, Kabel, Fallstudien von BV-Anwendungen R. Neubecker, SoSe 2017 2 Felder Zwischen den Adern einer zweiadrigen Leitung: Elektrische und magnetische Felder Impedanzen Jede Ader hat (ohmschen) Längswiderstand R, Induktivität L, Isolationswiderstand G zur anderen Ader und bildet Kapazität C mit anderer Ader Ersatzschaltbild eines kurzen Stücks Leitung: R' C' L' G' Bildquelle: U. Tietze, Chr. Schenk, E. Gamm, Halbleiterschaltungstechnik, Springer-Vieweg 1
Konsequenzen Auf breiten sich Spannung und Strom als (gedämpfte) Wellen aus Ausbreitungsgeschwindigkeit typ. 2/3 Lichtgeschwindigkeit 3 U = Z w I mit Z w L /C : komplexer Wellenwiderstand Wellenwiderstand ist unabhängig von Leitungslänge, wird durch Leitungsaufbau vorgegeben. Typ. Wert für Standard-Koaxialkabel Z w = 50 Ω Beispiel: Camera Link Kabel Dämpfung wird mit steigender Frequenz immer größer (wg. Skineffekt R~ f und Polarisationsverlusten im Dielektrikum G~f stark von Isolationsmaterial und Adernausführung abhängig Dämpfung hoher Frequenzen = "Abrunden" steiler Pulsflanken t Bildquelle: Stemmer Imaging 4 Reflektionen Leitungsende = Sprung in Wellenwiderstand Reflektion Das gilt für offene Leitungsenden genauso wie für kurzgeschlossene! Leitungsenden immer richtig abschließen (mit Widerstand Z w )! R out Z Leitung R in Reflektionen (Echos) = Störsignale Leitungslänge wird wichtig bei Laufzeit > 1/6 Pulsanstiegszeit 2
Elektromagnetische Verträglichkeit () 5 "Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen." & Kabel: Unshielded Twisted Pair (UTP), Foiled Twisted Pair (FTP), Shielded Twisted Pair (STP)? 6 Naive Verbindung?? Sende- / Empfangsgerät per Kabel verbunden Kabel hat für U Versorgungsspannung V out + und für Signal U out Ggf. weitere, parallel geführte anderer Geräte und Anlagen Naiver Aufbau: Gemeinsame Versorgungs- / Signalmasse Netzteil V + Netzstörungen Andere Anlagen erzeugen Störungen auf den Netzleitungen (230V) pflanzen sich über interne Versorgungsspannung bis ins Videosignal fort Netzteil V + U stör Abhilfe: Netzfilter U out 3
Gemeinsame Masse I v I v V+ teil Netz- U out U stör Problem: Signalmasse = Versorgungsmasse Interne Versorgungsströme Sende- Spannungsabfall über gemeinsamer Masse U out U out U stör Vorsicht: Impedanz der Masseleitungen für hohe Frequenzen > ohmscher Widerstand (Leitungsinduktivitäten, Skineffekt) elektronik V + teil Netz- 7 Abhilfe Symmetrie Symmetrische Signalübertragung, Signal = Spannungsdifferenz Erfordert 2 Adern 8 Einstreuung von elektrischen Feldern Parallele Leitung führt hohe Spannung Kapazität paralleler Leiter Einkopplung von Störspannung U stör E? U! Abhilfe Abschirmung Umkleidung der Signalleiter mit elektrisch leitendem Material (Faradayscher Käfig) Ausführungen als Folie (Alu) oder Schirmgeflecht (Kupfer) Abschirmung an Masse anschließen E? U! 4
9 Einstreuung magnetischer Felder Parallele Leitung führt hohen Strom Gegeninduktivität zwischen parallelen Leitern / Signalleitungen bilden Schleife induzierter Störstrom B I stör U stör? I! Abhilfe verdrillte Leiter Richtung der Leiterschleife ständig wechseln Summe der induzierten Ströme hebt sich auf Twisted Pair B? I! 10 Einstreuung elektromagnetischer Felder in der Nähe führen Wechselspannungen / -ströme Abstrahlung elektromagnetischer Wellen wirken als Antennen Abstrahl- und Einfangeffizienz ~f 2 = λ 2 besonders für HF- Signale (Oberwellen) Antennenlänge ~ λ (1 GHz x 5. Harmonische = 5 GHz λ~0.05 mm) Rechtecksignale, Schaltvorgänge (steile Flanken):: geschaltete Motoren elektr. Funken, Schweißen Frequenzumrichter + Sender (Mobilfunk) Abhilfe: Abschirmung, Einhausung! E, B HF! 5
11 Zusammenfassung wird erreicht durch richtig abgeschirmte - / Twisted-Pair Kabel richtig abgeschirmte Gehäuse Gute Abschirmung (metallische Hülle + richtiger Kontakt zur Masse) ist nicht trivial. Öffnungen in Schirmung/Gehäuse < λ/8 Gehäuse müssen oft auf (Schutz-)Erde liegen, Gehäuse sind oft über die Befestigungen miteinander verbunden unerwünschte Leiterschleifen Normen und Richtlinien: -Richtlinie (CE), EN 61000 u.a. Kabel 12 Kabelanforderungen Mechanische Belastbarkeit Flexibilität / Biegeradius, Biegewechselfestigkeit (Schleppketten) Verwindungsfestigkeit (Torsion, für Roboter) Ggf. zusätzliches Stahlseil zur Zugentlastung Isolationsmaterial Halogenfrei, wg. Brandverhalten (PVC! ) und Umweltverträglichkeit Ölbeständig Silikonfrei (ggf. auch fettfrei): Lackierstraßen, Beschichtungsanlagen Reinraum (oberflächenstabil), hier auch keine gelöteten Verbindungen (Flussmittel) Steckeranforderungen Analog zu Kabeln Zusätzlich: Arretierbar, Zugentlastung, Staubdicht / Feuchtigkeitsgeschützt 6