신호 회로용 차폐 케이블(2부)

1부에서는 차폐 케이블이 전기장과 자기장의 간섭을 피하기 위해 작동하는 원리를 고려했습니다. 이제 좀 더 실용적인 세부 사항을 살펴보겠습니다.

차폐 케이블 연결 방법

기본사항

1부에서 설명한 것처럼 매우 광범위한 위협 빈도에 대해 효과적인 스크리닝이 필요합니다. 차폐 케이블이 고주파수에서 효과적이려면 차폐가 송신 및 수신 양쪽 모두에서 기준 극("0V" 등)에 직접 연결되어야 합니다.

피그테일을 사용하여 스크린을 연결하면 스크린의 노이즈 전류가 신호 회로에 노이즈 전압을 주입하도록 하여 스크린 효과가 감소합니다. 진정한 갈바닉 절연 회로의 경우 절연이 피그테일에서 순환하고 흐르는 노이즈 전류를 최소화하기 때문에 이것은 중요하지 않을 수 있습니다. 그러나 일반적으로 땋은 머리는 최소한으로 유지해야 합니다. 광대역 데이터 회로의 경우 피그테일을 피해야 합니다. 이는 케이블 스크린을 섀시나 기준점 또는 접지점에 직접 고정하여 얻을 수 있습니다.

왜 화면의 양쪽 끝을 연결하지 않습니까?

케이블 스크린을 한쪽 끝에만 연결하도록 권장하는 지침이 유통되고 있습니다. 이것은 스크린의 고주파 스크리닝 이점을 무효화한다는 것이 위에서 명백해야 합니다. 과거에 이러한 지침은 접지 루프를 피하기 위해 본질적으로 고주파 간섭에 내성이 있는 일부 종류의 간단한 전기 제어 회로에 적용되었습니다(아래 참조). 또한 전원 시스템 오류 전류가 케이블 스크린에서 순환하는 것을 방지할 수도 있지만 이는 전원 시스템에서 적절한 등전위 본딩을 보장하여 적절하게 달성되어야 합니다.

배전 시스템에는 오류 또는 낙뢰 활동 중 접촉 가능성이 있는 위험을 피하기 위해 전원 케이블 실드를 양쪽 끝에서 연결해서는 안 되는 특정 애플리케이션이 있습니다. TT 분배 시스템에서와 같이. 이것은 가변 속도 드라이브의 모터 케이블에는 적용되지 않습니다.

신호 케이블이 건물 외부 및 등전위 본딩 영역 외부를 통과할 때마다 잠재적으로 위험한 차동 접지 전위가 존재할 수 있는 전기 오류 및 낙뢰 중 안전을 고려해야 합니다.

단면 아날로그 회로

그림 4:간단한 단일 종단 아날로그 인터페이스 연결

가장 단순한 종류의 아날로그 인터페이스가 그림 4에 나와 있습니다. 이는 많은 일반 애플리케이션에 적합합니다. 앞의 설명에서 이 배열에는 몇 가지 약점이 있음을 알 수 있습니다. 이는 고정밀 및 넓은 대역폭에서 제어가 필요하지 않은 경우 허용될 수 있습니다.

컨트롤러와 드라이브의 점선은 컨트롤러와 드라이브의 0V 연결이 일반적으로 직접적으로 의도적으로 또는 시스템의 일부 장비에 0V와 접지가 내부적으로 연결되어 있기 때문에 접지에 연결되어 있음을 나타냅니다. 이 경우 다음 소스에서 방해가 발생할 위험이 있습니다.

• 고주파 노이즈 전류는 아날로그 신호에 결합되는 피그테일 연결의 인덕턴스에서 노이즈 전압 강하를 유발합니다. 아날로그 회로가 민감한 경우 오류가 발생할 수 있습니다. 피그테일을 가능한 짧게 유지하여 인덕턴스를 최소화함으로써 최소화할 수 있습니다. 양쪽 끝의 케이블 스크린에 직접 접지 클램프를 사용하여 섀시에 고정하면 이를 완전히 제거할 수 있습니다. 이는 그림 4에서 파란색으로 표시됩니다.
• 저주파 노이즈 전류는 케이블 스크린 저항에서 노이즈 전압 강하를 유발합니다(피그테일에서도 마찬가지이지만 케이블은 일반적으로 저항이 더 높음). 이 노이즈의 주파수가 아날로그 회로의 대역폭 내에 있으면 방해를 받습니다. 예를 들어 50/60Hz에서 픽업하면 50/60Hz에서 서보 드라이브에서 진동이 발생합니다. 이것은 "접지 루프 문제"이며 치료하기가 더 어렵습니다. 가능한 솔루션은 다음과 같습니다.
• 0V 또는 접지 단자 양단을 저저항 전원 접지선으로 연결하여 전압 강하를 줄입니다.
• 밸런스드(차동) 아날로그 신호 회로를 사용합니다(아래 참조). 이것이 가장 좋은 방법입니다.
• 아날로그 출력 또는 입력 회로를 전기적으로 절연하여 화면에 전류가 흐르지 않도록 합니다.

균형 아날로그 회로

정밀 아날로그 회로는 종종 차동 입력을 제공하고 때로는 차동 출력을 제공합니다. 일반적으로 서보 드라이브와 같은 정밀 컨트롤러와 sin/cos 샤프트 엔코더용으로 제공됩니다. 올바르게 사용하면 저주파 간섭을 탁월하게 억제합니다. 차폐 케이블과 함께 이것은 전체 노이즈 스펙트럼에 대한 내성을 달성할 수 있습니다. 그림 5는 차동 아날로그 입력을 사용하는 방법을 보여줍니다. 신호 코어는 일반적으로 트위스트 페어이므로 두 도체의 경로를 최대한 균형 있게 만들어 노이즈 내성을 더욱 향상시킵니다.

그림 5:차동 아날로그 입력 연결

이 경우 단일 종단 컨트롤러 출력과 차동 입력이 있습니다. 차폐 케이블에 두 개의 코어를 사용하여 반전 입력을 컨트롤러 아날로그 출력의 기준 극에 직접 연결할 수 있습니다. 따라서 케이블 스크린에서 유도된 모든 저주파 전압은 입력에 의해 거부되는 반면 스크린은 여전히 ​​우수한 고주파 제거를 제공합니다. 차동 입력은 케이블 스크린이 가장 잘 작동하는 대역폭을 초과하는 고주파수에서 공통 모드 전압을 거부할 수 없습니다. 두 가지 기술을 결합하여 전체 스펙트럼에 걸쳐 노이즈 제거 기능을 제공합니다.

그림 4와 같은 접지 클램프를 사용하여 피그테일로 인한 고주파 노이즈 커플링을 방지할 수도 있습니다.

컨트롤러가 차동 출력도 제공하는 경우 AI 코어는 컨트롤러에서 0V가 아닌 AO 터미널에 연결할 수 있습니다. 특별한 경우는 컨트롤러가 "가상 접지" 출력을 제공하는 경우입니다. 여기서 AO 단자는 출력이 아니라 감지 입력입니다. 이 경우 AO 라인은 한쪽 끝이나 다른 쪽 끝에서 0V에 연결되어야 하며 "플로팅"되지 않아야 합니다.

디지털 회로

디지털 회로는 접지 루프로 인해 발생하는 일종의 저수준 저주파 오류로 인한 교란에 취약하지 않습니다. 데이터 링크의 고주파 간섭은 일반적으로 감지되고 거부되는 비트 오류를 ​​유발할 수 있지만 너무 자주 발생하면 채널이 닫히거나 부적절한 성능을 줄 수 있습니다. 속도/위치 피드백을 위한 샤프트 엔코더 회로는 특히 고주파 노이즈가 있는 경우 노이즈와 진동을 일으키는 경향이 있습니다. 두 경우 모두 케이블 스크린의 올바른 관리가 필수적입니다.

데이터 링크는 종종 높은 비트 전송률을 사용합니다. 약 1Mb/s 이상의 속도의 경우 반사로 인한 데이터 오류를 방지하기 위해 케이블은 특성 임피던스에서 올바르게 종단되어야 합니다. 일치를 유지하기 위해 노출된 케이블 코어의 짧은 길이만 허용될 수 있습니다.

기본 로컬 데이터 전송을 위해 가장 널리 사용되는 디지털 인터페이스는 RS422 및 RS485 표준을 기반으로 하며 차동 송신기와 수신기가 있습니다. 케이블의 종류는 직접적으로 명시되어 있지 않으며, 특성 임피던스가 정확하다면 원칙적으로 비차폐가 될 수 있지만 일반적으로 차폐 케이블이 선호됩니다.

평형 회로의 사용은 공통 모드에 있기 때문에 주입된 노이즈가 상당한 정도로 거부됨을 의미합니다. 즉, 두 라인에 동일하게 영향을 미치므로 신호로 나타나지 않습니다. 그러나 송신기와 수신기는 공통 모드 범위에 제한이 있으므로 잡음 전압이 너무 높거나 너무 빠르게 변화하는 경우와 비대칭으로 인해 공통 모드 잡음이 직렬 모드에 결합되는 경우 오류가 발생합니다. 대부분의 포트에서 사용되는 표준 라인 드라이버 칩은 약 5V의 공통 모드 범위를 가지며 이를 초과하면 심각한 오류가 발생합니다. 이것은 갈바닉 절연 포트를 사용하여 늘릴 수 있지만 비용이 많이 듭니다.

그림 6은 기본 RS485 포트 연결 방법을 보여줍니다.

그림 6:기본 RS485 데이터 연결(2개의 노드만 표시됨)

Control Techniques 장비에서 기준 단자는 그림 6에서 "0V"로 표시됩니다. 다른 장비에서는 접지의 경우 "G" 또는 "GND", 스크린의 경우 "SC" 또는 "기준"으로 다양하게 부를 수 있습니다. 연결되지 않거나 제공되지 않는 경우도 있습니다. 이것은 짧은 링크나 포트에 잘 설계된 갈바닉 절연이 있는 경우에 성공할 수 있습니다. 일반적으로 케이블 스크린에 0V를 연결하는 것이 훨씬 바람직합니다.

RS485는 여러 포트의 멀티 드롭 연결을 허용합니다. 각 포트의 사소한 임피던스 불일치와 각 피그테일에서 주입된 노이즈의 영향으로 인해 포트 수가 증가함에 따라 배열이 교란에 점점 더 민감해집니다. Profibus와 같은 높은 데이터 속도를 사용하는 완전한 통신 프로토콜은 정의된 하드웨어를 사용합니다. 이 경우 피그테일을 방지하기 위해 커넥터에서 케이블 스크린을 직접 클램핑해야 하고 종단 노드에만 올바른 종단 임피던스 네트워크를 연결해야 합니다.

터미널 및 커넥터

많은 산업용 커넥터는 고주파에서 사용하도록 의도되지 않았기 때문에 케이블 스크린 관리를 위한 적절한 준비 없이 설계되었습니다. 일반 애플리케이션의 경우 일반적으로 짧은 피그테일을 통해 커넥터 핀에 스크린을 연결하는 것이 허용됩니다. 그러나 항상 무선 주파수 커넥터의 경우와 같이 신호 도체를 계속 둘러싸도록 커넥터의 전도성 본체를 통해 스크린 연결을 통과시키는 것이 훨씬 바람직합니다. 신호 회로가 각각 한 쌍의 피그테일이 있는 여러 커넥터를 통과하면 각 커넥터에 주입된 노이즈가 누적됩니다.

스크린 연결을 관리하는 한 가지 방법은 스크린을 함께 고정하거나 공통 금속 부품에 고정하는 것입니다. 이를 위한 하드웨어는 나사 단자대 공급업체에서 구할 수 있습니다. 아이디어는 그림 7에 나와 있습니다.

그림 7:터미널 블록 또는 커넥터에서 화면 연결

클램프의 목적은 피그테일 스크린 연결을 방지하여 피그테일에 나타날 수 있는 노이즈 전압의 주입을 방지하는 것입니다. 최소 표유 인덕턴스로 화면을 연결합니다. 여기 터미널에서 노출된 비차폐 도체의 작은 영역은 땋은 머리보다 훨씬 덜 중요합니다. 그 이유는 차폐되지 않은 도체가 터미널 바로 근처의 전자기장에만 노출되는 반면 피그테일은 차폐된 케이블의 전체 실행을 따라 수집된 노이즈 전류를 전달하기 때문입니다.

일반적으로 클램프는 접지된 금속 부품에 고정되지만 이는 주로 안전상의 이유입니다. EMC의 이점은 두 케이블 스크린 사이의 매우 낮은 인덕턴스 링크입니다.

이더넷

이더넷은 위의 모든 경우에 예외입니다. 최신 이더넷은 차폐 케이블이 필요하지 않지만 우수한 공통 모드 잡음 내성을 제공하기 위해 갈바닉 절연 평형 변압기 커플링과 함께 매우 균형 잡힌 비차폐 연선 케이블에 의존합니다. 또한 멀티 드롭 구조를 사용하지 않아 여러 노드에 노이즈 전류가 축적되는 경향도 방지합니다.

접지 루프

그림 3에서 저항 효과를 살펴본 결과 일부 애플리케이션에서 양쪽 끝에서 케이블 스크린을 연결하지 않는 것이 권장되는 이유를 이해할 수 있습니다. 화면에 전류가 없을 수 있기 때문에 화면이 한쪽 끝에만 연결되어 있으면 오류 전압 IR이 나타나지 않습니다. 이 조언은 "접지 루프를 피하기 위해" 제공될 수 있습니다. 그러나 케이블은 모든 자기장 차단 기능을 잃게 되며 이는 고주파 차단 기능을 의미합니다. 이 조언은 다음 사항이 모두 적용되는 매우 특정한 상황에서만 정확합니다.

• 저주파수(예:주전원)에 차동 접지 전압이 존재하거나 주전원 주파수에 표유 자기장이 있습니다.
• 회로는 주 주파수에서 작은 섭동에 민감한 아날로그 신호를 사용합니다.
• 스크린은 저주파에서 전기장 결합을 방지하기 위해서만 필요합니다.

가장 일반적인 경우는 아날로그 오디오 시스템에서 발생합니다. 이 시스템에서는 작은 수준의 전원 픽업으로도 짜증나는 "윙윙거리는 소리"가 발생합니다. 아날로그 인터페이스가 있는 서보 컨트롤러에도 적용될 수 있지만 위에서 설명한 차동 인터페이스를 사용하는 것이 좋습니다.

이중 차폐 케이블

이중 차폐 케이블은 특히 일반적으로 쌍으로 선별되는 3개의 균형 잡힌 데이터 코어 쌍, 일부 전원 코어 및 전체 화면이 있는 샤프트 인코더 인터페이스에 권장됩니다.

원칙적으로 각 데이터 쌍에 대해 하나의 화면만 필요하며 전체 화면 또는 개별 화면이 될 수 있습니다. 그러나 이중 차폐 케이블의 이점은 다음과 같습니다.

• 외부 스크린은 모터와 엔코더 본체에 고정될 수 있으므로 엔코더 인터페이스 회로 0V 단자에 들어가지 않고 드라이브에서 접지로 되돌아갈 수 있는 스크린에 높은 노이즈 전류가 발생합니다.
• 0V 단자는 접지에서 절연된 상태로 유지될 수 있으며(시스템 설계에 필요한 경우) 접지에 연결된 전체 고주파수 스크린을 계속 제공합니다.
• 접지 루프 전류는 외부 화면으로만 제한될 수 있습니다.
• 개별 화면으로 인해 개별 쌍의 임피던스가 잘 제어됩니다.

그림 8은 이것이 어떻게 연결되는지 보여줍니다(명확성을 위해 2개의 채널이 표시됨).

그림 8:이중 차폐 인코더 케이블 연결

참조

Henry W Ott:전자기 적합성 엔지니어링:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

또 다른 추천 도서

Tim Williams 및 Keith Armstrong:시스템 및 설치를 위한 EMC:Newnes:ISBN 9780750641678