Экранирование электрических проводов. Экранирование проводов6.5. Экранирование кабелей связиДля уменьшения взаимных влияний между цепями и защиты от внешних помех широко используют экранирование кабелей связи. Для защиты от внешних злектромагнитных влияний на кабельный сердечник накладывают металлическую оболочку (экран), которая, как правило, имеет сплошную цилиндрическую конструкцию и выполняется из свинца, алюминия или стали. Стальные оболочки ддя повышения гибкости гофрируют. В кабелях ГТС в качестве экранов широко используют алюминиевые экраны ленточного типа в виде спиральных лент или в виде трубки с продольным швом. В радиочастотных кабелях находят применение оплеточные экраны из плоских и круглых проволок. Для защиты от взаимных влияний используют разделительные экраны, которые являются составной частью конструкции кабельного сердечника. Такие экраны разделяют цепи прямого и обратного направлений передачи и обеспечивают тем самым существенное снижение взаимных влияний между экранированными цепями. В настоящее время находят применение симметричные кабели для цифровых систем передачи, разделительные экраны которых изготовлены из тонкой алюминиевой фольги. Такие конструкции кабелей позволяют организовать связь по однокабельной системе, которая по сравнению с двухкабельной имеет более высокие технико-экономические показатели. На кабели связи оказывают влияние как электрические, так и магнитные поля. Однако в зависимости от режима работы источников помех может преобладать либо магнитная, либо электрическая составляющая поля. Сильные магнитные поля создаются цепями с большими токами и малыми напряжениями, а сильные электрические поля характерны для источников с большими напряжениями и малыми токами. Поэтому можно отдельно рассматривать действие магнитных и электрических полей. При этом следует отметить, что наибольшее влияние на кабели связи оказывают магнитные поля. По принципу пействия экраны подразделяют на электростатические, магнитостатические и электромагнитные. Электростатическое экранирование основано на замыкании электрического поля на поверхности металлического экрана и отводе электрических зарядов в землю. Как показано на рис. 6.7, в цепь влияющего провода А включен источник ЭДС помех Е, а провод Б подвержен влиянию. Если экран не заземлен (рис. 6.7, а), то электрические силовые линии, созданные положительно заряженным проводом А, будут замыкаться на внутренней поверхности экрана и индуцировать на ней отрицательные заряды, а на внешней поверхности экрана будут индуцироваться положительные заряды. Эти заряды создадут в свою очередь электрические силовые линии, замыкающиеся на поверхности провода Б, индуцируя на нем отрицательные заряды. В итоге никакого экранирующего действия замкнутый экран не оказывает. Чтобы полностью устранить влияние провода А на провод Б, необходимо замкнутый экран хорошо заземлить (обеспечить малое сопротивление заземления). В этом случае положительные заряды, сконцентрированные на внешней поверхности экрана; отведутся в землю и не будут оказывать влияние на провод Б (рис. 6.7, б). Аналогичный эффект экранирования будет иметь место и при влиянии внешнего электрического поля помех на провод А, помещенный внутри экрана. Эффект электростатического экранирования не зависит от материала и толщины экрана. Поэтому экран из любого металла в одинаковой степени локализует электростатическое поле помех. Электростатические экраны эффективно работают только на низких частотах. Магнитостатическое экранирование основано на замыкании магнитного поля в толще экрана из-за повышенной его магнитопроводности. Такие экраны изготавливают из материалов с большой магнитной проницаемостью..На рис. 6.8, а провод А является источником магнитного поля, провод Б помещен в магнитный экран. Магнитные силовые линии магнитного поля помех будут в основном замыкаться в толще стенок экрана, так как он имеет малое магнитное сопротивление по сравнению с пространством внутри экрана, в котором находится провод Б. В результате влияние провода А на провод Б резко уменьшается. Экранирующее действие магнитных экранов улучшается с увеличением магнитной проницаемости µ и толщины экрана l. Магнитостатическое экранирование, как и электростатическое, эффективно лишь в диапазоне низких частот. В диапазоне высоких частот магнитостатический режим экранирования переходит в электромагнитный. Электромагнитное экранирование основано на принципах отражения электромагнитных волн от поверхности экрана и поглощения энергии в толще экрана. Электромагнитные зкраны наиболее эффективно работают на высоких частотах, при этом они защищают как от магнитного, так и от электрического мешающих полей. Электромагнитная волна с амплитудой W, падающая на экран (рис. 6.9), на границе диэлектрик-металл частично отражается, а частично проходит в зкран, затухая при этом в его толще. Достигнув второй границы металл-диэлектрик, волна вторично отражается. В результате в экранирующее пространство проникает лишь оставшаяся часть энергии Wэ. Амплитуда отраженных составляющих W01 и W02 зависит от соотношения волновых сопротивлений диэлектрика и металла. Чем 6ольше их различие, тем более интенсивно энергия мешающего поля отражается. Затухание энергии в толще самого экрана обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи. Экранирующее действие экранов количественно оценивается коэффициентом экранирования, который для однородных экранов равен отношению электрического Еэ (магнитного Нэ) поля в рассматриваемой тачке при наличии экрана к напряженности электрического Е (магнитного H) поля в этой же точке при отсутствии экрана. Коэффициент экранирования S изменяется от 0 до 1. Идеальный экранирующий эффект характеризуется S=0. Для оценки экранирующих свойств экранов используется также затухание экранирования: Чем меньше коэффициент экранирования S и больше затухание экранирования Аэ, тем лучше кабельные цепи защищены от помех. . . 6.6. Электромагнитное экранирование в широком диапазоне частот Электромагнитный режим работы кабельных экранов охватывает достаточно широкий диапазон частот: от 10'...10 до 10R..109 Гц. Расчет экранирующих характеристик электромагнитных экранов осуществляется по следующим формулам: теризует тепловые потери энергии мешающего поля на вихревые токи в экране. Чем выше частота и толщина экрана, тем лучше экранирование. При этом магнитные экраны (µ>> 1) имеют лучшее экранирование поглощения, чем немагнитные экраны (µ=1), так как в них более интенсивно действуют вихревые токи. Получается так, что с ростом частоты Sп уменьшается, а Ап возрастает, поэтому экранирование поглощения на высоких частотах более эффективно, чем на низких.
связано с различием волновых сопротивлений диэлектрика и металла, из которого изготовлен экран. Чем больше различие между Zд и Zм, тем лучше экранирование отражения. При экранировании электрического и магнитного полей имеется принципиальное различие, которое обусловлено различием частотных характеристик волнового сопротивления диэлектрика (рис. 6.10). Анализируя частотные характеристики волновых сопротивлений, можно сделать заключение о том, что Zм немагнитных экранов больше отличается от Zд, чем магнитных. Следовательно, экраны из немагнитных металлов работают на отражение лучше, чем из магнитных. При этом с ростом частоты S0 уменьшается, т. е. экранирование отражения улучшается. Из этих графиков видно, что экранное затухание магнитного поля АэН с ростом частоты увеличивается, а экранное затухание электрического поля АэЕ вначале падает, а на частотах выше 106... 107 Гц начинает возрастать. При этом электрическое поле экранируется значительно лучше, чем магнитное, так как АэЕ > АэН Особенно это различие заметно в диапазоне низких частот. Следовательно, как и отмечается выше, в практике применения кабельных экранов как мер защиты от взаимных и внешних помех необходимо в первую очередь учитывать магнитное поле. Поэтому рассмотрим несколько подробнее характеристики экранирования магнитных и немагнитных экранов при экранировании магнитного поля. На графиках, представленных на рис. 6.12, видны три характерные частотные области. В частотной области 1 (до 3... 10 кГц) магнитный экран имеет лучшие экранирующие свойства, чем немагнитный. Работает он в этой области в магнитостатическом режиме. В частотных областях 2 и 3 оба экрана работают в электромагнитном режиме. При этом в частотной области 2 (от 3... 10 кГц до 1 МГц) лучше экранирует магнитное поле немагнитный экран по причине лучшего отражения энергии (А0>Ап), а в частотной области 3(выше 1 МГц) - магнитный экран по причине лучшего поглощения энергии (Ап>А0). Из проведенного анализа вытекает вывод о том, что лучший экранирующий эффект имеют конструкции экранов с немагнитными и магнитными слоями. Такие экраны находят применение в реальных конструкциях кабелей связи. Например, в кабеле МКСАБп на сердечник накладывают алюминиевую оболочку (немагнитный экран) и две стальные бронеленты (магнитный экран). Алюминиевая оболочка обеспечивает хорошее отражение, а стальные бронеленты, имеющие большую магнитную проницаемость, обеспечивают хорошее поглощение энергии мешающего электромагнитного поля. Оценив эффективность работы электромагнитных экранов в целом, отметим, что магнитное поле весьма хорошо экранируется на высоких частотах и существенно хуже в области низких частот. studfiles.net Заземление и экранирование. - Сайт voltprofi!Из ПУЭ Глава 1.7. ЗАЗЕМЛЕНИЕ И ЗАЩИТНЫЕ МЕРЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ 1.7.93. Присоединение заземляющих и нулевых защитных проводников к частям оборудования, подлежащим заземлению или занулению, должно быть выполнено сваркой или болтовым соединением. Присоединение должно быть доступно для осмотра. Для болтового присоединения должны быть предусмотрены меры против ослабления и коррозии контактного соединения. 1.7.94. Каждая часть электроустановки, подлежащая заземлению или занулению, должна быть присоединена к сети заземления или зануления при помощи отдельного ответвления. Последовательное включение в заземляющий или нулевой защитный проводник заземляемых или зануляемых частей электроустановки не допускается. Следует помнить что Россия стала, в начале ХХ1 века, членом МЭК. А там минимальное сечение главного эквипотенциального медного проводника не менее 10 мм кВ., медь.
Виды заземлений. Одним из путей ослабления вредного влияния цепей заземления на системы автоматизации является раздельное выполнение заземлений для устройств, имеющих разную чувствительность к помехам или являющихся источниками помех разной мощности. Раздельное исполнение заземляющих проводников, позволяет выполнить их соединение с защитной землей в одной точке. При этом заземляющие проводники разных систем земель представляют собой лучи звезды, центром которой является контакт к шине защитного заземления здания, в наших случаях к главному эквипотенциальному проводнику, он идёт от шины заземления к комплексу оборудования. Благодаря такой топологии помехи "грязной" земли не протекают по проводникам "чистой" земли. Таким образом, несмотря на то, что системы заземления разделены и имеют разные названия, в конечном счете, все они соединены с Землей через систему защитного заземления. Исключение составляет только "плавающая" земля (см. ниже). 1. Защитное заземление. РЕ От шины заземления здания, на корпус оборудования, медным многожильным проводом сечением не менее 10 мм.кв. . 2. Силовое заземление. В системах автоматики могут использоваться электромагнитные реле, серводвигатели, электромагнитные клапаны и другие устройства, ток потребления которых, существенно превышает ток потребления модулей ввода-вывода и контроллеров. Цепи питания таких устройств выполняют отдельной парой свитых проводов (для уменьшения излучаемых помех), один из которых соединяется с шиной защитного заземления. Общий провод системы (обычно провод, подключенный к отрицательному выводу источника питания) является силовой землей. 3, 4. Аналоговая и цифровая земля. Системы автоматики являются аналого-цифровыми. Поэтому одним из источников погрешностей аналоговой части является помеха, создаваемая цифровой частью системы. Для исключения прохождения помех через цепи заземления цифровую и аналоговую землю выполняют в виде несвязанных проводников, соединенных вместе только в одной общей точке. Для этого модули ввода-вывода и контроллеры имеют отдельные выводы аналоговой земли (AGND - "Analog GrouND") и цифровой (DGND - "Digital GrouND"). 5. «Плавающая» земля. "Плавающая" земля образуется в случае, когда общий провод небольшой части системы электрически не соединяется с шиной защитного заземления (т.е. с Землей). Типовыми примерами таких систем являются: батарейные измерительные приборы; системы автоматики автомобиля; самолета или космического корабля. "Плавающая" земля может быть получена и с помощью DC-DC или AC-DC преобразователей, если вывод вторичного источника питания в них не заземлен. Такое решение позволяет полностью исключить кондуктивные наводки через общий провод заземления. Кроме того, допустимое напряжение синфазного сигнала может достигать 300 Вольт и более; практически 100%-ным становится подавление синфазного сигнала, снижается влияние емкостных помех. Однако на высоких частотах токи через емкость на землю существенно снижают последние два достоинства. Техника заземления в системах автоматизации сильно различается для гальванически связанных и гальванически развязанных цепей. Большинство методов, описанных в литературе, относится к гальванически связанным цепям, доля которых в последнее время существенно уменьшилась в связи с резким падением цен на изолирующие DC-DCпреобразователи. Общим правилом ослабления связи, через общий провод заземления, является деление земель на аналоговую, цифровую, силовую и защитную с последующим их соединением только в одной точке. При разделении заземлений, гальванически связанных цепей, используется общий принцип: цепи заземления с большим уровнем помех должны выполняться отдельно от цепей с малым уровнем помех, а соединяться они должны только в одной общей точке. Точек заземления может быть несколько, если топология такой цепи не приводит к появлению участков "грязной" земли в контуре, включающем источник и приемник сигнала, а также если в цепи заземления не образуются замкнутые контуры, по которым циркулирует ток, наведенный электромагнитной помехой. ПРАВИЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНАДля устранения паразитной емкостной связи и электростатических зарядов, используют электростатический экран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые провода, а для защиты от магнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью. Рассмотрим заземление экранов при передаче сигнала по витой экранированной паре, поскольку этот случай наиболее типичен для систем автоматизации
Оплетку кабеля надо заземлять со стороны источника сигнала. Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, т.к. в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется. ПРАВИЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНАНа частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м) возрастает сопротивление оплетки, что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними. Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока , передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор количества точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к величине токов, протекающих через экран в случае его заземления. В качестве промежуточного варианта можно использовать второе заземление экрана через емкость . При этом по высокой частоте экран получается заземленным с двух сторон, по низкой частоте - с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10…20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Величину емкости можно рассчитать по формуле. Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1,6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью. ПРАВИЛЬНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНАДля качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран. Внутренний экран заземляют с одной стороны, со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи, а внешний экран уменьшает высокочастотный наводки. Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле, помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений, сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель. Экран, защищающий от паразитных индуктивных связей, сделать гораздо сложнее, чем электростатический экран. Для этого нужно использовать материал с высокой магнитной проницаемостью и, как правило, гораздо большей толщины, чем толщина электростатических экранов. Для частот ниже 100 КГц можно использовать экран из стали или пермаллоя. На более высоких частотах можно также использовать алюминий и медь. Заземление гальванически развязанных цепейПрименение гальванической изоляции позволяет разделить аналоговую и цифровую землю, а это, в свою очередь, исключает протекание по аналоговой земле токов помехи от силовой и цифровой земли. Аналоговая земля может быть соединена с защитным заземлением через сопротивление. Монтаж панелей, шкафов автоматики должен учитывать всю вышеизложенную информацию. Однако заранее нельзя сказать однозначно, какие требования являются обязательными, какие - нет, поскольку набор обязательных требований зависит от требуемой точности измерений и от окружающей электромагнитной обстановки. Ниже на рисунке приведена правильная схема соединений.  1. Используйте модули ввода-вывода только с гальванической развязкой. 2. Не применяйте длинных проводов от аналоговых датчиков. Располагайте модули ввода в непосредственной близости к датчику, а сигнал передавайте в цифровой форме. Используйте датчики с цифровым интерфейсом. 3. На открытой местности и при больших дистанциях используйте оптический кабель вместо медного. 4. Используйте только дифференциальные (не одиночные) входы модулей аналогового ввода. 5. Используйте в пределах вашей системы автоматизации отдельную землю из медной шины. 6. Аналоговую, цифровую и силовую землю системы соединяйте только в одной точке. Если этого сделать невозможно, используйте медную шину с большой площадью поперечного сечения для уменьшения сопротивления между разными точками подключения земель. 7. Следите, чтобы при монтаже системы заземления случайно не образовался замкнутый контур. 8. Не используйте, по возможности, землю, как уровень отсчета напряжения при передаче сигнала. 9. Если провод заземления не может быть коротким или если по конструктивным соображениям необходимо заземлить две части гальванически связанной системы в разных точках, то эти системы нужно разделить с помощью гальванической развязки. 10. Цепи, изолированные гальванически, нужно заземлять через большое сопротивление, чтобы избежать накопления статических зарядов. 11. Экспериментируйте и пользуйтесь приборами для оценки качества заземления. Допущенные ошибки видны не сразу. 12. Пытайтесь идентифицировать источник и приемник помех, затем нарисуйте эквивалентную схему цепи передачи помехи с учетом паразитных емкостей и индуктивностей. 13. Пытайтесь выделить самую мощную помеху и в первую очередь защищайтесь от нее. 14. Цепи с существенно различающейся мощностью следует заземлять группами, так, чтобы все группы имели примерно одинаковую мощность. 15. Заземляющие проводники с большим током должны проходить отдельно от чувствительных проводников с малым измерительным сигналом. Провод заземления должен быть по возможности прямым и коротким. 16. Не делайте полосу пропускания приемника сигнала шире, чем это надо из соображений точности измерений. 17. Используйте экранированные кабели, экран заземляйте в одной точке, со стороны источника сигнала на частотах ниже 1 МГц и в нескольких точках - на более высоких частотах. 18. Для особо чувствительных измерений используйте "плавающий" батарейный источник питания.  RS-485 Промышленная сеть на основе интерфейса RS-485 выполняется экранированной витой парой с обязательным применением модулей гальванической развязки. Для небольших расстояний (порядка 10 м) ,при отсутствии поблизости источников помех, экран можно не использовать. При больших расстояниях (стандарт допускает длину кабеля до 1,2 км) разница потенциалов земли, в удаленных друг от друга точках, может достигать несколько единиц и даже десятков вольт. Поэтому, чтобы предотвратить протекание по экрану тока, выравнивающего эти потенциалы, экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (безразлично, в какой). Это также предотвратит появление замкнутого контура большой площади в цепи заземления, в котором за счет электромагнитной индукции может наводится ток большой величины при ударах молнии или коммутации мощных нагрузок. Этот ток, через взаимную индуктивность, наводит на центральной паре проводов э. д. с., которая может вывести из строя микросхемы драйверов порта. При использовании неэкранированного кабеля, на нем может наводиться большой статический заряд (несколько киловольт) за счет атмосферного электричества, который может вывести из строя элементы гальванической развязки. Для предотвращения этого эффекта изолированную часть устройства гальванической развязки следует заземлить через сопротивление, например, 0,1...1 МОм ( показано штриховой линией). Особенно сильно проявляются описанные выше эффекты в сетях Ethernet с коаксиальным кабелем, когда при заземлении в нескольких точках (или отсутствии заземления), во время грозы, выходят из строя сразу несколько сетевых Ethernet-плат. В сетях Ethernet с малой пропускной способностью (10 Mбит/с), заземление экрана следует выполнять только в одной точке. В Fast Ethernet (100 Мбит/с) и Gigabit Ethernet (1 Гбит/с) заземление экрана следует выполнять в нескольких точках, пользуясь рекомендациями раздел "Экранирование сигнальных кабелей" При прокладке кабеля на открытой местности нужно использовать все правила, описанные в разделе "Экранирование сигнальных кабелей" На взрывоопасных промышленных объектах (см. раздел "Автоматизация опасных объектов"), при монтаже цепей заземления многожильным проводом, не допускается применение пайки для спаивания жил между собой, поскольку вследствие хладотекучести припоя возможно ослабление мест контактного давления в винтовых зажимах. Экран кабеля интерфейса RS-485 заземляется в одной точке, вне взрывоопасной зоны. В пределах взрывоопасной зоны он должен быть защищен от случайного соприкосновения с заземленными проводниками. Искробезопасные цепи не должны заземляться, если этого не требуют условия работы электрооборудования (ГОСТ Р 51330.10, раздел "Экранирование сигнальных кабелей"). Искробезопасные цепи должны быть смонтированы таким образом, чтобы наводки от внешних электромагнитных полей (например, от расположенного на крыше здания радиопередатчика, от воздушных линий электропередачи или близлежащих кабелей для передачи большой мощности) не создавали опасного напряжение или тока в искробезопасных цепях. Это может быть достигнуто экранированием или отдалением искробезопасных цепей от источника электромагнитной наводки. При прокладке в общем пучке или канале кабели с искроопасными и искробезопасными цепями, должны быть разделены промежуточным слоем изоляционного материала или заземленной металлической перегородкой. Никакого разделения не требуется, если используются кабели с металлической оболочкой или экраном. Заземленные металлические конструкции не должны иметь разрывов и плохих контактов между собой, которые могут искрить во время грозы или при коммутации мощного оборудования. На взрывоопасных промышленных объектах используются преимущественно электрические распределительные сети с изолированной нейтралью, чтобы исключить возможность появления искры при коротком замыкании фазы на землю и срабатывания предохранителей защиты при повреждении изоляции. Для защиты от статического электричества используют заземление, описанное в разделе "Статическое электричество". Статическое электричество может быть причиной воспламенения взрывоопасной смеси. Например, при емкости человеческого тела 100…400 пФ и потенциале заряда 1 кВ, энергия искрового разряда с тела человека будет равна 50…200 мкДж, что может быть достаточно для воспламенения взрывоопасной смеси группы IIC (60 мкДж). Цепи питания двигателей с импульсным управлением, двигателей сервоприводов, исполнительных устройств с ШИМ-управлением, должны быть выполнены витой парой для уменьшения магнитного поля, а также экранированы для снижения электрической компоненты излучаемой помехи. Экран кабеля должен быть заземлен с одной стороны. Цепи подключения датчиков, таких систем, должны быть помещены в отдельный экран и по возможности пространственно отдалены от исполнительных устройств. voltprofi.jimdo.com Для чего кабелю экран? | Журнал сетевых решений/LANПроблема применения экранированных кабелей все еще не имеет однозначного решения.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. СимметрированиеВ 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 (см. Рисунок 1). 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 (см. Рисунок 1).
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 следующее:
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. ЭкранированиеЕсли 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 (впервые — в LAN, сентябрь 1996 г., с. 46-49), 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, а соответствующие конструкции показаны на Рисунке 2.
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 образцыВ 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. Давид Яковлевич Гальперович — кандидат технических наук, старший научный сотрудник ОКБ КП, доцент МТУСИ. С ним можно связаться по тел.: (095) 583-5472.
www.osp.ru Экранирование электрических проводовЭкранированием проводов решаются 2 задачи: • уменьшение наводок на выходящие за пределы контролируемой зоны провода от электромагнитных излучений основных * вспомогательных технических средств и систем; • снижение уровня электромагнитных излучений проводов информационных линий основных и вспомогательных технических средств и систем. Физические основы экранирования с целью снижения паразитных наводок на провода рассмотрены в предыдущем парагра фе. В данном подразделе рассматриваются физические основы экранирования проводов кабелей. Экранирование провода несимметричного кабеля производится путем размещения его в экране- металлической (железной, медной, цинковой, свинцовой) трубе и металлической сетчатой оплетке (плетенке). Для экранирования электрической составляющей экран заземляется (рис. 12.3).  Рис. 12.3. Электрическое экранирование несимметричного кабеля Заряды в проводе создают электрическое поле, силовые линии которого притягивают заряды к внутренней поверхности экрана. Возникающие в результате этого на внешней поверхности экрана заряды нейтрализуются зарядами земли. Электрическое поле вне экрана определяется малой величиной вторичного электрического поля, вызванного не полностью компенсированными зарядами на внешней поверхности экрана из-за конечного, не равного 0, сопротивления цепей заземления и экрана (от точки заземления до точки измерения). Чем больше точек заземления (многоточечное заземление), чем меньше электрическое сопротивление экрана и за-землителя, тем меньше величина напряженность вторичного электрического тока. Но, как правило, заземляются только концы экрана кабеля при подсоединении его к разъемам радиоэлектронных средств. Поэтому напряженность вторичного электрического поля повышается к середине такого кабеля и уменьшается к концам. Экранирование проводов симметричных кабелей с целью снижения излучений, вызванных несимметричностью проводов относительно иной токопроводящей поверхности или земли, производится аналогично рассмотренным способам. Наибольший экранирующий эффект достигается при применении металлических водогазовых труб, достаточно большая толщина стенок которых обеспечивает большое ослабление магнитного поля на низких частотах. Более удобно прокладывать кабели в свинцовой оболочке, так как они обеспечивают возможность изгиба кабеля в любом месте трассы. Эти кабели обеспечивают высокую устойчивость против агрессивной среды и эффективное электрическое экранирование, Так как свинец относится к диамагнетикам (с (л, < 1), то магнитное экранирование достигается на высоких частотах, на которых наибольший экранирующий эффект достигается за счет вихревых токов. Еще большей эластичностью обладают экраны в виде оплетки из сетки, допускающей многократные перегибы. Оплетка перекрывает 60-90% поверхности изолированного провода. Но наличие отверстий в оплетке ухудшает магнитное экранирование по сравнению со сплошным экраном на 5-30 дБ. Если экранирование проводов несимметричных кабелей представляет собой наиболее эффективный способ существенного снижения их побочных электромагнитных излучений, то для симметричных кабелей существуют иные и более дешевые способы. Они предусматривают меры, обеспечивающие более полную компенсацию полей, создаваемых токами противоположного направления в проводах (жилах) симметричного кабеля. ⇐Экранирование электромагнитных полей | Инженерно-техническая защита информации | Компенсация полей⇒ www.delphiplus.org Экранирование электрических проводов и компенсация полей
Экранированием проводов решаются задачи: - уменьшение наводок на выходящие за пределы контролируемой зоны провода от электромагнитных излучении основных и вспомогательных технических средств систем; - снижение уровня электромагнитных излучений проводов информационных линий основных и вспомогательных технических средств и систем. Физические основы экранирования с целью снижения паразитных наводок на провода рассмотрены в предыдущем вопросе. В данном вопросе рассматриваются физические основы экранирования проводов кабелей. Экранирование провода несимметричного кабеля производится путем размещения его в экране – металлической (железной, медной, цинковой, свинцовой) трубе и металлической сетчатой оплетке (плетенке). Для экранирования электрической составляющей экран заземляется (рис. 3).
Рис. 3. Электрическое экранирование несимметричного кабеля
Заряды в проводе создают электрическое поле, силовые линии которого притягивают заряды к внутренней поверхности экрана. Возникающие в результате этого на внешней поверхности экрана заряды нейтрализуются зарядами земли. Электрическое поле вне экрана определяется малой величиной вторичного электрического поля, вызванного не полностью компенсированными зарядами на внешней поверхности экрана из-за конечного, не равного нулю, сопротивления цепей заземления и экрана (от точки заземления до точки измерения). Чем больше точек заземления (многоточечное заземление), чем меньше электрическое сопротивление экрана и заземлителя, тем меньше величина напряженность вторичного электрического тока. Но, как правило, заземляются только концы экрана кабеля при подсоединении его к разъемам радиоэлектронных средств. Поэтому напряженность вторичного электрического поля повышается к середине такого кабеля и уменьшается к концам. Источниками побочных излучений магнитного поля являются две магнитные рамки. Первая образуется цепью – провод и экран, по которому в соответствии с рис. 3 протекает ток Iэ. Цепь второй рамки образуют тот же провод и токопроводящая поверхность земли, по которой в обратном направлении протекает ток Iз. Очевидно, что Iобр = Iэ + Iз = Iпр. Мощность излучения рамок зависит от их площади и протекающих токов. Влияние экрана на уменьшение обратного тока в земле учитывается с помощью коэффициента токового экранирования Кт, равного отношению величины обратного тока в земле Iз к суммарной величине обратного тока Iобр. Для способа экранирования на рис. 3 в диапазоне звуковых частот Кт ~ 0,05. В большинстве случаях расстояние а от провода до экрана значительно меньше расстояния провода до земли h. Поэтому площадь второй рамки значительно больше площади первой. Хотя ток Iэ > Iз из-за более высокой проводимости экрана, чем земли, но при h » а побочное излучение рамки «провод-земля» является недопустимо большим. Для его снижения необходимо уменьшать h и ток Iз. Ток Iз обеспечивается при отсутствии заземления экрана у нагрузки (рис. 4).
Рис. 4. Экранирование несимметричного кабеля
Но при этом из-за увеличения сопротивления заземления возрастает вторичное электрическое поле, создаваемое экраном. Поэтому на практике вариант заземления выбирают исходя из минимизации суммарного побочного излучения электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля. Например, если ток Iпр содержит постоянную составляющую, то целесообразно заземление экрана у нагрузки производить через фильтр низкой частоты, например через индуктивность, имеющую малое сопротивление для постоянного тока и большое – для переменного тока (рис. 4). В этом случае обеспечивается эффективное электрическое экранирование на низких частотах и магнитное экранирование на высоких частотах, на которых вторая рамка может создавать существенное излучение. Экранирование проводов симметричных кабелей с целью снижения излучений, вызванных несимметричностью проводов относительно иной токопроводящей поверхности или земли, производится аналогично рассмотренным способам. Наибольший экранирующий эффект достигается при применении металлических водогазовых труб, достаточно большая толщина стенок которых обеспечивает большое ослабление магнитного поля на низких частотах. Более удобно прокладывать кабели в свинцовой оболочке, так как они обеспечивают возможность изгиба кабеля в любом месте трассы. Эти кабели обеспечивают высокую устойчивость против агрессивной среды и эффективное электрическое экранирование, Так как свинец относится к диамагнетикам (с μ < 1), то магнитное экранирование достигается на высоких частотах, на которых наибольший экранирующий эффект достигается за счет вихревых токов. Еще большей эластичностью обладают экраны в виде оплетки из сетки, допускающей многократные перегибы. Оплетка перекрывает 60-90% поверхности изолированного провода. Но наличие отверстий в оплетке ухудшает магнитное экранирование по сравнению со сплошным экраном на 5 – 30 дБ. Если экранирование проводов несимметричных кабелей представляет собой наиболее эффективный способ существенного снижения их побочных электромагнитных излучений, то для симметричных кабелей существуют иные и более дешевые способы. Они предусматривают меры, обеспечивающие более полную компенсацию полей, создаваемых токами противоположного направления в проводах (жилах) симметричного кабеля. Компенсация полей Низкочастотные и высокочастотные поля, создаваемые токами в симметричных кабелях, имеют почти равные напряженности и почти противоположные фазы. Побочные излучения проводов симметричных кабелей обусловлены разной удаленностью проводов от точки в пространстве, в которой производится измерение уровня излучения, и разными значения емкостей между проводами и рассматриваемыми токопроводящими поверхностями, в том числе и землей. Эта разница вызывается разным расположением проводов в пространстве, конструктивными отличиями и неоднородностью материала проводов и их изоляции. Компенсация полей проводов симметричного кабеля при его прокладке параллельно другим кабелям улучшается путем симметрирования проводов с помощью дополнительных емкостей или размещением жил в многожильном кабеле или жгуте таким образом, чтобы уменьшить их влияние друг на друга. Для этого измеряют емкости между проводами и установкой дополнительных конденсаторов Сс добиваются равенства емкостей между рассматриваемыми проводами (рис. 5а).
Рис. 5. Симметрирование проводов кабелей Более удобные для симметрирования кабелей так называемые дифференциальные конденсаторы переменной емкости Сс. (рис. 5). Путем вращения регулировочного винта такого конденсатора добиваются минимального уровня индикатора напряженности поля измерительного прибора, установленного в контролируемом месте. Подключение симметрирующих конденсаторов производится в специальных симметрирующих муфтах, которые включаются в разрыв кабеля (для длинных кабелей) или в соединительные разъемы. При промышленном изготовлении многожильных кабелей предусматривается расположение жил одной группы на одинаковом расстоянии от жил другой группы. Это обстоятельство важно учитывать при монтаже кабеля. Для каждой цепи выбираются жилы, расположенные на равном расстоянии от жил других цепей. Для компенсации полей, вызванных разной удаленностью проводов от точки пространства, производят скручивание проводов кабеля. Кабель, состоящий из двух скрученных проводов, называется витой паройили бифиляром. Повышение компенсации полей разных проводов пары достигается тем, что поле в рассматриваемой точке пространства представляет собой суперпозицию полей не двух параллельных проводов с разным расстоянием от точки измерения, а полей от участков проводов длиной, соответствующей шагу скрутки. Так как после каждой скрутки расположение участков проводов по отношению к точке измерения меняется на противоположное (более близкий участок провода становится более удаленным), то происходит существенно более полная компенсация полей от проводов с противоположным направлением тока. Полной компенсации полей добиться не удается, но при достаточно малом шаге скрутки ослабление излучения достигает приемлемых для практики значений, заметно не уступающих более дорогому экранированию. Например, при уменьшении шага скрутки в 3 раза (с 55 до 18 мм) излучающая способность снижается примерно на 30 дБ. Абсолютное значение ослабления излучения витой пары с шагом около 2 мм достигает 80 дБ. Малая излучающая способность, меньшая стоимость и большая гибкость витой пары способствуют ее широкому использованию в качестве кабеля локальных сетей ЭВМ, размещаемых внутри одного здания. В настоящее время используются неэкранированные кабели с витыми парами из медной проволоки (UTP – Unshielded Twisted Pair) и экранированные кабели с витыми парами из медной проволоки (STR – Schilded Twisted Pair). Чаще используются кабели STR 3-й, 4-й, и 5-й категорий. Кабели 3-й категории обеспечивают скорость передачи до 10 Мбит/с, 4-й категории – до 25 Мбит/с, 5-й категории – до 155 Мбит/с. Для увеличения ослабления излучения витую пару помещают в экран. Экранированная витая пара эффективна на частотах до 100 кГц, но на частотах более 1 МГц в ней существенно возрастают потери. В качестве экранированной витой пары используют также скрутку из трех проводов (трифиляр),по двум из которых передаются сигналы, а третий заземляется. Эффективность экранированного кабеля может быть более 100 дБ. infopedia.su Экранирование сигнальных кабелей⇐ ПредыдущаяСтр 48 из 51Следующая ⇒Методы экранирования сигнального кабеля непосредственно следуют из изложенного. Для устранения паразитной емкостной связи и электростатических зарядов используют электростатический экран в виде проводящей трубки (чулка), охватывающей экранируемые провода, а для защиты от магнитного поля используют экран из материала с высокой магнитной проницаемостью. Заземление экранов каналов с витой экранированной парой - наиболее типично для систем ПА.
Рис.1.40. Пример неправильного заземления экрана кабеля на низких частотах (с двух сторон)
Если частота помехи не превышает 1 МГц, то кабель нужно заземлять с одной стороны. Если его заземлить с 2-х сторон (рис.хх1.40), то образуется замкнутый контур, который будет работать как антенна, принимая э-м помеху (на рис.хх1.40 путь тока помехи показан штриховой линией). Ток, протекающий по экрану, является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводах, находящихся внутри экрана. Хотя магнитное поле тока оплетки внутри экрана теоретически равно нулю, но вследствие технологического разброса при изготовлении кабеля, а также ненулевого сопротивления оплетки наводка на провода внутри экрана может быть значительной. Поэтому экран нужно заземлять только с одной стороны, причем со стороны источника сигнала. Если точки заземления концов кабеля разнесены на большое расстояние между ними может существовать разность потенциалов, вызванная блуждающими токами в земле или помехами в шине заземления. Блуждающие токи наводятся электрифицированным транспортом (трамваями, поездами метрополитена и железных дорог), сварочными агрегатами, устройствами электрохимической защиты, естественными электрическими полями, вызванными фильтрацией вод в горных породах, диффузией водных растворов и др.). Особенно большие токи возникают при ударе молнии. Блуждающие токи вызывают разность потенциалов Епомехимежду концами оплетки кабеля и паразитный ток, который также наводит в центральных жилах помеху из-за взаимоиндукции. Если заземление сделать со стороны приемника (рис. хх1.41), то ток помехи будет протекать по пути, показанному на рис.хх1.41 штриховой линией, т.е. через емкость между жилами кабеля, создавая на ней и, следовательно, между дифференциальными входами, напряжение помехи. Поэтому заземлять оплетку нужно со стороны источника сигнала (рис.хх1.42). В этом случае путь для прохождения тока помехи отсутствует.
Рис.1.41. Пример неправильного заземления экрана кабеля - со стороны приемника сигнала
Если источник сигнала не заземлен (например, термопара), то заземлять экран можно с любой стороны, так как в этом случае замкнутый контур для тока помехи не образуется.
Рис.1.42. Правильное заземление экрана. Конденсатор используется для ослабления высокочастотных помех
Рис.1.43. Заземление экрана длинного кабеля на высоких частотах
На частотах более 1 МГц увеличивается индуктивное сопротивление экрана и токи емкостной наводки создают на нем большое падение напряжения, которое может передаваться на внутренние жилы через емкость между оплеткой и жилами. Кроме того, при длине кабеля, сравнимом с длиной волны помехи (длина волны помехи при частоте 1 МГц равна 300 м, на частоте 10 МГц - 30 м), возрастает сопротивление оплетки (п.хх 3.2.6), что резко повышает напряжение помехи на оплетке. Поэтому на высоких частотах оплетку кабеля надо заземлять не только с обеих сторон, но и в нескольких точках между ними (рис. хх1.43). Эти точки выбирают на расстоянии 1/10 длины волны помехи одна от другой. При этом по оплетке кабеля будет протекать часть тока Iземли, передающего помеху в центральную жилу через взаимную индуктивность. Емкостной ток также будет протекать по пути, показанному на рис. хх 1.41, однако высокочастотная компонента помехи будет ослаблена. Выбор числа точек заземления кабеля зависит от разницы напряжений помехи на концах экрана, частоты помехи, требований к защите от ударов молнии или от величины токов, протекающих через экран в случае его заземления. В качестве промежуточного варианта можно использовать 2-е заземление экрана через емкость (рис.хх1.42). При этом по высокой частоте экран получается заземленным с 2-х сторон, по низкой частоте - с одной. Это имеет смысл в том случае, когда частота помехи превышает 1 МГц, а длина кабеля в 10...20 раз меньше длины волны помехи, т.е. когда еще не нужно выполнять заземление в нескольких промежуточных точках. Значение емкости должно составить СВЧ = 1/(2π f Xc), где f - верхняя частота границы спектра помехи, Хс - емкостное сопротивление заземляющего конденсатора (доли ома). Например, на частоте 1 МГц конденсатор емкостью 0,1 мкФ имеет сопротивление 1.6 Ом. Конденсатор должен быть высокочастотным, с малой собственной индуктивностью. Для качественного экранирования в широком спектре частот используют двойной экран (рис.хх1.44). Внутренний экран заземляют с одной стороны - со стороны источника сигнала, чтобы исключить прохождение емкостной помехи по механизму, показанному на рис. хх1.41, а внешний экран уменьшает высокочастотные наводки.
Рис.1.44. Двойное экранирование длинного кабеля
Во всех случаях экран должен быть изолирован, чтобы предотвратить случайные его контакты с металлическими предметами и землей. Частота помехи - та, которую могут воспринимать чувствительные входы СА. Если на входе аналогового модуля имеется фильтр, то максимальная частота помехи, которую надо учитывать при экранировании и заземлении, определяется верхней граничной частотой полосы пропускания фильтра. Поскольку даже при правильном заземлении, но длинном кабеле помеха все равно проходит через экран, то для передачи сигнала на большое расстояние или при повышенных требованиях к точности измерений сигнал лучше передавать в цифровой форме или через оптический кабель. Результаты экспериментального сравнения различных способов подключения источника сигнала (рис.хх1.45)(терморезистора сопротивлением 20 кОм) через экранированную витую пару (0,5 витка на сантиметр) длиной 3,5 м с использованием инструментального усилителя RL-4DA200 и системы сбора данных RL-40AI [НИЛ АП] представлены на рис.1.45. Характеристики стенда: коэф-т усиления канала 390, полоса пропускания 1 кГц.
Рис.1.45. Зависимость среднеквадратичного напряжения помехи в полосе частот 0,01...5Гц, на выходе усилителя от способа включения усилителя и экрана: а - величина помехи 15 мкВ; б - 61 мкВ; в - 78 мкВ; г - 3584 мкВ
Как следует из рис.1.45, отказ от экранирования увеличивает значение помехи в 4 раза (рис.1.45,б), переход к одиночному включению вместо дифференциального (рис.1.45,в) увеличивает помеху в 5 раз, а если еще и отказаться от экрана, то помеха увеличивается в 230 раз (рис.1.45,г). Экран, защищающий от паразитных индуктивных связей, сделать гораздо сложнее, чем электростатический экран. Для этого нужно использовать материал с высокой магнитной проницаемостью и, как правило, гораздо большей толщины, чем толщина электростатических экранов. Для частот ниже 100 кГц можно использовать экран из стали или пермаллоя. На более высоких частотах можно также использовать алюминий и медь. В связи со сложностью экранирования магнитной составляющей помехи особое внимание следует уделить уменьшению индуктивности сигнального провода и использовать балансные цепи передачи сигнала или оптический кабель. Читайте также: lektsia.com Экранирование кабелей и проводовМеталлические экраны, наложенные поверх изолированных жил, защищают их от взаимного влияния и.от влияния внешнего поля. Заряды на жилах, размещенных внутри экрана, индуцируют на его внутренней поверхности заряды, равные первым по величине, но противоположные по знаку. При этом на внешней поверхности экрана сосредоточиваются заряды, равные по величине и знаку зарядам жил. Заряды, расположенные вне экрана, не влияют на электрическое состояние жил кабеля, так как поле этих зарядов во внутреннем пространстве компенсируется полем зарядов, индуцированных на внешней поверхности металлического экрана. По принципу действия экраны подразделяются на электростатические, магнитостатические и электромагнитные. Электростатические и магнитостатические экраны действуют благодаря повышенным электро- и магнитопроводности применяемых материалов. Эти экраны эффективны лишь в области низких частот. В области высоких частот требуемый эффект достигается применением электромагнитных экранов, действие которых основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухания высокочастотной энергии в толще металлического экрана. Затухание энергии в экране обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи. Чем выше частота передаваемой энергии и толще экран; тем больше затухание в экране. Отражение энергии от экрана связано с несоответствием волновых характеристик изоляционного материала и металлического экрана. Чем больше они различаются, тем сильнее сказывается эффект экранирования за счет отражения. На рис. 3-21 изображена схема прохождения электромагнитной энергии через экран. Электромагнитная энергия поля помех W, достигнув экрана, частично проходит через него, затухая при этом в толще его, а частично отражается. Отраженная энергия на границе изоляция - экран обозначается W 01 . На второй границе (экран - изоляция) происходит вторичное отражение энергии (W 02 ), и лишь остаток энергии (W э ) проникает в заэкранированное пространство. В результате прохождения энергии через экран величина ее уменьшается от W до W э . В действительности процесс более сложный: энергия многократно отражается от границ изоляция - экран - изоляция.
Эффективность экранирования учитывают коэффициентом экранирования Э, представляющим собой отношение напряженностей электромагнитного поля в какой-либо точке экранированного пространства при наличии экрана (Е э и Н э ) к напряженности поля в этой же точке без экрана (Е и Н):
Коэффициент экранирования Э изменяется в пределах 1-10. Эффективность экрана можно выражать через затухание экранирования А э :
Чем меньше коэффициент экранирования Э, тем больше величина затухания экранирования А э . Коэффициент экранирования
где первый член в правой части соответствует экранированию поглощения, а второй-экранированию отражения; ∆- толщина экрана; Затухание экранирования, характеризующее величину затухания, вносимого экраном,
где Затухание от экранирования поглощения А II обусловлено тепловыми потерями на вихревые токи в экране. Чем выше частота и больше толщина экрана, тем больше эффект экранирования. С увеличением магнитной проницаемости μ и проводимости экрана γ улучшается экранирующий эффект; поэтому эффект экранирования магнитных экранов больше, чем немагнитных. Затухание от экранирования на отражение А 0 обусловлено несоответствием волновых сопротивлений изоляции z и и металла экрана z э . Наиболее эффективными являются многослойные экраны (медь - сталь или медь - сталь - медь). Повышенная эффективность таких экранов объясняется дополнительными отражениями энергии на границах различных металлов и малыми потерями энергии благодаря наличию медного слоя экрана вблизи источника энергии. В медном слое преобладает затухание на отражение, а в стальном слое - затухание на поглощение. Глубина проникновения поля
Экранирующее действие экрана коаксиального кабеля обусловлено поглощением энергии в толще экрана на вихревые токи. Коэффициент экранирования сплошного экрана (внешнего проводника коаксиальных кабелей) может быть определен по приближенной формуле
где ∆ - толщина экрана; D - внутренний диаметр экрана;
где кг - коэффициент рассеяния, зависящий от конструктивных данных оплетки, определяемый экспериментально. Экранирующие свойства оплетки повышаются с увеличением ее плотности. На рис. 3-22 приведена зависимость от частоты переходного затухания между экранированными жилами с экранами в виде оплетки. Коэффициент экранирования металлических оплеток
где и - коэффициент спиральности оплеток, зависящий от отношений размеров r и l:
x. . . . . . . . . 1 0,015 1,044 1,156 1,489 1,94 2,23 3,17 4,17 5,55 l - шаг оплетки; b - расстояние между проволоками экрана; а - расстояние между центрами проволок экрана; r 0 - радиус проволоки экрана; г э - радиус экрана. На рис. 3-23 показана зависимость экранного затухания А э от угла оплетки а. Идеальным экраном является сплошной цилиндрический экран (труба).
В случае оплетки экранное затухание возрастает с увеличением угла оплетки а и достигает максимального уровня, когда все проволоки экрана лежат параллельно оси провода. Вторым видом экрана для кабелей и проводов является обмотка тонкими медными или алюминиевыми лентами, а также металлизированной бумагой. Экран в виде обмотки металлическими лентами отличается от оплошной трубки наличием в нем продольного магнитного поля, образуемого током, проходящим по лентам, наложенным по спирали. Возникновение дополнительной индуктивности экрана из медных лент приводит к возрастанию сопротивления и уменьшению экранирующей способности экрана.
На рис. 3-24 показана зависимость экранного затухания от частоты экрана из медных прямоугольных проволок, наложенных повивом. С увеличением зазора между проволоками экранное затухание резко уменьшается. На рис. 3-25 доказана зависимость экранного затухания от отношения шага наложения проволок экрана к шагу скрутки жил в экранируемом кабеле. В этом случае максимальный экранирующий эффект достигается при совпадении шагов наложения обмотки экрана и скрутки жил. к содержаниюwww.proelectro.ru | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||
|
- волновое сопротивление изоляции; - волновое сопротивление металла экрана,
- затухание экранирования поглощения; 
- затухание от экранирования отражения.
- коэффициент распространения. Сопротивление экрана из оплетки при низких частотах примерно равно сопротивлению при постоянном токе. При частотах выше 3 Мгц сопротивление линейно зависит от частоты:
. . . 0 0,1 0,2 0,5 1 1,5 2,0 3,0 4,0 5.0
