Kabel Terlindung Untuk Sirkuit Sinyal (Bagian 1)

Kumpulan dua blog ini membahas penggunaan kabel yang disaring (juga disebut sebagai terlindung) untuk sirkuit sinyal. Subjek tersebut dirujuk di blog EMC saya, dan saya berjanji untuk mengunjunginya kembali dengan lebih detail.

Blog selanjutnya akan membahas kabel daya yang disaring yang direkomendasikan untuk menghubungkan AC VSD ke motornya. Dalam kedua kasus, tujuan layar adalah untuk mencegah sambungan elektromagnetik yang tidak diinginkan antara sirkuit di dalam layar dan sirkuit lain di luar. Perbedaan utamanya adalah bahwa layar kabel motor berfungsi untuk melindungi sirkuit eksternal, sedangkan layar kabel sinyal berfungsi untuk melindungi sirkuit di dalamnya dari gangguan oleh gangguan listrik di luarnya.

Kabel yang disaring adalah hal biasa dalam sistem elektronik dan umumnya diterima begitu saja. Namun mereka tidak sesederhana kelihatannya, dan sering disalahgunakan dan disalahpahami. Untungnya sirkuit elektronik modern umumnya memiliki kekebalan yang baik terhadap kebisingan listrik, sehingga sistem biasanya bekerja meskipun praktik yang buruk dalam manajemen kabel. Namun saat menggunakan penggerak kecepatan variabel, menjadi lebih penting untuk menggunakan praktik yang benar karena inverter menghasilkan tingkat kebisingan elektromagnetik yang cukup tinggi, yang dapat menyebabkan gangguan pada rangkaian kontrol terkait jika tidak diatur dengan benar.

Bagian 1 membahas prinsip umum kabel sinyal yang disaring, dan bagian 2 membahas beberapa detail praktis yang lebih spesifik.

Beberapa pertanyaan umum

Ada berbagai aturan yang dipromosikan untuk pengelolaan kabel yang disaring yang muncul untuk alasan yang baik, tetapi aturan tersebut dapat saling bertentangan dan membingungkan. Berikut adalah beberapa pertanyaan umum yang ingin saya jawab:

1. Haruskah saya menghubungkan kedua ujung layar?
2. Haruskah aku tidak sambungkan kedua ujung layar??
3. Haruskah layar terhubung ke ground (pembumian)?
4. Haruskah saya khawatir tentang loop tanah (bumi)?
5. Berapa panjang kuncir giling?
6. Bagaimana cara menghubungkan melalui blok terminal?
7. Bagaimana cara menghubungkan rangkaian analog seimbang (diferensial)?
8. Bagaimana dengan Ethernet? Bisakah kabel yang tidak disaring berfungsi?

Beberapa istilah penting

Dalam penjelasan berikut:

Tanah adalah arde pengaman atau arde (PE) dalam sistem yang terhubung ke listrik, yang pada akhirnya terhubung ke jaringan ikatan pelindung bangunan dan ke arde fisik (arde) di bawahnya. Ketika sirkuit sinyal disambungkan ke arde dan koneksi tidak dibuat untuk alasan keamanan, ini dapat disebut sebagai arde fungsional, yang berbeda dari arde keselamatan.

Pengembalian sinyal atau koneksi umum atau referensi dalam suatu sistem disebut di sini sebagai “kutub referensi ”. Dalam peralatan Teknik Kontrol ini disebut sebagai koneksi "0V". Ini sering terhubung ke ground, tetapi tidak perlu. Beberapa sirkuit data seimbang mungkin tidak memiliki kutub referensi.

Dalam panel listrik, massa utama konstruksi logam disebut sebagai “sasis ”. Ini biasanya terhubung ke ground untuk alasan keamanan, tetapi untuk pertimbangan kebisingan listrik, lebih penting bahwa itu terdiri dari permukaan konduktor yang tersebar luas yang tidak mungkin memiliki potensi listrik yang berbeda di sekitarnya.

Dalam rangkaian sinyal seimbang atau push-pull, garis sinyal disebut sebagai A+ dan A-. Tergantung pada desainnya, mungkin ada atau tidak ada koneksi 0V atau sasis yang terkait.

“Frekuensi tinggi ” berarti secara luas frekuensi dalam jangkauan komunikasi radio, jauh di atas frekuensi pemutusan kabel, mis. di atas sekitar 50 kHz atau sekitar itu. Dalam penggerak kecepatan variabel, frekuensi tinggi seperti itu terjadi sebagai efek samping dari peralihan yang sangat cepat dari semikonduktor daya.

Apa itu noise listrik (interferensi?)

Kebisingan listrik di sini mengacu pada efek interaksi yang tidak diinginkan dari sirkuit listrik. Semua aktivitas listrik menghasilkan medan elektromagnetik yang dapat menginduksi sinyal listrik yang tidak diinginkan ke sirkuit terdekat. Umumnya efeknya cenderung paling buruk untuk frekuensi dalam jangkauan radio, karena perubahan tegangan dan arus yang cepat meningkatkan kopling yang tidak diinginkan. Sirkuit sinyal mungkin sensitif terhadap interferensi frekuensi tinggi, baik karena mereka menggunakan frekuensi tinggi itu sendiri (misalnya tautan data digital serial, data encoder) atau karena mereka memiliki kepekaan yang tidak diinginkan terhadap frekuensi tinggi jauh di luar bandwidth yang dimaksudkan (misalnya input analog). Sirkuit sinyal yang dirancang dengan baik akan memiliki bandwidth yang disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi, sehingga tidak terlalu sensitif terhadap gangguan yang berubah dengan cepat. Namun tingkat gangguan yang tinggi di luar pita yang dimaksud masih dapat menyebabkan kesalahan karena non-linier. Inilah sebabnya, misalnya, cukup umum untuk mendengar gangguan pada sistem suara yang disebabkan oleh telepon seluler (seluler).

Fitur penting dari jenis kebisingan ini adalah bahwa ia dapat mencakup rentang frekuensi yang sangat luas. Interferensi dapat terjadi dari sumber frekuensi utama 50/60 Hz hingga telepon seluler dan wilayah frekuensi radio lainnya sekitar 2 – 5 GHz. Ini adalah kisaran 8 orde besarnya, dan aturan yang bekerja dengan baik untuk beberapa frekuensi mungkin tidak efektif atau bahkan kontraproduktif di frekuensi lain. Inilah sebabnya mengapa aturan untuk EMC dan manajemen kabel yang disaring terkadang tampak bertentangan – aturan tersebut  mungkin ditujukan untuk ancaman dalam rentang frekuensi tertentu.

Perhatikan bahwa jenis derau listrik lainnya adalah derau acak yang dihasilkan secara termal yang ada secara inheren di semua sirkuit pada suhu di atas 0 K. Ini hanya menarik untuk peralatan penerima radio yang sangat sensitif dan tidak tercakup di sini.

Cara kerja kabel yang disaring

Kabel yang disaring memiliki satu atau lebih inti sinyal yang dikelilingi oleh konduktor penyaringan kontinu. Kabel koaksial memiliki inti dalam tunggal yang dikelilingi oleh layar dan sebagian besar digunakan untuk aplikasi frekuensi radio. Layar paling sering dibuat dari jalinan kabel halus, yang dapat dilengkapi dengan foil konduktif. Kurang umum, layar mungkin logam padat, dan mungkin termasuk bahan magnetik seperti ferit.

Tujuan layar adalah untuk mencegah energi elektromagnetik eksternal menginduksi sinyal yang tidak diinginkan ke dalam rangkaian sinyal. Medan elektromagnetik terdiri dari medan magnet dan listrik yang terkait bersama-sama. Untuk membantu memahami operasinya, pertama-tama kita dapat mempertimbangkan secara terpisah efek pada medan listrik dan medan magnet. Agar sirkuit kebal terhadap interferensi elektromagnetik, sirkuit harus kebal terhadap medan listrik dan magnet.

Penyaringan medan listrik

Ini adalah mekanisme paling sederhana untuk dipahami. Gambar 1 menunjukkan medan listrik E dari sumber kebisingan luar yang menimpa kabel yang disaring dalam rangkaian sinyal jalur tunggal (tidak seimbang) sederhana yang menghubungkan sumber sinyal ke beban sinyal. Medan berakhir pada konduktor layar dan tidak menembus konduktor bagian dalam, sehingga tidak terjadi interferensi.

Dengan tidak adanya layar, medan listrik akan menginduksi arus ke sirkuit sinyal setiap kali berubah. Ini akan menyebabkan kesalahan transien, yaitu kebisingan, pada tegangan yang diterima, dengan jumlah yang tergantung pada impedansi rangkaian – semakin tinggi impedansi, semakin tinggi kesalahan. Biasanya sumber dirancang untuk memiliki impedansi rendah untuk meminimalkan tegangan kesalahan yang disebabkan oleh masuknya medan listrik.

Gambar 1:Mekanisme penyaringan medan listrik

Sambungan ground ditampilkan sebagai opsional pada Gambar 1, karena pada prinsipnya tidak diperlukan agar layar dapat bekerja. Yang penting adalah bahwa kutub referensi sumber dan beban harus dihubungkan ke layar sehingga tegangan sinyal ada pada konduktor internal relatif terhadap layar.

Dalam praktiknya, tergantung pada desain sumber dan beban, mereka mungkin tidak dapat mentolerir potensi listrik pada kutub referensinya, jadi merupakan praktik umum untuk menghubungkan layar ke ground. Perhatikan bahwa hanya ada satu sambungan ke arde pada Gambar 1, dan untuk penyaringan medan listrik sederhana, tidak masalah di mana sambungan dibuat. Namun ketika medan E berubah-ubah dalam waktu, arus mengalir ke tanah karena perubahan muatan listrik. Setelah  arus mengalir, kita juga harus mempertimbangkan efek medan magnet. Saat frekuensi meningkat, arus yang terkait dengan medan listrik juga meningkat, sehingga pengaturan Gambar 1 benar-benar hanya berhasil mengecualikan gangguan medan listrik frekuensi rendah seperti dari sumber listrik 50/60 Hz.

Penyaringan medan magnet

Efek penyaringan medan magnet dari kabel yang disaring sedikit lebih sulit untuk dipahami, tetapi sama pentingnya. Di mana pun arus listrik mengalir, ada medan magnet terkait yang dapat menginduksi potensi listrik ke dalam rangkaian ketika mereka berubah. Gambar 2 menunjukkan fluks magnet B, yang berasal dari sirkuit pembawa arus eksternal, menghubungkan sirkuit yang sama seperti pada Gambar 1.

Gambar 2:Mekanisme penyaringan medan magnet

Ketika medan magnet berubah, ia menginduksi potensi ke dalam konduktor yang sebanding dengan laju perubahan fluks magnet yang dihubungkan oleh konduktor, ditunjukkan di sini sebagai E_B1 untuk layar dan E_B2 untuk konduktor dalam.

Potensi induksi akan mewakili kesalahan transien dalam sinyal yang diterima, yaitu kebisingan, kecuali fakta yang diilustrasikan pada Gambar 2:

Tegangan yang sama persis diinduksi ke dalam dan luar (layar) konduktor. Jadi E_B1 =E_B2 .

Alasan untuk ini adalah bahwa fluks magnet yang menghubungkan konduktor layar secara inheren juga menghubungkan konduktor bagian dalam.

Tegangan E_B1 dan E_B2 yang ditunjukkan dalam warna merah adalah sama tetapi berlawanan dalam rangkaian sinyal, sehingga mereka membatalkan beban.

Asalkan tidak terjadi ketidakseimbangan dua voltase yang diinduksi, pembatalannya sangat tepat dan kabel yang disaring memberikan perlindungan yang sangat baik dari perubahan medan magnet.

Perhatikan bahwa pada Gambar 2 baik sumber maupun beban tidak terhubung ke sirkuit lain, yaitu mereka terisolasi secara galvanis. Dalam hal ini tidak ada arus yang dapat mengalir di layar dan tidak ada yang dapat menyebabkan kesalahan antara E_B1 dan E_B2 .

Dalam prakteknya bahkan dengan isolasi galvanik ada kapasitansi yang menyimpang sehingga beberapa arus dapat mengalir pada frekuensi yang lebih tinggi. Namun setiap arus yang mengalir di layar menyebabkan perubahan fluks magnet yang juga menghubungkan konduktor sinyal. Mekanisme pembatalan tetap berjalan.

Arus layar frekuensi rendah

Pada Gambar 2, terlihat bahwa tegangan yang diinduksi oleh medan magnet luar adalah identik baik pada penghantar dalam maupun penghantar luar. Sumber tegangan lain yang tidak diinduksi secara merata adalah penurunan tegangan resistif sederhana. Gambar 3 mengilustrasikan situasi di mana ujung pengirim dan penerima keduanya memiliki koneksi ke sasis atau arde lokalnya, dan tegangan beda arde E_D menyebabkan arus I_D mengalir di layar. Perbedaan tegangan mungkin disebabkan oleh berbagai efek dalam sistem yang lengkap, pada dasarnya itu adalah jumlah dari berbagai tegangan kebisingan yang dikumpulkan oleh layar kabel yang bertindak seperti antena penerima untuk semua jenis gelombang elektromagnetik, serta penurunan tegangan. disebabkan oleh arus liar yang bersirkulasi seperti pada frekuensi listrik.

Ada juga sumber tegangan beda arde tertentu dalam sistem penggerak yang menggunakan enkoder poros motor. Meskipun menggunakan kabel motor yang disaring, bodi motor mungkin memiliki tegangan noise yang signifikan relatif terhadap ground karena pulsa PWM yang cepat pada belitan motor dan kabel motor. Jika encoder poros memiliki bodi logam yang dipasang langsung ke bodi motor, maka sulit untuk menghindari tegangan diferensial arde di layar kabel enkoder.

Gambar 3:Pengaruh arus layar

I_D . saat ini menyebabkan penurunan tegangan di layar, dengan dua komponen:

• Komponen induktif IjwL di mana L adalah induktansi layar kabel
• Sebuah komponen resistif IR di mana R adalah resistansi layar kabel

Komponen induktif disebabkan oleh medan magnet yang diinduksi oleh arus. Medan magnet juga menghubungkan konduktor bagian dalam, sehingga memberikan kontribusi yang sama untuk E_B1 dan E_B2 dan tidak mengganggu sinyal yang diterima.[1]

Komponen resistif tidak muncul di E_B2 , sehingga muncul secara seri dengan sinyal dan menyebabkan kesalahan.

Perhatikan bahwa sementara medan listrik akan menyebabkan arus induksi, sehingga efeknya akan sebanding dengan impedansi rangkaian, di sini ada tegangan induksi. Membuat impedansi sumber sinyal lebih rendah tidak mengurangi kesalahan. Ketika induksi medan magnet adalah sumber utama interferensi, teknik terbaik adalah menggunakan sinyal arus, dan inilah alasan meluasnya penggunaan metode sumber arus 4 – 20 mA dalam sistem kontrol proses dengan kabel sinyal yang sangat panjang.

Pada frekuensi tinggi di mana induktansi kabel mendominasi impedansinya, IR relatif kecil. Juga, karena efek kulit, resistansi efektif kurang pada frekuensi tinggi karena arus mengalir terutama di luar layar, bukan di dalam. Hasilnya adalah bahwa pada frekuensi yang lebih rendah layar kabel menjadi kurang efektif. Ini dapat diukur sebagai frekuensi cutoff layar, di bawahnya tidak efektif. Ini cenderung berada dalam kisaran 1 kHz hingga 10 kHz untuk kabel yang umum digunakan [misalnya, lihat halaman 62 referensi].

Gambar 3 juga menyoroti efek "kuncir", yaitu panjang kabel yang digunakan untuk membuat sambungan balik layar. Anda dapat melihat bahwa I_D . saat ini mengalir di kuncir, dan setiap penurunan tegangan di sana di induktansi kuncir muncul secara seri dengan sinyal. Maksudnya di sini adalah penurunan tegangan induktif yang tidak muncul pada kedua penghantar, sehingga tidak dibatalkan oleh kabel yang disaring. Kuncir berbahaya bagi kemampuan penyaringan kabel pada frekuensi yang lebih tinggi.

Jenis layar kabel

Layar kabel tradisional adalah jalinan kabel tembaga halus, dengan cakupan mendekati 100% (yaitu "jendela" minimal dalam jalinan). Beberapa kabel data menggunakan foil logam atau foil plastik berlapis logam, baik tersendiri atau dengan jalinan.

Agar efektif pada rentang frekuensi yang luas, layar harus memiliki cakupan maksimum, resistansi rendah, dan kontinuitas memanjang yang baik antara jalinan sehingga arus dapat mengalir di sepanjang bagian luar dengan penurunan tegangan minimum dan pencampuran minimal dengan arus di dalam. Foil saja cenderung memiliki ketahanan yang agak tinggi dan tidak efektif, tetapi bila dikombinasikan dengan jalinan dapat membantu memisahkan permukaan konduktor bagian dalam dan luar.

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

[1] Dibutuhkan beberapa pemikiran untuk memahami ini dengan benar. Semua medan magnet yang disebabkan oleh arus layar harus menghubungkan konduktor bagian dalam. Tidak semua medan magnet yang disebabkan oleh arus konduktor dalam harus menghubungkan layar.