Symetrické a nesymetrické signály

Úvod

Porozumění rozdílu mezi nesymetrickým(common mode) a symetrickým (differential mode) rušením je důležité k poznání toho, jak moduly magnetických interface od firmy Pulse pracují. Transformátory,tlumivky s proudovou kompenzací a zakončovací členy s autotransformátory hrají hlavní roli při snížení nesymetrického rušení v LAN a telekomunikačních zařízeních.Nesymetrické rušení hraje důležitou roli při generování Radio Frequency Interference (RFI) v komunikačních systémech při použití kabelů s nestíněnými kroucenými žilami (UTP), takže porozumění nesymetrickému rušení povede k lepšímu porozumění elektromagnetické kompatibilitě (EMC) s ohledem na magnetickou interface. Cílem tohoto článku je vysvětlit hlavní charakteristiky symetrických a nesymetrických signálů, princip funkce tlumivek s proudovou kompenzací a přizpůsobení autotransformátoru a proč nesymetrické rušení u UTP kabelů vede k vyzařování rušení.

Symetrické a nesymetrické signály

V této části předpokládáme jednoduchý dvoužilový kabel zakončený na jednom konci zátěžovou impedancí (LOAD). Napětí na každém vodiči vzhledem k zemnímu potenciálu (GND) jsou označeny jako V1 a V2. Složka signálu v „differential mode“ je VDIFF, zatímco složka signálu v „common mode” je VCOM. Parazitní kapacita,která existuje mezi kabelema GND, je zde označena jako CP.

Symetrické signály

V případě čistě symetrických signálů (obr. 1) platí:

V1=–V2

Velikosti jsou stejné, fázový posun je 180°.

VDIFF=V1–V2

Do země neteče žádný proud kvůli symetrii V1 a V2 vzhledem k zemi. Celý proud v tomto případě (ID) teče skrze zátěž(LOAD).

Obr. 1 Symetrický (differential mode) signál

V případě přenosového systému založeném na kabelu je symetrický signál tím žádaným signálem, protože přenáší informaci.Všechny přijímače PHY (Physical Layer transceivers) pro LAN a telekomunikační aplikace jsou zařízení, která pracují se symetrickými signály.

Okamžitý součet obou napětí (V1+V2)

je vždy nula (obr. 2).

Obr. 2 Průběh napětí u symetrického signálu

Nesymetrické signály

Pro signály v tomto módu (obr. 3) platí:

V1=V2=VCOM

Obr. 3 Nesymetrický (common mode) signál

Jejich hodnoty jsou stejné, jejich fázový posun je 0° (obr. 4).

V3=0

Zátěží neprochází žádný proud, protože na ní není žádný rozdíl potenciálu. Nesymetrický proud (IC) se uzavírá přes GND průtokem parazitními kapacitami mezi kabelem a GND.

Obr. 4 Průběh napětí u nesymetrického signálu

U přenosových systémů s kabelem jsou nesymetrické signály nežádoucí, protože nepřenáší žádnou informaci.

Okamžitý součet obou napětí V1 a V2není nula. Potenciál páru vodičů kabelu vůči zemi se mění. Tato změna potenciálu způsobuje zvýšení elektromagnetického vyzařování kabelu.

Symetrické a nesymetrické signály a EMC v UTP systémech

 

Jednotlivé vodiče v kroucené dvoulince kabelu jsou vinuty kolem sebe v dvojité spirálové struktuře. Spirálová forma zajistí, že indukované magnetické pole způsobené proudem, který teče jednotlivými vodiči, je do určité míry uzavřené uvnitř spirály. Toto omezení není perfektní a určité magnetické pole také existuje vně spirály, ale obecně vzato, čím těsněji je kroucená dvoulinka stočena, tím lépe udrží tok pole uvnitř. Směr proudu v každém vodiči kroucené dvoulinky rozhoduje o tom, do jaké míry bude dvoulinka vyzařovat rušení. Je to právě rozdíl v toku proudu u symetrických a nesymetrických signálů, který tvoří výrazný rozdíl mezi těmi dvěma.

Symetrické signály a EMC

Pro signály v čistě symetrickém (diferečním)módu tečou proudy v jednotlivých vodičích dvoulinky v opačných směrech. Pokud je dvojice vodičů stočena vůči sobě stejně a pravidelně, potom tyto proudy s navzájem opačnými směry generují stejně velká, ale opačně polarizovaná magnetická pole, která se navzájem zruší.

Obr. 5 Symetrický signál a kroucená dvoulinka

Pokud dva vodiče dvoulinky nejsou stočeny vůči sobě stejně, potom výsledná magnetická pole nebudou stejně velká a vůči sobě obrácená a tak se navzájem nezruší úplně. Tato asymetrie způsobí RFI vyzařování. Tento proces je nazván „Differential to Common-mode conversion“.

Z toho vyplývá, že symetrické signály v UTP kabelových systémech negenerují RFI.

Nesymetrické signály a EMC

Proud nesymetrických signálů ICOM teče oběma vodiči stejným směrem a vrací se do GND prostřednictvím parazitních kapacit CP. V tomto případě proudy generují magnetická pole se stejnou velikostí a polaritou, která se navzájem nezruší.Proud tak může generovat elektromagnetické pole vně dvoulinky kroucené do spirály,čímž ta funguje jako anténa.Z toho vyplývá, že nesymetrické signály v UTP kabelových systémech přímo generují RFI.

Obr. 6 Nesymetrický signál a kroucená dvoulinka

Jak přenáší nesymetrické rušení transformátor

Ideální transformátor je perfektní obvodový element, který přenáší elektrickou energii mezi primárním a sekundárním vinutím působením perfektní magnetické vazby. Ideální transformátor přenese pouze střídavý symetrický proud. Nesymetrická složka proudu se nepřenese, protože výsledkem je nulový rozdílový potenciál mezi vinutími transformátoru, které nemůže ve vinutích generovat magnetické pole.

Jakýkoliv reálný transformátor ale má malou kapacitní vazbu mezi primárníma sekundárním vinutím. Kapacita je výsledkem rozměrového uspořádání a vlivem dielektrika mezi vinutími. Velikost této kapacity mezi vinutími může být zmenšena vzájemným oddálením vinutí a vyplněním mezery materiálem s nízkou permitivitou.

Obr. 7 Přenos nesymetrického rušení u transformátoru

U nesymetrického proudu představuje kapacita CWW možnou cestu z jednoho vinutí na druhé v podobě impedance, která závisí na velikosti kapacity a kmitočtu signálu.

Tlumivky s proudovou kompenzací – princip funkce

V následující sekci předpokládáme tlumivku se dvojím vinutím, s jedním jádrem, pracující v nesymetrickém režimu. Zanedbáme efekty bludných impedancí (DCR,CWW, Cp, RL atd.), které jsou více či méně vždy přítomné ve skutečné tlumivce. Tento předpoklad je přijatelný, protože v dobře navržené tlumivce je bludná impedance vždy zanedbatelná v porovnání s impedancí napájecího zdroje a zátěže.

Vliv symetrického signálu na ideální tlumivku

Symetrický proud, který protéká vinutími tlumivky v obrácených směrech, vytváří stejná, ale obrácená magnetická pole, která se navzájem zruší. To způsobí nulovou impedanci tlumivky pro symetrické signály, které tak prochází tlumivkou neovlivněné.

Obr. 8 Symetrický signál a tlumivka

Vliv nesymetrického signálu na ideální tlumivku

Nesymetrický proud, který teče stejným směrem obojím vinutím tlumivky, vytváří magnetická pole stejné velikosti a fáze, která se navzájem skládají. To způsobí v tlumivce výrazné zeslabení rušení, které závisí na relativní velikosti impedance tlumivky a zátěže.

Autotransformátor se středním vývodem – princip funkce

Autotransformátor se tak nazývá proto, že sestává pouze z jednoho vinutí, u kterého je přenášená energie ovlivněna přímým přenosem proudu. V následující kapitole předpokládáme ideální impedanční přizpůsobení autotransformátoru. Zanedbáme efekty bludných impedancí (DCR, CWW, CP, RL atd.),které jsou vždy ve skutečném zařízení více či méně přítomné. Tento předpoklad je přijatelný, protože při dobře navrženém přizpůsobení tlumivky jsou bludné impedance vždy zanedbatelně malé v porovnání s impedancí zdroje a zátěže.

Obr. 9 Nesymetrický signál a tlumivka

Vliv symetrického signálu na ideální autotransformátor

Pro symetrický signál se jeví obě poloviny autotransformátoru se středním vývodem jako dvě sfázovaná vinutí. To znamená, že proud ve vinutí způsobí magnetické pole, přičemž přístroj bude mít vysokou impedanci. Autotransformátor se chová jako paralelní impedance o vysoké hodnotě a nijak výrazně symetrický signál neoslabuje.

Obr. 10 Symetrický signál a autotransformátor

Vliv nesymetrického signálu na ideální autotransformátor

Pro nesymetrický signál se jeví obě poloviny autotransformátoru se středním vývodem jako dvě vinutí v opačné fázi(obr. 11 a 12). To znamená, že proud způsobí v přístroji stejné magnetické pole, ale s opačnou fází, která se navzájem vyruší. Výsledkem je to, že tento přístroj představuje pro nesymetrické signály nulovou impedanci, která je zkratuje proti zemnímu potenciálu.

Pro čistě symetrické signály platí:

V1=–V2

Velikosti jsou stejné.

Fázové posunutí je 180°.

VDIFF=V1–V2

Do země neteče žádný proud kvůli symetrii V1 a V2 nad zemí. Všechen rozdílový proud (ID) teče skrze zátěž.

Obr. 11 Analogie autotransformátoru s nesymetrickým signálem

V přenosových systémech s kabelem je symetrický signál tím žádaným signálem, protože přenáší informaci. Všechny PHY přijímače pro LAN a telekomunikační aplikace jsou přístroje pracující se symetrickými signály.

Obr. 12 Autotransformátor s nesymetrickým signálem

Okamžitý součet obou napětí (V1+V2) je vždy nula.