Зачем экранируют провода дизельных форсунок

Для чего кабелю экран?

Проблема применения экранированных кабелей все еще не имеет однозначного решения. Ответ на поставленный в заголовке вопрос вроде бы ясен: для защиты от помех. Но тщательный анализ показывает, что этот ответ — неоднозначный. От внешних помех или от переходных помех внутри кабеля? А как защищает экран от помех, излучаемых самим кабелем? Есть ли другие, эффективные и недорогие приемы защиты от помех? Как связаны параметры кабеля с присутствием экрана? Некоторые из поставленных вопросов мы и рассмотрим. В одних стандартах на кабельные системы экранированные кабели поддерживаются, в других они служат альтернативой неэкранированным. Самая общая рекомендация такая: сначала выжать максимум из неэкранированных кабелей, а уж если это окажется недостаточным, то тогда применять более дорогие и сложные экранированные системы.

Известны две стадии защиты кабеля от помех:

а. симметрирование и подбор шагов скрутки; б. экранирование, внешнее и внутреннее.

Симметрирование

В скрученной (витой) паре провода меняются местами — этим достигаются симметричные условия возбуждения помехи в проводах пары, т. е. баланс. В идеально симметричной паре помехи, наведенные в проводах пары, взаимоуничтожаются. На практике полного баланса, конечно, не бывает, и некая результирующая помеха остается. То же самое можно сказать и относительно излученной помехи: чем лучше баланс пары, тем меньше витая пара излучает наружу, в окружающую среду. В многопарном кабеле витые пары влияют друг на друга. Если пары скрутить с одинаковым шагом, то влияние их друг на друга будет почти таким, как если бы они не были скручены вовсе. Поэтому стараются скручивать пары с разными шагами, расчет взаимного соотношения которых представляет довольно сложную задачу. Окончательный подбор шагов скрутки делают экспериментальным путем.

Для достижения максимальной симметрии (баланса) пары требуется:

прецизионное изготовление проводов, входящих в пару, достижение их идентичности;
скрутка проводов в пару с точным и равномерным по длине шагом;
математически вычисленное и максимально соблюденное соотношение шагов скрутки всех четырех пар.

Рассмотрим эти условия более детально.

Прецизионное изготовление проводов пары. На стабильность элементарной ячейки (шага скрутки) пары влияет точность, с которой выполнены провода, входящие в пару. Так как размеры провода по длине (в основном — диаметр изоляции) меняются, на такую же мизерную величину изменяются и размеры элементарной ячейки. Поскольку таких ячеек очень много, то суммарная помеха оказывается весьма существенной. Следовательно, нужно точно выдерживать диаметр и эксцентриситет изоляции провода, ее диэлектрические характеристики при изготовлении.

Точно выдерживаемый шаг скрутки. Здесь — то же самое: нестабильный шаг приводит к разбросу размеров элементарной ячейки по длине. Данный фактор также крайне слабый, но интегральный эффект от огромного числа шагов существенен. Поэтому важно использовать такой метод скрутки проводов, который дает наибольшую точность шага скрутки, даже ценой уменьшения производительности технологического оборудования.

Оптимальное соотношение шагов скрутки. В многопарном кабеле степень влияния между парами зависит еще и от выбора соотношения шагов скрутки соседних пар. Этой проблемой в кабельной технике занимались самые светлые головы; результатами их работы мы и пользуемся. Здесь не место обсуждать соответствующие труды, но замечу, что существует математически рассчитанное соотношение шагов скрутки соседних пар многопарного кабеля. Исследования этого вопроса ведутся до сих пор, так что процесс еще не завершен. На практике, во-первых, точно выдержать это соотношение невозможно — не бывает такого технологического оборудования; во-вторых, реальные размеры проводов и пар не точно соответствуют заложенным в расчет. Приходится шаги скрутки пар подбирать опытным путем, экспериментируя с большим количеством образцов кабеля. Результатом является то, что у различных изготовителей шаги скрутки пар разные.

Экранирование

Если симметрирования пар недостаточно, приходится применять еще и экранирование. В случае, когда необходима защита от внешних помех, окружают экраном весь сердечник кабеля. Ежели требуется перекрыть путь помехам внутри кабеля, между его парами, то следует заэкранировать каждую пару. Для решения обеих задач экранируют каждую пару в отдельности, а потом еще накладывают и общий экран. В связи с этими особенностями вводятся специальные обозначения кабеля. Об этом несколько раз приходилось уже писать, но до сих пор нет однозначности в определениях и обозначениях конструкций кабелей.

Компании-изготовители вносят немалую путаницу, используя для одних и тех же конструкций разные аббревиатуры. Поэтому стоит вернуться к обозначениям и ввести последовательную классификацию четырехпарных (и не только) кабелей, в зависимости от количества и состава экранов. Более или менее стройная система изложена в Таблице 1.

Надо заметить, что рассмотренная классификация не представляет ничего нового для кабельной промышленности. Тем не менее понадобилось несколько лет, чтобы она стала достоянием смежной отрасли — структурированных кабельных систем. При заказе кабеля следует в тексте применять термин «экранированный», чтобы избежать ошибки, так как существует путаница с терминами Screened и Shielded. Предлагается термин Shielded использовать только для тех случаев, когда экран имеет сложную конструкцию (фольга + оплетка).

Внешний экран кабеля бывает двух видов: одинарный — из алюмополимерной пленки, и двойной — из фольги и оплетки медной луженой проволокой. В первом случае экрану часто присваивают букву F (Foiled), во втором — S (Shielded). Пары в кабеле обычно окружены одинарными экранами из фольги или алюмополимерной пленки. В кабельной технике встречаются и двойные экраны витых пар, но в компьютерных сетях они почти не используются.

Конструкции общих кабельных экранов имеют существенные отличия. Если экран выполнен из продольно наложенной фольгированной пленки, то она лежит обычно алюминиевой стороной внутрь, к сердечнику кабеля, и по этой же стороне прокладывают дренажный проводник. Если же поверх фольгированной пленки наложена еще оплетка, то в этом случае слой алюминия часто повернут наружу, и оплетка соприкасается с ним.

Экран из фольгированной полимерной пленки может выполняться с нахлестом или с продольным швом типа кровельного. Иногда такой шов герметизируют путем склейки полимерной пленки. Как правило, в конструкцию экрана входит дренажная проволока, проложенная для шунтирования порывов фольги, которые могут возникнуть при производстве работ.

Оплетка проволоками также имеет свои особенности: от ее плотности и других параметров зависят экранирующие свойства, по частотным характеристикам отличающиеся от фольгового экрана. По этой причине эффективно именно совместное использование фольги и оплетки. Наилучшим современным кабельным экраном можно считать сочетание наложенной вдоль кабеля фольгированной пленки и оплетки проволоками поверх нее.

Большую роль играет толщина фольги, используемой для экранирования витых пар. Если фольга толстовата, то и кабель станет слишком толстым, грубым, негибким. Если же фольга тонковата, то эффективность и прочность экрана снижаются. Различные компании-изготовители, оптимизируя экран, применяют фольгу толщиной от 20 до 100 мкм.

Экран, наложенный на витую пару, уменьшает ее волновое сопротивление (impedance). По этой причине изоляция (диэлектрическое покрытие) проводов витой пары делается или более толстой, или пористой. Это нужно для того, чтобы довести импеданс до 100 Ом — стандартного значения для компьютерной проводки. Оба фактора (и экран, и утолщение изоляции) увеличивают диаметр кабеля, что нежелательно: число кабелей, которое можно проложить в монтажном коробе или желобе, уменьшается. Использование пористой изоляции также нежелательно: требуется специализированное оборудование для изготовления таких кабелей, из-за чего производство их удорожается. Кроме того, пористая изоляция неустойчива, легко сминается и плохо держит форму. Из-за указанных недостатков пористая изоляция применяется намного реже, чем сплошная.

Промышленные образцы

В Таблицах 2 и 3 приведены результаты разборки имеющихся у автора образцов экранированных кабелей, предназначенных для локальных компьютерных сетей (LAN-кабелей). Образцы делятся на две группы: кабели с некранированными витыми парами и общим экраном (см. Таблицу 2) и дважды экранированные кабели — с общим экраном и витыми парами, экранированными фольгой (см. Таблицу 3).

Данные, приведенные в Таблицах 2 и 3, списаны с оболочек кабелей. Обращает на себя внимание (см. Таблицу 2), что проверка технических характеристик кабелей выполнялась различными испытательными лабораториями, как американскими (UL, ETL), так и европейскими (EC DELTA). Некоторые изделия не имеют отметок о проверке, но содержат ссылки на соответствие стандартам (EIA/TIA 568A; ISO/IEC 11801; CSA PCC FT1). Экран чаще всего обозначен словом SHIELDED, но иногда указывают и тип экрана (FTP).

В Таблице 3 следует обратить внимание на разницу в конструкции экранов отдельных пар: обмотка фольгированной пленкой — у европейских отделений компаний Siemens и AMP, а продольно наложенная фольгированная пленка (с нахлестом) — у израильской компании Teldor.

Какой кабель выбрать?

В литературе очень мало сопоставлений экранированных и неэкранированных кабелей. Опубликованные материалы касаются по отдельности тех и других, а сравнения двух видов кабелей, как правило, не содержат. Авторы статей как будто сговорились не помещать в одной и той же публикации результаты по экранированным и неэкранированным кабелям. По существу, не удается найти и практических рекомендаций, хотя они так необходимы. Все сказанное очень странно: дискуссии о том, какие кабели следует применять, идут в России во множестве и непрерывно.

Более того — и распространенность обоих типов кабеля в различных странах Европы также вызывает недоумение (см. Таблицу 4). Например, в Германии и Франции большинство проложенных кабелей — экранированные (в Германии больше STP, во Франции — FTP). В Великобритании же намного больше проложено неэкранированных кабелей (86%!). Как следует из опубликованных данных, подобная картина и в США. Возникает мысль, что использование тех или иных кабелей зависит не от их технических характеристик, а от решений государственных органов. Для России, насколько известно, такие решения только готовятся.

В связи с последним замечанием надо сказать следующее. К настоящему времени, на мой взгляд, совершенно недостаточно накопленных научных и технических знаний, чтобы сделать соответствующий выбор. Более семи лет мне приходилось отвечать на вопросы о кабелях для компьютерных сетей. Много раз меня спрашивали: какой выбрать кабель — экранированный или нет? Но ни разу не была поставлена задача о критериях такого выбора, о научном подходе. Вместе с тем есть возможность относительно небольшими усилиями внести ясность в эту проблему, проведя соответствующие исследования, например, в ОКБ кабельной промышленности или МТУСИ. Задуманная ассоциация поставщиков структурированных кабельных систем могла бы взять это дело под свое покровительство. Хотелось бы надеяться, что важность поставленной проблемы ни у кого не вызывает сомнений.

Обозначение

Определение

Неэкранированный кабель с неэкранированными витыми парами.

Назначение экранирования кабелей и используемые для этого материалы

В конструкции кабелей для сетей энергораспределения используются различные типы экранирования. Экраны используются для того, чтобы защитить цепи от влияния электромагнитных полей токов, которые проходят по кабелю. Кроме того, они применяются для обеспечения симметрии электрического поля внутри жил самого кабеля. В качестве стандартного материала для экранирования используется медная фольга. Однако для придания изделиям лучших экранирующих свойств используются и другие материалы, которые лучше подходят для целей экранирования.

Электромагнитные помехи и способы борьбы с ними.

Кабели могут выступать как источником, так и приемником электромагнитного излучения. В качестве источника, проводка передает электромагнитные шумы на различное оборудование, непосредственно подсоединенное к ней, или находящееся в непосредственной близости. Кроме того, кабели могут выступать своеобразной антенной, излучающей помехи в окружающее пространство. В качестве приемника электромагнитных помех кабель может улавливать излучение, испускаемое другими кабелями или приборами, находящимися поблизости.

Все электромагнитные шумы принято классифицировать следующим образом:

высокие. Распространены на больших производствах и крупных цехах. Источником служат генераторы, мощные двигатели, трансформаторы, индукционные нагреватели, релейные блоки, силовые линии, провода цепей управления;
средние. Источником служат провода, которые располагаются рядом с двигателями среднего размера;
низкие. От проводов, расположенных сравнительно далеко от силовых линий, при отсутствии в окружении индукционных двигателей, реле, электрических разрядов.

Назначение экранов кабелей заключается в том, чтобы оградить проводку и приборы от этих шумов. В зависимости от силы электромагнитного излучения используются те или иные виды экранирования кабелей.

Используемые материалы экранов кабелей.

Для того чтобы подавить электромагнитные шумы различной интенсивности используются различные типы материалов. Также выбор материала для экранирования зависит и от типа изоляции, применяемой в кабеле. Для экранирования применяют следующие материалы экранов кабелей:

полупроводящая бумага;
металлизированная бумага;
полупроводящая пластмасса;
металлическая лента;
графитовый слой;
медная или алюминиевая фольга;
полупроводящий полиэтилен;
алюмофлекс (композиционный материал, который состоит из полимерной пленки, которая оклеена алюминиевой фольгой);
полупроводящая резина;
алюминиевая или медная проволока.

В зависимости от типа изоляции и типа используемого материала, экран может устанавливаться в различных местах. Он может быть наложен поверх поясной изоляции или поверх изоляции жил. Причина, по которой материалы для экранирования и изоляции имеют взаимозависимость, заключается в том, что они должны обладать близкими по своему значению температурными коэффициентами, чтобы свести к минимуму вероятность образования пустот между изоляцией и экранированием при нагреве кабеля.

Варианты наложения материала для экранирования.

Кроме непосредственно самого типа материала имеет значение и тот метод, каким он был уложен. Наиболее распространены следующие виды экранирования:

1. Оплетка обеспечивает высокую гибкость кабеля и отлично препятствует низкочастотным помехам.

2. Пленка. Как правило, пленочные экраны изготавливаются из медной или алюминиевой фольги. Такой тип покрытия отличается своей дешевизной и малым весом. Пленочное экранирование хорошо справляется с высокочастотными помехами.

3. Экран типа French Braid. Состоит из 2х встречных многожильных спиралей, состоящих из медных жил.

Назначение экранирующего слоя в электрических монтажных и контрольных кабелях

Где есть электричество, там обязательно присутствуют электромагнитные поля. Если отсутствует надёжное экранирование, то эти поля создают электрошумы и электромагнитные помехи (EMI), которые делают наводки по цепям электропитания. Чтобы минимизировать негативное действие паразитных помех на передаваемый кабелем сигнал или стабилизировать электрическое поле силовых электрокабелей, в их конструкции используют специальный экранирующий слой. Расскажем, для чего экранируют кабель, какие материалы для этого используют, а также где применяют экранированную кабельно-проводниковую продукцию.

Назначение экранирования кабелей

Защитное экранирование кабелей препятствует как распространению собственных электромагнитных паразитных шумов и наводок, так и защищает их магнитное поле от внешних электропомех. Это главная задача, но есть ряд второстепенных факторов, помогающих ответить на вопрос, зачем экранируют кабель:

сделать изоляцию кабеля более прочной и устойчивой к механическому воздействию;
обеспечить возможность заземления электросети через защитный экран;
снизить вероятность появления разницы электрических потенциалов в кабелях.

Также важно учитывать, что разные типы экранирования кабелей решают разные задачи. Например:

если нужно защитить токопроводящие жилы одного кабеля от внутренних помех и наводок, создаваемых ими же, то осуществляется экранирование каждого проводника;
если нужно защитить весь кабель от внешних наводок, либо снизить электронаводки от кабеля, то применяется общее экранирование всех жил;
чтобы решить обе задачи, применяется комбинирование экранирование.

Оснащение кабеля защитным экраном легко можно узнать по его маркировке — в ней обязательно должна присутствовать литера «Э».

Материал для экранирования

Защитные экраны кабельно-проводниковой продукции выполняют из разных материалов — всё зависит от того, какое именно назначение экранированных кабелей, а также в каких условиях они будут эксплуатироваться. Наибольшей популярностью пользуются следующие виды материалов:

полупроводящая или металлизированная бумага, резина;
полупроводящая пластмасса или полиэтилен;
медная или алюминиевая фольга;
слой графита;
алюмофлекс (композит, состоящий из тонкой полимерной плёнки, оклеенной алюминиевой фольгой);
проволочная сетка (оплётка) из меди или алюминия.

Разные виды экранирования и используемых экранирующих материалов помогают решать разные задачи:

Экранирующая оплётка. Она придаёт кабелю дополнительную механическую прочность, при этом сохраняя его высокую гибкость. Хорошо препятствует проникновению низкочастотных помех. Недостаток такого экранирования в удорожании кабеля, увеличении его веса и объёма.
Плёнка или фольга. Такое экранирование практически не увеличивает вес и размер кабельно-проводниковой продукции, превосходно справляется с высокочастотными помехами.
French Braid. В основе такого экрана лежат две наматываемые навстречу друг другу спирали из медных жил. Экранирование увеличивает срок службы кабелей, сохраняя их гибкость при улучшенной сопротивляемости механическому воздействию. До двух раз снижает уровень трибоэлектрических и микрофонных шумов.

Возможна комбинация материалов: например, служащие для передачи радиочастотного сигнала коаксиальные кабели обычно имеют двойное экранирование с помощью фольги (алюмофлекса) и металлической оплётки. Также крайне важно, чтобы была проведена корреляция между кабельной оболочкой и выбранным для экранирования материалом: они должны обладать максимально близкими коэффициентами теплового расширения и поддерживать аналогичные температурные диапазоны — это исключит вероятность деформации, появления пустот и разрывов кабеля или его экрана при нагреве.

Монтажные экранированные кабели

Монтажные кабели с экранированием используют для фиксированного межприборного монтажа — они соединяют разные части и блоки электрической и электронной аппаратуры, в зависимости от марки могут работать в сетях с номинальным переменным напряжением до 1000 В. Применение экранированных кабелей такого типа широко востребовано во многих сферах:

системы связи и передачи данных;
системы видеонаблюдения, контроля доступа, ОПС и другие;
монтаж радиоаппаратуры, аудио- и видеотехники.

Контрольные экранированные кабели

Контрольные кабели необходимы для обмена данными между приборами и распределительными устройствами. Вот основные причины, зачем нужен экранированный кабель контрольного типа на объектах:

сбор телеметрии;
подача сигналов управления;
организация обмена данными между узлами и приборами.

По конструктивному исполнению контрольные экранированные кабели бывают для неподвижной и подвижной (нестационарной) прокладки, а также представлены в вариантах исполнения с дополнительно защищённой бронёй оболочной, предназначенных для эксплуатации в тяжёлых условиях.

Компания «Альфакабель» предлагает широкий выбор экранированных монтажных и контрольных кабелей КВВГЭ, КВВГЭнг(А), КВВГЭнг(А)-LS, КУЭМТК, КУЭМТКнг(А), КУЭМТКнг(А)-LS, КУЭМТКнг(А)-FRLS, КУЭМТКнг(А)-HF, КУЭМТКнг(А)-FRHF, МКЭШ, МКЭШнг(А), МКЭШнг(А)-LS, МКЭШВ, МКЭШВнг(А), МКЭШВнг(А)-LS, МКЭШВнг(А)-FRLS, МКЭШВнг(А)-HF, а также другую кабельно-проводниковую продукцию, полностью соответствующую требованиям ГОСТ, от производителя. Ещё мы производим силовой экранированный кабель марок: КГВВЭ, КГВВЭнг(А), КГВВЭнг(А)-LS

Экранирование кабеля

Экранированный кабель

Экранирование кабеля — это заключение всей токопроводящей части или отдельных жил в специальную оболочку, которая если не блокирует полностью, то как минимум снижает интенсивность электромагнитного излучения. О том, зачем это нужно и для каких разновидностей кабелей актуально — ниже.

Для чего нужен экранированный кабель

Любой кабель, по которому протекает электрический ток, — источник электромагнитных помех, способных помешать работе окружающих электроприборов. Вопрос только в размере этого вредного «шума» и чувствительности к нему другого оборудования. Причем важен именно баланс — если помехи не достигают порога чувствительности, то нет особой необходимости с ними бороться, поскольку на работу приборов они повлиять не смогут.

Экранированный кабель

Интересно, что чувствительность и способность кабеля создавать помехи — взаимосвязанные величины. Чем выше напряжение, тем сильнее помехи, которые создает кабель без экрана, и тем выше его устойчивость к шумам со стороны других источников электромагнитных полей. И наоборот: слаботочные кабели практически не создают помех, зато очень чувствительны к ним.

Силовые кабели экранируют, если они проложены вблизи контрольных или информационных или рядом с электроникой. Например, при монтаже в одной кабельной трассе внутри здания.
Контрольные кабели могут не экранировать, если рядом с ними нет сильных источников помех, и они проложены в защищенном месте.
Все виды информационных кабелей, включая сигнальные и витую пару, экранируют всегда.

Наличие экрана сильно влияет на стоимость кабеля, поэтому иногда выгоднее изменить схему разводки проводки и проложить силовые кабели отдельно от информационных.

Что внутри: конструкция экранированных кабелей

В качестве экрана кабеля может использоваться:

обертка из фольгированного материала, полимерного полотна, специальной электропроводящей бумаги;
металлическая оплетка из тонкой медной проволоки или лента из нее же.

При этом сам экран может быть:

общим, то есть обтягивать весь кабель под изоляцией;
индивидуальным для каждого проводника или группы;
комбинированным: с индивидуальным экранированием проводников и общим всего кабеля.

Очевидно, что чем больше экранов, тем дороже кабель. Поэтому к индивидуальному и, тем более, комбинированному экранированию прибегают, только если без этого не обойтись.

Типы экранированных кабелей

Оптимальный тип экрана зависит от назначения кабеля. Рассмотрим основные из их разновидностей.

Экранирование силовых кабелей

Для экранирования силовых кабелей обычно используют общий экран из медной оплетки или алюминиевой фольги. Кабели свыше 6 кВ обязательно должны быть экранированы, а марки, рассчитанные на меньшее напряжение, могут прокладываться и без экрана.

Экранированные контрольные кабели

Контрольные кабели нужны для передачи сигналов от датчиков к реле или контроллеру и управляющих сигналов от контроллера к оборудованию. От наводок их, как правило, защищают алюминиевой или медной фольгой.

Комбинированные кабели с экраном

Комбинированные кабели — это два в одном. В этом случае в одной оболочке заключен и силовой, и контрольный кабель одновременно. Это сильно облегчает прокладку проводов, но взамен такое решение требует серьезной защиты от помех. Управляющий проводник всегда экранируется индивидуально, а весь кабель часто оснащается общим фольгированным экраном.

Экранированный сигнальный кабель

Сигнальный или сигнально-блокировочный кабель обычно отвечает за передачу сигналов в критически важных системах: пожарной и охранной сигнализации, пожаротушения, дымоудаления. Поэтому он нуждается в серьезной защите от внешних воздействий. Для этого используют мощный общий экран фольгированного типа, иногда даже двойной для большей надежности.

Экранирование кабелей связи и передачи данных

К этом типу относятся коаксиальные, телефонные и другие кабели доцифровой эпохи. Проводник, отвечающий за передачу информации, в таких кабелях всегда должен экранироваться. Если таких проводников несколько, экранируется каждый. Общего экрана может не быть.

Витая пара

Учитывая восприимчивость к влиянию помех, экранирование сетевого кабеля — почти искусство. Оно может быть очень разным: индивидуальным, общим и комбинированным — все зависит от вида и условий монтажа.

Например, если витая пара проходит вдали от распределительных щитов и любых силовых сетей, то ее могут вообще не экранировать — наводки от соседних проводников слишком малы, чтобы мешать друг другу. Если кабель прокладывают в несильно загрязненной помехами среде, то часто достаточно одного общего фольгированного экрана. В зонах с высоким электромагнитным загрязнением используют уже витую пару с общим и индивидуальным экраном.

В зависимости от технических характеристик и условий эксплуатации производятся расчеты, по которым определяют материал, конструкцию и тип защитного экранирования.

Упрощенный метод прогнозирования коэффициента экранирования кабеля на основе передаточного импеданса (сопротивления)

Для экранированного кабеля можно вывести приблизительную зависимость в диапазоне от нескольких Гц до первого резонанса исходя из его передаточного импенданса (сопротивления) – Zt – что позволяет предугадать коэффициент экранирования кабеля. Инженеры, работающие с техническими характеристиками продукции и предварительным проектированием, предпочитают располагать данным коэффициентом. Не обязательно являться специалистами ЭМС, чтобы напрямую связывать его с общей характеристикой экранирования, необходимой для системных блоков или шкафов.

В этой статье приведены очень простые и практичные формулы, которые помогают напрямую получить коэффициент экранирования кабеля Kr, учитывая его Zt и частоту.

Основные характеристики экрана кабеля

Качество экрана кабеля является важным вопросом для EMC сообщества, а также для всей электронной промышленности. Это связанно с потребностью прогнозировать, измерять, сравнивать и повышать эффективность службы самых разных экранированных кабелей, таких как коаксиальные кабели или экранированные пары и жгуты, имеющих различные типы экранов: оплетки, фольги, спиральные, гофрированные, тканые и т.п.

Однако, когда дело доходит до выбора удобной и надежной характеристики экрана кабеля, возникает несколько вопросов.

Конкурируют между собой следующие методы: качество экранирования (SE, дБ), поверхностная передача (Zt, Ом/м) или коэффициент уменьшения экрана (Kr, дБ).

Хотя передача Zt является широко используемым и надежным параметром, инженеры, работающие с характеристиками продукта и общей конструкцией, часто предпочитают SE или коэффициент уменьшения Kr в качестве показателя качества, поскольку они могут напрямую связать его со всеми характеристиками экранирования, необходимыми системе. Было бы нонсенсом требовать 60 дБ экранирования для системных блоков или шкафов, если соответствующие кабели и их соединительное оборудование обеспечивают только 30 дБ, и наоборот.

a) Эффективность экранирования, определенная для любого экранирующего барьера, определяется следующим образом: SE (дБ) = 20 log [E (или H) без экрана] / [E (или H) с экраном] SE – это Screen Efficiency (качество экранирования) При воздействии на тестируемый образец сильного электромагнитного поля необходимо располагать данными эффективности экранирования для коробки, шкафа или любого корпуса, где SE является безразмерным числом. Поскольку нецелесообразно давать доступ к оставшемуся полю E (или H) внутри экрана кабеля, то есть между оболочкой и жилой, вместо этого измеряется эффект поля падающего излучения, например, напряжение между жилой и экраном. Однако у этого метода есть несколько недостатков.
- Для него требуется полный набор дорогостоящего оборудования: генератор, источник питания, усилитель, антенны, экранированное/безэховое помещение (или реверберационная камера с перемешиванием) и т. д.
- Он имеет типичные погрешности измерения излучения (среднее значение погрешности для обычных электромагнитных помех составляет 6 дБ).
- Он очень чувствителен к тестируемому кабелю: его высоте расположения над землей, нагрузке и типу возбуждения в условиях ближнего поля. Например, передающая антенна на расстоянии 1 м от тестового образца создаст условия ближнего поля для всех частот ниже 50 МГц. Если антенна относится к семейству диполей, то ближнее поле будет преимущественно электрическим, то есть полем с высоким сопротивлением, и результаты SE будут выглядеть превосходно. Если передающая антенна представляет собой магнитную петлю, поле будет низкоимпедансным H-полем, и результаты SE будут гораздо менее впечатляющими.
- b) Передаточное сопротивление (Zt), в отличие от SE, представляет собой чисто кондуктивный метод измерения с точными результатами, и, как правило, с погрешностью в пределах 10% (1 дБ). Но Zt, выраженное в Ом/метр, имеет размерность и не может быть напрямую выражено как характеристика экрана.
- c) Коэффициент преобразования экрана, Kr, соединяет два способа, взяв лучшее из Zt — преимущественно проводимого измерения и SE: артикул прямого показателя дан в дБ.
Определение коэффициента преобразования экрана

Мы можем определить коэффициент преобразования экрана (Kr) как отношение напряжения дифференциального режима (Vd), появляющегося между жилой и экраном на приемном конце кабеля, к напряжению синфазного режима (Vcm), приложенному последовательно в петлю (рис. 1).

Kr (dB) = 20 log (Vd / Vcm) (1)

Эту цифру также можно рассматривать как коэффициент преобразования режима между внешней цепью (контуром) и внутренней цепью (линией между сердечником и экраном).

Иногда используются несколько иные версии этого определения, например:

Vd₁ – дифференциальное напряжение на приемном конце, когда экран отсутствует (отключен)

Vd₂ – дифференциальное напряжение на приемном конце при нормально заземленном экране с обоих концов.

Последнее определение было бы более строгим, чем-то напоминающим вносимые потери в терминологии ЭМС, т. е. сравнивалось бы то, что можно было бы получить без экрана и с экраном при одном и том же уровне напряжения тока (см. рис. 1, Б). Это устраняет участие сопротивления и собственной индуктивности жилы, так как они одинаково влияют на Vd₁ и Vd₂.

Расчетные значения Kr для простых случаев, для длины ι < λ/2

Выразим Vd, используя классическую модель Zt, предполагая, что ближний конец кабеля закорочен (жила-экран):

Vd = Zt x / x I_shield

Где l – длина экранированного кабеля

Выражение тока экрана, I_shield:

Мы можем заменить Vd на его значение в выражении Kr:

Z_контур зависит от длины поскольку это просто сопротивление контура экран-земля, который для любого качественного экрана имеет меньшее значение, чем оно же у жильного провода плюс клеммы.

L_ext = собственная индуктивность экрана к заменяющему Z_{контуру} в его выражении:

Zt (рис. 2) состоит из сопротивления экрана R_sh и передаточной (или рассеянной) индуктивности экрана Lt.

Таким образом, мы пришли к выражению Kr в виде безразмерного числа, не зависящего от длины кабеля:

Это выражение интересно тем, что оно раскрывает три основных частотных диапазона:
- a) для очень низких частот, где член ωLt пренебрежимо мал, Zt преобладает над R_sh:
≈ 1 (0dB) ниже нескольких кГц, так как нижний предел импеданса контура уменьшается до Rs_sh
- b) для средний частот (обычно выше 5-10 кГц для обычного плетеного экрана):
Понижающий коэффициент улучшается линейно с частотой.
- c) на более высоких частотах (обычно выше одного МГц), до первого < λ/2 резонанса
Понижающий коэффициент остается постоянным, независимо от длины и частоты.

Можно вывести быструю и удобную формулу, которая действительна для любой частоты от 10 кГц до первого резонанса < λ/2:

Kr (dB) = — 20 Log [ 1 + (6. FMHz /Zt (Ω/m) ] (3)

Значение Zt принимается на рассматриваемой частоте.

Рис. 1. Концептуальный вид коэффициента снижения защиты (Kr) с двумя вариантами схемы измерения. В (B) измерение сравнивает напряжение, измеренное на оконечной нагрузке с подключенным экраном и без него.

((*) Ранее было предложено несколько формул для выражения эффективности экрана кабеля на основе его Zt. Часто упоминаемое быстро работающее правило: Kr(или SE)dB=40-20Log(Zt.l). Хотя это верно выше омической области Zt, это может дать широкий диапазон положительных результатов, 50 дБ или 70 дБ при 50/60 Гц, где обычный экран вообще не дает никакой защиты против помех, наведенных синфазным режимом.

Расчет Kr при длине, приближающейся или превышающей λ/2

Когда размер кабеля достигает половины длины волны, нельзя продолжать умножать Zt(Ом/м) на физическую длину, по которой больше не проходит однородный ток. Фактически, предположение о «электрически короткой линии» становится все менее и менее приемлемым, когда длина кабеля «l» превышает λ/10.

Когда кабель подвергается воздействию однородного электромагнитного поля или равномерно распределенного изменения ландшафта, экран, заземленный с обоих концов, встретившись с обычными помехами CM ведет себя как диполь, демонстрирующий собственный резонанс и антирезонанс для каждого нечетного и четного кратного λ/2 соответственно. Соответственно пики тока будут возникать периодически для каждого нечетного числа, кратного λ/2, что приводит к значению Kr для наиболее жестких условий.

*Некоторые испытательные установки для измерения Kr используют возбуждение конца экрана кабеля генератором на 50 Ом, что тоже позволяет получить резонансы λ/4. Краткое обсуждение этого представлено в Приложении.

Необходимо также учитывать C’, фактическую скорость распространения в линии передачи кабель-земля, где C’ меньше, чем идеальная скорость C в свободном пространстве. Обычно C’ = 0,7–0,8 C. Следовательно, фактическая длина волны в контуре кабель-земля:

Если мы применим наши расчеты к наихудшим условиям, самые плохие из которых будут (рис. 3) при первом λ’/2, где принимаемое напряжение Vd будет максимальным (из-за пика тока), и, следовательно, к низкому значению Kr.

Это правильно передает реальную ситуацию, когда при равномерном воздействии поля схема приемника, испытывающего воздействие, будет видеть более высокие помехи.

Рис. 2. Некоторые типичные значения Zt для нескольких экранированных кабелей

За пределами этой первой точки резонанса при постоянном возбуждении СМ граничное напряжение Vd будет проходить через последовательность пиков (с нечетными кратными λ’/2) и нулей. При этом амплитуда пиков не будет превышать амплитуду, достигнутую при первом резонансе.

Просто учитывая, что длина «электрически активного» сегмента экрана ограничена λ’/2, Vd_max можно рассчитать следующим образом:

Vd_max = Zt (Ω/m) x 0.5 λ’ x I_shield (4)

где, Zt = передаточное сопротивление на интересующей частоте отвечая на λ’.

При такой частоте Zt преобладает над Lt, передаточная индуктивность экрана

λ’= скорректированной длине волны для скорости распространения C’ ≈ 0,7–0,8λ

λ’= 0,75 . 300,106/F(Гц) = 220,106/F(Гц) (среднее значение)

(Уравнение 4) для Vd (max) можно записать как:

Vd_max =Lt.ω.0,5.(220,106 /F)xIsh= Lt(H/m).2π.F.0.5.(220,106 /F)xIsh)

Частота в уравнении сокращается, поэтому уменьшаются все переменные и используются более практичные единицы, такие как Lt в нГн/м:

Кроме того, мы можем выразить I_shmax для экрана, заземленного с обоих концов, подвергнутого воздействию однородным полем (типичный сценарий восприимчивости к электромагнитным помехам):

Zc = характеристика сопротивления кабельной надземной линии передачи.

= 150 Ом для отношения высота/диаметр = 4 (обычное для испытательной установки MIL-STD 461)

= 300 Ом для отношения высота/диаметр = 50

Таким образом, для Zc может быть задано среднее значение 210 Ом (приближение +/- 3 дБ).

Объединение уравнения 4 и 5 мы получаем простое выражение для наихудшего Kr выше резонанса.

Рис. 3. Воображаемый вид поведения Kr выше резонанса. Даже с экраном хорошего качества периодические скачки тока экрана с нечетными кратными значениями λ’/2 объясняют типичное ухудшение Kr на 10 дБ.

Рис. 4. Результаты расчетов для коаксиального кабеля с одинарной оплеткой длиной 5 м. Первый резонанс λ’/2 достигается на частоте около 20 МГц.

Рис. 5. Kr для коаксиального кабеля длиной 5 м, экран заземлен с помощью косички длиной 10 см

Рис. 6. Kr для экранированного компьютерного кабеля длиной 5 м с экранированным разъемом SubD25 хорошего качества

наихудший Kr выше резонанса:

Kr (min) = Vd max / Vcm

= ( 0.7 Lt . Vcm / 210) / Vcm

Kr min (dB) = — 20 Log [ 210 / 0.7 Lt(nH/m) ] Kr min (dB) = — 20 Log [ 300 / Lt(nH/m) ] (6)

Несколько практических показателей Kr, ниже или выше первого кабельного резонанса

На следующих рисунках показаны некоторые расчеты по формулам из этой статьи и результаты испытаний.

На рис. 4 показаны результаты расчетов для 5-метрового коаксиального кабеля хорошего качества с одинарной оплеткой, расположенного на высоте 1 метр над землей, с идеальным 360-градусным контактом на задней стенке разъема. На рис. 5 кривая показывает результаты испытаний 5-метрового коаксиального кабеля, в котором экран был намеренно испорчен 10-сантиметровым хвостом. Ухудшение показателя Kr выше 8 МГц впечатляет.

Приложение

Мы видели, что, когда размер кабеля приближается или превышает длину полуволны, ток на экране имеет синусоидальное распределение с чередованием инверсии фазы на каждом сегменте λ/2. А также дополнительно появляется еще сложность в том, что, если тестовая установка на генераторе 50 Ом, питающем один конец экрана, то он выглядит как линия передачи, закороченная на другом конце, подверженном стоячим волнам. Это несоответствие вызывает нули и пики тока при каждом кратном λ/4.

Для нечетных множителей, таких как λ/4, 3 λ/4, 5λ/4 и т. д., нулевой ток соответствует генератору, у которого наблюдается бесконечный импеданс. В то время как управляющее напряжение равно значению разомкнутой цепи, минимальный ток на экране вызывает падение напряжения на клеммах Vd, поэтому значение Kr искусственно подскакивает до более высоких значений. Этот эффект виден на рисунках, где Kr то появляется то лучше, то хуже своих средних значений. В настоящей статье мы предпочли ориентировать расчеты на наихудший случай, а не на самый благоприятный.
Похожие публикации: