Abschirmung und Erdschleifen

Ich habe verschiedene Geräte, die alle an GND (Chassis GND) angeschlossen werden müssen. Das Problem, das ich habe, ist, dass ich eine ADC-Karte in einem Computer über eine Metallbox mit kundenspezifischer Elektronik anschließe, die an einen Kryostaten (Metallschild) angeschlossen wird.

Das Problem ist, dass, wenn ich nur meine Standardkabel verwende, der Computer GND mit der Elektronik an die Metallbox angeschlossen wird, wobei die Elektronik wiederum mit dem Metall des Kryostaten verbunden ist. Jetzt ist der Computer über den Stecker mit GND verbunden und der Kryostat ist über ein großes Metallband mit GND verbunden. Das riecht für mich nach einem schlimmen Fall einer Erdschleife.

Also denke ich, dass ich irgendwo an einem der Kabel die Abschirmung brechen muss. Die Fragen sind wo? Die Elektronik verstärkt ein eher kleines Signal vom Kryostaten, daher schätze ich, dass ich versuchen möchte, diese Abschirmverbindung aufrechtzuerhalten. Ich wollte die Abschirmung an der Box des Kabels, das zum ADC des Computers führt, brechen. Ist das eine gute Idee? Sollte ich mir keine Sorgen machen, wenn der Computer GND und der Kryostat GND so ziemlich an dieselbe Steckdosenleiste angeschlossen sind?

Beachten Sie, dass die Elektronik-GND vom GND des Gehäuses / Gebäudes schweben sollte.

Ja, es hört sich so an (etwas verwirrend), dass Sie ein Erdschleifenproblem haben, und ja, sie können von Bedeutung sein, insbesondere wenn Sie versuchen, kleine analoge Signale zu messen. Wenn alle Erdungen über relativ kurze Kabel mit demselben Auslassstreifen verbunden sind, ist dies wahrscheinlich in Ordnung. Sie sagen jedoch, dass dieses Kryostat-Ding (was auch immer das ist) separat mit dem Baugrund verbunden ist, so dass dies offensichtlich nicht der Fall ist und es daher verwirrend ist, warum Sie es angesprochen haben.

Im Allgemeinen ist es gut, analoge Signale so nah wie möglich an der Quelle in digitale umzuwandeln und dann um digitale Signale herum zu versenden. Diese sind viel einfacher zu isolieren, beispielsweise über Optokoppler, Impulstransformatoren, Funk usw. Mit anderen Worten, eine altmodische A / D-Karte im Computer ist aus Sicht des Systems nicht die beste Gesamtarchitektur.

Schauen Sie sich jedoch die A / D-Karte genau an. Höchstwahrscheinlich kann es für Single-Ended- und Differentialbetrieb konfiguriert werden. Dies ist ein Fall, in dem Sie Differenzeingänge wünschen. Das Kryostat-Ding kann ein erdbezogenes Signal erzeugen, aber sein Erdungs- und Ausgangssignal als differentiell betrachten. Dadurch wird der Erdungsversatz im Wesentlichen vom Signal subtrahiert, bevor es konvertiert wird.

Dieser Trick funktioniert nur bis zu einer bestimmten Frequenz, wahrscheinlich einigen kHz oder niedrigen 10s von kHz. Es sollte ziemlich gut funktionieren, wenn ein Erdungssignal aufgrund von 60-Hz- oder 50-Hz-Stromleitungsrückströmen über Erdungspfade in der Schleife abgezogen werden soll. Scharfe Gleichtaktspitzen können den Diff-Verstärker im A / D immer noch verwirren und im endgültigen Ausgang als Rauschen auftreten. Es ist jedoch einen Versuch wert. Wenn es nicht gut genug ist, gehen Sie zurück und konvertieren Sie am Sensor in digital, und isolieren Sie dann das digitale Telemetriesignal.

Auf der Loop Slooth-Website finden Sie ein Tutorial zu Erdschleifen und anderen Formen elektrischer Störungen .

Dieses Tutorial zeigt, dass sich Erdschleifen bei niedrigen und hohen Frequenzen unterschiedlich verhalten. Bei niedrigen Frequenzen zählt der Widerstand der Leiter, die die Erdschleife bilden, aber nicht die physikalische Anordnung, während es bei hohen Frequenzen umgekehrt ist, denn bei hohen Frequenzen zählt die Induktivität, nicht der Widerstand. Die Übergangsfrequenz wird durch R / L angegeben, wobei R der Kabelwiderstand und L die Schleifeninduktivität ist.

Diese Themen werden auch in einem Artikel über die Überprüfung wissenschaftlicher Instrumente (ebenfalls unter einem Link auf der Website) erörtert .

Das Tutorial erklärt, wie sich Erdschleifen aus der Unterscheidung zwischen dem Faradayschen Gesetz und dem Kirchoffschen Gesetz ergeben (die Elektronik basiert auf dem Kirchoffschen Gesetz, das nur für Gleichstrom gilt, während die reale Welt der zeitabhängigen Ströme das Faradaysche Gesetz beinhaltet). Es wird auch die Beziehung von Erdschleifen zu anderen Interferenzformen wie induktiver Kopplung, elektrostatischer Kopplung und Strahlungskopplung erörtert.

1. Es wird oft angenommen, dass die Hauptbedrohung einer Erdungsschleife darin besteht, dass zwischen den Erdungen ein erheblicher Gleichstromunterschied besteht (z. B. 0 V und 0,3 V). In diesem Fall kann das Verbinden der beiden mit einem niederohmigen Kabel einen hohen Strom verursachen und eines (oder beide) der Geräte beschädigen. Dies kann der Fall sein, wenn der Stromverbrauch der Geräte um Größenordnungen unterschiedlich ist (z. B. ein an ein Mobiltelefon angeschlossener Rotationsmotor). Dies ist jedoch unwahrscheinlich. DC Drop sollte also kein Problem sein.

2. Erdschleifen sind normalerweise ein Problem, da sie wie Transformatoren wirken, die ein sich änderndes Magnetfeld (verursacht durch den Betrieb von Geräten in der Nähe wie Stromnetzkabeln, Glühbirnen, Schaltern, Motoren usw.) in induzierte Spannung umwandeln.

Im Idealfall wären die Stromschleifen gleich und die induzierte EMF gleich, wenn nur ein Paar Drähte (an eine Stromquelle angeschlossen) überall nahe beieinander angeordnet wäre. Somit würde das Messen der Spannungsdifferenz zwischen den Drähten an jedem Punkt das gleiche Ergebnis erzeugen, ob mit einem Magnetfeld oder nicht.

In der Praxis ist dies jedoch selten der Fall, Drähte verlaufen nicht paarweise und sie verlaufen nicht immer nahe beieinander. Auf diese Weise tritt Rauschen auf (EMFs, die in verschiedenen Schleifen induziert werden, sind unterschiedlich).

Vom praktischen Standpunkt aus können Sie Folgendes tun: a) Stellen Sie sicher, dass alle Drähte so nahe wie möglich beieinander liegen (es werden keine großen Schleifen isolierter Drähte gebildet). b) Stellen Sie sicher, dass sich keine zeitlich veränderlichen Magnetfeldquellen (Rauschaggressoren) in der Nähe befinden.

In Ihrem Fall haben die beiden Geräte unterschiedliche Erdungsverbindungen (Netz- und Gebäudeanschluss), sodass wahrscheinlich eine riesige Schleife gebildet wird, was nicht gut ist.

Der tatsächliche Geräuschpegel hängt von den parasitären Magnetfeldern ab, die Ihr Setup umgeben. Wenn in Ihrem Labor keine starken Quellen für zeitlich veränderliche Magnetfelder vorhanden sind, ist die Erdungsschleife möglicherweise kein Problem.

Das Brechen eines Schildes ist möglicherweise keine gute Wahl, weil:

1) Es ändert die Impedanz des Kabels, was bei hohen Frequenzen störend sein kann.

2) Das Gnd des Empfängers schwebt relativ zum Gnd des Fahrers. Jeder am Empfänger auftretende Streustrom wirkt sich auf das Signal aus.