EMC en kabels ZX ronde 9 April 2017

Transcriptie

1 EMC en kabels ZX ronde 9 April 2017 De EU heeft sinds 1 januari 1996 de EMC richtlijn ingevoerd, waardoor alle elektrische en elektronische apparaten voldoen aan minimale emissie- en immuniteitseisen. Aanscherping van de EMC-eisen is een continu proces als gevolg van de toename van het aantal apparaten op de plaats van gebruik. Ook de veelvuldige toepassingen van vermogenelektronica (o.a. frequentiegestuurde toepassingen) in machines en productielijnen dragen hier aan bij. Elektromagnetische compatibiliteit (EMC). Het in staat zijn van een onderdeel, apparaat of systeem om in zijn elektromagnetische omgeving naar wens te functioneren zonder hierbij zelf ontoelaatbare elektromagnetische storingen aan deze omgeving toe te voegen. Men spreekt over EMS (Elektromagnetische susceptibiliteit) als het vermogen van een onderdeel om normaal te blijven functioneren in een elektromagnetische omgeving. EMI (Elektromagnetische interferentie) is het al dan niet gewenst uitzenden van elektromagnetische velden naar de omgeving. EMC bestrijkt een zeer breed frequentiegebied van zeer lage frequenties (netharmonische) tot zeer hoge frequenties. Ongewenste storingen ten gevolge van EMI kunnen zich voortplanten via geleiding (kabels) en via emissie (straling). Bij hoge frequenties gedragen kabels zich als een antenne en veroorzaken dan storingen door emissie. Dit geeft de complexiteit van de Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) bij kabels aan. Nu vallen de EMC-richtlijnen voor kabels echter niet onder de EMC- richtlijn van de EU, maar zijn deze beschreven in individuele kabelstandaards onder minimum of screening efficiency. Vandaar het uiteenlopend aanbod van EMCkabels. Er is een scala EMC kabels in de handel voor allerlei toepassingen o.a. motorkabels voor frequentieomvormers, datakabels, audio/ videokabels, kabels voor besturingssystemen enz.enz. 1

2 De moeilijkheid is om de juiste EMC kabel te selecteren die past bij de toepassing en elektromagnetische stooromgeving. Vooral het frequentiegebied en de veldsterkte van het storend signaal. Het zijn ook vaak de kabels en de lengte daarvan die veel problemen veroorzaken. Er vanuit gaand dat de apparatuur aan beide zijde van de kabel aan de EMC richtlijnen voldoen. Maar zelf dan nog kunnen we last hebben van EMC problemen. Leiding, kabels gedragen zich verschillend ten opzichte van het frequentiespectrum van de stoorsignalen. De aders in een kabel kun je beschouwen als weerstanden in serie met een spoel. De impedantie bij lage frequenties (vb. 50 Hz) ligt dicht tegen de DC weerstand van het koper. Bij hoge frequenties (vb. 10 Mhz) is de impedantie (R + X weerstand) exponentieel opgelopen en zeker niet meer verwaarloosbaar. Doordat EMI een heel breed frequentiespectrum omvat, gedragen kabels zich anders dan we denken. Gedrag van een leiding Frequentie afhankelijke gedrag van een leiding. De koperdraad = DC weerstand in serie met spoel. Isolatie = Isolatieweerstand parallel met parasitaire capaciteit. 2

3 EMC niets is wat het lijkt Bij lage frequenties: Axiale impedantie is laag Radiale impedantie is hoog perfect voor kabel: Weinig spanningsverlies Hoge isolatieweerstand (geen lekstromen) Bij hoge frequenties: Axiale impedantie is hoog Radiale impedantie is laag nadelig voor kabel: Isolatieweerstand wordt overbrugd door de parasitaire capaciteit (lekstromen) veel spanningsverlies Vandaar: niets is wat het lijkt. Wat bij lage frequenties gezien wordt als een goede isolatie kan bij hoge frequenties goed geleidend worden, door parasitaire capaciteiten. 3

4 EMC gedrag kabels De capaciteit en de zelfinductie bepalen mede het EMC gedrag van een kabel. Een derde belangrijke factor is de Transfer-Impedantie. De verhouding tussen stoorspanning en stoorstroom noemen we transferimpedantie. Hoe kleiner TI ( Transfer impedantie), hoe beter de kabel stoorsignalen zal onderdrukken of afschermen Andersom: kabel zal ook minder storing naar de omgeving afstralen. Het is dus belangrijk dat de TI( Transfer impedantie) zo laag mogelijk blijft in een groot frequentiebereik. Transfer impedantie De transfer impedantie is een eigenschap van kabels die vooral van belang is voor het EMC gedrag. Het gaat dan om de mate waarin een ongewenst signaal doordringt in het gewenste signaal. In onderstaand schema een audioapparaat en een versterker Audio apparaat en versterker zij beide geaard via de PE aansluiting van de wandcontactdoos. Het komt veelvuldig voor dat er tussen die twee "aardes" een spanningsverschil bestaat, dit is bijna altijd een 50 Hz signaal. Omdat de mantelweerstand van de signaalkabel altijd groter is dan nul blijft er een stoorspanning staan tussen het chassis' van het audioapparaat en de versterker, en die stoorspanning telt op bij het gewenste audio signaal. Resultaat: je hoort een brom- of zoem geluid door de muziek heen. 4

5 In dit voorbeeld vertegenwoordigt de mantelweerstand de transfer impedantie. Het is zo dat hoe kleiner de transfer impedantie is, hoe kleiner het stoorprobleem. Maar let op! (voor dat je een signaalkabel met een betere transfer impedantie gaat kopen) Het verlagen van de transfer impedantie heeft alleen effect als je die beduidend kleiner kunt maken dan de bron impedantie van de stoorspanningsbron. En bij de meest voorkomende aardlus problemen is die bron impedantie meestal heel erg klein, vaak ruim minder dan 1 Ohm. Aardleidingen moeten nu eenmaal een erg lage weerstand hebben. De praktijk leert dat het enige wat goed werkt is het "ontaarden" van 1 van de apparaten. Een andere methode om storing te vermijden is het gebruik van symmetrische verbindingen. De meest voorkomende toepassing daarvan is de symmetrische microfoon kabel. In de EMC literatuur wordt het begrip transfer-impedantie uitgebreid beschreven, want bij frequenties boven zo'n 100 khz gaan zelfinducties de hoofdrol spelen, en wordt vooral de koppeling tussen de zelfinductie van de mantel en die van de binnen-ader doorslaggevend. Hoe beter die koppeling, hoe lager de T.I. De koppeling kan verbeterd worden door de kabel door een ferriet ringkern te leiden. Een toepassing van dit principe zie je aan de achterkant van je PC-monitor, die knobbels in de video kabel. Ook spelen parasitaire capaciteiten soms een grote rol. Tweezijdig aarden van afschermingen ( Uit verhaaltje 24 oktober 2010 ) In het kader van het voorkomen van aardlussen is ons altijd geleerd dat een afscherming van een kabel maar aan één zijde met aarde mocht worden verbonden. Ik heb net verteld dat voor hoge frequenties de kabel isolatie niet goed werkt. Er is altijd een parasitaire capaciteit aanwezig die de lus sluit. Verder zal een open lus hetzelfde veld omsluiten als een gesloten lus. Hierdoor ondervindt een open lus ook een inductie. 5

6 Er kan voor lagere frequenties weliswaar geen stroom lopen, maar er wordt over het open uiteinde van de afscherming wel een stoorspanning opgebouwd. In veel gevallen is deze stoorspanning veel hinderlijker dan een stoorstroom die door de afscherming van een goede afgeschermde kabel loopt. De enige manier om deze effecten in de hand te houden is de afscherming aan twee zijden te aarden. Afhankelijk van de kwaliteit van de afgeschermde kabel (de transfer-impedantie ) wordt een deel van de stoorstroom door de afscherming teruggevonden op de aders van de kabel. Wordt een dubbel afgeschermde kabel gebruikt, met tussen de gevlochten afscherming en de aders nog een afschermfolie, dan wordt de buitenmantel aan twee zijden geaard en de folie aan één zijde. Bij de afschermfolie geeft eenzijdig aarden geen probleem omdat het omvatte stoorveld binnen de kabel tussen afscherming en folie minimaal is. De afscherming werkt als een soort kooi van Faraday. Zitten er in een meeraderige kabel aders of aderparen die storingen kunnen veroorzaken in andere aderparen, dan kan het nodig zijn ook de afschermingfolies tweezijdig aan te sluiten. Microfoon kabels Kenmerkend voor microfoon kabels is dat het steeds gaat om zeer zwakke signalen die meestal over flinke afstanden (tientallen meters) getransporteerd moeten worden. Niet zelden zijn er ook nogal wat potentiële stoorbronnen in de omgeving, zoals dimmers voor het (theater) licht, die nogal wat storing "in de band" kunnen produceren. De praktijk heeft geleerd dat het ondoenlijk is om de transfer impedantie van de microfoon kabel zo laag te maken dat er geen stoorproblemen optreden. Er bestaat echter een zeer goede methode om deze problemen te ondervangen: Het symmetrische ader paar in een afscherming. 6

7 Voorbeeld microfoonkabel Specificaties van de Tasker C-128 microfoonkabel: Aders: 2 x 0,35 mm² (11x0,20) Buitendiameter: 6,3 mm Aderdiameter: 1,7 mm Aderweerstand: 56 Ohm/Km Capaciteit ader/ader core/core: 61 pf/m Capaciteit ader/scherm: 104 pf/m Maximale werkspanning: 49V Gewicht: 5kg/100mtr En dan de Coaxkabel en EMC Een coaxiale kabel (kortweg coaxkabel) is een kabel waarvan de twee geleiders concentrisch zijn. Beide geleiders hebben dezelfde as, vandaar de naam coaxiaal. De 'kern' (binnenste koperen geleider) en de 'mantel' (omhullende buitenste geleider, die op aardpotentiaal wordt gehouden) zijn de twee stroomvoerende verbindingen. Doordat de assen van beide geleiders samenvallen, heffen de elektrische en magnetische velden van binnen- en buitengeleider elkaar buiten de kabel vrijwel op, waardoor weinig tot geen stoorsignalen naar binnen of naar buiten kunnen lekken. De eigenschappen van Coaxkabels zijn in de specificatie terug te vinden. O.a. de karakteristieke impedantie Zoals iedere elektrische kabel, heeft ook een coaxkabel een bepaalde karakteristieke impedantie, die bij hoogfrequente signalen van belang is. Dat is de elektrische spanning gedeeld door de elektrische stroom in een oneindig lange kabel. De karakteristieke impedantie Z k is ongeveer gelijk aan de vierkantswortel uit de inductantie over de capacitantie per lengte-eenheid. 7

8 Specificatie Coaxkabel RG 58 CU Impedantie: 50 Ohm ± 3 Capaciteit: 103 pf/m Verkortingsfactor: 0,66 Gelijkstroomweerstand: 53 Ohm/km Buigradius: minimaal 25 mm Hoeveelheid koper: ca. 20 kg/km Temperatuurbereik: -20 bis + 80 C Demping bij 20 C (db/100 m) 10 MHz: 4,6 20 MHz: 6,6 50 MHz: 10,7 100 MHz: 15,6 200 MHz: 22,8 500 MHz: 37,0 800 MHz: 48, MHz: 55,5 8

9 Vergelijk specificatie Coax kabels 9