Kabel Terpindah Tingkat Lanjut untuk Sirkuit Sinyal: Teknik Koneksi Praktis (Bagian 2)

Bagian 1 mempertimbangkan prinsip bagaimana kabel screened bekerja untuk menghindari interferensi dari medan listrik dan magnet. Kami sekarang melihat beberapa detail praktis lebih lanjut.

Bagaimana menghubungkan kabel screened

Dasar

Seperti dijelaskan dalam Bagian 1, kita perlu screening yang efektif dalam rentang sangat luas dari frekensi ancaman. Untuk kabel screened efektif pada frekensi tinggi sangat penting agar screen dihubungkan langsung ke referensi pole (“0V” dan sebagainya) di kedua ujung pengirim dan penerima.

Penggunaan pigtail untuk menghubungkan screen mengurangi efektivitas screening dengan memungkinkan arus noise di screen menyuntikkan tegangan noise ke sirkuit sinyal. Untuk sirkuit yang benar-benar terisolasi galvanis ini mungkin tidak penting, karena isolasi meminimalkan arus noise yang beredar dan mengalir di pigtail. Namun umumnya pigtail harus dipersingkat sekecil mungkin. Untuk sirkuit data wide band pigtail harus dihindari, yang dapat dicapai dengan mem-clamping screen kabel langsung ke chassis atau titik referensi atau ground.

Mengapa Anda tidak menghubungkan kedua ujung screen?

Ada pedoman yang beredar yang merekomendasikan menghubungkan screen kabel di satu ujung saja. Haruslah jelas dari di atas bahwa ini mengalahkan manfaat screening frekensi tinggi dari screen. Di masa lalu pedoman ini diterapkan pada beberapa jenis sirkuit kontrol listrik sederhana yang inherently immune terhadap interferensi frekensi tinggi, untuk menghindari ground loops – lihat di bawah. Ini juga dapat mencegah arus fault sistem daya beredar di screen kabel, tetapi ini seharusnya dicapai dengan memastikan equipotential bonding yang memadai di sistem daya.

Di sistem distribusi daya ada aplikasi tertentu di mana shield kabel daya tidak boleh dihubungkan di kedua ujung, untuk menghindari bahaya potensi sentuh selama fault atau aktivitas petir; seperti di sistem distribusi TT. Ini tidak berlaku untuk kabel motor variabel speed drive.

Kapan pun kabel sinyal melewati keluar bangunan dan keluar area equipotential bonding, pertimbangan harus diberikan kepada keselamatan selama gangguan listrik dan colokan petir saat potensi ground diferensial yang berbahaya mungkin ada.

Sirkuit analisis satu sisi

Gambar 4: koneksi antarmuka analisis sederhana satu ujung

Jenis antarmuka analisis sederhana ditunjukkan pada Gambar 4. Ini memadai untuk banyak aplikasi umum. Dari penjelasan sebelumnya, Anda akan melihat bahwa pengaturan ini memiliki beberapa kelemahan, yang mungkin dapat diterima di mana kontrol dengan presisi tinggi dan bandwidth luas tidak diperlukan.

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

• Arus noise frekensi tinggi menyebabkan penurunan tegangan noise pada induktansi koneksi pigtail yang disuntikkan ke sinyal analisis. Ini dapat menyebabkan error jika sirkuit analisis rentan. Ini dapat diminimalkan dengan mempersingkat pigtail sekecil mungkin, untuk meminimalkan induktansinya. Penggunaan grounding clamp langsung pada screen kabel di kedua ujung, memasangnya ke chassis, dapat menghapusnya sepenuhnya. Ini ditunjukkan dalam biru pada Gambar 4.
• Arus noise frekensi rendah menyebabkan penurunan tegangan noise pada resistansi screen kabel (dan juga di pigtail, tetapi kabel biasanya memiliki resistansi lebih tinggi). Jika frekensi noise ini berada dalam bandwidth sirkuit analisis maka sirkuit terganggu – misalnya, pickup pada 50/60 Hz menyebabkan getaran di servo drive pada 50/60 Hz. Ini adalah “masalah ground loop” dan lebih sulit untuk diatasi. Solusi yang mungkin adalah:
• Hubungkan terminal 0V atau ground di kedua ujung dengan kabel grounding daya resistansi rendah untuk mengurangi penurunan tegangan.
• Gunakan sirkuit sinyal analisis balanced (diferensial) (lihat di bawah). Ini adalah metode terbaik.
• Buat sirkuit output atau input analisis terisolasi galvanis, untuk menghindari arus di screen.

Sirkuit analisis balanced

Sirkuit analisis presisi sering menyediakan input diferensial, dan terkadang output diferensial. Biasanya disediakan untuk controller presisi seperti servo drive, dan juga untuk sin/cos shaft encoder. Saat digunakan dengan benar ini memberikan penekanan yang luar biasa terhadap interferensi frekensi rendah. Dalam kombinasi dengan kabel screened ini dapat mencapai kekebalikan di seluruh spektrum noise. Gambar 5 menunjukkan cara menggunakan input analisis diferensial. Perhatikan bahwa inti sinyal biasanya akan menjadi twisted pair, yang lebih meningkatkan kekebalikan noise dengan membuat rute kedua konduktor seimbang sebanyak mungkin.

Gambar 5: Koneksi input analisis diferensial

Dalam kasus ini kita memiliki output controller satu ujung dan input diferensial. Dengan menggunakan dua inti di kabel screened kita dapat menghubungkan input inverting langsung ke referensi pole output analisis controller. Oleh karena itu setiap tegangan rendah yang diinduksi di screen kabel ditolak oleh input, sementara screen tetap memberikan penolakan frekensi tinggi yang luar biasa. Input diferensial tidak dapat menolak common-mode voltage pada frekensi tinggi, di luar bandwidthnya, di mana screen bekerja paling baik. Kedua teknik yang digabungkan memberikan penolakan noise di seluruh spektrum.

Grounding clamp seperti pada Gambar 4 juga dapat digunakan untuk menghindari coupling noise frekensi tinggi yang disebabkan oleh pigtail.

Jika controller juga menawarkan output diferensial maka AI- core dapat dihubungkan ke terminal AO- daripada 0V di controller. Kasus khusus adalah jika controller menawarkan output “virtual earth”, di mana terminal AO- bukan output tetapi sense input. Dalam kasus tersebut garis AO- harus dihubungkan ke 0V di satu ujung atau ujung lain, tidak boleh diizinkan untuk “float”.

Sirkuit digital

Sirkuit digital tidak rentan terhadap gangguan dari jenis error level rendah frekensi rendah yang disebabkan oleh ground loops. Interferensi frekensi tinggi di data link dapat menyebabkan bit error yang biasanya terdeteksi dan ditolak, tetapi jika terlalu sering channel mungkin tertutup atau memberikan performa yang tidak memadai. Sirkuit shaft encoder untuk umpan balik kecepatan/posisi khususnya cenderung menyebabkan noise dan getaran dalam kehadiran noise frekensi tinggi. Dalam kedua kasus manajemen yang benar dari screen kabel sangat penting.

Data link sering menggunakan bit rate tinggi. Untuk rate di atas sekitar 1 Mb/s, kabel harus diakhiri dengan benar di impedansi karakteristiknya untuk menghindari error data dari refleksi. Untuk menjaga matching, hanya panjang kabel inti yang terpapar pendek yang dapat ditoleransi.

Antarmuka digital yang paling banyak digunakan untuk transmisi data lokal dasar didasarkan pada standar RS422 dan RS485, yang memiliki transmitter dan receiver diferensial. Jenis kabel tidak ditentukan secara langsung, dan secara prinsip mungkin tidak di-screen asalkan memiliki impedansi karakteristik yang benar, tetapi biasanya kabel screened disukai.

Penggunaan sirkuit balanced berarti noise yang disuntikkan ditolak secara signifikan karena berada dalam common mode, yaitu mempengaruhi kedua garis dengan sama dan oleh karena itu tidak muncul sebagai sinyal. Namun transmitter dan receiver memiliki batas common-mode range, jadi error terjadi jika tegangan noise terlalu tinggi, atau terlalu berubah cepat, serta jika asymmetri menyebabkan noise common mode disuntikkan ke mode seri. Chip line-driver standar yang digunakan di sebagian besar port memiliki common-mode range sekitar 5V dan memberikan error besar jika ini terlampaui. Ini dapat ditingkatkan dengan menggunakan port yang terisolasi galvanis, tetapi ini mahal.

Gambar 6 menunjukkan cara mengatur koneksi port RS485 dasar.

 

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

Di peralatan Control Techniques terminal referensi ditampilkan sebagai “0V” pada Gambar 6. Di peralatan lain mungkin disebut “G” atau “GND” untuk ground, “SC” untuk screen, atau “reference”. Kadang-kadang tidak dihubungkan, atau bahkan tidak disediakan. Ini mungkin berhasil untuk link pendek, atau di mana port memiliki galvanic isolation yang dirancang dengan baik. Umumnya jauh lebih baik untuk menghubungkan 0V ke screen kabel.

RS485 memungkinkan koneksi multi-drop dari beberapa port. Efek dari ketidaksesuaian impedansi kecil di setiap port serta noise yang disuntikkan dari setiap pigtail membuat pengaturan semakin sensitif terhadap gangguan seiring bertambahnya jumlah port. Protokol komunikasi lengkap yang menggunakan data rate tinggi, seperti Profibus, menggunakan hardware yang ditentukan yang dalam hal itu memerlukan clamping langsung dari screen kabel di konektor untuk menghindari pigtail, dan jaringan terminasi impedansi yang benar yang dihubungkan hanya di node akhir.

Terminal dan konektor

Banyak konektor industri dirancang tanpa perawatan yang memadai untuk manajemen screen kabel karena tidak dimaksudkan untuk digunakan pada frekensi tinggi. Untuk aplikasi umum biasanya dapat ditoleransi untuk menghubungkan screen melalui pigtail pendek ke pin konektor. Namun jauh lebih baik untuk melewatkan koneksi screen melalui tubuh konduktif konektor sehingga terus mengelilingi konduktor sinyal, seperti yang selalu terjadi pada konektor radio frekensi. Jika sirkuit sinyal melewati beberapa konektor, masing-masing dengan pasangannya sendiri pigtail, noise yang disuntikkan di setiap konektor terkumulasi.

Salah satu cara untuk mengelola koneksi screen adalah dengan mem-clamping screen bersama atau ke bagian logam umum. Hardware untuk ini tersedia dari pemasok terminal block screw. Ide ini diilustrasikan pada Gambar 7.

Gambar 7: Menghubungkan screen di terminal block atau konektor

Tujuan clamp adalah untuk menghindari koneksi screen pigtail, dan oleh karena itu menghindari injeksi tegangan noise yang akan muncul di pigtail. Ini menghubungkan screen dengan inductansi sisa minimum. Luas kecil konduktor yang tidak di-screen yang terpapar di terminal di sini jauh lebih tidak penting daripada pigtail. Alasannya adalah konduktor yang tidak di-screen hanya terpapar terhadap medan elektromagnetik di dekat terminal yang langsung, sedangkan pigtail akan membawa arus noise yang telah terkumpul sepanjang seluruh jalur kabel screened.

Biasanya clamp akan dipasang pada bagian logam yang di-ground, tetapi ini terutama untuk alasan keselamatan. Manfaat EMC adalah link inductansi sangat rendah antara kedua screen kabel.

Ethernet

Ethernet adalah pengecualian dari semua di atas. Ethernet modern tidak membutuhkan kabel screened, tetapi bergantung pada twisted pair yang sangat seimbang dan tidak di-screen dalam kombinasi dengan galvanic isolation balanced transformer coupling untuk memberikan kekebalikan noise common mode yang luar biasa. Juga tidak menggunakan struktur multi-drop, jadi kecenderungan untuk mengumpulkan arus noise di beberapa node juga dihindari.

Ground loops

Setelah melihat efek resistansi pada Gambar 3 kita cukup berposisi untuk memahami mengapa di beberapa aplikasi disarankan untuk tidak menghubungkan screen kabel di kedua ujung. Error voltage IR tidak akan muncul jika screen hanya dihubungkan di satu ujung karena tidak akan ada arus di screen. Nasihat ini mungkin diberikan untuk “menghindari ground loops”. Namun kabel akan kehilangan semua kemampuan screening medan magnetnya, yang berarti kemampuan screening frekensi tingginya. Nasihat ini hanya benar dalam situasi yang sangat khusus, ketika semua ini berlaku:

• Tegangan ground diferensial pada frekensi rendah (misalnya jaringan) ada, atau stray magnetic fields pada frekensi jaringan.
• Sirkuit menggunakan sinyal analisis yang sensitif terhadap gangguan kecil pada frekensi jaringan.
• Screen hanya diperlukan untuk melindungi terhadap coupling medan listrik, pada frekensi rendah.

Kasus paling umum untuk ini adalah dalam sistem audio analisis, di mana bahkan tingkat kecil pickup jaringan menyebabkan “hum” yang mengganggu. Ini juga mungkin berlaku pada servo controller dengan antarmuka analisis, tetapi di sana lebih baik untuk menggunakan antarmuka diferensial seperti yang dijelaskan di atas.

Kabel double screened

Kabel double screened terkadang direkomendasikan, terutama dengan antarmuka shaft encoder di mana biasanya ada tiga pasang data core balanced yang di-screen sebagai pasang, mungkin beberapa inti daya, dan screen keseluruhan.

Secara prinsip hanya satu screen yang diperlukan untuk setiap pasang data, dan bisa jadi screen keseluruhan atau screen individual. Namun manfaat kabel double screened adalah:

• Screen luar dapat dipasang pada badan motor dan encoder, menghasilkan arus noise tinggi di screen yang dapat dikembalikan ke ground di drive tanpa masuk ke terminal 0V antarmuka encoder
• Terminal 0V dapat dipisahkan dari ground – jika ini diperlukan oleh desain sistem – sambil tetap menyediakan screen keseluruhan frekensi tinggi yang terhubung ke ground.
• Arus ground loop dapat dibatasi pada screen luar saja.
• Impedansi pasangan individual terkontrol dengan baik karena screen individualnya

Gambar 8 menggambarkan bagaimana ini akan dihubungkan (dua channel ditampilkan untuk kejelasan).

Gambar 8: Koneksi kabel encoder double screened

 

Referensi

Henry W Ott: Electromagnetic compatibility engineering: Wiley: ISBN 978-0-470-18930-6

Buku lain yang direkomendasikan

Tim Williams dan Keith Armstrong: EMC for Systems & Installations: Newnes: ISBN 9780750641678