Geschirmte Kabel für Signalleitungen: Teil 1 – Best Practices

Diese zweiteilige Blogserie befasst sich mit der Verwendung von geschirmten (auch abgeschirmten genannten) Kabeln für Signalleitungen. Das Thema wurde in meinem EMV-Blog erwähnt, und ich versprach, es detaillierter zu behandeln.

Ein späterer Blog wird das für den Anschluss des AC-FU an seinen Motor empfohlene geschirmte Leistungskabel besprechen. In beiden Fällen dient der Schirm dazu, unerwünschte elektromagnetische Kopplung zwischen dem inneren Kreis und äußeren Kreisen zu verhindern. Ein wesentlicher Unterschied: Der Motorkabelschirm schützt externe Kreise, während der Signalkabelschirm den inneren Kreis vor äußeren elektrischen Störungen schützt.

Geschirmte Kabel sind in elektronischen Systemen allgegenwärtig und werden allgemein als selbstverständlich angesehen. Sie sind jedoch nicht so einfach, wie sie scheinen, und werden häufig missbraucht und missverstanden. Glücklicherweise haben moderne elektronische Schaltungen allgemein gute Immunität gegen elektrisches Rauschen, sodass Systeme trotz schlechter Kabelpraxis meist funktionieren. Bei Einsatz von Frequenzumrichtern wird korrekte Praxis jedoch wichtiger, da der Umrichter recht hohe elektromagnetische Störungen erzeugt, die die zugehörigen Steuerkreise stören können, wenn sie nicht richtig angeordnet sind.

Teil 1 behandelt allgemeine Prinzipien geschirmter Signalkabel, Teil 2 spezifische praktische Details.

Häufige Fragen

Es gibt verschiedene Regeln für das Management geschirmter Kabel, die aus gutem Grund entstanden sind, aber widersprüchlich und verwirrend sein können. Hier sind einige häufige Fragen, die ich beantworten möchte:

1. Muss ich beide Enden des Schirms verbinden?
2. Darf ich nicht beide Enden des Schirms verbinden??
3. Muss der Schirm an Erde (Ground) angeschlossen werden?
4. Muss ich mir Sorgen um Erdschleifen (Ground Loops) machen?
5. Wie lang darf der Erd-Pigtail sein?
6. Wie verbinde ich über einen Klemmenblock?
7. Wie verbinde ich einen symmetrischen (differentiellen) analogen Kreis?
8. Was ist mit Ethernet? Kann ungeschirmtes Kabel funktionieren?

Einige kritische Begriffe

In der folgenden Erklärung:

• Die Erde ist der Schutzleiter (PE) in einem netzgespeisten System, letztendlich verbunden mit dem Schutzleiter-Netz des Gebäudes und der physischen Erde. Wenn Signalkreise an die Erde angeschlossen sind und die Verbindung nicht aus Sicherheitsgründen erfolgt, wird dies als funktionale Erde bezeichnet, im Unterschied zur Schutzerde.
• Der Signalrückleiter, Common oder Bezugsanschluss in einem System wird hier als „Bezugspotential“ bezeichnet. In Control-Technics-Geräten als „0V“-Anschluss. Dieser ist oft mit Erde verbunden, muss es aber nicht. Einige symmetrische Datenkreise haben kein Bezugspotential.
• In einem Schaltschrank wird die Hauptmasse der Metallkonstruktion als „Chassis“ bezeichnet. Dies ist meist aus Sicherheitsgründen mit Erde verbunden, aber für EMV-Betrachtungen ist wichtiger, dass es eine ausgedehnte leitende Fläche ist, die unwahrscheinlich unterschiedliche elektrische Potenziale aufweist.
• In einem symmetrischen oder Push-Pull-Signalkreis werden die Signalleitungen als A+ und A– bezeichnet. Je nach Design gibt es einen zugehörigen 0V- oder Chassis-Anschluss oder nicht.
• „Hochfrequenz“ bedeutet grob einen Frequenzbereich im Funkkommunikationsspektrum, weit über der Kabel-Grenzfrequenz, z. B. über ca. 50 kHz. In Frequenzumrichtern treten solche hohen Frequenzen als Nebeneffekt des ultraschnellen Schaltens der Leistungshalbleiter auf.

Was ist elektrisches Rauschen (Störung)?

Elektrisches Rauschen bezeichnet hier die Wirkung unerwünschter Wechselwirkung elektrischer Kreise. Jede elektrische Aktivität erzeugt elektromagnetische Felder, die unerwünschte Signale in benachbarte Kreise induzieren können. Generell sind die Effekte bei Frequenzen im Funkbereich am stärksten, da schnelle Spannungs- und Stromänderungen die unerwünschte Kopplung verstärken. Signalkreise können empfindlich auf Hochfrequenzstörungen reagieren, entweder weil sie selbst hohe Frequenzen nutzen (z. B. serielle digitale Datenlinks, Geberdaten) oder weil sie unbeabsichtigt empfindlich auf Frequenzen weit über ihrer intendierten Bandbreite reagieren (z. B. analoge Eingänge). Ein gut entworfener Signalkreis hat seine Bandbreite an die Anwendungsanforderungen angepasst, um nicht unnötig empfindlich auf schnelle Störungen zu sein. Dennoch können hohe Störpegel außerhalb des intendierten Bandes durch Nichtlinearität Fehler verursachen. Deshalb hört man z. B. häufig Störungen in einer Tonanlage durch ein Mobiltelefon.

Ein wichtiges Merkmal dieses Rauschens ist der extrem breite Frequenzbereich: Störungen können von Netzfrequenz 50/60 Hz bis zu Mobilfunk- und anderen Funkfrequenzen um 2–5 GHz reichen. Das sind 8 Größenordnungen, und Regeln, die für einige Frequenzen gut funktionieren, können bei anderen unwirksam oder sogar kontraproduktiv sein. Deshalb können EMV- und Schirmmanagement-Regeln manchmal widersprüchlich erscheinen – sie wurden für Bedrohungen in spezifischen Frequenzbereichen erstellt.

Hinweis: Eine andere Art elektrischen Rauschens ist das thermisch erzeugte zufällige Rauschen, das in allen Schaltungen bei Temperaturen über 0 K inhärent existiert. Dies ist nur für hochempfindliche Funkempfangsgeräte relevant und wird hier nicht behandelt.

Funktionsweise geschirmter Kabel

Das geschirmte Kabel hat einen oder mehrere Signalleiter, die von einem kontinuierlichen Schirmleiter umgeben sind. Ein Koaxialkabel hat einen einzelnen Innenleiter, umgeben von einem Schirm, und wird meist für HF-Anwendungen genutzt. Der Schirm besteht meist aus einem Geflecht feiner Drähte, das annähernd 100 % Abdeckung bietet (minimale „Fenster“ im Geflecht). Er kann durch eine leitfähige Folie ergänzt werden. Seltener ist der Schirm aus massivem Metall und kann magnetisches Material wie Ferrit enthalten.

Der Zweck des Schirms ist, externer elektromagnetischer Energie zu verhindern, ein unerwünschtes Signal in den Signalkreis zu induzieren. Ein elektromagnetisches Feld besteht aus zusammengehörigen magnetischen und elektrischen Feldern. Zum Verständnis betrachten wir getrennt die Wirkung auf elektrische und magnetische Felder. Damit ein Kreis immun gegen elektromagnetische Störungen ist, muss er gegen sowohl elektrische als auch magnetische Felder immun sein.

Elektrische Feldabschirmung

Dies ist der einfachste Mechanismus. Abbildung 1 zeigt ein elektrisches Feld E von einer externen Störquelle, das auf ein geschirmtes Kabel in einem einfachen einadrigen (unsymmetrischen) Signalkreis trifft, der eine Signalquelle mit einer Signallast verbindet. Das Feld endet am Schirmleiter und dringt nicht zum Innenleiter vor, sodass keine Störung entsteht.

Ohne Schirm würde das elektrische Feld bei Änderung Strom in den Signalkreis induzieren. Dies verursachte einen transienten Fehler (Rauschen) in der empfangenen Spannung, in Abhängigkeit von der Impedanz des Kreises – je höher die Impedanz, desto höher der Fehler. Normalerweise ist die Quelle niederohmig ausgelegt, um den Fehler durch elektrisches Feldeinkopplung zu minimieren.

Abbildung 1: Mechanismus der elektrischen Feldabschirmung

Die Erdverbindung ist in Abbildung 1 als optional dargestellt, da sie prinzipiell für die Schirmwirkung nicht erforderlich ist. Wesentlich ist, dass die Bezugspotentiale von Quelle und Last mit dem Schirm verbunden sind, damit die Signalspannung auf dem Innenleiter relativ zum Schirm existiert.

In der Praxis können Quelle und Last je nach Design elektrische Potenziale an ihren Bezugspotentialen nicht tolerieren, daher ist es üblich, den Schirm an Erde anzuschließen. Beachten Sie, dass in Abbildung 1 nur eine einzige Erdverbindung besteht, und für einfache elektrische Feldabschirmung ist es egal, wo sie erfolgt. Bei zeitlich veränderlichem Feld fließt jedoch ein Strom zur Erde wegen der sich ändernden elektrischen Ladung. Sobald ein Strom fließt, müssen wir auch magnetische Feldeffekte betrachten. Mit steigender Frequenz steigt auch der einem elektrischen Feld zugeordnete Strom, sodass die Anordnung von Abbildung 1 wirklich nur niedrigfrequente elektrische Feldstörungen (z. B. 50/60 Hz Netz) ausschließt.

Magnetische Feldabschirmung

Der magnetische Feldabschirmeffekt eines geschirmten Kabels ist etwas schwieriger zu verstehen, aber ebenso wichtig. Wo immer elektrische Ströme fließen, gibt es zugehörige magnetische Felder, die bei Änderung elektrische Potenziale in Kreise induzieren können. Abbildung 2 zeigt einen magnetischen Fluss B, der von einem externen stromführenden Kreis ausgeht und denselben Kreis wie in Abbildung 1 durchdringt.

Abbildung 2: Mechanismus der magnetischen Feldabschirmung

Wenn sich das magnetische Feld ändert, induziert es eine Spannung in den Leiter, proportional zur Änderungsrate des durch den Leiter verketteten magnetischen Flusses, hier als E_B1 für den Schirm und E_B2 für den Innenleiter dargestellt.

Die induzierte Spannung würde einen transienten Fehler im empfangenen Signal darstellen (Rauschen), außer für den in Abbildung 2 dargestellten Fakt:

Exakt dieselbe Spannung wird in beide Leiter (Innen- und Außen-/Schirmleiter) induziert. Also E_B1 = E_B2.

Der Grund: Der magnetische Fluss, der den Schirmleiter durchdringt, muss inhärent auch den Innenleiter durchdringen.

Die in Rot dargestellten Spannungen E_B1 und E_B2 sind gleich, aber im Signalkreis entgegengesetzt gerichtet, sodass sie in der Last kompensiert werden.

Solange nichts die beiden induzierten Spannungen entgleicht, ist die Kompensation sehr exakt und das geschirmte Kabel gibt exzellenten Schutz vor veränderlichen magnetischen Feldern.

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

In der Praxis gibt es selbst bei galvanischer Trennung Streukapazitäten, sodass bei höheren Frequenzen etwas Strom fließen kann. Jedoch verursacht jeder im Schirm fließende Strom eine Änderung des magnetischen Flusses, der auch den Signalleiter durchdringt. Der Kompensationsmechanismus wirkt weiterhin.

Niederfrequenter Schirmstrom

In Abbildung 2 wurde gezeigt, dass die vom externen magnetischen Feld induzierte Spannung in beiden Leitern identisch ist. Eine weitere Spannungsquelle, die nicht gleich induziert wird, ist der einfache ohmsche Spannungsfall. Abbildung 3 illustriert eine Situation, wo beide Ende Verbindungen zu ihrem lokalen Chassis oder Erde haben, und eine differentielle Erdspannung E_D einen Strom I_D im Schirm fließen lässt. Die Differenzspannung kann durch verschiedene Effekte im Gesamtsystem verursacht werden – im Wesentlichen die Summe der verschiedenen Störspannungen, die der Kabelschirm als Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen aller Art sammelt, sowie Spannungsfälle durch zirkulierende Streuströme wie bei Netzfrequenz.

Eine besondere Quelle differentieller Erdspannung in Antriebssystemen mit Motorwellengeber: Trotz geschirmtem Motorkabel kann der Motorkörper durch die schnellen PWM-Pulse in Motorwicklung und -kabel eine signifikante Störspannung gegen Erde haben. Wenn der Wellengeber ein Metallgehäuse hat, das direkt am Motorkörper befestigt ist, ist ein differentielles Erdpotenzial im Geberkabelschirm schwer zu vermeiden.

Abbildung 3: Effekt des Schirmstroms

Der Strom I_D verursacht einen Spannungsfall im Schirm mit zwei Komponenten:

• Eine induktive Komponente I·jωL, wobei L die Schirminduktivität des Kabels ist
• Eine ohmsche Komponente I·R, wobei R der Schirmwiderstand des Kabels ist

Die induktive Komponente wird durch das vom Strom erzeugte magnetische Feld verursacht. Dieses Feld durchdringt auch den Innenleiter, sodass es gleichmäßig zu E_B1 und E_B2 beiträgt und das empfangene Signal nicht stört.[1]

Die ohmsche Komponente erscheint nicht in E_B2, sondern in Reihe mit dem Signal und verursacht einen Fehler.

Beachten Sie: Ein elektrisches Feld würde einen induzierten Strom verursachen, sodass der Effekt proportional zur Kreisimpedanz wäre. Hier wird eine Spannung induziert. Die Senkung der Quellenimpedanz reduziert den Fehler nicht. Wenn magnetische Feldeinduktion die Hauptstörquelle ist, ist die beste Technik ein Stromsignal – deshalb ist das 4–20-mA-Stromquellenverfahren in der Prozesstechnik mit sehr langen Signalkabeln weit verbreitet.

Bei hohen Frequenzen, wo die Induktivität des Kabels seine Impedanz dominiert, ist IR relativ klein. Auch durch Skin-Effekt ist der effektive Widerstand bei hoher Frequenz geringer, da der Strom hauptsächlich an der Außenseite des Schirms fließt, nicht an der Innenseite. Die Folge: Bei niedrigeren Frequenzen wird der Kabelschirm weniger wirksam. Dies messbar als Schirm-Grenzfrequenz, unterhalb derer er unwirksam ist. Sie liegt typischerweise zwischen 1 kHz und 10 kHz für gängige Kabel [siehe Referenz Seite 62].

Abbildung 3 verdeutlicht auch den Effekt von „Pigtails“, also Drahtstücken für Schirmrückführungen. Man sieht, dass der Strom I_D in den Pigtails fließt, und jeder Spannungsfall in der Pigtail-Induktivität erscheint in Reihe mit dem Signal. Der Punkt: Dies ist ein induktiver Spannungsfall, der nicht in beiden Leitern auftritt, also nicht durch den Kabelschirm kompensiert wird. Der Pigtail schadet der Schirmfähigkeit des Kabels bei höheren Frequenzen.

Arten von Kabelschirmen

Der traditionelle Kabelschirm ist ein Geflecht feiner Kupferdrähte mit annähernd 100 % Abdeckung (minimale „Fenster“). Einige Datenkabel nutzen Metallfolie oder metallisierte Kunststofffolie, allein oder mit Geflecht.

Für Wirksamkeit über einen breiten Frequenzbereich braucht der Schirm maximale Abdeckung, niedrigen Widerstand und gute Längsleitfähigkeit zwischen Geflechten, damit Strom außen mit minimalem Spannungsfall und minimaler Vermischung mit dem Innenstrom fließen kann. Folie allein hat tendenziell recht hohen Widerstand und ist unwirksam, aber kombiniert mit Geflecht kann sie helfen, innere und äußere Leitflächen zu trennen.

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

[1] Es bedarf einiger Überlegung, dies richtig zu verstehen. Der gesamte magnetische Fluss, der durch den Schirmstrom verursacht wird, muss den Innenleiter durchdringen. Nicht der gesamte magnetische Fluss, der durch den Innenleiterstrom verursacht wird, muss den Schirm durchdringen.