Unter Ingenieuren in verschiedenen Bereichen wie dem Design von elektronischen Produkten, Industrieausrüstungen, Anlagen oder Maschinen gibt es einen Mythos bezüglich der Verbindungen der Abschirmungen von abgeschirmten Kabeln. Es behandelt, wie der Schirm des abgeschirmten Kabels mit einem Stecker, einer Leiterplatte oder einigen Klemmen verbunden wird. Eine übliche Praxis besteht darin, die Isolierung vom Kabel zu entfernen, den Schirm zu öffnen und ihn mit mehr oder weniger Länge zu flechten, wobei ein "Pigtail" oder "Pigtail" konfiguriert wird, das an Masse angeschlossen wird, als wäre es ein einfaches Kabel. Wo und wie die Abschirmung eines abgeschirmten Kabels mit der Erde verbunden ist, kann seine Leistung radikal verändern, unabhängig von den intrinsischen Eigenschaften seiner Herstellung. Die Masseverbindung eines Kabelschirms kann das schwächste Glied in der Kette sein, insbesondere bei hohen Frequenzen. Es kann schwierig und teurer sein, die Abschirmung eines Kabels mit einem Stecker anzuschließen, der über eine gute interne Klemme verfügt. Eine gute Klemme hat immer eine Impedanz, die viel niedriger ist als die Übertragungsimpedanz des Schirms. Wenn anstelle eines Steckers ein Pigtail verwendet wird, ist dies immer ein begrenzender Faktor für die tatsächliche Leistung des Kabels. Ein Steckverbinder, der die Abschirmung 360º mit einer internen Klemme verbinden kann, ist die beste Möglichkeit, die Abschirmung eines Kabels mit Masse zu verbinden (z. B. BNC-, N- oder SMA-Steckverbinder für Koaxialkabel). Die Pigtail-Verbindung verschlechtert immer die Eigenleistung der Abschirmung bei hoher Frequenz. Im besten Fall bietet die beste Methode zur Erdung der Abschirmung eine Leistung, die fast der Gesamtleistung eines abgeschirmten Kabels entspricht. Es verbessert sie nie.
Die Vorteile der Rüstung
Generatoren induzieren Störströme in Gerätekabeln, und diese Ströme bewirken, dass EMI-Spannungen an den Eingangsanschlüssen der betroffenen Geräte auftreten. Diese Art von Kopplungsmechanismus ist die Kopplung des externen Felds an das Kabel und spielt eine wichtige Rolle bei EMI-Problemen, da sie eine zentrale Rolle bei der Bewertung der Strahlungsimmunität (oder -anfälligkeit) des zu testenden Geräts spielt. Die Bewertung der Leistung des Kabelschirms zusammen mit seinen Erdverbindungen liefert wichtige Informationen für die richtige Auslegung der Kabelinstallation. Die erste Verteidigungslinie gegen diese EMI-Bedrohung ist die Verwendung gut abgeschirmter Kabel. Wenn die Oberflächenübertragungsimpedanz des Kabelschirms niedrig ist (dies wird normalerweise durch eine gute optische Abdeckung erreicht), dann nimmt die EMI-Spannung an den Geräteanschlüssen ab.
Querimpedanz
Die Abschirmung von geschirmten Kabeln aus Kupfergeflecht hat eine Übertragungsimpedanz, die mit der Frequenz zunimmt, aber ihre Zunahme ist viel geringer als bei der Abschirmung aus Spirale. Die Transferimpedanz ZT ist ein Maß für den Wirkungsgrad der Schirmung eines geschirmten Kabels. Es ist das Verhältnis zwischen dem Strom, der aufgrund externer EMI durch die Abschirmung fließt, und der im internen Kabel innerhalb der Abschirmung pro Längeneinheit induzierten Spannung. Sie kann auch definiert werden als das Verhältnis zwischen dem durch den Innenleiter fließenden Strom und der pro Längeneinheit im Schirm induzierten Spannung. Die Transferimpedanz ZT wird wie folgt angegeben: ZT = (1 / IS) (dV / dl) Dabei ist IS der durch die Abschirmung fließende Strom, dV die im internen Kabel induzierte Spannung und dl die Längeneinheit. Der korrekte Betrieb des abgeschirmten Kabels basiert auf der Tatsache, dass sowohl der EMI-Strom außerhalb des Kabels als auch der Rückstrom des zentralen Leiters die Abschirmung in zusammenhängenden Schichten teilen. Der Skin-Effekt macht dies ab einem bestimmten Frequenzwert möglich, wobei der EMI-Strom eine dünne Schicht in der äußeren Zone der Abschirmung belegt, während der Rückstrom dasselbe tut, aber in einer inneren Schicht der gleichen Abschirmung. Aufgrund des Skin-Effekts können beide Ströme ohne gegenseitige Beeinflussung koexistieren. Abbildung 1 zeigt die Transferimpedanzwerte in Kabeln mit unterschiedlichen Schirmungsarten. Je niedriger die Übergangsimpedanz, desto besser die Abschirmung des Kabels. Die meisten Probleme mit abgeschirmten Kabeln sind auf unsachgemäße Verbindungen der Abschirmungen zurückzuführen. Die beste Leistung, die mit einem abgeschirmten Kabel erzielt werden kann, wird nur erzielt, wenn die Abschirmung korrekt mit Erde verbunden ist. Die Anforderungen für eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen Abschirmung und Erde lauten wie folgt: 1. Eine Erdverbindung mit sehr niedriger Impedanz 2. Eine Verbindung mit einem Kontakt zwischen dem Stecker und der Abschirmung bei 360º 3. Eine Verbindung am richtigen Ende (oder Extremen ) und an der oder den entsprechenden Stellen
Die Zöpfe oder "Zöpfe"
Die Wirkung der Abschirmung für das Magnetfeld hängt von der gleichmäßigen Verteilung des Längsstroms über den Umfang der Abschirmung ab. Daher hängt die Wirksamkeit der magnetischen Abschirmung in der Nähe der Kabelenden stark von der Methode ab, mit der die Abschirmung verbunden wird. Eine Pigtail-Verbindung (Abbildung 2) bewirkt, dass der Schirmstrom auf einer Seite des Schirmumfangs konzentriert wird. Für maximalen Schutz sollte die Abschirmung gleichmäßig um ihren Umfang herum abschließen. Dies kann durch die Verwendung von Koaxialsteckern wie BNC, SMA, SMB, TNC, N, K, C usw. erreicht werden, wenn ein Koaxialkabel verwendet wird. Das Beispiel des BNC-Steckers, der gerade geschlossen und geschlossen wird, ist in Abbildung 3 dargestellt. Der BNC-Stecker bietet einen guten elektrischen Kontakt des Schirmgeflechts, das 360º gegen das Steckergehäuse verteilt ist. Ein koaxialer Abschluss bietet auch eine vollständige Abschirmung des inneren Signalleiters, wodurch die Integrität der Abschirmung für das elektrische Feld erhalten bleibt. Es ist wichtig, einen guten 360º-Kontakt zwischen der Abschirmung und dem Steckverbinder sowie zwischen den beiden Hälften, aus denen der Steckverbinder besteht, zu haben. Es gibt andere Methoden, um einen 360º-Schirmabschluss bereitzustellen, ohne dass ein Steckverbinder erforderlich ist. Sie können Metallflansche, Metallkabelverschraubungen verwenden, das anzuschließende Geflecht mit seinem gesamten Umfang öffnen ..., wie in Abbildung 4. Auch wenn der Stecker nicht koaxial ist, wie beispielsweise beim DB25-Stecker, können auch Schirmverbindungen verwendet werden bei 360º verwendet werden. Die 360°-Verbindung kann durch die Metallgehäuse oder -hauben verschiedener Steckverbindertypen hergestellt werden. Steckverbinderhersteller bieten eine Vielzahl mechanischer Lösungen zum Anbringen der Abschirmung oder Abschirmung am Steckverbinder oder in einer Verschraubung an, z. B. Flachkegel, Iris-Kompressionsring, leitfähiger Schrumpfschlauch und Lötgeflecht. Als Beispiel zeigt Abbildung 5 das Detail der 360º Schirmanbindung in einer Kabelverschraubung aus Metall. Die Verwendung eines Anschlusses vom Pigtail-Typ, dessen Länge nur einen kleinen Bruchteil der Gesamtlänge des Kabels ausmacht, kann bei Frequenzen über 100 kHz einen erheblichen negativen Effekt auf die Kopplung von elektromagnetischer Interferenz (EMI) mit dem Kabel haben. Die kapazitive Kopplung (elektrisches Feld) zum abgeschirmten Teil des Kabels ist vernachlässigbar, da der Schirm geerdet ist. Oberhalb von 100 kHz ist die Hauptkopplung zum Kabel die induktive Kopplung des Pigtails. Als praktisches Beispiel zeigt Abbildung 6 die richtige und falsche Schirmanbindung für ein HDMI-Videokabel. Die falsche Verbindung ist auf ein zu langes Pigtail zurückzuführen und die richtige Verbindung auf eine gut gemachte 360º-Verbindung um das Steckergehäuse herum.
gleichartiger Schaltkreis
Der Rückstrom eines Gleichstrom- oder sehr niederfrequenten Signals nimmt den Weg des geringsten Widerstands. Bei hoher Frequenz nimmt der Rückstrom jedoch den Weg der niedrigsten Impedanz. Die Impedanz im Rückkreis ist der Widerstand der Erde, der Widerstand der Verbindungen, des Kabelschirms, der induktiven Reaktanz der Kabel und ein weiterer wichtiger Faktor, der induktive Reaktanz der Erdverbindung des Kabels. Diese Reaktanz ist eine Funktion der Induktivität (manchmal als „extern“ bezeichnet, um sie von der Drahtinduktivität von etwa 1 μH/m zu unterscheiden). Die Induktivität ist eine Funktion der Fläche der durch die Masseverbindung gebildeten Schleife. Es ist ersichtlich, dass die Schleifenfläche der Kabelmasseverbindung viel größer ist als die Schleifenfläche zwischen Kabel und Schirm. Daher ist die induktive Reaktanz höher und der Rückstrom wählt den Weg der geringsten Reaktanz und kehrt wie erforderlich durch die Abschirmung zurück. Abbildung 7 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Abschirmung und ihrer Masseanschlüsse. Im Schaltplan ist LT die Induktivität des Pigtails, die ungefähr 10 nH/cm beträgt. Die Gleichungen der Ersatzschaltkreisschleife sind in Abbildung 8 dargestellt. IL nimmt proportional zur Abnahme der Induktivität LT des Pigtails ab. Um die Vorteile der Abschirmung voll auszuschöpfen, ist bei der Verbindung der Abschirmung mit Erde ein niedriger Widerstand und eine niedrige Induktivität erforderlich. Die Verbindung zwischen Schirm und Stecker ist Teil einer Kette. Wir haben die Verbindungen vom Gehäuse zum Stecker, vom Kabelstecker zum Einbaustecker, vom Einbaustecker zur Box und vom Kastenpanel zur Masse. Alle von ihnen haben eine niedrige Impedanz; Andernfalls, wenn wir in dieser Kette eine schwache Verbindung zur Erde haben, wird dies die Leistung der gesamten Kette verringern und die Abschirmung fast unbrauchbar machen. Eines der schwächsten Glieder in dieser Kette ist die Verbindung vom Kabelstecker zum Einbaustecker. Einige runde Mehrleitersteckverbinder verwenden das Bajonett als Verriegelungsmechanismus. Dieser Steckertyp hat nur wenige Kontaktstellen und hat daher einen hohen Übergangswiderstand. Ein Schraubkupplungsstecker ist viel besser, da er einen elektrischen Kontakt mit niedrigerer Impedanz hat.
Kopplung von EMI an das Kabel
Auf experimenteller und praktischer Ebene wird die Auswirkung von Abschirmungsanschlüssen auf die Kopplung von EMI mit dem abgeschirmten Kabel dargestellt. Es werden fünf verschiedene Arten der Erdverbindung eines abgeschirmten Kabels mit einem verdrillten Innenpaar von 5 Metern Länge verglichen, das zwei Geräte miteinander verbindet, wie in Abbildung 2 dargestellt auf niedrigste Anschlussimpedanz): ohne beidseitigen Schirmanschluss, mit einseitigem Schirmanschluss bei 9°, Schirm mit beidseitigem Einzel-Pigtail-Anschluss, Schirm mit beidseitigem Doppel-Pigtail-Anschluss mit Pigtail und Schirm mit beidseitigem Anschluss bei 360°. Einen Vergleich der einzelnen Schirmabschlussarten für Frequenzen von 360 MHz bis 10 GHz zeigt Abbildung 1. Der EMI-Pegel ohne Kabel (dies ist die blaugrüne Kurve) beträgt 1 bis 5 dBuV. Die rote Kurve zeigt das Ergebnis ohne Erdung des Kabelschirms. Wie zu sehen ist, steigt sie linear mit der Frequenz mit einem Anstieg von 10 dB/Dekade an, etwa bis zu 20 MHz, wo die erste Resonanz auftritt. Diese Resonanz ist zu erwarten, da sie der Frequenz entspricht, bei der die Länge des Drahtes gleich einer halben Wellenlänge (ë / 70) ist. Die Kurve in Schwarz entspricht dem einseitigen Anschluss des Schirms bei 2º im Stecker. Abgesehen von einer leichten Abnahme im niederfrequenten Bereich unterhalb von 360 MHz ist das Verhalten fast das gleiche wie im vorherigen Fall. Wenn der Kabelschirm beidseitig mit einem Pigtail von ca. 10 mm Durchmesser und 1 mm Länge verbunden wird, sinkt die induzierte Spannung schnell auf die Resonanzfrequenz (grüne Kurve). Die Antwort ist jedoch nach der Resonanzspitze ähnlich. Das Hinzufügen eines weiteren Pigtails parallel zum vorherigen auf beiden Seiten verbessert die Situation um etwa 10 dB (blaue Kurve). Aber die wirkliche Verbesserung wird mit der 10º-Verbindung auf beiden Seiten erreicht (magentafarbene Kurve). Abgesehen von der Resonanzfrequenz liegt die induzierte Spannung sehr nahe am EMI-Schwellenwert. Außerdem ist die induzierte Spannung um 360 dB geringer als in den anderen Fällen bei der Resonanzfrequenz, wo die meisten stärkeren induzierten Spannungen erhalten werden. Die Ergebnisse eines weiteren interessanten Tests sind in Abbildung 50 dargestellt. Es geht um den Vergleich der Unterschiede in den Ergebnissen der EMI-Kopplung an einem abgeschirmten Kabel, das seine Abschirmung mit Pigtails unterschiedlicher Länge verbindet. Die rote Linie ist die Abschirmung ohne Masseverbindung. Am anderen Ende ist die schwarze Linie das Koaxialkabel mit der Verbindung, die mit Steckern ohne Pigtails hergestellt wird. Die violette Linie ist das Kabel mit nur den Adaptern, um die Pigtails später anschließen zu können. Die restlichen Leitungen entsprechen den Masseanschlüssen mit unterschiedlich langen Pigtails. Bei diesem Test liegt die erste Resonanzfrequenz bei 11 MHz.
Schirm beidseitig auf Masse legen
Der Hauptgrund für die Abschirmung von Kabeln bei niedriger Frequenz ist der Schutz vor Kopplung elektrischer Felder, hauptsächlich von 50-Hz-Netzleitern.Eine Abschirmung bietet keinen Schutz vor magnetischen Feldern bei niedriger Frequenz. Dies weist auf den Vorteil der Verwendung von geschirmten Twisted Pairs bei niedrigen Frequenzen hin: Die Abschirmung schützt vor der Einkopplung elektrischer Felder und die Twisted Pair vor der Einkopplung magnetischer Felder. Wenn die Abschirmung an beiden Enden des Kabels geerdet ist, wird die mögliche EMI-Reduzierung durch die Potentialdifferenz zwischen den Erdungen und durch die Anfälligkeit der Erdschleife für Magnetfelder begrenzt. Im Fall einer geschirmten verdrillten Doppelleitung, bei der die Abschirmung an beiden Enden mit Erde verbunden ist, wird ein Teil des Erdschleifenstroms gezwungen, durch die Abschirmung zu fließen, da sie eine niedrigere Impedanz hat, und nicht durch die Signalrückführung des Leiters. Bei einem Koaxialkabel muss dessen Schirm beidseitig auf Masse gelegt werden, da er auch der Rückleiter des Signals ist. In diesem Fall kann die EMI-Kopplung reduziert werden, indem die Transferimpedanz der Abschirmung verringert wird, da dies die gemeinsame Impedanzkopplung reduziert. Wenn der Störfestigkeitspegel erhöht werden muss, muss die Erdschleife unter Verwendung von Optokopplern, Gleichtaktdrosseln oder Trenntransformatoren geöffnet werden. Bei Frequenzen über 100 kHz oder bei Kabellängen größer ë/20 ist eine beidseitige Schirmerdung erforderlich. Dies gilt sowohl für Mehrleiterkabel als auch für Koaxialkabel. Daher ist es bei Hochfrequenz- und Digitalschaltungen üblich, die Kabelabschirmung an beiden Enden zu erden. Alle kleinen EMI-Spannungen, die durch Massepotentialunterschiede verursacht werden, die an den Schaltkreis gekoppelt werden können (hauptsächlich bei 50 Hz und seinen Oberwellen), wirken sich nicht auf digitale Schaltungen aus und können normalerweise aufgrund des großen Spannungsunterschieds herausgefiltert werden Digitalsignal. Bei Frequenzen über 1 MHz reduziert der Skin-Effekt die gemeinsame Impedanzkopplung der Signal- und EMI-Ströme, die durch die Abschirmung fließen. Der Skin-Effekt bewirkt, dass EMI-Strom auf der Außenfläche der Abschirmung fließt und Signalstrom auf der Innenfläche der Abschirmung fließt. Die doppelte Schirmerdverbindung bietet auch eine Magnetfeldschirmung bei Frequenzen oberhalb der Schirmgrenzfrequenz.
Schirmanschluss nur einseitig
Bei niederfrequenten Schirmen von mehradrigen geschirmten Kabeln, bei denen der Schirm nicht der Rückleiter für die Signale ist, wird der Schirm oft nur an einem Ende angeschlossen. Wenn die Abschirmung an beiden Enden angeschlossen ist, können aufgrund des möglichen Potentialunterschieds zwischen den Massen der beiden Kabelenden EMI-Ströme durch die Abschirmung fließen. Diese Potentialdifferenz und damit der Strom durch die Abschirmung ist im Allgemeinen auf 50-Hz-Ströme zurückzuführen, die zwischen den beiden Massen zirkulieren. Im Fall eines Koaxialkabels verursacht der durch die Abschirmung fließende IEMI-Strom eine VEMI-Spannung, deren Größe gleich ist: VEMI = IEMI x ZT, wobei ZT die Übertragungsimpedanz der Abschirmung ist. Im Fall einer abgeschirmten verdrillten Doppelleitung kann der Strom in der Abschirmung ungleichmäßige Spannungen in den Signalleitern der verdrillten Doppelleitung induzieren und eine Quelle für EMI sein. Wenn die Abschirmung nur an einem Ende geerdet ist, an welchem Ende sollte sie dann geerdet werden und an welcher Masse? Im Allgemeinen ist es am besten, die Abschirmung auf der Seite der Signalquelle zu erden, da sie die Referenz für die Signalspannung ist. Wenn die Signalquelle jedoch erdfrei (nicht geerdet) ist, ist es besser, die Abschirmung auf der Lastseite mit Masse zu verbinden. Die Erdung der Kabelabschirmung an nur einem Ende, um die EMI-Kopplung von der Netzwerkleitung zu eliminieren, ermöglicht es dem Kabel jedoch, als Hochfrequenzantenne zu fungieren und gegenüber hochfrequenter EMI-Aufnahme anfällig zu sein. AM- oder FM-Radiosender können hochfrequente HF-Ströme in der Kabelabschirmung induzieren. Wenn die Kabelabschirmung mit der Schaltungserde verbunden ist, können diese HF-Ströme in das Gerät eindringen und Störungen verursachen. Daher besteht die richtige Methode zum Erden der Kabelabschirmung darin, sie mit der Geräteabschirmung und nicht mit der Schaltungserde zu verbinden. Diese Verbindung muss möglichst niederohmig sein und muss auf der Außenseite des geschirmten Gehäuses erfolgen. Abschirmungen von Koaxialkabeln, bei denen die Abschirmung der Signalrückleiter ist, müssen an beiden Enden geerdet werden, und für die Funktionalität muss diese Masse mit der Schaltungserde verbunden werden. Unter Berücksichtigung von EMI muss die Abschirmung jedoch zuerst mit dem Gerätegehäuse verbunden werden. Dies kann leicht erreicht werden, indem die Kabelabschirmung mit der Box verbunden wird und dann der Erdungskreis an derselben Stelle mit dem Gehäuse verbunden wird. Masse, die nur mit einem Ende der Abschirmung verbunden ist, ist bei niedrigen Frequenzen (Audio) wirksam, da sie verhindert, dass Netzfrequenzströme durch die Abschirmung fließen und mögliche EMI den Signalschaltkreis erreichen. Der einzige Masseverbindungspunkt eliminiert auch die Masseschleife der Abschirmung und ihre mögliche Magnetfeldaufnahme. Mit zunehmender Frequenz wird jedoch die einzelne Masseverbindung weniger effektiv. Wenn sich die Kabellänge ë/4 nähert, wird die Abschirmverbindung zur Erde an einem Ende zu einer sehr effizienten Antenne. Unter diesen Umständen ist es normalerweise erforderlich, an beiden Enden der Abschirmung eine Erdung vorzunehmen. Bei hohen Frequenzen tritt ein Problem auf: Streukapazität neigt dazu, den Massekreis zu vervollständigen, wodurch es schwierig oder unmöglich wird, die Masseisolation am nicht angeschlossenen Ende der Abschirmung aufrechtzuerhalten. Obwohl eine Einzelpunktverbindung bei Audio- und niedrigeren Frequenzen effektiv ist und eine zweiseitige Erdung bei hohen Frequenzen effektiv ist, was kann getan werden, wenn das Signal gleichzeitig hoch- und niederfrequente Komponenten enthält? Die hochfrequenten Signale sind dabei nicht Bestandteil der Schaltung, können aber aufgrund der Kopplung als Gleichtaktsignal im Kabel im Kabel vorhanden sein. Dann ist die Verwendung einer Abschirmung erforderlich, um die Abstrahlung hochfrequenter Signale zu verhindern. In diesen Situationen kann die parasitäre Kapazität durch einen echten Kondensator (ca. 33 – 47 nF) ersetzt werden, um eine Masse-Hybrid-Kombination zu bilden. Somit gibt es bei niedriger Frequenz eine einzige Masseverbindung, weil die Impedanz des Kondensators groß ist.
Schlussfolgerungen
Es wurde erklärt, wie die Abschirmung mit Pigtails oder Steckverbindern an Masse angeschlossen wird, da die 360º-Verbindung der Abschirmverbindung immer die beste Leistung erzielt. Es hat sich auch gezeigt, dass normalerweise die Abschirmung eines abgeschirmten Kabels an beiden Enden geerdet werden muss. Obwohl es einige Ausnahmen gibt, bei denen der Schirm am besten nur an einem Ende angeschlossen wird.
