Uziemianie ekranu kabla — jednostronne czy dwustronne, i dlaczego to ma znaczenie

Przewodnik o separacji EMC między kablami zasilającymi a danymi omawia, dlaczego kable zasilające i sygnałowe prowadzi się fizycznie osobno. Ten artykuł dotyczy powiązanego, lecz odrębnego wyboru: jak ekran kabla jest uziemiany — na jednym końcu, czy na obu — i dlaczego ten wybór nie jest dowolny, lecz zależy od typu kabla i częstotliwości zakłócenia, z którym walczymy.

Co robi ekran

Kabel ekranowany ma warstwę przewodzącą (folia, oplot lub oba) wokół żył, mającą ograniczać sprzężenie elektromagnetyczne między żyłami a otoczeniem — w obu kierunkach: ekran nie dopuszcza zewnętrznych zakłóceń do żył i zatrzymuje własne promieniowanie żył (na przykład zbocza przełączania falownika) wewnątrz kabla. Aby pełnić tę funkcję, sam ekran musi być połączony z ziemią w sposób niskoimpedancyjny — ale „połączony” ma dwa warianty o przeciwnym skutku.

Uziemienie jednostronne

Przy uziemieniu jednostronnym ekran jest połączony z ziemią tylko na jednym końcu; na drugim końcu ekran pozostaje pływający (lub połączony tylko pojemnościowo).

• Zapobiega pętli masy (ground loop): przy dwóch punktach uziemienia, które nie znajdują się dokładnie na tym samym potencjale (w dużym budynku lub między dwiema częściami budynku różnica może już wynosić kilka woltów), uziemienie na obu końcach tworzy prąd pętli przez ekran na częstotliwości sieci, który indukuje zakłócenie w żyłach poprzez sprzężenie magnetyczne.
• Typowe zastosowanie: niskoczęstotliwościowe kable pomiarowe i sygnałowe (czujniki, obwody pomiarowe), gdzie uniknięcie pętli masy jest ważniejsze niż ekranowanie przed promieniowaniem wysokiej częstotliwości.

Uziemienie dwustronne

Przy uziemieniu dwustronnym ekran jest połączony z ziemią na obu końcach — najlepiej za pomocą pełnego, obejmującego 360° połączenia dławikowego, a nie pojedynczego przewodu typu „pigtail”.

• Najniższa impedancja dla zakłóceń wysokiej częstotliwości: przy wyższych częstotliwościach (z grubsza powyżej ~100 kHz, lub gdy długość kabla staje się znaczną częścią długości fali zakłócenia) potrzebne jest niskoimpedancyjne uziemienie ekranu na obu końcach, aby ekran zachował swoją funkcję ekranującą; uziemienie jednostronne pozwala wówczas ekranowi działać jak antena, a nie jak osłona.
• Typowe zastosowanie: kable silnikowe falowników, gdzie szybkie zbocza przełączania (IGBT) generują zakłócenia wysokiej częstotliwości, które bez niskoimpedancyjnego uziemienia ekranu na obu końcach mogą sprzęgać się z innymi kablami i urządzeniami przez promieniowanie i przewodzenie.

Znaczenie praktyczne

• Dobór dławika: dwustronne uziemienie EMC wymaga dławika EMC z zaciskiem ekranu na 360° (patrz przewodnik o dławikach kablowych); połączenie typu pigtail wprowadza dodatkową indukcyjność własną, która działa wbrew ekranowaniu wysokiej częstotliwości, jakie miało zapewniać.
• Obciążalność prądowa: w opancerzonym kablu zasilającym uziemionym na obu końcach w pancerzu może powstać prąd krążący (indukowany przez prąd obciążenia w żyłach). Ten prąd krążący przyczynia się do nagrzewania kabla i może obniżyć dopuszczalną obciążalność prądową wynikającą z tabel metod instalacji (patrz przewodnik o metodach referencyjnych) w porównaniu z kablem, którego pancerz jest uziemiony tylko w jednym punkcie.
• Instalacje z falownikami: patrz przewodnik o uziemieniu i EMC dla falowników po pełną strategię uziemienia EMC wokół samego falownika, której częścią jest uziemienie ekranu kabla silnikowego.

Częste błędy

1. Uziemianie długiego kabla pomiarowego na obu końcach „na wszelki wypadek” — to właśnie powoduje pętlę masy, która nie wystąpiłaby przy uziemieniu jednostronnym.
2. Uziemianie kabla silnikowego falownika jednostronnie w przekonaniu, że jeden punkt uziemienia wystarczy — przy zakłóceniach przełączania wysokiej częstotliwości ekranowanie EMC wówczas w znacznym stopniu zawodzi.
3. Użycie przewodu pigtail zamiast połączenia dławikowego 360° do uziemienia ekranu kabla wrażliwego na EMC — dodana indukcyjność własna przewodu pigtail podważa niskoimpedancyjne połączenie potrzebne przy wysokiej częstotliwości.
4. Niesprawdzenie tabeli obciążalności prądowej producenta kabla dla trasy opancerzonego kabla zasilającego uziemionego na obu końcach — prąd krążący w pancerzu może wymagać deratingu, którego nie uwzględnia ogólna tabela metod instalacji.
5. Traktowanie uziemienia ekranu jako prostego wyboru „tak lub nie” bez uwzględnienia typu sygnału (niskoczęstotliwościowy czy wysokoczęstotliwościowy) — poprawny wybór zależy od zastosowania, a nie od jednej stałej reguły obowiązującej dla każdego kabla.

Powiązane

• Separacja EMC między kablami zasilającymi a danymi
• Metody referencyjne i obciążalność prądowa
• Dławiki kablowe — klasa IP, odciążenie naprężeń, ekranowanie EMC
• Falownik — uziemienie i EMC