prinzipien, wie geschirmte Kabel Störungen durch elektrische und magnetische Felder vermeiden. Nun betrachten wir praktische Details.

Anschluss geschirmter Kabel

Grundlagen

Wie in Teil 1 beschrieben, muss die Schirmung über einen sehr breiten Frequenzbereich wirksam sein. Für hohe Frequenzen ist es essenziell, dass der Schirm direkt an den Bezugspotential („0V“ etc.) an beiden Enden (Sender- und Empfängerseite) angeschlossen wird.

Die Verwendung eines Pigtails (kurzes Anschlussstück) zur Schirmverbindung verringert die Schirmwirkung, da Störstrom im Schirm eine Störspannung in den Signalkreis einkoppelt. Bei einer wirklich galvanisch getrennten Schaltung mag dies unwichtig sein, da die Isolation den Störstrom minimiert, der im Pigtail zirkuliert. Generell sollten Pigtails jedoch minimal gehalten werden. Bei breitbandigen Datenkreisen müssen Pigtails vermieden werden, was durch direktes Klemmen des Kabelschirms an Chassis, Bezugs- oder Erdungspunkt erreicht werden kann.

Warum sollte man nicht beide Enden des Schirms verbinden?

Es kursieren Richtlinien, die empfehlen, den Kabelschirm nur an einem Ende zu verbinden. Aus obiger Erklärung ist klar, dass dies den Hochfrequenz-Schirmvorteil aufhebt. Früher wurden diese Richtlinien auf einfache elektrische Steuerkreise angewendet, die von Natur aus gegen Hochfrequenzstörungen immun sind, um Erdschleifen zu vermeiden – siehe unten. Sie können auch verhindern, dass Netzfehlerströme in Kabelschirmen zirkulieren, was aber besser durch ausreichende Potenzialausgleich im Stromnetz erreicht wird.

In Stromverteilnetzen gibt es Anwendungen, wo Leistungskabelschirme nicht an beiden Enden angeschlossen werden dürfen, um Berührungsspannungsgefahren bei Fehlern oder Blitz zu vermeiden; z. B. in TT-Netzen. Dies gilt nicht für Motorkabel von Frequenzumrichtern.

Wann immer Signalkabel Gebäude oder einen Potenzialausgleichsbereich verlassen, muss Sicherheit bei elektrischen Fehlern und Blitzeinschlägen berücksichtigt werden, wenn gefährliche differentielle Erdpotenziale auftreten können.

Einseitige analoge Schaltungen

Abbildung 4: Anschluss einer einfachen einseitigen analogen Schnittstelle

Die einfachste Art analoger Schnittstelle zeigt Abbildung 4. Sie genügt für viele allgemeine Anwendungen. Aus der vorigen Erklärung erkennen Sie Schwächen dieses Aufbaus, die akzeptabel sein mögen, wo hohe Präzision und große Bandbreite nicht gefordert sind.

Die gestrichelten Linien im Controller und Umrichter zeigen, dass die 0V-Anschlüsse meist mit Erde verbunden sind – entweder direkt und absichtlich oder weil irgendwo im System 0V und Erde intern verbunden sind. In diesem Fall besteht Störungsrisiko durch:

• Hochfrequenter Störstrom verursacht Spannungsabfall in der Induktivität der Pigtail-Anschlüsse, der in das analoge Signal einkoppelt. Dies kann Fehler verursachen, wenn die analogen Schaltungen empfindlich sind. Minimierbar durch kürzeste Pigtails zur Reduzierung ihrer Induktivität. Die Verwendung von Erdungsklemmen direkt am Kabelschirm an beiden Enden, am Chassis befestigt, beseitigt dies vollständig. In Abbildung 4 blau dargestellt.
• Niederfrequenter Störstrom verursacht Spannungsabfall im Widerstand des Kabelschirms (und in den Pigtails, aber das Kabel hat meist höheren Widerstand). Liegt die Frequenz dieses Störens innerhalb der Bandbreite des analogen Kreises, wird dieser gestört – z. B. 50/60-Hz-Einkopplung verursacht Vibration in einem Servoumrichter bei 50/60 Hz. Dies ist das „Erdschleifenproblem“ und schwieriger zu beheben. Mögliche Lösungen:
• Verbinden der 0V- oder Erdanschlüsse an beiden Enden über ein niederohmiges Leistungserdungskabel zur Reduzierung des Spannungsfalls.
• Verwendung eines symmetrischen (differentiellen) analogen Signalkreises (siehe unten). Dies ist die beste Methode.
• Galvanische Trennung entweder des analogen Aus- oder Eingangs, um Strom im Schirm zu vermeiden.

Symmetrische (differenzielle) analoge Schaltungen

Präzise analoge Schaltungen bieten oft differentielle Eingänge und manchmal differentielle Ausgänge. Sie sind üblich bei Präzisionscontrollern wie Servoumrichtern und Sin/Cos-Wellengebern. Korrekt eingesetzt geben sie exzellente Unterdrückung niederfrequenter Störungen. In Kombination mit einem geschirmten Kabel lässt sich Immunität über das gesamte Störspektrum erreichen. Abbildung 5 zeigt den Anschluss eines differentiellen analogen Eingangs. Die Signaladern wären normalerweise ein verdrilltes Paar, was die Störfestigkeit weiter verbessert, indem der Weg der beiden Leiter möglichst symmetrisch gestaltet wird.

Abbildung 5: Anschluss eines differentiellen analogen Eingangs

Hier haben wir einen einseitigen Controller-Ausgang und einen differentiellen Eingang. Durch Verwendung zweier Adern im geschirmten Kabel können wir den invertierenden Eingang direkt an den Bezugspotential des Controller-Analogausgangs anschließen. Jeder niederfrequente, im Kabelschirm induzierte Spannung wird dadurch am Eingang unterdrückt, während der Schirm seine exzellente Hochfrequenz-Unterdrückung behält. Der differentielle Eingang kann Gleichtaktspannung bei hohen Frequenzen, außerhalb seiner Bandbreite, nicht unterdrücken – dort wirkt der Kabelschirm am besten. Die Kombination beider Techniken gibt Störunterdrückung über das gesamte Spektrum.

Erdungsklemmen wie in Abbildung 4 können auch hier genutzt werden, um die durch Pigtails verursachte hochfrequente Störeinkopplung zu vermeiden.

Bietet der Controller auch einen differentiellen Ausgang, kann der AI–-Anschluss an den AO–-Anschluss statt an 0V am Controller angeschlossen werden. Ein Sonderfall ist ein „virtueller Erdausgang“, wo AO– kein Ausgang, sondern ein Sense-Eingang ist. Dann muss die AO–-Leitung an einem Ende an 0V angeschlossen werden, sie darf nicht „schweben“.

Digitale Schaltungen

Digitale Schaltungen sind nicht anfällig für die Art niederpegeliger Niederfrequenzfehler durch Erdschleifen. Hochfrequente Störungen in einem Datenlink können Bitfehler verursachen, die normalerweise erkannt und verworfen werden, treten sie zu oft auf, kann der Kanal schließen oder unzureichende Leistung zeigen. Wellenggeber-Schaltungen für Drehzahl-/Lage-Rückführung sind besonders geneigt, bei hochfrequentem Rauschen Lärm und Vibration zu erzeugen. In beiden Fällen ist korrektes Schirmmanagement essenziell.

Datenlinks nutzen oft hohe Bitraten. Für Raten über ca. 1 Mbit/s muss das Kabel korrekt in seinem Wellenwiderstand terminiert werden, um Datenfehler durch Reflexionen zu vermeiden. Zur Erhaltung der Anpassung sind nur kurze Längen offener Kabeladern tolerierbar.

Die am weitesten verbreitete digitale Schnittstelle für grundlegende lokale Datenübertragung basiert auf RS422 und RS485 mit differentiellen Treibern und Empfängern. Der Kabeltyp ist nicht direkt vorgegeben, und prinzipiell könnte er ungeschirmt sein, sofern er den korrekten Wellenwiderstand hat, aber meist wird geschirmtes Kabel bevorzugt.

Der symmetrische Aufbau bedeutet, dass eingekoppeltes Rauschen weitgehend unterdrückt wird, da es im Gleichtaktmodus liegt – es betrifft beide Leitungen gleich und erscheint nicht als Signal. Doch Treiber und Empfänger haben Grenzen ihres Gleichtaktbereichs, sodass Fehler auftreten, wenn die Störspannung zu hoch oder zu schnell ist, oder Asymmetrie den Gleichtakt in den Seriellen Modus einkoppelt. Standard-Leitungstreiber-Chips haben einen Gleichtaktbereich von ca. 5 V und geben große Fehler, wenn dieser überschritten wird. Dies kann durch galvanisch getrennte Ports erhöht werden, ist aber kostspielig.

Abbildung 6 zeigt den Aufbau eines grundlegenden RS485-Ports.

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

In Control-Technics-Geräten ist der Bezugsanschluss in Abbildung 6 als „0V“ bezeichnet. In anderen Geräten wird er verschieden als „G“, „GND“ für Erde, „SC“ für Schirm oder „Reference“ bezeichnet. Manchmal bleibt er unverbunden oder wird gar nicht bereitgestellt. Dies mag für kurze Strecken oder bei gut galvanisch getrennten Ports funktionieren. Generell ist es weit vorzuziehen, 0V mit dem Kabelschirm zu verbinden.

RS485 erlaubt Multi-Drop-Anschluss mehrerer Ports. Der Effekt der geringen Impedanzanpassung an jedem Port sowie der eingekoppelte Störstrom von jedem Pigtail macht die Anordnung mit zunehmender Portanzahl empfindlicher für Störungen. Vollständige Kommunikationsprotokolle mit hohen Datenraten wie Profibus nutzen definierte Hardware, die direkte Klemmung der Kabelschirme in den Steckverbindern zur Vermeidung von Pigtails und das korrekte Terminierungs-Impedanznetz an den Endknoten verlangt.

Klemmen und Steckverbinder

Viele Industrie-Steckverbinder sind ohne geeignete Schirmmanagement-Vorrichtung konstruiert, da sie nicht für Hochfrequenz vorgesehen waren. Für allgemeine Anwendungen ist es meist tolerabel, den Schirm über ein kurzes Pigtail an einen Steckerpin anzuschließen. Weit vorzuziehen ist jedoch, die Schirmverbindung durch den leitfähigen Körper des Steckverbinders zu führen, sodass er die Signalleiter weiterhin umgibt – wie bei HF-Steckverbindern immer der Fall. Wenn ein Signalkreis durch mehrere Steckverbinder führt, jedes mit seinem Pigtail-Paar, akkumuliert der eingekoppelte Störspannung an jedem Steckverbinder.

Eine Möglichkeit des Schirmmanagements ist, die Schirme zusammen oder an ein gemeinsames Metallteil zu klemmen. Hardware dafür ist von Schraubklemmenblock-Lieferanten erhältlich. Die Idee ist in Abbildung 7 illustriert.

Abbildung 7: Verbinden von Schirmen an einem Klemmenblock oder Steckverbinder

Der Zweck der Klemme ist, Pigtail-Schirmverbindungen zu vermeiden und damit die Einspeisung der Störspannung, die an den Pigtails auftreten würde, zu verhindern. Sie verbindet die Schirme mit minimaler Streuinduktivität. Der kleine Bereich offener, ungeschirmter Leiter an den Klemmen ist weit weniger wichtig als die Pigtails. Der Grund: Die ungeschirmten Leiter sind nur elektromagnetischen Feldern in unmittelbarer Nähe der Klemmen ausgesetzt, während die Pigtails Störstrom führen, der über die gesamte Länge des geschirmten Kabels gesammelt wurde.

Üblicherweise werden die Klemmen an geerdete Metallteile befestigt, aber dies ist primär aus Sicherheitsgründen. Der EMV-Vorteil ist die sehr niederinduktive Verbindung zwischen den beiden Kabelschirmen.

Ethernet

Ethernet bildet eine Ausnahme zu alledem. Modernes Ethernet benötigt kein geschirmtes Kabel, sondern verlässt sich auf ein sehr gut symmetrisches, ungeschirmtes verdrilltes Paar in Kombination mit galvanisch trennender, symmetrischer Transformator-Kopplung für exzellente Gleichtakt-Störfestigkeit. Auch nutzt es keine Multi-Drop-Struktur, sodass die Tendenz zur Akkumulation von Störstrom an mehreren Knoten entfällt.

Erdschleifen

Nachdem wir den Widerstandseffekt in Abbildung 3 betrachtet haben, verstehen wir, warum in manchen Anwendungen geraten wird, den Kabelschirm nicht an beiden Enden zu verbinden. Die Fehlerspannung IR würde nicht auftreten, wenn der Schirm nur an einem Ende angeschlossen wäre, da kein Strom im Schirm fließen könnte. Dieser Rat wird gegeben, „um Erdschleifen zu vermeiden“. Doch das Kabel verliert alle seine magnetischen Feld-Schirmfähigkeiten – also seine Hochfrequenz-Schirmfähigkeiten. Dieser Rat ist nur in einer sehr speziellen Situation richtig, wenn alle folgenden Punkte zutreffen:

• Differentielle Erdspannungen bei Niederfrequenzen (z. B. Netzfrequenz) sind vorhanden oder Streumagnetfelder bei Netzfrequenz.
• Die Schaltung nutzt analoge Signale, die empfindlich auf kleine Störungen bei Netzfrequenz reagieren.
• Der Schirm wird nur zum Schutz vor elektrischer Feldkopplung bei Niederfrequenzen benötigt.

Der häufigste Fall ist in analogen Audiosystemen, wo schon geringe Netzbrummen ein irritierendes „Brummen“ verursachen. Er kann auch bei Servocontrollern mit analogen Schnittstellen auftreten, aber dort ist ein differentieller Anschluss wie oben erklärt besser.

Doppelt geschirmtes Kabel

Doppelt geschirmtes Kabel wird manchmal empfohlen, besonders bei Wellenggeber-Schnittstellen, wo typischerweise drei symmetrische Datenpaare paarweise geschirmt sind, eventuell einige Versorgungsadern, und ein Gesamtschirm existiert.

Prinzipiell wird nur ein Schirm pro Datenpaar benötigt, und es könnte entweder der Gesamtschirm oder die Einzelschirme sein. Die Vorteile doppelt geschirmter Kabel sind jedoch:

• Der äußere Schirm kann an Motor- und Gebergehäuse befestigt werden, wodurch hoher Störstrom im Schirm zur Erde am Umrichter zurückfließt, ohne in die 0V-Anschlüsse der Geber-Schnittstelle einzutreten.
• Die 0V-Anschlüsse können – falls vom Systemdesign gefordert – von Erde isoliert bleiben, während dennoch ein Gesamthochfrequenzschirm an Erde angeschlossen ist.
• Erdschleifenstrom kann auf den äußeren Schirm allein beschränkt werden.
• Die Impedanz der einzelnen Paare ist durch ihre Einzelschirme gut definiert.

Abbildung 8 illustriert den Anschluss (zwei Kanäle zur Klarheit gezeigt).

Abbildung 8: Anschluss eines doppelt geschirmten Geberkabels

Referenz

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6

Weiteres empfohlenes Buch

Tim Williams and Keith Armstrong: EMC for Systems & Installations: Newnes: ISBN 9780750641678