Der Mythos der geschirmten Kabelverbindungen

Einführung
 
Hardware-Konstrukteure, Maschinenkonstrukteure, Systeminstallateure und -integratoren stellen sich oft eine Frage, deren zweifelhafte Antwort oft verwirrend ist und die aus diesem Grund zu einem Mythos geworden ist, der aufgeklärt werden sollte. Wann sollten wir a verbinden abgeschirmtes Kabel oder abgeschirmt zwischen zwei Teams, das übliche Dilemma ist: wo sollen wir den Schirm der erden abgeschirmtes Kabel?. Wenn man die Kollegen fragen würde, würden wir sicher mehrere Antworten bekommen. Abbildung 1 zeigt das Diagramm der möglichen Verbindungen von a abgeschirmtes Kabel Verbindung zweier Computer. Es ist eine minimierte Situation, in der wir 64 Kombinationen haben, was zu viele sind. Wenn wir die komplexere Realität der Verbindung zwischen zwei Geräten genauer betrachten würden, in der wir die möglichen Variationen mit Filtern, Transformatoren, Optoisolatoren, Ferriten, Steckern, Netzteilen, Kabeltypen und den Verbindungen zwischen ihnen berücksichtigten die Massen, das Chassis, die Masse und die 0-V-Referenz, könnten wir mindestens 229 = 536.870.912 Kombinationen haben. Dies demonstriert die Schwierigkeit, Störungen (EMI) in Verbindungen zwischen Geräten zu kontrollieren.
Die Analyse der Antworten kann nicht auf auswendig gelernten Rezepten beruhen, die einfach auf Erfahrungen aus der Vergangenheit beruhen. Für diese Verbindungen gibt es kein einfaches Rezept, das über das gesamte Frequenzspektrum hinweg optimal ist. Eine gute Entscheidung kann nur getroffen werden, wenn wir uns dem stellen abgeschirmtes Kabel mit dem gesamten Spektrum der interessierenden Frequenzen in unserem System. Einige Rezepte, die in bestimmten Fällen richtig angewendet werden, können größere Probleme verursachen als Lösungen in allgemeinen Anwendungen. Das ist ein wirklich komplexes Thema.
Es ist offensichtlich, dass ein Koaxialkabel an beiden Enden mit ihren jeweiligen Massen verbunden werden muss, um den Signalkreis und seine Rückleitung herzustellen, die als Übertragungsleitung wirkt. Wir werden nicht ins Detail der Rüstungstypen in der gehen geschirmte Kabel hinsichtlich ihrer Herstellung wie Materialien, Geflechte, Laminate, Spiralsiebe und deren Kombinationen. Es wird auch nicht auf das Studium der Abschirmungstheorie eingehen. Umfangreiche Dokumentation finden Sie in den Referenzen. Wir konzentrieren uns auf die Methoden und Geometrie der Verbindung, die Auswirkungen der Abschirmung gegen elektrische und magnetische Felder und die Arten von Kabeln entsprechend der Anordnung ihrer Schirme. Wir werden hier die Kabeltypen wie das Triaxialkabel, das Quadaxialkabel und das Twinaxialkabel betrachten. Daraus lassen sich Rückschlüsse für geschirmte Mehrpaarkabel und geschirmte Flachkabel ziehen. Bei langen Kabeln oder hohen Störströmen aufgrund des Potentialunterschieds zwischen den beiden Gerätemassen kann es zu EMV-Problemen kommen, was oft der Grund dafür ist, den Kabelschirm vom Netz zu trennen.
 
Schirmverbindungsmethoden
 
Wenn eine abgeschirmtes Kabel es muss zwischen zwei Geräten mit leitfähigen Gehäusen angeschlossen werden, der Schirm muss als Verlängerung der Gehäuse betrachtet werden. Daher ist die effektivste Erdverbindung, wenn eines oder beide Gehäuse vom Gehäuse isoliert sind. Dies ist unpraktisch, da die Boxen aus Sicherheitsgründen an beiden Enden geerdet werden müssen.
Wo und wie eine Abschirmung geerdet ist, kann ihre Leistung radikal verändern, unabhängig von ihren eigentlichen Herstellungseigenschaften. Der Erdungsanschluss der Abschirmung kann insbesondere bei hohen Frequenzen der schwächste Punkt in der Kette sein. Da es sehr schwierig ist, eine Abschirmung mit einem Stecker mit einer guten Klemme oder mit der typischen "Pigtail"-Verbindung mit einer Impedanz zu verbinden, die viel niedriger ist als die des Abschirmungsmaterials, ist die Verbindung der Abschirmung immer der begrenzende Faktor ihrer tatsächlichen Vorteile. Abbildung 2 zeigt einige richtige und falsche Möglichkeiten, eine Abschirmung mit Masse zu verbinden. Ein Steckverbinder, der die Abschirmung 360º verbinden kann, ist eine gute Möglichkeit, eine Abschirmung anzuschließen (z. B. mit BNC-, N-, SMA- und SMB-Anschlüssen für Koaxialkabel). Die "Pigtail"- oder "Pigtail"-Form verschlechtert immer die Eigenleistung der Abschirmung bei hoher Frequenz. Das heißt, die Verbindung oder Methode der Erdung der Abschirmung bietet im besten Fall Vorteile, die den allgemeinen Vorteilen der Abschirmung fast ähnlich sind abgeschirmtes Kabel. Es verbessert sie nie.
Betrachten wir zum Beispiel ein 75 cm langes Kabel mit einer Abschirmung in Form eines sehr dichten Geflechts mit einer Impedanz von 3 mΩ/m, um zwei Geräte mit metallischen Racks zu verbinden. Ein typischer Übergangswiderstand des Geflechts mit einer gezahnten Klammer in Zahnstangen beträgt 0,5 mΩ, wenn die Oberfläche nicht lackiert ist. Ein typischer Stecker hat einen Kontaktwiderstand von etwa 3 mΩ. Und der Kontaktwiderstand zum Gestell eines Steckersockels mit 4 Schrauben kann 0,5 mΩ betragen. Da wir zwei Kabelenden haben, ist die endgültige Verbindungsimpedanz:
Zcon = 2 (0,5 + 3 + 0,5) = 8 mΩ Wenn wir es mit der Schirmimpedanz vergleichen, ist es:
Zblind = 0,75 x 3 mΩ/m = 2,25 mΩ < 8 mΩ
Wir sehen, dass der Beitrag der Verbindungen zum Gesamtwiderstand das 3,5-fache des Widerstands der Abschirmung allein beträgt. Es wäre möglich, die Situation zu verbessern, indem man 2 mΩ mit einem besseren Stecker und mit einem stärkeren Anzug erreicht. Die Kabelverbindung kann nicht nur die Wirksamkeit des Kabelschirms verschlechtern. Es kann auch die Quelle sekundärer Mechanismen sein, die mehr Störungen verursachen können, als wenn keine Abschirmung verwendet würde.
Abbildung 3 zeigt die relative Degradation durch die Längenzunahme des «pigtail» bzw. «pigtail». Die Erhöhung der Interferenz (VEMI) ist ein kombinierter Effekt der Erhöhung der Schirmimpedanz plus der Erhöhung der A- und B-Bereiche, die zwischen dem ungeschirmten Signalleiter und Masse gebildet werden. Abbildung 4 ist eine konzeptionelle Ansicht der EMI-Strahlung in das Gerät, wenn der "Pigtail" im Inneren des Geräts falsch angeschlossen ist und externe Störungen in das Gerät eingestrahlt werden. Der Schlüssel zur Vermeidung dieser Probleme besteht darin, den Pfad der Ströme zu identifizieren, sowohl für Suszeptibilitäts- als auch für Emissionsprobleme, indem man erkennt, wo der Strom in der Abschirmung entsteht, wohin er fließt und wie er zu seiner Quelle zurückkehrt (einschließlich aller parasitären Pfade). Abschirmungen werden oft unterbrochen, wenn eigentlich der Stromfluss in empfindlichen Stromkreisen unterbrochen werden soll.
 
Die Einbaugeometrie der abgeschirmtes Kabel
 
Ein abgeschirmtes Kabel kann als Verbindung zweier Übertragungsleitungen betrachtet werden, wobei die Abschirmung das Übertragungsmedium zwischen den beiden ist. Dies ist in Abbildung 5 dargestellt. Die zwei parallelen Schaltungen sind: 1) die äußere Schaltung von Leitung 1, die schwach kontrollierte Parameter hat, da jede Masseverbindungsimpedanz von Null bis unendlich variieren kann und ihre charakteristische Impedanz ZO1 von dem Verhältnis h/ D (h: Höhe über der Masseebene in Bezug auf den Durchmesser des Kabels, D). Und 2) die Schaltung der Leitung 2 mit kontrollierten Parametern unter Berücksichtigung der Impedanzen ZG2 und ZC2 und der charakteristischen Impedanz ZO2. Die Abschirmwirkung ist nämlich das Maß für den prozentualen Anteil der von Leitung 2 auf Leitung 1 übertragenen Energie im Fall von Emissionen oder die Übertragung von Leitung 1 auf Leitung 2 im Fall von Störanfälligkeit. Die charakteristische Impedanz von Leitung 1 hat einen großen Einfluss auf diese Energieübertragung, insbesondere in Vielfachen von ∆/4, wobei ∆ die Wellenlänge der Oberschwingung mit der höchsten Frequenz des umlaufenden Signals ist. Aus diesem Grund verhält sich ein abgeschirmtes Kabel mit bestimmten Masseverbindungen je nach Länge und Höhe über der Masseebene unterschiedlich.
 
Auswirkung der Abschirmung auf die kapazitive (elektrische) Kopplung
 
Die kapazitive Kopplung beruht auf einer elektrischen Feldkopplung aufgrund von Streukapazitäten. Eine elektrische Abschirmung ist nur wirksam, wenn sie ordnungsgemäß geerdet ist. Auch hier ist die Wirksamkeit der Verbindung zwischen Abschirmung und Masse oft wichtiger als die Wirksamkeit der Abschirmung selbst. Um eine gute Abschirmwirkung gegenüber elektrischen Feldern zu haben, ist es notwendig, die Länge der internen Signalleiter, die über die Abschirmung hinausragen, zu minimieren und eine gute Masseverbindung der Abschirmung herzustellen. Der Schirmanschluss auf nur einer Seite bietet eine gute elektrische Abschirmung, wenn die Kabellänge ∆/20 nicht überschreitet, wobei ∆ die Wellenlänge der höchstfrequenten Harmonischen des umlaufenden Signals ist. Bei längeren Kabeln ist es notwendig, mehrere Masseverbindungen bereitzustellen. In der Praxis wäre es eine gute Verbindung, alle ∆/4 gute Masseverbindungen bereitzustellen.
 
Auswirkung der Abschirmung auf die induktive (magnetische) Kopplung
 
Die induktive Kopplung erfolgt aufgrund einer Magnetfeldkopplung oder einer Kopplung aufgrund parasitärer Induktivitäten. Der einseitige Anschluss der nichtmagnetischen Abschirmung (nur aus Kupfer oder Aluminium) eines geschirmten Koaxialkabels hat keine Wirkung gegen magnetische Felder.
Wenn die Abschirmung jedoch auf beiden Seiten geerdet ist, führt die induzierte Spannung in der Abschirmung dazu, dass Strom durch die Abschirmung fließt. Dieser induzierte Strom verursacht eine überinduzierte Spannung im Innenleiter (aufgrund der gegenseitigen Induktivität), die schädlich sein kann.
Die gegenseitige Induktivität zwischen der Abschirmung und dem Innenleiter in einem Kabel ist gleich der Induktivität der Abschirmung, wenn ihre Form zylindrisch ist und die Stromdichte über den Umfang des Kabels gleichmäßig ist. Der Innenleiter muss nicht koaxial zum Schirm sein und gilt auch für mehradrige Kabel.
Bei niedrigen Frequenzen schützt ein Schirm, auch wenn er beidseitig geerdet ist, nicht vor magnetischen Feldern. Bei Frequenzen über der Übergangsfrequenz des abgeschirmten Kabels hört die EMI-Aufnahme auf zu steigen und bleibt konstant. Um die mit dem Innenleiter gekoppelte EMI zu minimieren, muss die Abschirmungsimpedanz minimal sein, so dass der Strom in der Abschirmung minimal ist und ebenso die Induktion zwischen der Abschirmung und dem Innenleiter. Diese Schirmimpedanz beinhaltet den Widerstand der Masseverbindungen an den Enden des Schirms und beide müssen minimal sein.
 
Verhinderung von magnetischer Strahlung in der geschirmte Kabel
 
Zur Vermeidung von Abstrahlung kann die Störquelle abgeschirmt werden. Fig. 6A zeigt die magnetischen und elektrischen Felder, die einen Leiter umgeben, der sich im freien Raum befindet, durch den ein elektrischer Strom zirkuliert. Wenn eine nicht magnetische Abschirmung (Cu oder Al) um den Innenleiter herum angeordnet ist, werden die elektrischen Feldlinien durch die Abschirmung blockiert, aber es wird sehr wenig Einfluss auf die magnetischen Feldlinien haben, wie in Abbildung 6B zu sehen ist . . . Wenn ein Strom, der dem durch den Mittelleiter fließenden Strom gleich und entgegengesetzt ist, durch die Abschirmung fließt, wird ein gleiches und entgegengesetztes externes Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld hebt das Magnetfeld auf, das durch den Strom im Mittelleiter verursacht wird, was zu dem Zustand von Fig. 6C führt, ohne Felder außerhalb der Abschirmung.
Abbildung 7A zeigt einen beidseitig geerdeten Stromkreis, der einen Strom I führt. Um eine Magnetfeldabstrahlung von diesem Stromkreis zu verhindern, muss die Abschirmung auf beiden Seiten geerdet werden und der Strom (I) muss gleich dem Strom sein, der durch den Innenleiter fließt. anstatt durch die Masseebene (IM) zu zirkulieren. Wenn die Frequenz unter 5f abfällt, wobei f die Grenzfrequenz der Abschirmung ist, hat das Kabel eine immer geringere Abschirmungseffizienz, da immer mehr Strom durch die Erdungsebene (MI) zurückfließt. Diese Verringerung der Magnetfeldstrahlung ist nicht auf die magnetischen Eigenschaften der Abschirmung zurückzuführen, sondern vielmehr darauf, dass der Rückstrom in der Abschirmung ein Magnetfeld erzeugt, das das Magnetfeld des Mittelleiters aufhebt. Wenn die Schaltungsmasse auf einer Seite der Schaltung von Masse (oder Erde) getrennt ist, wie in Abbildung 7B, dann sollte die Abschirmung auf dieser Seite nicht geerdet werden, da der gesamte Rückstrom jetzt durch die Abschirmung fließen muss. Dies gilt insbesondere bei Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz der Abschirmung. In diesem Fall würde das Verbinden beider Seiten mit Masse die Wirksamkeit der Abschirmung verringern, da ein Teil des Stroms durch die Masseebene zurückkehren würde.
 
Abschirmung eines EMI-Empfängers gegen Magnetfelder
 
Der beste Weg zum Schutz vor externen Magnetfeldern in einem EMI-Empfängerschaltkreis besteht darin, die Schleifenfläche des Empfängers zu reduzieren. Der interessierende Bereich ist die Gesamtfläche, die im Stromfluss in der Empfangsschaltung enthalten ist. Es ist immer wichtig, den Rückweg des Stroms zu seiner Quelle zu berücksichtigen. Oft kehrt der Strom auf einem anderen Weg zurück als vom Konstrukteur beabsichtigt, und daher ändert sich die Fläche der Stromschleife. Das Anbringen einer nichtmagnetischen Abschirmung (Cu oder Al) um einen Leiter bewirkt, dass die Stromrückleitung eine kleinere Schleifenfläche hat und somit einen gewissen Schutz gegen externe Magnetfelder bietet. Diese Abschirmung wird jedoch durch die kleinere Fläche der Schleife verursacht und nicht durch irgendwelche magnetischen Eigenschaften der Abschirmung.
Bild 7 verdeutlicht die Wirkung einer Abschirmung im Schleifenbereich einer Schaltung. In Abbildung 7C ist die Quelle mit einem einzelnen Leiter unter Verwendung des Rückwegs durch Masse mit der Last verbunden. Die vom Strom eingeschlossene Fläche ist das Rechteck zwischen dem Leiter und der Masseebene. In Fig. 7A ist eine Abschirmung um den Leiter herum angeordnet und auf beiden Seiten mit Masse verbunden. Wenn der Strom durch die Abschirmung und nicht durch die Masseebene zurückkehrt, wird die Schleifenfläche reduziert und ein gewisser Schutz gegen externe Magnetfelder erreicht. Der Strom fließt durch die Abschirmung zurück, wenn die Frequenz größer als 5f ist, wobei f die Grenzfrequenz der Abschirmung ist. Eine um den Leiter herum angeordnete und nur einseitig geerdete Abschirmung wie in Abbildung 7D ändert die Fläche der Stromschleife nicht und bietet daher keine magnetische Abschirmung. Bei niedrigen Frequenzen hat die Schaltung von Fig. 7A auch zwei Probleme. Erstens, weil die Abschirmung einer der Leiter in der Schaltung ist, verursacht jeder EMI-Strom einen Spannungsabfall über der Abschirmung und erscheint im Signalkreis als Störspannung, und zweitens, wenn zwischen den beiden Seiten eine Potentialdifferenz über der Erde besteht des Schirms, dann treten Störspannungen im Signalstromkreis auf.
Für ein typisches abgeschirmtes Kabel beträgt die Abschirmeffizienz für das Magnetfeld etwa 16 dB bei 100 kHz und 36 dB bei 1 MHz. Wenn das Signal differentiell ist, dann ist die induzierte Spannung an den Mittelleitern gleichtaktig und wird durch die Gleichtaktunterdrückung des Empfängers reduziert. Ein differentieller Empfänger ist auch nützlich, um DC-Potential oder AC-Potential zwischen Erdungen zu unterdrücken.
 
Wo wird die Abschirmung mit Masse verbunden?
 
Verbindung der Geschirmte Kabel Bei niedriger Frequenz
 
Wenn es sich bei den EMI-Strömen in der Abschirmung um Gleichstrom oder niedrige Frequenzen (Hz) mit einer kapazitiven Verbindung zwischen Gehäuse und Masse handelt, weisen die EMI-Shunt-Ströme bei niedrigen Frequenzen eine hohe Impedanz auf. Die richtige Anwendung der Kapazität(en) und ihre Verbindung zur Erde ist wichtig, um eine niedrige Impedanz zu erreichen.
Der Hauptgrund für die Verwendung eines abgeschirmten Kabels bei niedriger Frequenz ist der Schutz vor elektrischen Feldern, hauptsächlich 50-Hz-Feldern aufgrund von Netzstrom. Wie bereits gesagt, hat eine Abschirmung keinen magnetischen Schutz bei niedrigen Frequenzen. Daher ist es zweckmäßig, verdrillte Niederfrequenzpaare zu verwenden. Somit schützt das verdrillte Paar vor magnetischer Feldkopplung und die Abschirmung vor elektrischer Feldkopplung. Viele Niederfrequenzschaltungen haben hohe Impedanzen, die anfällig für elektrische Felder sind, und daher sollten abgeschirmte Kabel verwendet werden. Bei niedriger Frequenz ist die geschirmte Kabel Mehrleiter, bei denen der Schirm nicht der Rückleiter ist, oft wird der Schirm nur einseitig angeschlossen. Wenn die Abschirmung auf beiden Seiten geerdet ist, kann aufgrund der Potentialdifferenz zwischen den Erdungen der beiden Seiten ein EMI-Strom durch die Abschirmung fließen.
Bei einem Koaxialkabel erzeugt der EMI-Strom in der Abschirmung eine Spannung, die gleich dem EMI-Strom multipliziert mit dem Widerstand der Abschirmung ist. Im Fall einer abgeschirmten verdrillten Doppelleitung kann der EMI-Strom von der Abschirmung induktiv mit verschiedenen Spannungen auf den verschiedenen Paaren gekoppelt werden. Aber wenn wir die Abschirmung nur auf einer Seite mit Masse verbinden müssen, auf welcher? Es ist normalerweise besser, die Abschirmung auf der Seite der Signalquelle mit Masse zu verbinden, da dies die Spannungsreferenz für das Signal ist. Wenn die Quelle jedoch erdfrei und nicht geerdet ist, ist es besser, die Lastseite zu erden. Abbildung 8 zeigt die gebräuchlichsten Schemata für die Erdung der Abschirmung bei niedriger Frequenz. Die Schemata A bis D sind Fälle, in denen entweder der Signalgenerator oder der Verstärker geerdet ist, aber nicht beide. Auch in diesen vier Fällen ist der Kabelschirm nur einseitig aufgelegt und auf der gleichen Seite ist auch die Verstärkerschaltung mit Masse verbunden. In den Schemata E und F ist die Erde auf beiden Seiten verbunden und daher wird das EMI-Rauschen durch die Potentialdifferenz zwischen den beiden Massen und durch die Anfälligkeit der Erdungsschleife gegenüber externen Magnetfeldern bestimmt. Im Fall E ist das abgeschirmte verdrillte Paar auf beiden Seiten geerdet, um einen Teil des Stroms durch die niedrige Impedanz der Abschirmung zu zwingen, anstatt durch den Signalrückleiter. Bei Schema F muss der Schirm des Koaxialkabels beidseitig auf Masse gelegt werden, da er auch der Rückweg des Signals ist. In diesem Fall kann die EMI-Kopplung verringert werden, indem der Widerstand der Kabelabschirmung verringert wird, indem die gemeinsame Impedanzkopplung verringert wird. Wenn eine höhere Immunität benötigt wird, sollte die Erdungsschleife geöffnet werden. Dies kann mit Transformatoren, Optoisolatoren oder Gleichtaktdrosseln erfolgen.
Indem die Kabelabschirmung nur auf einer Seite geerdet wird, um EMI zu eliminieren, wirkt das Kabel wie eine Hochfrequenzantenne und kann anfällig für die Aufnahme von externen Feldern wie denen von AM- und FM-Radiosendern sein. Durch Verbinden der Abschirmung mit Masse können diese EMI-Ströme in das Gerät eindringen und Störungen verursachen. Daher besteht die richtige Methode zum Erden der Abschirmung darin, sie direkt mit dem Gerätechassis und nicht mit der Schaltungserde zu verbinden. Diese Verbindung muss die niedrigstmögliche Impedanz haben und außerhalb des Gehäuses erfolgen (Abbildung 4C). Auf diese Weise fließt jeglicher EMI-Strom in der Abschirmung entlang der Außenfläche des Metallgehäuses und von diesem Metallgehäuse zur Erde durch die Streukapazität, wobei die interne elektronische Schaltung umgangen wird. Die Abschirmung sollte als Verlängerung des Gerätechassis betrachtet und mit dem Chassis und nicht mit der Schaltungserde verbunden werden.
Einseitige Erdung ist bei niedrigen Frequenzen (kHz) effektiv, da sie verhindert, dass Ströme durch die Abschirmung fließen und möglicherweise Rauschen in den Signalkreis einführen. Es eliminiert auch die Masseschleife, die mit einer möglichen Magnetfeldaufnahme verbunden ist. Mit zunehmender Frequenz nimmt die Wirksamkeit des nur einseitig geerdeten Schirms ab und seine Wirksamkeit als Antenne zu, daher ist es besser, den Schirm beidseitig anzuschließen. Bei Geräten mit erdfreier Signalreferenz führt bei Frequenzen unter einigen kHz die durch den Stecker verursachte Masseerdung zu einer Gleichtaktunterdrückung von nur etwa 6 dB. Diese Unterdrückung verbessert sich mit zunehmender Frequenz aufgrund der zunehmenden Impedanz der Erdschleife, während die Impedanz der Abschirmung konstant bleibt. Wenn ein isolierter Koaxialstecker (BNC oder andere) verwendet wird oder wenn der Stecker direkt auf der Leiterplatte statt am Chassis montiert wird, bleibt die Masseschleife offen, was eine Verbesserung bei niedrigen Frequenzen bietet (Abbildung 9). Diese Verbesserung nimmt mit steigender Frequenz ab und hebt sich im Bereich von 1 bis 10 MHz auf Hier funktionieren Einzelpunkt- oder Sternerdungen nicht und müssen durch Mehrpunkterdungen ersetzt werden.
Bei Geräten, bei denen die internen Massereferenzen (0 Vref) als Mehrpunktmasse mit dem Chassis verbunden sind, muss nicht versucht werden, die Chassisabschirmung zu isolieren. Obwohl die Signalerde mit dem Gehäuse verbunden ist, muss, wenn diese Verbindung physisch vom Koaxialstecker entfernt ist, ein direkter Pfad zwischen der Signalreferenz und dem Endgehäuse des Steckers hergestellt werden. Dadurch soll verhindert werden, dass der Rückstrom durch das gesamte Chassis fließt. Zwischen 100 kHz und 10 MHz neigen Koaxialkabel mit hochwertigem Geflecht dazu, Störströme, die im äußeren Teil des Stromkreises fließen, aufgrund des Skineffekts von dem im inneren Teil zirkulierenden Strom zu trennen.
 
Verbindung der Geschirmte Kabel Bei Hochfrequenz
 
Bei Frequenzen über 100 kHz oder bei Kabellängen über /20 ist eine beidseitige Erdung des Schirms erforderlich. Dies gilt sowohl für Koaxialkabel als auch für Mehrleiterkabel. Bei Hochfrequenz entsteht ein weiteres Problem aufgrund der parasitären Kapazität, die dazu neigt, die Masseschleife zu schließen, wie in Abbildung 10 zu sehen ist, wodurch es schwierig oder fast unmöglich wird, die Masseisolierung auf der nicht geerdeten Seite der Abschirmung aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund ist es in Hochfrequenzanwendungen und bei digitalen Schaltungen gängige Praxis, den Schirm beidseitig zu erden. Eine kleine Störspannung, die durch den Potentialunterschied zwischen den mit dem Signalstromkreis koppelbaren Massen verursacht wird, wirkt sich nicht auf digitale Schaltungen aus und kann dank des großen Frequenzunterschieds zwischen Rauschen und Signal herausgefiltert werden. Bei Frequenzen über 1 MHz reduziert der Skin-Effekt die Gleichtakt-Impedanzanpassung. Wie erwähnt, bewirkt der Skin-Effekt, dass Rauschstrom auf der Außenfläche der Abschirmung fließt und Signalstrom auf der Innenfläche der Abschirmung fließt. Mehrere Masseverbindungen (empfohlen alle ∆/4) erleichtern die Abschirmung gegen das Magnetfeld bei Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz der Abschirmung.
 
Hybridanschluss von Geschirmte Kabel
 
Die Mehrpunkt-Erdung ist bei hoher Frequenz wirksam und die Stern- oder Einpunkt-Erdverbindung ist bei niedriger Frequenz wirksam. Aber was tun, wenn wir gleichzeitig Nieder- und Hochfrequenzsignale haben? In dieser Situation kann die Schaltung von Fig. 10 vorteilhaft sein, indem die parasitäre Kapazität durch einen realen Kondensator von beispielsweise 33 nF ersetzt wird. Dies bildet eine hybride Massenkombination. Bei niedrigen Frequenzen haben Sie eine einzelne Masse, da die Impedanz des Kondensators groß ist. Bei hoher Frequenz hat der Kondensator jedoch eine niedrige Impedanz, wodurch die Schaltung zu einer Abschirmung wird, die auf beiden Seiten mit Masse verbunden ist. Aber jede parasitäre Induktivität in Reihe mit dem Kondensator verringert seine Wirksamkeit. Aus diesem Grund ist es praktisch, dass der Kondensator praktisch in den Stecker integriert ist. Somit kann dieses System bis zu 1 GHz wirksam werden.
 
Arten von Kabeln
 
Betrachten wir die wichtigsten Kabel im Hinblick auf die Konfiguration ihrer Schirme und ihrer Verbindungen.
 
Koaxialkabel
Koaxialkabel sind Übertragungsleitungen mit geringen Verlusten und kontrollierter Impedanz. Koaxialkabel müssen an beiden Enden geerdet werden, da die äußere Abschirmung als Signalrückleitung dient. Bei hohen Frequenzen oberhalb der Schirmgrenzfrequenz trägt der beidseitig angeschlossene Außenleiter den größten Teil des Rückstroms. Seine Hauptanwendungen umfassen Hochfrequenzdaten und Videoschaltkreise. Koaxialkabel müssen mit Koaxialsteckern verbunden werden.
Triaxialkabel
Ein Triaxialkabel besteht aus zwei voneinander isolierten Schirmen und einem Innenleiter für das Signal. Die äußere Abschirmung dient als echte Abschirmung und ist mit dem Gehäuse verbunden, während die innere Abschirmung nur als Signalrückleiter fungiert und mit der Signalrückleitung verbunden ist. Somit fungiert ein Triaxialkabel als symmetrische Übertragungsleitung (Abbildung 11). Triaxialkabel werden hauptsächlich in Videoschaltungen und empfindlichen Schaltungen verwendet. Triaxialkabel sind unempfindlicher gegenüber externen Feldern als Koaxialkabel (ca. 30 dB Verbesserung). Sie müssen mit Triaxialsteckern verbunden werden.
Die Verwendung einer doppelten Abschirmung erhöht die Wirksamkeit der Abschirmung bei hohen Frequenzen und verbessert das Verhalten bei gleichzeitigem Vorhandensein von hoch- und niederfrequenten Signalen im selben Kabel. Im ersten Fall können die beiden Schirme miteinander verbunden werden und im zweiten Fall müssen die beiden Schirme isoliert gehalten werden, um sich wie ein echtes Triaxialkabel zu verhalten. So ist der innere Schirm für niedrige Frequenzen nur einseitig verbunden, während der äußere Schirm für hohe Frequenzen beidseitig verbunden ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schirme jeweils nur auf einer Seite, aber auf gegenüberliegenden Seiten anzuschließen. Somit gibt es bei niedriger Frequenz keine Masseschleife, aber die parasitäre Kapazität des internen Schirms schließt die Schleife bei hoher Frequenz. Diese Lösung ist besonders effektiv bei sehr langen Kabeln (L > /20), bei denen es zu hohen Potentialunterschieden zwischen den Massen kommen kann und bei denen aufgrund der großen Kabellänge eine hohe parasitäre Kapazität auftreten kann.
Wenn wir den doppelten Schirm gleichzeitig mit Masse verbinden, verbessert sich sein typischer Widerstand von 2 auf 3 m/m. Wenn die Frequenz jedoch zunimmt, tritt die natürliche Isolierung aufgrund des Skin-Effekts zwischen den beiden Abschirmungen auf. Wenn wir die doppelte Abschirmung isoliert lassen, muss die externe Abschirmung mit dem Chassis und die interne mit der Signalrückführung auf beiden Seiten verbunden werden, wobei die Masse erdfrei bleibt. Bei hohen Frequenzen bietet die doppelte Abschirmung immer noch eine Verbesserung von 30 dB aufgrund der Fehlanpassung zwischen den Induktivitäten der beiden Abschirmungen (geringe Kopplung zwischen Abschirmungen). Wird eine dritte Abschirmung hinzugefügt, ist ein Quadaxialkabel mit all seinen Variationen möglich.
Twinaxialkabel
Twinaxialkabel enthalten zwei symmetrische Signalleitungen, die ein verdrilltes Paar sein können oder nicht, mit guter Kontrolle ihrer charakteristischen Impedanz. Die Begrenzung eines Twinaxialkabels stellt seine auf etwa 10 MHz begrenzte Betriebsfrequenz dar. Die Abschirmung bietet einen guten Schutz gegen externe Felder, während die Innenleiter eine symmetrische Übertragungsleitung darstellen. Um den Wellenwiderstand der Leitung einzuhalten, müssen geeignete Steckverbinder verwendet werden. Wenn dies kein Problem darstellt, können herkömmliche Anschlüsse verwendet werden. Die Art des Anschlusses ist in Abbildung 12 zu sehen.
 
Reduzierung des Schirmstroms
 
Wenn eine hohe Immunität erforderlich ist, sollte die Erdungsschleife geöffnet werden. Dies kann mit Transformatoren, Optokopplern oder Glasfasern erfolgen. Wenn dies nicht möglich ist, kann der Strom in der Abschirmung reduziert werden, ohne sie zu unterbrechen, dank mehrerer Methoden, die unten erklärt werden. Einer der beiden Kästen kann schwebend gelassen werden, anstatt die Abschirmung schwebend zu lassen, wie in Fig. 13A. Dies ist nur unter Einhaltung der Sicherheitsvorschriften möglich, d. h. für Spannungen kleiner 42 V.
Eine doppelt abgeschirmte Box kann wie in Abbildung 13B verwendet werden. Die Abschirmung ist mit dem Metallteil verbunden, das die abzuschirmende Schaltung umgibt. Dieses Metallteil bleibt gegenüber dem aus Sicherheitsgründen geerdeten Hauptkasten des Geräts erdfrei. Da es zumindest bei niedrigen Frequenzen keine Verbindung zwischen dem externen und dem internen Teil geben kann, müssen auch die Leistungs- und Signalschnittstellen isoliert werden.
An den Masseanschlüssen kann ein Drosselferrit verwendet werden, wie in Abbildung 13C. Schließlich kann eine Ringkerndrossel aus Ferrit wie in Abbildung 13D um das gesamte abgeschirmte Kabel herum verwendet werden. Bei hoher Frequenz erhöht die zusätzliche Impedanz aufgrund des Ferrits die Schleifenimpedanz, wodurch der Gleichtaktstromfluss reduziert wird.
Schlussfolgerungen
 
Wir fassen das Erklärte in 5 Regeln zusammen, die dem Konstrukteur oder Installateur helfen, die Abschirmungen des korrekt anzuschließen geschirmte Kabel:
  
Regel 1: Bei erdfreiem Massebezugssystem (Single Ground System) sollten Koaxialkabel über isolierte Stecker angeschlossen werden, wenn Niederfrequenzprobleme zu erwarten sind. Oberhalb von einigen MHz ist diese Vorsichtsmaßnahme nutzlos und am Gehäuse angebrachte Koaxialstecker sind besser. Daher ist ein Koaxialkabel nicht das beste Medium für Niederfrequenzanwendungen. Abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel bieten in diesen Anwendungen eine bessere Leistung.
  
Regel 2: Bei einer geerdeten Signalreferenz (geerdete Multidrop-Systeme) sollten Koaxialkabel Standardstecker verwenden, die mit der 0 Vref-Ebene am Gehäuse befestigt sind, oder Leiterbahnen, die so direkt wie möglich zum Koaxialstecker geführt werden.
 
Regel 3: Bei echten Triax-Kabeln muss die innere Abschirmung an beiden Enden mit der Signalmasse und die äußere Abschirmung auf beiden Seiten mit dem Chassis verbunden sein. Um den größtmöglichen Nutzen aus dem Triaxialkonzept zu ziehen, sollten spezielle N-Steckverbinder verwendet werden, deren Verbindungen zu den Schirmen zwischen dem inneren und dem äußeren Schirm isoliert sind.
 
Regel 4: Wenn der Kabelschirm nur ein Faraday-Schirm gegen elektrische Feldkopplung (kapazitiv) ist und es erwünscht ist, zu vermeiden, dass Erdströme durch den Kabelschirm fließen, kann der Schirm nur einseitig geerdet werden.
 
Regel 5: Bei einer bestimmten angestrebten Schirmwirkung sollte ein geschirmtes Kabel mit gleicher oder besserer Schirmwirkung gewählt werden. Dann wird in dem Wissen, dass die Schirmanbindung an Masse die Schirmwirkung verschlechtert, die Anschlusstechnik so gewählt, dass ihr Beitrag zum Verlust der Schirmwirkung tolerierbar ist.
Als zusätzliche Information zeigt Tabelle 1 die maximalen Längen der "Pigtails" oder "Pigtails" in Abhängigkeit von der Frequenz der EMI, dem Widerstand der Abschirmung und ihrer Länge. Und Tabelle 2 zeigt eine Zusammenfassung der idealen Verbindungen für nicht-koaxiale Kabel.