Was sollte ich über Interferenzen zwischen Drähten in einem mehradrigen Kabel wissen?

Beim Übersprechen zwischen Leitern eines Kabels treten zwei Probleme auf: kapazitive Kopplung und induktive Kopplung.

Induktive Kopplung tritt auf, weil Strom, der durch einen Draht fließt, ein kreisförmiges Magnetfeld um diesen Draht herum erzeugt. Dies funktioniert auch umgekehrt. Wenn ein Draht einem sich um ihn herum ändernden kreisförmigen Magnetfeld ausgesetzt wird, wird eine Spannung induziert. Wenn daher ein Draht einen wechselnden Strom führt und ein anderer Draht nahe genug ist, so dass ein Teil des resultierenden kreisförmigen Magnetfelds auch diesen zweiten Draht umgibt, wird im zweiten Draht eine Spannung induziert.

Der effektivste Weg, dieses Problem zu bekämpfen, besteht darin, sicherzustellen, dass ein gleicher und entgegengesetzter Rückstrom fließt, sodass sich die Magnetfelder der beiden Ströme aufheben. Der beste Weg, dies sicherzustellen, ist ein Koaxialkabel. Außerhalb des Kabels heben sich die beiden gleichen und entgegengesetzten Ströme auf und es gibt kein Nettomagnetfeld.

In einem mehradrigen Kabel, wie Sie es beschreiben, erfolgt dies normalerweise mit Twisted Pair. An jedem Punkt liegen die beiden Leiter nebeneinander. Weit genug entfernt heben sich die beiden Strömungen auf, aber aus der Nähe nicht. Ein anderer Draht, der näher an einem Draht des Paares verläuft, nimmt vorzugsweise das Signal von diesem Draht auf. Deshalb sind die Drähte miteinander verdrillt. Ein gerader Draht neben einem verdrillten Paar ist abwechselnd einem Leiter näher als dem anderen des verdrillten Paares. Jeder induziert die entgegengesetzte Spannung, da die Stromrichtung in den beiden Drähten des verdrillten Paares entgegengesetzt ist. Diese mitteln sich jedoch über eine beliebige ganze Anzahl von Drehungen zu Null aus. In einem ausreichend langen Kabel mitteln sie sich normalerweise gut genug aus.

Es gibt jedoch ein weiteres Problem mit Twisted Pair. Angenommen, Sie haben mehrere Twisted-Pair-Kabel im selben Kabel, was bei dem von Ihnen beschriebenen Kabel wahrscheinlich der Fall ist. Wenn die Verdrillungen eines Paares mit den Verdrillungen eines anderen Paares synchron sind, hebt sich die induzierte Spannung auf Dauer nicht mehr auf. Aus diesem Grund haben Kabel mit mehreren verdrillten Paaren normalerweise für jedes Paar eine andere Verdrillungssteigung. Nehmen wir an, ein Paar hat 11 Drehungen/Fuß und ein anderes 13 Drehungen/Fuß. Über einem beliebigen Fuß hebt sich die induzierte eingekoppelte Spannung wieder auf. Werfen Sie einen Blick auf die CAT5-Kabelspezifikation und Sie werden sehen, dass die verschiedenen Verdrillungsabstände für jedes der vier Paare sorgfältig spezifiziert sind.

Kapazitive Kopplung liegt daran, dass zwischen jeweils zwei Leitern im Universum eine begrenzte Kapazität besteht. Bei Dingen, die weit genug voneinander entfernt sind, kann dies normalerweise ignoriert werden. Allerdings liegen in einem mehradrigen Kabel unterschiedliche Leiter über eine große Distanz aneinander, so dass eine kapazitive Kopplung nicht vernachlässigt werden kann. Die beste Verteidigung gegen kapazitive Kopplung ist eine Abschirmung, aber diese ist teuer und Sie sagen, dass Ihr Kabel keine internen Abschirmungen hat. Hier hilft wieder Twisted Pair. Es wird immer noch eine kapazitive Kopplung zwischen Paaren geben, aber mit der richtigen Verdrillungsstrategie, wie oben beschrieben, wird es keine sehr bevorzugte Kopplung zu einem Leiter des Paares geben. Mit anderen Worten, das Verdrehen bewirkt, dass die gesamte Kopplung im Gleichtakt ist, wobei sich der Gegentakt größtenteils aufhebt.

Um also endlich zu einer Antwort zu kommen, stellen Sie sicher, dass jedes Signal von einem separaten verdrillten Paar übertragen wird, wobei der Vorwärts- und der Rückstrom dieses Signals alle von diesem Paar übertragen werden. Behandeln Sie dann jedes Signal als differentiell. Stellen Sie fest, dass jedem Paar Gleichtaktrauschen hinzugefügt wird, und gehen Sie entsprechend damit um. Die Außenwelt wird auch Rauschen haben, und aufgrund der Verdrehung wird dieses Rauschen als Gleichtakt auf jedem Paar angezeigt. 10 Base-T und späteres Ethernet ist zum Beispiel aus diesem Grund und auch zur Vermeidung von Erdschleifen an jedem Ende über einen Transformator gekoppelt.

Alles in allem denke ich, dass es einfach verrückt ist, Schrittmotorspulenströme durch dasselbe Kabel wie Signale zu führen. Das wird Ärger geben. Ich würde ernsthaft prüfen, ob Steuersignale und Strom für die Schrittmotoren gesendet werden, aber die Schritttreiber in die Nähe der Schrittmotoren stellen. Das ermöglicht auch eine lokale Energiespeicherkappe, um die Versorgung nach der langen Kabelstrecke wieder niederohmig zu machen. Der Widerstand und die Induktivität des Kabels zwischen dem Schritttreiber und dem Schrittmotor erfordern mehr Probleme.