Kabel Terlindung Untuk Sirkuit Sinyal (Bagian 2)

Bagian 1 membahas prinsip-prinsip cara kerja kabel yang disaring untuk menghindari interferensi dari medan listrik dan magnet. Sekarang kita melihat beberapa detail yang lebih praktis.

Cara menyambungkan kabel yang disaring

Dasar

Seperti yang dijelaskan di Bagian 1, kita membutuhkan penyaringan agar efektif pada rentang frekuensi ancaman yang sangat luas. Agar kabel yang disaring menjadi efektif pada frekuensi tinggi, layar harus dihubungkan langsung ke kutub referensi (“0V” dll.) di ujung pengiriman dan penerima.

Penggunaan kuncir untuk menghubungkan layar mengurangi efektivitas penyaringan dengan membiarkan arus kebisingan di layar untuk menyuntikkan tegangan kebisingan ke sirkuit sinyal. Untuk sirkuit yang benar-benar terisolasi secara galvanis, ini mungkin tidak penting, karena isolasi meminimalkan arus kebisingan yang bersirkulasi dan mengalir di kuncir. Namun umumnya kuncir harus dijaga agar tetap minimum. Untuk sirkuit data pita lebar, kuncir harus dihindari, yang dapat dicapai dengan menjepit layar kabel langsung ke sasis atau referensi atau titik arde.

Mengapa Anda tidak menghubungkan kedua ujung layar?

Ada pedoman yang beredar yang merekomendasikan menghubungkan layar kabel hanya di satu ujung. Harus jelas dari atas bahwa ini mengalahkan manfaat penyaringan frekuensi tinggi dari layar. Di masa lalu pedoman ini diterapkan pada beberapa jenis rangkaian kontrol listrik sederhana yang secara inheren kebal terhadap interferensi frekuensi tinggi, untuk menghindari loop arde – lihat di bawah. Ini juga dapat mencegah  arus gangguan sistem daya beredar di layar kabel, tetapi ini harus dicapai dengan benar dengan memastikan ikatan ekuipotensial yang memadai dalam sistem daya.

Dalam sistem distribusi daya ada aplikasi tertentu di mana pelindung kabel daya tidak boleh disambungkan di kedua ujungnya, untuk menghindari potensi bahaya sentuhan selama gangguan atau aktivitas petir; seperti dalam sistem distribusi TT. Ini tidak berlaku untuk kabel motor penggerak kecepatan variabel.

Setiap kali kabel sinyal lewat di luar gedung dan di luar area ikatan ekuipotensial, pertimbangan harus diberikan untuk keselamatan selama gangguan listrik dan sambaran petir ketika potensi perbedaan potensial tanah yang berbahaya mungkin ada.

Sirkuit analog satu sisi

Gambar 4:koneksi antarmuka analog ujung tunggal yang sederhana

Jenis antarmuka analog yang paling sederhana ditunjukkan pada Gambar 4. Ini cukup untuk banyak aplikasi umum. Dari penjelasan di atas, Anda akan melihat bahwa pengaturan ini memiliki beberapa kelemahan, yang mungkin dapat diterima di mana kontrol pada presisi tinggi dan bandwidth lebar tidak diperlukan.

Garis putus-putus pada pengontrol dan drive menunjukkan bahwa koneksi 0V dari pengontrol dan drive biasanya terhubung ke ground, baik secara langsung dan sengaja atau karena beberapa peralatan dalam sistem memiliki 0V dan ground yang terhubung secara internal. Dalam hal ini ada risiko gangguan dari sumber berikut:

• Arus derau frekuensi tinggi menyebabkan penurunan tegangan derau pada induktansi sambungan pigtail untuk digabungkan ke sinyal analog. Ini dapat menyebabkan kesalahan jika sirkuit analog rentan. Ini dapat diminimalkan dengan menjaga kuncir sesingkat mungkin, untuk meminimalkan induktansinya. Penggunaan klem pembumian langsung pada layar kabel di kedua ujungnya, memasangnya ke sasis, dapat menghilangkan ini sepenuhnya. Ini ditunjukkan dengan warna biru pada Gambar 4.
• Arus noise frekuensi rendah menyebabkan penurunan tegangan noise pada resistansi layar kabel (dan juga pada kuncir, tetapi kabel biasanya memiliki resistansi yang lebih tinggi). Jika frekuensi derau ini berada dalam bandwidth rangkaian analog, maka gangguan tersebut – misalnya, pengambilan pada 50/60 Hz menyebabkan getaran pada penggerak servo pada 50/60 Hz. Ini adalah "masalah loop tanah" dan lebih sulit untuk disembuhkan. Solusi yang mungkin adalah:
• Hubungkan terminal 0V atau arde di kedua ujungnya dengan kabel arde daya resistansi rendah untuk mengurangi penurunan tegangan.
• Gunakan rangkaian sinyal analog seimbang (diferensial) (lihat di bawah). Ini adalah metode terbaik.
• Buat output analog atau sirkuit input terisolasi secara galvanis, untuk menghindari arus di layar.

Sirkuit analog seimbang

Sirkuit analog presisi sering memberikan input diferensial, dan terkadang output diferensial. Mereka biasanya disediakan untuk pengontrol presisi seperti drive servo, dan juga untuk encoder poros sin/cos. Ketika digunakan dengan benar, ini memberikan penekanan yang sangat baik terhadap interferensi frekuensi rendah. Dalam hubungannya dengan kabel yang disaring, ini dapat mencapai kekebalan di seluruh spektrum kebisingan. Gambar 5 menunjukkan cara menggunakan input analog diferensial. Perhatikan bahwa inti sinyal biasanya berupa pasangan bengkok, yang selanjutnya meningkatkan kekebalan kebisingan dengan membuat rute kedua konduktor menjadi seimbang mungkin.

Gambar 5:Sambungan input analog diferensial

Dalam hal ini kita memiliki keluaran pengontrol ujung tunggal dan masukan diferensial. Dengan menggunakan dua inti pada kabel yang disaring, kita dapat menghubungkan input pembalik secara langsung ke kutub referensi dari output analog pengontrol. Oleh karena itu, tegangan frekuensi rendah apa pun yang diinduksi di layar kabel ditolak oleh input, sementara layar masih memberikan penolakan frekuensi tinggi yang sangat baik. Input diferensial tidak dapat menolak tegangan mode umum pada frekuensi tinggi, di luar bandwidthnya, di mana layar kabel bekerja paling baik. Kedua teknik digabungkan memberikan penolakan kebisingan di seluruh spektrum.

Klem pembumian seperti pada Gambar 4 juga dapat digunakan untuk menghindari gangguan kebisingan frekuensi tinggi yang disebabkan oleh kuncir.

Jika pengontrol juga menawarkan keluaran diferensial maka inti AI dapat dihubungkan ke terminal AO daripada 0V pada pengontrol. Kasus khusus adalah jika pengontrol menawarkan keluaran “bumi maya”, di mana terminal AO bukanlah keluaran melainkan masukan indera. Dalam hal ini AO-line harus terhubung ke 0V di salah satu ujung atau ujung lainnya, tidak boleh dibiarkan “mengambang”.

Sirkuit digital

Sirkuit digital tidak rentan terhadap gangguan dari jenis kesalahan frekuensi rendah tingkat rendah yang disebabkan oleh loop tanah. Interferensi frekuensi tinggi dalam tautan data dapat menyebabkan kesalahan bit yang biasanya terdeteksi dan ditolak, tetapi jika terjadi terlalu sering, saluran dapat menutup atau memberikan kinerja yang tidak memadai. Sirkuit encoder poros untuk umpan balik kecepatan/posisi cenderung menyebabkan kebisingan dan getaran dengan adanya kebisingan frekuensi tinggi. Dalam kedua kasus, manajemen layar kabel yang benar sangat penting.

Tautan data sering menggunakan bit rate yang tinggi. Untuk kecepatan di atas sekitar 1 Mb/s, kabel harus diterminasi dengan benar pada impedansi karakteristiknya untuk menghindari kesalahan data dari pantulan. Untuk menjaga kecocokan, hanya inti kabel terbuka yang panjangnya pendek yang dapat ditoleransi.

Antarmuka digital yang paling banyak digunakan untuk transmisi data lokal dasar didasarkan pada standar RS422 dan RS485, yang memiliki pemancar dan penerima diferensial. Jenis kabel tidak secara langsung ditentukan, dan pada prinsipnya mungkin tidak disekat asalkan memiliki impedansi karakteristik yang benar, tetapi biasanya kabel yang disaring lebih disukai.

Penggunaan rangkaian seimbang berarti bahwa kebisingan yang disuntikkan ditolak hingga tingkat yang cukup besar karena berada dalam mode umum, yaitu mempengaruhi kedua saluran secara merata dan oleh karena itu tidak muncul sebagai sinyal. Namun, pemancar dan penerima memiliki batasan untuk rentang mode umum, sehingga kesalahan terjadi jika tegangan noise terlalu tinggi, atau perubahan terlalu cepat, serta jika asimetri menyebabkan noise mode umum digabungkan ke mode seri. Chip line-driver standar yang digunakan di sebagian besar port memiliki kisaran mode umum sekitar 5V dan memberikan kesalahan besar jika terlampaui. Ini dapat ditingkatkan dengan menggunakan port yang diisolasi secara galvanis, tetapi ini mahal.

Gambar 6 menunjukkan cara mengatur koneksi port RS485 dasar.

Gambar 6:Koneksi data RS485 dasar (hanya 2 node yang ditampilkan)

Dalam peralatan Teknik Kontrol, terminal referensi ditunjukkan sebagai "0V" pada Gambar 6. Pada peralatan lain, terminal referensi dapat disebut "G" atau "GND" untuk ground, "SC" untuk layar, atau "referensi". Terkadang dibiarkan tidak terhubung, atau bahkan tidak disediakan. Ini mungkin berhasil untuk tautan pendek, atau di mana port memiliki isolasi galvanik yang dirancang dengan baik. Umumnya jauh lebih baik untuk menghubungkan 0V ke layar kabel.

RS485 memungkinkan koneksi multi-drop dari beberapa port. Pengaruh ketidakcocokan impedansi minor pada setiap port serta noise yang diinjeksikan dari setiap pigtail membuat pengaturan semakin sensitif terhadap gangguan seiring dengan bertambahnya jumlah port. Protokol komunikasi lengkap menggunakan kecepatan data tinggi, seperti Profibus, menggunakan perangkat keras yang ditentukan yang dalam hal ini memerlukan penjepitan langsung layar kabel di konektor untuk menghindari kuncir, dan jaringan impedansi terminasi yang benar untuk dihubungkan di node akhir saja.

Terminal dan konektor

Banyak konektor industri dirancang tanpa ketentuan yang tepat untuk pengelolaan layar kabel karena tidak dimaksudkan untuk digunakan pada frekuensi tinggi. Untuk aplikasi umum biasanya dapat ditoleransi untuk menghubungkan layar melalui kuncir pendek ke pin konektor. Namun jauh lebih disukai untuk melewatkan sambungan layar melalui badan konduktif konektor sehingga terus mengelilingi konduktor sinyal, seperti yang selalu terjadi pada konektor frekuensi radio. Jika sirkuit sinyal melewati beberapa konektor, masing-masing dengan sepasang kuncirnya, kebisingan yang disuntikkan pada setiap konektor terakumulasi.

Salah satu cara mengelola sambungan layar adalah dengan menjepit layar bersama-sama atau ke bagian logam biasa. Perangkat keras untuk ini tersedia dari pemasok blok terminal sekrup. Idenya diilustrasikan pada Gambar 7.

Gambar 7:Menghubungkan layar pada blok terminal atau konektor

Tujuan dari penjepit adalah untuk menghindari sambungan pigtail screen, dan oleh karena itu menghindari injeksi tegangan noise yang akan muncul pada pigtail. Ini menghubungkan layar dengan induktansi nyasar minimum. Area kecil dari konduktor tanpa saringan yang terbuka di terminal di sini jauh lebih penting daripada kuncir. Alasannya adalah bahwa konduktor yang tidak disekat hanya terkena medan elektromagnetik di sekitar terminal, sedangkan kuncir akan membawa arus derau yang telah dikumpulkan sepanjang seluruh rangkaian kabel yang disaring.

Biasanya klem akan dipasang ke bagian logam yang diarde, tetapi ini terutama untuk alasan keamanan. Manfaat EMC adalah hubungan induktansi yang sangat rendah antara dua layar kabel.

Ethernet

Ethernet adalah pengecualian untuk semua hal di atas. Ethernet modern tidak memerlukan kabel yang disaring, tetapi bergantung pada kabel pasangan terpilin tanpa saringan yang sangat seimbang bersama dengan kopling transformator seimbang yang mengisolasi secara galvanis untuk memberikan kekebalan kebisingan mode umum yang sangat baik. Juga tidak menggunakan struktur multi-drop, sehingga kecenderungan untuk mengakumulasi arus noise di beberapa node juga dihindari.

Ground loop

Setelah melihat efek resistansi pada Gambar 3, kita berada pada posisi yang tepat untuk memahami mengapa dalam beberapa aplikasi disarankan untuk tidak menghubungkan layar kabel di kedua ujungnya. Tegangan kesalahan IR tidak akan muncul jika layar hanya terhubung di satu ujung karena tidak ada arus di layar. Saran ini mungkin diberikan untuk "menghindari loop tanah". Namun kabel akan kehilangan semua kemampuan penyaringan medan magnetnya, yang berarti kemampuan penyaringan frekuensi tinggi. Nasihat ini hanya benar dalam situasi yang sangat khusus, ketika semua ini berlaku:

• Tegangan pembumian yang berbeda pada frekuensi rendah (mis. listrik) ada, atau medan magnet menyimpang pada frekuensi listrik.
• Sirkuit ini menggunakan sinyal analog yang sensitif terhadap gangguan kecil pada frekuensi listrik.
• Layar hanya diperlukan untuk melindungi dari sambungan medan listrik, pada frekuensi rendah.

Kasus yang paling umum untuk ini adalah dalam sistem audio analog, di mana bahkan sedikit pickup listrik menyebabkan "dengungan" yang menjengkelkan. Ini mungkin juga berlaku di pengontrol servo dengan antarmuka analog, tetapi lebih baik menggunakan antarmuka diferensial seperti yang dijelaskan di atas.

Kabel layar ganda

Kabel layar ganda terkadang direkomendasikan, terutama dengan antarmuka encoder poros di mana biasanya ada tiga pasang inti data seimbang yang disaring sebagai pasangan, mungkin beberapa inti daya, dan layar keseluruhan.

Pada prinsipnya hanya satu layar yang diperlukan untuk setiap pasangan data, dan itu bisa berupa layar keseluruhan atau layar individual. Namun manfaat dari kabel layar ganda adalah:

• Layar luar dapat dipasang ke motor dan bodi encoder, menghasilkan arus noise yang tinggi di layar yang dapat dikembalikan ke ground di drive tanpa memasuki sirkuit antarmuka encoder terminal 0V
• Terminal 0V dapat tetap diisolasi dari arde – jika ini diperlukan oleh desain sistem – sambil tetap menyediakan layar frekuensi tinggi keseluruhan yang terhubung ke arde.
• Arus loop tanah dapat dibatasi hanya untuk layar luar saja.
• Impedansi masing-masing pasangan dikontrol dengan baik karena layarnya masing-masing

Gambar 8 mengilustrasikan bagaimana ini akan dihubungkan (dua saluran ditampilkan untuk kejelasan).

Gambar 8:Sambungan kabel encoder layar ganda

Referensi

Henry W Ott:Teknik kompatibilitas elektromagnetik:Wiley:ISBN 978-0-470-18930-6

Buku lain yang direkomendasikan

Tim Williams dan Keith Armstrong:EMC untuk Sistem &Instalasi:Baru:ISBN 9780750641678