Je doet het jezelf aan… interne en externe kabelresonanties

Een groot deel van de optredende EMC-problemen wordt door onze eigen designs veroorzaakt, vaak uit onbegrip en eigenlijk triviaal. In een aantal cases zal dit probleem, met oorzaak, gevolg en oplossing aan de orde worden gesteld. Interne en externe kabelresonanties zijn twee volledig te scheiden situaties die separaat van elkaar opgelost kunnen en moeten worden, dit om zowel power integriteit (PI), signaal integriteit (SI) en elektromagnetische compatibiliteit (EMC) te verbeteren.

Als we het hebben over een transmissielijn bijvoorbeeld een coax aan een analoge radio, TV of satellietschotel, of een ethernetkabel aan de PC of laptop,  dan is het voor de hand liggend dat deze kabels c.q. signaalverbindingen aan beide zijden karakteristiek worden afgesloten met 50, 75, 100 of 120 Ω, al naar gelang de karakteristieke impedantie van de kabel. Voor coaxiale kabels is dit een eenduidige impedantie omdat er maar een modus van voortplanting van het signaal aanwezig is in de kabel. Als we het hebben over een ‘shielded twisted pair’ (STP, CAT-6A of CAT-7) dan geldt voor elk geleiderpaar (en er zitten 4 paren in een CAT-kabel) dat er twee primaire voortplantingsmodi zijn, namelijk het geval dat de twee aders gelijk ten opzichte van  de afscherming worden aangestuurd (even- of common-mode) of dat de twee signalen in tegenfase zijn, ook wel differentieel of ‘odd’ mode. Voor dergelijke kabelsystemen weten we dat het niet correct afsluiten en aansturen van dergelijke kabels tot reflecties en resonanties leiden.

Bij differentiële signaalsystemen wordt er vaak uitgegaan van een enkele afsluitweerstand of impedantie, terwijl eigenlijk beide voortplantingsmodi moeten worden afgesloten. Dit laatste vraagt een T- of π-netwerk om alle voortplantingsmodi correct (lopend) af te sluiten. In dergelijke toepassingen liggen de signalen waar we over praten, voor radio op 100 MHz, satelliet op 400 MHz, TV op 40 … 860 MHz en voor internetverbindingen via ethernet op 10, 100, 1000 Mb/s of zelfs 10 Gb/s, dus nogal hoogfrequent.

Andere verbindingen

Voor alle andere, vaak minder kritische, elektrische verbindingen geven we aan het bovengenoemde fenomeen geen enkele aandacht. Maar toch moeten alle elektrische verbindingen voldoen aan RF-emissie- en immuniteitseisen vanaf enkel kHz tot GHz en vind er een overdracht plaats van het interne signaalsysteem naar het externe signaalsysteem. Dus zelfs bij het uitlezen van een simpele temperatuursensor bokvoorbeeld. een Pt100 met een DC- of een laagfrequent AC-signaal komen dergelijke hoogfrequente stoorcomponenten toch in het signaalpad terecht via de niet-ideale afscherming van de gebruikte signaalkabel, zie figuur 1. De vraag die we ons dan meestal niet stellen is of Pt100 wel een impedantie levert bij de hogere frequenties die overeenkomt met de karakteristieke impedantie van de gebruikte kabel? De andere vraag die dan tevens moet worden beantwoord is wat we dan doen aan de ingang van de meetbrug met betrekking tot impedanties bij de hogere frequenties?

Het antwoord ligt voor de hand: we kijken alleen naar het functionele signaalsysteem en negeren de eigenschappen die in de kabel optreden bij hogere frequenties (want die filteren we toch wel af…). In het bovengenoemde geval wordt een Pt100 via een afgeschermde tweedraadsverbinding aangesloten en geeft de Pt100 een behoorlijke ‘mismatch’ voor het differentiële signaalpad. Daarnaast is de Pt100 een volledig open impedantie voor alle frequenties in common-mode (buiten een kleine parasitaire capaciteit naar de behuizing). Aan de meetversterkerzijde kan de ingang symmetrisch of differentieel zijn of volledig asymmetrisch dat wil zeggen één kant wordt met de signaalreferentie (of voedingsspanning) verbonden (dus laag-impedant bij spanningssturing en hoog-impedant bij stroomsturing) en de andere aansluiting zit in de rest van de meetbrug (= hoog-impedant) De afscherming van de kabel zit aan de behuizing van de meetversterker en deze zit al dan niet verbonden via een onbekende impedantie aan de signaalreferentie van de meetbrug. Met andere woorsden:  het totale meetsysteem is voor RF volledig ongedefinieerd! Het uitvoeren van de Pt100 met een afgeschermde 3-draads- of 4-draadsverbinding maakt met circuit functioneel beter maar maakt het RF-matig afsluiten van alle signaaltransmissie-modi, vaak over een lange kabel, alleen nog complexer.

Binnen een afgeschermde kabel zijn de karakteristieke impedantie, de voortplantingssnelheid en eventuele verliezen in de signaaloverdracht bepaald door de gebruikte aderisolatie (diëlektricum) de opbouw van de signaaladers en hun oppervlaktegeleiding en totale dwarsdoorsnede van deze kabel.

Dit simpele Pt100-voorbeeld is niet uniek. Denk ook eens aan een AC/DC-voedingsadapter die via een kabel is verbonden met een te voeden apparaat bijvoorbeeld een tablet of laptop. In nagenoeg alle AC/DC-voedingsadaptergevallen is de laatste differentiële component over de DC-uitgang een capaciteit en is ook de eerste component aan de lastzijde, na een eventuele polariteitsdiode en een zekering. De signaal/voedingsverbinding bestaat dus uit een verbindingskabel die aan beide kanten voor RF differentieel is kortgesloten. Hoe dergelijke AC/DC-voedingsadapters zich representeren in common-mode is van leverancier tot leverancier verschillend en dient te worden nagevraagd en/of gemeten. Ditzelfde geldt ook voor de lastzijde, alhoewel nagenoeg alle laptops en tablets hun ‘0′ aan de behuizing hebben liggen. Voor een ‘eigen’ design wordt dit bekend geacht.

Uit figuur 2 mag blijken dat de ongewenste overdracht bij sommige frequenties met 20 … 30 dB te reduceren zijn door een correcte afsluiting van de voortplantingsmodi in de kabel, dit alleen met een aantal RC-netwerkjes die de functionaliteit in het geheel niet beïnvloeden. Een dergelijke oplossing is vaak minder kritisch dan het toepassing van allerlei filtering rondom de versterker.

Transferimpedantie

De omzetting van (stoor-)signalen van binnen de afgeschermde kabel naar signalen buiten de afgeschermde kabel gebeurt via de transferimpedantie, ZT, die voor elk type afscherming weer verschillend is, zie figuur 3. De transferimpedantie is de ratio tussen de spanning die intern over de karakteristieke impedantie aan de uiteinde van een (coaxiale) kabel wordt geïnduceerd ten gevolge van een externe stroom door de mantel of afscherming van deze kabel: ZT = Uind./ Imantel [Ω/m]. Hierover is in allerlei EMC-handboeken [Coenen/Goedbloed, Vance, Tsaliovich, Paul] en op het internet afdoende informatie te vinden. In enkele gevallen wordt ook gesproken over ‘shielding effectiveness’ maar dat is beschrijving van een totale overdracht van de kabelafscherming waarvan de transferimpedantie een deel is.

Voor de meeste afgeschermde signaalkabels met een enkele afscherming geldt de transferimpedantie zoals die van een RG-58 kabel. Bij lage frequenties is deze puur door de DC-weerstand van de mantel bepaald en bij hogere frequenties proportioneel toenemend als een inductieve term in de transferimpedantie.

Externe circuit

Ook het externe circuit is bepalend in de totale overdracht van de signalen binnen de kabel naar de signalen aan de buitenzijde. Aan de buitenzijde van de kabel zien we eigenlijk alleen maar de buitenmantel van de kabel ten opzichte van zijn omgeving. Dat kan zijn in een kabelbundel of een kabelgoot of vrijhangend in de lucht, liggend over de vloer enzovoorts. Ook deze kabel gedraagt zich bij een constante dwarsdoorsnede ten opzichte van zijn omgeving als een transmissielijn. Alleen in dit geval is de buitenisolatie van de afgeschermde kabel maar ten dele bepalend voor de karakteristieke impedantie, de voortplantingssnelheid en eventuele verliezen in deze externe signaaloverdracht.

In het ‘slechtste’ geval hangt de kabel in de lucht als een draadantenne waarvan wederom de uiteinden RF-matig kunnen worden ‘kortgesloten’ tegen metalen behuizingen die zijn geaard of mogelijk slechts aan een zijde is geaard, bijvoorbeeld een laptop via een afgeschermde ethernetkabel aan een printer.

In beide gevallen wordt de wisselwerking met de omgeving gegeven door de lengte van de kabel waarbij de optimale ontvangst voor de ‘dubbelgeaarde’ kabel optreedt bij de oneven veelvouden van de halve golflengte: l/2, en in het geval dat een uiteinde ‘zweeft’ bij de oneven veelvouden van de halve golflengte: l/4. Omdat het externe circuit slecht gedefinieerd is, kunnen de optredende resonanties ietwat verschillen van de berekende waarden. Om dergelijke externe kabelresonanties te onderdrukken wordt vaak gebruik gemaakt van ferrietmaterialen die dan om de kabel geplaatst worden, als in figuur 4.

‘Murphy comes along!’

Indien de externe kabelresonanties samenvallen met een of meer interne kabelresonanties dan treedt een maximale (onbedoelde) wisselwerking op tussen het interne en het externe circuit. Dergelijke situaties kunnen naar de praktijk toe maar zelden worden voorspeld met uitzondering van het feit dat ze wel eens optreden. Vanuit de praktijk zijn er voldoende cases bekend waarbij het verlengen of inkorten van een signaalkabel een stoorprobleem heeft geëlimineerd, maar ook dat dergelijke maatregelen slechts zelden reproduceerbaar zijn.

In een groot aantal gevallen is het toepassen van ferrietmaterialen niet zinvol maar ‘slechts’ specifiek afgedwongen om aan de formele EMC-eisen te voldoen tijdens een (vrijgave) test. Of dergelijke maatregelen ook in de praktijk voldoende soelaas bieden is nooit structureel onderzocht.

Conclusies

Een sterke onbedoelde wisselwerking tussen het interne en externe kabelcircuit treedt zeer frequent op bij talrijke signaalinterfaces: LF-meetsignalen, audio, DC-voedingen, motordrives en motoren, en dergelijke en wordt in de praktijk sterk door de uiteindelijke toepassing en kabelligging bepaald.

Het toepassen van ferrietmaterialen om de kabel heeft alleen invloed op het externe circuit, niet op het interne! Een gigabitkabel met ferriet erom kan nog steeds een gigabit ongestoord doorgeven.

Door de keuze van een kabel met een goede afscherming kan de onbedoelde wisselwerking tussen het interne en externe kabelcircuit worden gereduceerd tegen hoge kosten.

Door het RF-matig afsluiten van de signaalvoortplantingsmodi voor alle signalen binnen de kabel kunnen interne resonanties worden vermeden of onderdrukt. Het gebruik van enkele RC-netwerken, aangepast aan de kabelimpedanties, kan zeer effectief zijn.

Door het onderdrukken van dergelijke interne kabelresonanties kan de interne signaal- en voedingsfiltering sterk worden vereenvoudigd wat leidt tot lagere productkosten en een lagere filter volume-claim in het design.

Deze gehele uiteenzetting is van toepassing op een passief netwerk, namelijk kabels, impedanties en RC-netwerken. Omdat passieve netwerken reciprook zijn helpen deze maatregelen zowel bij het verlagen van de ongewenste RF-emissie als het verhogen van de RF-immuniteit.