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 I_э. Цепь второй рамки образуют тот же провод и токопроводящая поверхность земли, по которой в обратном направлении протекает ток I_з. Очевидно, что I_обр = I_э + I_з = I_пр. Мощность излучения рамок зависит от их площади и протекающих токов. Влияние экрана на уменьшение обратного тока в земле учитывается с помощью коэффициента токового экранирования К_т, равного отношению величины обратного тока в земле I_з к суммарной величине обратного тока I_обр. Для способа экранирования на рис. 3 в диапазоне звуковых частот К_т ~ 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 I_э > I_з 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 I_з. Ток I_з 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 I_пр 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 С_с добиваются равенства емкостей между рассматриваемыми проводами (рис. 5а).

Рис. 5. Симметрирование проводов кабелей

Более удобные для симметрирования кабелей так называемые дифференциальные конденсаторы переменной емкости С_с. (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 парой или 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.