신호 회로용 차폐 케이블(1부)

이 두 개의 블로그 세트는 신호 회로에 차폐(차폐라고도 함) 케이블을 사용하는 방법을 살펴봅니다. 이 주제는 제 EMC 블로그에 언급되었으며 더 자세히 다시 방문하기로 약속했습니다.

이후 블로그에서는 AC VSD를 모터에 연결하는 데 권장되는 차폐 전원 케이블에 대해 설명합니다. 두 경우 모두 스크린의 목적은 스크린 내부의 회로와 외부의 다른 회로 간의 원치 않는 전자기 결합을 방지하는 것입니다. 주요 차이점은 모터 케이블 차폐가 외부 회로를 보호하는 반면 신호 케이블 차폐는 외부 전기 노이즈의 간섭으로부터 내부 회로를 보호한다는 것입니다.

차폐 케이블은 전자 시스템에서 일반적이며 일반적으로 당연하게 여겨집니다. 그러나 그것들은 보이는 것처럼 단순하지 않으며 자주 오용되고 오해됩니다. 다행스럽게도 현대의 전자 회로는 일반적으로 전기 노이즈에 대한 내성이 우수하므로 시스템은 케이블 관리의 잘못된 관행에도 불구하고 일반적으로 작동합니다. 그러나 가변 속도 드라이브를 사용할 때 인버터는 상당히 높은 수준의 전자기 노이즈를 생성하기 때문에 올바른 실행을 사용하는 것이 오히려 더 중요합니다. 이는 적절하게 배열되지 않으면 관련 제어 회로에 교란을 일으킬 수 있습니다.

1부에서는 차폐 신호 케이블의 일반 원리를 살펴보고 2부에서는 좀 더 구체적인 실제 세부 사항을 살펴봅니다.

몇 가지 일반적인 질문

차폐 케이블 관리를 위해 추진된 다양한 규칙은 정당한 이유가 있지만 상충되고 혼란스러울 수 있습니다. 다음은 제가 답변하고 싶은 몇 가지 일반적인 질문입니다.

1. 화면의 양쪽 끝을 연결해야 하나요?
2. 아니야 아니야 화면의 양쪽 끝을 연결??
3. 화면이 반드시 접지(어스)에 연결되어야 합니까?
4. 그라운드(어스) 루프에 대해 걱정해야 합니까?
5. 바닥 변발 길이는 얼마나 되나요?
6. 터미널 블록을 통해 어떻게 연결합니까?
7. 밸런스(차동) 아날로그 회로를 어떻게 연결합니까?
8. 이더넷은 어떻습니까? 비차폐 케이블이 작동합니까?

몇 가지 중요한 용어

다음 설명에서:

그라운드 주전원 연결 시스템의 안전 접지 또는 접지(PE)는 궁극적으로 건물의 보호 본딩 네트워크와 아래의 물리적 접지(접지)에 연결됩니다. 신호 회로가 접지에 연결되고 안전상의 이유로 연결되지 않은 경우 안전 접지와 구별되는 기능 접지라고 할 수 있습니다.

시스템의 신호 반환 또는 공통 또는 기준 연결은 여기에서 "기준 극이라고 합니다. ". Control Techniques 장비에서는 이것을 "0V" 연결이라고 합니다. 이것은 종종 접지에 연결되지만 반드시 그럴 필요는 없습니다. 일부 균형 데이터 회로에는 기준 극이 없을 수 있습니다.

전기 패널에서 금속 구조의 주요 질량은 "섀시 ". 이것은 일반적으로 안전상의 이유로 접지에 연결되지만 전기 노이즈를 고려하면 주위에 다른 전위를 가질 가능성이 없는 광범위한 전도성 표면을 포함하는 것이 더 중요합니다.

평형 또는 푸시풀 신호 회로에서 신호 라인을 A+ 및 A-라고 합니다. 설계에 따라 연결된 0V 또는 섀시 연결이 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다.

“고빈도 "는 케이블 차단 주파수보다 훨씬 높은 무선 통신 범위의 주파수를 광범위하게 의미합니다. 약 50kHz 이상 또는 그 부근. 가변 속도 드라이브에서 이러한 고주파수는 전력 반도체의 매우 빠른 스위칭의 부작용으로 발생합니다.

전기 잡음(간섭)이란 무엇입니까?

여기서 전기 노이즈는 전기 회로의 원치 않는 상호 작용의 영향을 나타냅니다. 모든 전기 활동은 원치 않는 전기 신호를 근처 회로로 유도할 수 있는 전자기장을 생성합니다. 전압과 전류의 급격한 변화는 원치 않는 결합을 향상시키기 때문에 일반적으로 무선 범위의 주파수에서 효과가 가장 나쁜 경향이 있습니다. 신호 회로는 고주파수 자체(예:직렬 디지털 데이터 링크, 인코더 데이터)를 사용하거나 의도한 대역폭(예:아날로그 입력)을 훨씬 초과하는 고주파수에 의도하지 않은 민감도를 갖기 때문에 고주파수 간섭에 민감할 수 있습니다. 잘 설계된 신호 회로는 애플리케이션의 요구 사항에 맞게 조정된 대역폭을 가지므로 빠르게 변화하는 교란에 불필요하게 민감하지 않습니다. 그러나 의도한 대역 외의 높은 수준의 교란은 비선형성으로 인해 여전히 오류를 유발할 수 있습니다. 이것이 예를 들어 모바일(휴대폰) 전화로 인해 사운드 시스템에서 간섭을 듣는 것이 매우 일반적인 이유입니다.

이러한 종류의 노이즈의 중요한 특징은 매우 넓은 범위의 주파수를 커버할 수 있다는 것입니다. 간섭은 50/60Hz의 주 주파수 소스에서 휴대폰 및 약 2 – 5GHz의 기타 무선 주파수 영역까지 발생할 수 있습니다. 이것은 8자리 범위이며 일부 주파수에서는 잘 작동하는 규칙이 다른 주파수에서는 효과가 없거나 역효과를 낳을 수도 있습니다. 이것이 EMC 및 차폐 케이블 관리에 대한 규칙이 때때로 충돌하는 것처럼 보일 수 있는 이유입니다. 특정 주파수 범위의 위협을 위한 것일 수 있습니다.

다른 종류의 전기 노이즈는 0K 이상의 온도에서 모든 회로에 본질적으로 존재하는 열적으로 생성된 랜덤 노이즈입니다. 이것은 매우 민감한 무선 수신 장비에만 해당되며 여기에서는 다루지 않습니다.

차폐 케이블의 작동 방식

차폐 케이블에는 연속 차폐 도체로 둘러싸인 하나 이상의 신호 코어가 있습니다. 동축 케이블은 하나의 내부 코어가 스크린으로 둘러싸여 있으며 주로 무선 주파수 애플리케이션에 사용됩니다. 스크린은 가장 일반적으로 가는 와이어의 편조로 만들어지며 전도성 호일로 보완될 수 있습니다. 덜 일반적으로 스크린은 단단한 금속일 수 있으며 페라이트와 같은 자성 물질을 포함할 수 있습니다.

스크린의 목적은 외부 전자기 에너지가 신호 회로에 원치 않는 신호를 유도하는 것을 방지하는 것입니다. 전자기장은 관련된 자기장과 전기장을 함께 포함합니다. 작동 이해를 돕기 위해 먼저 전기장과 자기장에 대한 영향을 별도로 고려할 수 있습니다. 전자기 간섭에 영향을 받지 않는 회로의 경우 전기장과 자기장 모두에 영향을 받지 않아야 합니다.

전기장 검사

이것은 이해하기 가장 간단한 메커니즘입니다. 그림 1은 신호 소스를 신호 부하에 연결하는 단순한 단일 라인(불평형) 신호 회로의 차폐 케이블에 충돌하는 외부 노이즈 소스의 전기장 E를 보여줍니다. 필드는 스크린 도체에서 종료되고 내부 도체로 침투하지 않으므로 간섭이 발생하지 않습니다.

스크린이 없으면 전기장은 신호 회로가 변경될 때마다 전류를 유도합니다. 이것은 회로의 임피던스에 따른 양만큼 수신 전압에서 과도 오류, 즉 노이즈를 유발할 수 있습니다. 임피던스가 높을수록 오류가 커집니다. 일반적으로 소스는 전계 유입으로 인한 오류 전압을 최소화하기 위해 낮은 임피던스를 갖도록 설계됩니다.

그림 1:전기장 스크리닝 메커니즘

접지 연결은 원칙적으로 화면이 작동하는 데 필요하지 않기 때문에 그림 1에서 선택 사항으로 표시됩니다. 필수적인 것은 신호 전압이 스크린에 상대적인 내부 도체에 존재하도록 소스와 부하의 기준 극이 스크린에 연결되어야 한다는 것입니다.

실제로 소스 및 부하의 설계에 따라 기준 극의 전위를 견딜 수 없을 수 있으므로 스크린을 접지에 연결하는 것이 일반적입니다. 그림 1에는 접지에 대한 연결이 하나만 있으며 간단한 전기장 스크리닝의 경우 연결 위치는 중요하지 않습니다. 그러나 필드 E가 시간에 따라 변할 때 변화하는 전하로 인해 전류가 접지로 흐른다. 전류가 흐르면 자기장 효과도 고려해야 합니다. 주파수가 증가함에 따라 전기장과 관련된 전류도 증가하므로 그림 1의 배열은 50/60Hz 주전원과 같은 저주파 전기장 간섭을 배제하는 데에만 성공적입니다.

자기장 스크리닝

차폐 케이블의 자기장 차폐 효과는 이해하기가 조금 더 어렵지만 똑같이 중요합니다. 전류가 흐르는 곳마다 자기장이 변할 때 회로에 전위를 유도할 수 있는 관련 자기장이 있습니다. 그림 2는 그림 1과 동일한 회로를 연결하는 외부 전류 전달 회로에서 발생하는 자속 B를 보여줍니다.

그림 2:자기장 스크리닝 메커니즘

자기장이 변하면 전도체에 연결된 자속의 변화율에 비례하는 전도체에 전위가 유도되며 여기에 E_B1로 표시됩니다. 화면 및 E_B2 내부 지휘자를 위해.

유도 전위는 그림 2에 설명된 사실을 제외하고 수신된 신호의 일시적인 오류, 즉 노이즈를 나타냅니다.

내부 및 외부(스크린) 도체 모두에 정확히 동일한 전압이 유도됩니다. 그래서 E_B1 =E_B2 .

그 이유는 스크린 도체를 연결하는 자속은 본질적으로 내부 도체도 연결하기 때문입니다.

전압 E_B1 및 E_B2 빨간색으로 표시된 것은 신호 회로에서 동일하지만 반대이므로 부하에서 상쇄됩니다.

두 유도 전압의 불균형이 발생하지 않는 한 상쇄는 매우 정확하며 차폐 케이블은 자기장 변화로부터 탁월한 보호 기능을 제공합니다.

그림 2에서 소스와 부하 모두 다른 회로에 연결되어 있지 않습니다. 즉, 갈바닉 절연되어 있습니다. 이 경우 화면에 전류가 흐르지 않고 E_B1 사이에 오류를 일으킬 수 있는 것은 없습니다. 및 E_B2 .

실제로 갈바닉 절연을 사용하더라도 표유 커패시턴스가 있으므로 일부 전류가 더 높은 주파수에서 흐를 수 있습니다. 그러나 화면에 흐르는 모든 전류는 신호 도체를 연결하는 자속의 변화를 일으킵니다. 취소 메커니즘은 여전히 ​​작동합니다.

저주파 화면 전류

그림 2에서 외부 자기장에 의해 유도된 전압은 내부 도체와 외부 도체 모두에서 동일함을 보여줍니다. 동등하게 유도되지 않는 또 다른 전압원은 단순한 저항 전압 강하입니다. 그림 3은 송신단과 수신단이 모두 로컬 섀시 또는 접지에 연결되어 있고 접지차 전압 E_D가 있는 상황을 보여줍니다. 현재 I_D 발생 화면에 흐르도록 합니다. 차 전압은 전체 시스템의 다양한 영향으로 인해 발생할 수 있습니다. 본질적으로 모든 종류의 전자파에 대한 수신 안테나 역할을 하는 케이블 스크린에 의해 수집되는 다양한 노이즈 전압과 전압 강하의 합입니다. 주전원 주파수와 같은 순환 표류 전류로 인해 발생합니다.

모터 샤프트 인코더를 사용하는 드라이브 시스템에는 특정 접지차 전압 소스가 있습니다. 차폐된 모터 케이블을 사용함에도 불구하고 모터 권선과 모터 케이블의 빠른 PWM 펄스로 인해 모터 본체는 접지에 비해 상당한 노이즈 전압을 가질 수 있습니다. 샤프트 인코더에 모터 바디에 직접 고정된 금속 바디가 있는 경우 인코더 케이블 스크린에서 접지 차동 전압을 피하기 어렵습니다.

그림 3:화면 전류의 영향

현재 I_D 두 가지 구성 요소로 화면에 전압 강하를 일으킵니다.

• 유도 성분 IjwL 여기서 L은 케이블 스크린 인덕턴스입니다.
• 저항 구성요소 IR 여기서 R은 케이블 스크린 저항입니다.

유도 성분은 전류에 의해 유도된 자기장에 의해 발생합니다. 자기장은 또한 내부 도체를 연결하므로 E_B1에 동일하게 기여합니다. 및 E_B2 수신된 신호를 방해하지 않습니다.[1]

저항 구성 요소는 E_B2에 나타나지 않습니다. , 그래서 신호와 직렬로 나타나 오류를 일으킵니다.

전기장이 유도 전류를 유발하는 반면 효과는 회로의 임피던스에 비례하지만 여기에는 유도 전압이 있습니다. 신호 소스의 임피던스를 낮추어도 오류가 줄어들지 않습니다. 자기장 유도가 간섭의 주요 원인인 경우 가장 좋은 기술은 전류 신호를 사용하는 것이며, 이것이 신호 케이블이 매우 긴 프로세스 제어 시스템에서 4 – 20mA 전류 소스 방법이 널리 사용되는 이유입니다.

케이블의 인덕턴스가 임피던스를 지배하는 고주파수에서 IR은 상대적으로 작습니다. 또한, 표피효과로 인해 전류가 주로 화면의 내부가 아닌 외부로 흐르기 때문에 고주파에서는 실효저항이 작습니다. 이것의 결과는 더 낮은 주파수에서 케이블 스크린이 덜 효과적이라는 것입니다. 이는 스크린 컷오프 주파수로 측정할 수 있으며 그 이하에서는 비효율적입니다. 일반적으로 사용되는 케이블의 경우 1kHz ~ 10kHz 범위에 있는 경향이 있습니다[예를 들어 참조의 62페이지 참조].

그림 3은 또한 "땋은 머리"의 효과, 즉 스크린 리턴 연결을 만드는 데 사용되는 와이어 길이를 강조합니다. 현재 I_D 피그테일로 흐르고 피그테일 인덕턴스의 모든 전압 강하는 신호와 직렬로 나타납니다. 여기서 요점은 이것이 두 도체 모두에 나타나지 않는 유도 전압 강하이므로 차폐 케이블에 의해 상쇄되지 않는다는 것입니다. 피그테일은 더 높은 주파수에서 케이블의 차폐 기능에 해롭습니다.

케이블 스크린의 종류

기존의 케이블 스크린은 100%에 가까운 적용 범위(즉, 편조의 최소 "창")를 갖는 가는 구리 와이어의 편조입니다. 일부 데이터 케이블은 단독으로 또는 브레이드와 함께 금속 호일 또는 금속화된 플라스틱 호일을 사용합니다.

넓은 범위의 주파수에서 효과적이려면 스크린이 최대 적용 범위, 낮은 저항, 브레이드 사이의 양호한 길이 방향 연속성을 가져야 최소 전압 강하 및 내부 전류와의 최소 혼합으로 외부를 따라 전류가 흐를 수 있습니다. 호일 단독으로는 저항이 다소 높아 효과적이지 않지만 브레이드와 결합하면 내부 및 외부 전도성 표면을 분리하는 데 도움이 될 수 있습니다.

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

[1] 이것을 제대로 이해하려면 약간의 생각이 필요합니다. 스크린 전류로 인한 모든 자기장은 내부 도체를 연결해야 합니다. 내부 도체 전류로 인해 발생하는 모든 자기장이 화면을 연결해야 하는 것은 아닙니다.