Tienenie káblov

Ako odstrániť rušenie pomocou tienených káblov: dôležitosť správneho tienenia

Elektrické rušenie alebo šum je kliatbou všetkých zložitých a vysokorýchlostných priemyselných elektronických systémov a návrhárov riešení. Ale prečo je to tak? Napríklad sa odhaduje, že v oblasti priemyselných riadiacich systémov 50 % systémových hardvérových porúch čiastočne zapríčiňuje elektrické rušenie. A to nie je len problém systémov osadených mikroprocesormi. Dnes, v dobe čoraz zložitejších komunikačných a riadiacich systémov prenášajúcich a spínajúcich so stále väčšími rýchlosťami narastajú chyby spôsobené rušením exponenciálne. Záujem priemyslu o problematiku elektrického žiarenia a EMC stále rastie, pričom sa prijímajú čoraz prísnejšie normy a predpisy. Tienenie výkonových a signálnych káblov nebolo nikdy väčšou výzvou ako dnes. Vzhľadom na čoraz viac rastúce vzdialenosti, ktoré musia signály a komunikácia riadenia prekonávať, sú práve káble tými prvkami systému, ktoré sú vyžarovaniu vystavené najviac. EMC a s tým súvisiace účinné tienenie sa stali rovnako dôležitými aspektmi návrhu ako čokoľvek iné. Obzvlášť pri kriticky dôležitých aplikáciách, napr. v lekárstve, obrane, priemyselnej výrobe, snímaní a riadení či komunikácii. Predstavte si zložitosť problému tých, ktorí navrhujú lekárske prístroje alebo vysoko sofistikované obranné systémy, resp. akékoľvek aplikácie, kde chyba systému neprichádza do úvahy. Ako môžu zaručiť 100 % ochranu proti potenciálne fatálnemu rušeniu? V reálnom svete nie je 100 % ochrana proti elektrickému rušeniu realistickým cieľom, a to väčšinou preto, lebo zdrojov rušenia (šumu) je veľké množstvo a stále sa menia. Podstatne realistickejšie je snaženie o zabezpečenie požadovanej úrovne výkonu systému a integrity signálu. Pochopením a nasadením spôsobov ochrany proti spomenutým zdrojom rušenia sa často podarí problém vyriešiť. Samozrejme, na to treba veci naplánovať, pochopiť, ako môže káble a vodiče ovplyvňovať šum, a zvoliť náležitú ochranu tienenia – vhodnú pre danú aplikáciu a pracovné prostredie. Je zrejmé, že ušetriť niekoľko eur na tienení nemá zmysel, ak chyba spôsobená rušením môže znamenať škodu za tisícky eur. Naproti tomu však vyvstáva otázka, prečo investovať do trojvrstvového obalu so spletaným tienením s vysokým pokrytím (čo je pravdepodobne najúčinnejšie tienenie pre vysoko- aj nízkovodivé EMI), ak by postačovala aj stredná ochrana?
Raz niekto skonštatoval: „Tienenie nie je mágia – voľba správneho tienenia je jednoducho vec znalosti, poznatkov a prezieravosti.“

Ako začať
Ak je nejaká inštalácia náchylná na elektromagnetické (EMI), rádiofrekvenčné (RFI) alebo elektrostatické (ESD) rušenie, čo väčšina aplikácií je, treba využiť nejakú formu tienenia káblov od interných alebo externých zdrojov rušenia. Existujú štyri základné typy šumu, ktoré môžu ovplyvňovať kabeláž prístrojov alebo riadiacichobvodov: vedené elektromagnetické rušenie, vyžarované elektromagnetické rušenie, ESD a RFI. Ak dokážeme určiť, ktorý z uvedených typov spôsobuje rušenie, treba pochopiť, či ide o rušivé prostredie nízkej, strednej alebo vysokej úrovne. V tab. 1 sú uvedené všeobecné pravidlá týkajúce sa oblastí, ktoré jednotlivým úrovniam rušenia prislúchajú:

Spoločný menovateľ: objasnenie frekvencie

Frekvencia rušenia je spoločným menovateľom pre rôzne typy elektromagnetického rušenia, s ktorými sa môžeme stretnúť v každej bežnej aplikácii. Ochranu proti EMI možno dosiahnuť medeným opletením, hliníkovou fóliou alebo obidvomi súčasne, a to podľa frekvencie signálu, ktorý môže spôsobovať rušenie. Nízkofrekvenčné signály vo všeobecnosti pracujú na frekvencii približne do 100 kHz. Vodiče, ktoré vedú takéto signály, obsahujú medené pletené tienenie s cieľom ochrániť integritu signálu. Signály s vyššími frekvenciami, ktoré možno nájsť vo všetkých dátových kábloch a obvodoch priemyselných zberníc, si vyžadujú
hliníkovú fóliu obtočenú okolo skrútenej dvojlinky, čo predstavuje účinnú ochranu proti zhoršeniu signálu.

Pomocou tienenia možno v závislosti od frekvencie vyriešiť problém štyroch hlavných oblastí rušenia signálu:

1. Vedené elektromagnetické rušenie – rušivé signály prenášané cez elektricky vodivé cesty (napr. vodiče, uzemňujúce plochy
a pod.). Pri netienených kábloch sa bežne vyskytuje priečny prenos, ktorý môže potenciálne spôsobiť katastrofálne chyby.

2. Vyžarované elektromagnetické rušenie – elektrické a magnetické polia prenášané vzduchom zo zdroja do prijímača. Bežne ich
vyžarujú zdroje, ako sú motory, magnetické zdroje, generátory a transformátory.

3. Rušenie spôsobené elektrostatickými výbojmi (ESD) – elektrostatické výboje najčastejšie vznikajú spojením a oddialením dvochn materiálov, ktoré spôsobuje prenos elektrónov medzi nimi. ESD sa začína pomalým nárastom energie, za ktorým nasleduje veľmi rýchle vybitie. Práve toto rýchle vybitie spôsobuje problém elektromagnetického rušenia v súčasných elektronických systémoch. Energia vybitia generuje frekvencie elektromagnetického rušenia na úrovni stoviek MHz. Vysoká rýchlosť a frekvencia energie elektrostatického výboja môže spôsobiť poškodenie obvodov a ich prerušenie prostredníctvom elektromagnetickej väzby.

4. Rádiofrekvenčné rušenie – elektromagnetické vyžarovanie vychádzajúce z elektrických obvodov možno minimalizovať účinným uzemnením káblov a systémom tienenia.

Maximálna ochrana

Pocínované medené opletenie, špeciálny uzemňujúci vodič a trojvrstvová hliníková fólia poskytujú najkompletnejšiu ochranu proti
elektrickému rušeniu, a to v celom rozsahu frekvencií. Mnohé dôkladné testy dokázali, že opletené tienenie môže byť nevyhnutnosťou. Ak sa kábel nachádza v statickej aplikácii, opletenie poskytujúce 70 % krytie prináša excelentné výsledky. V skutočnosti sa tieto výsledky nemenia ani pri konštrukcii s opletením, ktoré pokrýva kábel na 98 %. Flexibilné káble však majú špecifické požiadavky na tienenie, ktoré pramenia z ich namáhania pri pohybe a ohýbaní. Pri aplikáciách, v ktorých sa vyskytuje ohýbanie káblov, test dokázal, že optimálne je hustejšie opletenie, pokrývajúce 85 %, a to ešte v kombinácii s fóliovou tieniacou páskou.

Stredná úroveň ochrany
Pri strednej úrovni ochrany, zvlášť pri nízkych frekvenciách (do 15 kHz), je vhodnou voľbou medené opletenie s krytím 85 až 90 %. Tienenie tvorené opletením bude poskytovať účinnú prekážku elektromagnetickému a rádiofrekvenčnému rušeniu, a to v aplikáciách, ako je napájanie, riadenie či aplikácie pracujúce s údajmi. Opletenie môže byť vyhotovené buď z pocínovanej, alebo len čistej medi. Aby sa dosiahla stredná úroveň ochrany aj pri frekvencii väčšej ako 15 kHz, zvykne sa používať dvojvrstvové tienenie hliník/polyester. Všeobecne možno povedať, že tienenie fóliou je lacnejšie ako opletenie alebo fólia spolu s opletením a rovnako poskytuje výbornú ochranu proti rušeniu s vysokými frekvenciami. Spolu s fóliovým tienením sa používa aj špeciálny uzemňujúci vodič, čím sa zabezpečí elektrické spojenie medzi tienením a uzemnením obvodu.

Štruktúra tieneného kábla
Tienený kábel je elektrický kábel skladajúci sa z jedného alebo viacerých izolovaných vodičov. Tienenie môže pozostávať zo spletených medených vlákien (použitý môže byť aj iný kov), nespleteného špirálovitého vinutia medenej pásky alebo vrstvy vodivého polyméru. Zvyčajne je toto tienenie zakryté ochranným obalom. Tienenie sa správa ako Faradayova klietka: zmenšuje elektrické rušenie, ktoré by mohlo ovplyvňovať signál a zmenšuje elektromagnetické vyžarovanie, ktoré by mohlo rušiť iné zariadenia. Tienenie minimalizuje kapacitnú a induktívnu väzbu od iných elektrických zdrojov. Pri jednovodičových signálnych kábloch môže tienenie zohrávať úlohu spätnej trasy pre signál, pričom zvyčajne je pripojené len do zdroja signálu. Pri viacvodičových kábloch by malo byť tienenie uzemnené len na konci zdroja a potom nebude viesť prúd.

Záver
Adekvátne tienenie je základom fungovania systémov tak, ako boli navrhnuté a aby spĺňali nové, prísnejšie požiadavky na úroveň
vyžarovania. Vodiče a káble sú pre svoju dĺžku obzvlášť citlivé na rušenie/šum, pričom často sa z nich môžu stať vyžarujúce antény. Ak si to zodpovední elektrotechnici uvedomia, začnú sa v prvom rade pýtať, aký typ tienenia je vhodný pre danú aplikáciu, prostredie a celkové náklady na zaobstaranie káblov. Pri hľadaní odpovede na túto otázku treba najprv určiť typ rušenia (EMI, ESD, RFI), ktoré sa môže vyskytnúť, a jeho úroveň. Podľa týchto parametrov možno navrhnúť skladbu tienenia. Príliš veľa tienenia je drahý a nepotrebný špás – príliš málo tienenia je však priveľké riziko.

Zdroj textu a obrázkov č. 1 a 2: How to Stop the Noise wih
Shielded Cable: The importance of Being Properly Shielded.
White Paper, Alpha Wire, Inc. 2010.