Kabel Terpindah untuk Sirkuit Sinyal: Bagian 1 – Praktik Terbaik

Serangkaian dua blog ini membahas penggunaan kabel screened (juga disebut shielded) untuk sirkuit sinyal. Topik ini disebut dalam blog EMC saya, dan saya berjanji untuk kembali ke topik ini dengan lebih detail.

Blog selanjutnya akan membahas kabel daya screened yang direkomendasikan untuk menghubungkan AC VSD ke motornya. Dalam kedua kasus tujuan dari screen adalah untuk mencegah coupling elektromagnetik yang tidak diinginkan antara sirkuit di dalam screen dan sirkuit lain di luar. Perbedaan utama adalah screen kabel motor ada untuk melindungi sirkuit eksternal, sedangkan screen kabel sinyal adalah untuk melindungi sirkuit di dalamnya dari interferensi oleh noise listrik di luar.

Kabel screened umum dalam sistem elektronik dan biasanya dianggap sebagai hal yang biasa. Namun mereka tidak sesederhana yang terlihat, dan sering digunakan serta dipahami secara salah. Untungnya sirkuit elektronik modern umumnya memiliki kekebalikan yang baik terhadap noise listrik, jadi sistem biasanya berfungsi meskipun praktik buruk dalam manajemen kabel. Namun saat menggunakan variabel speed drive ini menjadi lebih penting untuk menggunakan praktik yang benar karena inverter menghasilkan tingkat noise elektromagnetik yang cukup tinggi, yang dapat mengganggu sirkuit kontrol terkait jika tidak diatur dengan benar.

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

Beberapa pertanyaan umum

Ada berbagai aturan yang dipromosikan untuk manajemen kabel screened yang timbul dengan alasan yang baik, tetapi mereka bisa bertentangan dan membingungkan. Berikut adalah beberapa pertanyaan umum yang saya harap menjawab:

1. Apakah saya harus menghubungkan kedua ujung screen?
2. Apakah saya tidak boleh menghubungkan kedua ujung screen??
3. Apakah screen harus dihubungkan ke ground (earth)?
4. Apakah saya perlu khawatir tentang ground (earth) loops?
5. Berapa panjang maksimum ground pigtail?
6. Bagaimana saya menghubungkan melalui terminal block?
7. Bagaimana saya menghubungkan sirkuit analisis balanced (diferensial)?
8. Bagaimana dengan Ethernet? Bisakah kabel yang tidak di-screen bekerja?

Beberapa istilah krusial

Dalam penjelasan berikut:

Ground adalah ground keselamatan atau earth (PE) dalam sistem yang terhubung ke jaringan, yang akhirnya terhubung ke jaringan bonding protektif bangunan dan ke ground fisik (earth) di bawah. Ketika sirkuit sinyal dihubungkan ke ground dan koneksi tidak dibuat untuk alasan keselamatan, ini dapat disebut sebagai functional ground, berbeda dari safety ground.

Koneksi return atau common atau reference sinyal dalam sistem disebut di sini sebagai “referensi pole”. Dalam peralatan Control Techniques ini disebut sebagai koneksi “0V”. Ini sering dihubungkan ke ground, tetapi tidak harus. Beberapa sirkuit data balanced mungkin tidak memiliki referensi pole.

Di panel listrik, massa utama konstruksi logam disebut sebagai “chassis”. Ini biasanya dihubungkan ke ground untuk alasan keselamatan, tetapi untuk pertimbangan noise listrik lebih penting bahwa ini terdiri dari permukaan konduktif yang luas yang tidak mungkin memiliki potensi listrik yang berbeda di sekitarnya.

Di sirkuit sinyal balanced atau push-pull garis sinyal disebut sebagai A+ dan A-. Tergantung pada desain, mungkin atau mungkin tidak ada koneksi 0V atau chassis yang terkait.

“Frekuensi tinggi” secara luas berarti frekuensi dalam rentang komunikasi radio, di atas frekensi cutoff kabel, misalnya di atas sekitar 50 kHz atau sekitarnya. Di variabel speed drive frekuensi tinggi tersebut muncul sebagai efek samping dari switching yang sangat cepat dari power semiconductor.

Apa itu noise listrik (interferensi?)

Noise listrik di sini merujuk 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 di dekatnya. Secara umum efek cenderung terburuk untuk frekuensi dalam rentang radio, karena perubahan cepat tegangan dan arus meningkatkan coupling yang tidak diinginkan. Sirkuit sinyal mungkin sensitif terhadap interferensi frekuensi tinggi, baik karena mereka menggunakan frekuensi tinggi sendiri (misalnya, serial digital data links, encoder data) atau karena mereka memiliki sensitivitas yang tidak disengaja terhadap frekuensi tinggi di luar bandwidth yang dimaksud (misalnya, input analisis). Sirkuit sinyal yang dirancang dengan baik akan memiliki bandwidth yang disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi, sehingga tidak secara tidak perlu sensitif terhadap gangguan yang berubah cepat. Namun tingkat gangguan di luar band yang dimaksud masih dapat menyebabkan error karena non-linearitas. Inilah sebabnya misalnya cukup sering mendengar interferensi dalam sistem suara yang disebabkan oleh telepon seluler (ponsel).

Fitur penting dari jenis noise ini adalah dapat mencakup rentang frekensi yang sangat luas. Interferensi dapat terjadi dari sumber frekensi jaringan 50/60 Hz hingga wilayah frekensi radio telepon seluler dan lain-lain sekitar 2 – 5 GHz. Ini adalah rentang 8 orde magnitudo, dan aturan yang bekerja baik untuk beberapa frekuensi mungkin tidak efektif atau bahkan kontraproduktif pada frekuensi lain. Inilah sebabnya aturan untuk EMC dan manajemen kabel screened kadang-kadang tampak bertentangan – mereka mungkin dimaksudkan untuk ancaman dalam rentang frekensi tertentu.

Perhatikan bahwa jenis noise listrik lain adalah noise acak termal yang secara inherent ada dalam semua sirkuit pada suhu di atas 0 K. Ini hanya menarik untuk peralatan penerima radio yang sangat sensitif dan tidak dibahas di sini.

Bagaimana kabel screened bekerja

Kabel screened memiliki satu atau lebih inti sinyal yang dikelilingi oleh konduktor screening kontinu. Kabel coaxial memiliki satu inti dalam yang dikelilingi oleh screen dan terutama digunakan untuk aplikasi frekuensi radio. Screen paling umum terbuat dari benang halus yang di-raft, yang dapat disunting dengan foil konduktif. Jarang, screen mungkin berupa logam padat, dan dapat mencakup bahan magnet seperti ferrit.

Tujuan screen adalah untuk mencegah energi elektromagnetik eksternal menginduksi sinyal yang tidak diinginkan ke sirkuit sinyal. Medan elektromagnetik terdiri dari medan magnet dan listrik yang terkait bersama. Untuk membantu memahami operasinya, kita dapat pertama kali mempertimbangkan secara terpisah efek pada medan listrik dan medan magnet. Untuk sirkuit yang kebal terhadap interferensi elektromagnetik harus kebal terhadap baik medan listrik maupun magnet.

Screening medan listrik

Ini adalah mekanisme yang paling mudah dipahami. Gambar 1 menunjukkan medan listrik E dari sumber noise luar yang menimpa kabel screened dalam sirkuit sinyal satu garis (tidak seimbang) sederhana yang menghubungkan sumber sinyal ke beban sinyal. Medan berakhir pada konduktor screen dan tidak menembus ke inti dalam, sehingga tidak terjadi interferensi.

Dalam tidak adanya screen, medan listrik akan menginduksi arus ke sirkuit sinyal setiap kali berubah. Ini akan menyebabkan error transient, yaitu noise, pada tegangan yang diterima, dengan jumlah tergantung pada impedansi sirkuit – semakin tinggi impedansi, semakin tinggi error. Biasanya sumber dirancang untuk memiliki impedansi rendah untuk meminimalkan error tegangan yang disebabkan oleh masuknya medan listrik.

Gambar 1: Mekanisme screening medan listrik

Koneksi ground ditampilkan sebagai opsional dalam Gambar 1, karena dalam prinsipnya tidak diperlukan agar screen bekerja. Yang penting adalah referensi pole dari sumber dan beban harus dihubungkan ke screen sehingga tegangan sinyal ada pada konduktor internal relatif terhadap screen.

Dalam praktiknya, tergantung pada desain sumber dan beban, mereka mungkin tidak dapat menerima potensi listrik pada referensi pole mereka, jadi praktik umum adalah menghubungkan screen ke ground. Perhatikan bahwa hanya ada satu koneksi ke ground dalam Gambar 1, dan untuk screening medan listrik sederhana tidak penting di mana koneksi dibuat. Namun ketika medan E berubah seiring waktu, arus mengalir ke ground karena muatan listrik yang berubah. Setelah arus mengalir kita juga harus mempertimbangkan efek medan magnet. Seiring meningkatnya frekuensi arus yang terkait dengan medan listrik juga meningkat, jadi pengaturan Gambar 1 sebenarnya hanya berhasil dalam mengecualikan interferensi medan listrik frekensi rendah seperti dari jaringan 50/60 Hz.

Screening medan magnet

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

Gambar 2: Mekanisme screening medan magnet

Jika medan magnet berubah ia menginduksi potensi ke konduktor yang proporsional dengan laju perubahan fluks magnet yang dihubungkan oleh konduktor, ditunjukkan di sini sebagai E_B1 untuk screen dan E_B2 untuk inti dalam.

Potensi yang diinduksi akan mewakili error transient dalam sinyal yang diterima, yaitu noise, kecuali untuk fakta yang diilustrasikan dalam Gambar 2:

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

Alasannya adalah fluks magnet yang menghubungkan konduktor screen secara inheren juga harus menghubungkan konduktor dalam.

Tegangan E_B1 dan E_B2 yang ditampilkan dalam merah sama besar tetapi berlawanan dalam sirkuit sinyal, sehingga mereka saling membatalkan di beban.

Asalkan tidak ada yang terjadi untuk menyeimbangkan kedua tegangan yang diinduksi, pembatalan sangat tepat dan kabel screened memberikan perlindungan yang luar biasa dari medan magnet yang berubah.

Perhatikan bahwa dalam Gambar 2 tidak sumber maupun beban terhubung ke sirkuit lain, yaitu mereka terisolasi galvanis. Dalam kasus ini tidak ada arus yang dapat mengalir di screen dan tidak ada yang dapat menyebabkan error antara E_B1 dan E_B2.

Dalam praktiknya meskipun dengan isolasi galvanis ada stray capacitance sehingga beberapa arus dapat mengalir pada frekensi lebih tinggi. Namun arus mana pun yang mengalir di screen menyebabkan perubahan pada fluks magnet yang juga menghubungkan konduktor sinyal. Mekanisme pembatalan masih beroperasi.

Arus screen frekensi rendah

Dalam Gambar 2, ditunjukkan bahwa tegangan yang diinduksi oleh medan magnet eksternal identik di kedua konduktor dalam dan luar. Sumber tegangan lain yang tidak diinduksi secara sama adalah penurunan tegangan resistif sederhana. Gambar 3 mengilustrasikan situasi di mana ujung pengirim dan penerima keduanya memiliki koneksi ke chassis atau ground lokal mereka, dan beda tegangan ground E_D menyebabkan arus I_D mengalir di screen. Beda tegangan mungkin disebabkan oleh berbagai efek dalam sistem lengkap, esensialmente ini adalah jumlah berbagai tegangan noise yang terkumpul oleh screen kabel bertindak sebagai antena penerima untuk gelombang elektromagnetik semua jenis, serta penurunan tegangan yang disebabkan oleh arus stray yang beredar seperti pada frekensi jaringan.

Ada juga sumber beda tegangan ground tertentu di sistem drive yang menggunakan shaft encoder motor. Meskipun penggunaan kabel motor screened, badan motor mungkin memiliki tegangan noise yang signifikan relatif terhadap ground karena pulsa PWM yang cepat di gulungan motor dan kabel motor. Jika shaft encoder memiliki badan logam yang dipasang langsung pada badan motor maka sulit untuk menghindari beda tegangan ground di screen kabel encoder.

Gambar 3: Efek arus screen

Arus I_D menyebabkan penurunan tegangan di screen, dengan dua komponen:

• Komponen induktif IjwL di mana L adalah inductansi screen kabel
• Komponen resistif IR di mana R adalah resistansi screen kabel

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

Komponen resistif tidak muncul di E_B2, sehingga muncul secara serial dengan sinyal dan menyebabkan error.

Perhatikan bahwa sedangkan medan listrik akan menyebabkan arus yang diinduksi, sehingga efeknya proporsional dengan impedansi sirkuit, di sini ada tegangan yang diinduksi. Membuat impedansi sumber sinyal lebih rendah tidak mengurangi error. Ketika induksi medan magnet adalah sumber utama interferensi teknik terbaik adalah menggunakan sinyal arus, dan ini adalah alasan penggunaan yang luas dari metode current source 4 – 20 mA dalam sistem kontrol proses dengan jalur kabel sinyal yang sangat panjang.

Pada frekensi tinggi di mana inductansi kabel mendominasi impedansinya, IR relatif kecil. Juga, karena efek kulit, resistansi efektif lebih rendah pada frekuensi tinggi karena arus terutama mengalir di luar screen, bukan di dalam. Akibatnya pada frekuensi lebih rendah screen kabel menjadi kurang efektif. Ini dapat diukur sebagai frekensi cutoff screen, di bawahnya tidak efektif. Ini cenderung dalam rentang 1 kHz hingga 10 kHz untuk kabel yang umum digunakan [lihat halaman 62 referensi sebagai contoh].

Gambar 3 juga menyoroti efek dari “pigtails”, yaitu panjang kabel yang digunakan untuk membuat koneksi return screen. Anda dapat melihat bahwa arus I_D mengalir di pigtails, dan penurunan tegangan apa pun di sana di inductansi pigtail muncul secara serial dengan sinyal. Poinnya adalah ini adalah penurunan tegangan induktif yang tidak muncul di kedua konduktor, sehingga tidak dibatalkan oleh kabel screened. Pigtail berbahaya untuk kemampuan screening kabel pada frekuensi lebih tinggi.

Jenis screen kabel

Screen kabel tradisional adalah raft dari kawat tembaga halus, dengan cakupan mendekati 100% (yaitu minimal “jendela” dalam rafting). Beberapa kabel data menggunakan foil logam atau foil plastik yang di-logami, baik sendirian atau bersama raft.

Untuk efektif dalam rentang frekensi yang luas screen perlu memiliki cakupan maksimum, resistansi rendah, dan kontinuitas sepanjang yang baik antara raft sehingga arus dapat mengalir di luar dengan penurunan tegangan minimum dan campuran minimum dengan arus di dalam. Foil sendirian cenderung memiliki resistansi yang cukup tinggi dan tidak efektif, tetapi saat digabungkan dengan raft dapat membantu dalam memisahkan permukaan konduktor dalam dan luar.

 

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

 

 

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