Základy stínění Potřebujete pomoc při odborném navrhování stínění svých zařízení? Rádi vám poskytneme podporu při plánování a výběru správných komponentů.

Ze zdroje napětí (U) je prostřednictvím vedení napájen spotřebič (Z). Mezi kladnými a zápornými vodiči při tom vznikají napěťové rozdíly, v důsledku kterých mezi vodiči vzniká elektrické pole. Okolo vodiče, jímž protéká proud, vzniká magnetické pole (H). Toto magnetické pole kvůli závislosti na proudu v čase kolísá. Časově konstantní proudy existují u velmi malého počtu aplikací, vede to k nepravidelným magnetickým střídavým polím. Z těchto polí se stávají elektromagnetické signály, jakési „minivysílače“, a zároveň přijímače. Každý vodič je tedy schopen negativně ovlivňovat funkci jiných elektrických a elektronických přístrojů. Aby toto ovlivňování nemělo znatelné účinky na vaše přístroje a zařízení, je nezbytné odborně provést stínění kabelů a vodičů.

Pokud dva proudové obvody používají společnou část vedení, dochází k jejich vzájemnému galvanickému rušivému ovlivňování. Příčinou je často společný vztažný nebo zpětný vodič. Kolísáním proudu nebo napětí v prvním obvodu (vznikajícím např. následkem spínání) je ovlivňován druhý obvod. Ke vzniku galvanického ovlivňování může docházet také následkem nesprávného uzemnění stíněných kabelů měřicí, řídicí a regulační techniky a datových přenosových kabelů.

Protiopatření:

• Společný úsek vedení položte tak, aby měl co nejnižší odpor a indukčnost (dostatečně velké průřezy vodičů)
• Obvody oddělte tak, aby vzdálenost mezi nimi byla co největší
• Společná přívodní vedení by měla být co nejkratší
• Body, ve kterých se vedení rozvětvují, umístěte co nejblíže zdroji proudu

Při kapacitním rušivém ovlivňování je poruchovou veličinou elektrické napětí. Kapacitní rušivé vlivy jsou způsobovány elektrickými střídavými poli systému, která působí jako zdroje rušení. Typickým příkladem kapacitního rušivého ovlivňování jsou dvě vedení probíhající paralelně v delší trase, která se chovají jako dvě protilehlé kondenzátorové desky a v této funkci představují pro vysokofrekvenční signály zkrat.

Protiopatření:

• V maximální míře se vyhýbejte paralelnímu pokládání vedení, popř. volte co nejkratší vzájemně paralelní úseky těchto vedení
• Udržujte co největší vzdálenosti mezi zdroji rušení a rušeným vedením (minimální vzdálenost 60–100 cm)
• Používejte stíněná vedení pro přenos dat i vedení měřicí, řídicí a regulační techniky (stínění provádějte jednostranně)
• Používejte vedení ve formě kroucených dvojlinek

Příčinou indukčního rušivého ovlivňování je magnetické střídavé pole. Okolo vodiče, jímž prochází proud, se tvoří magnetické pole, které prochází také sousedními vodiči. Změna velikosti proudu způsobuje rovněž změnu tohoto magnetického pole, a proto je pak indukováno napětí v sousedním vodiči.

Příklad: Jsou-li paralelně položena dvě vedení o délce po 100 m ve vzájemné vzdálenosti 30 cm a má-li proud procházející vodičem způsobujícím rušení velikost 100 A (50 Hz), je v rušeném vodiči indukováno napětí o velikosti cca 0,3 mV. Při stejném uspořádání však bude změně proudu činící 1 kA během 100 μs odpovídat vznik indukovaného napětí o velikosti cca 90 mV. Čím rychlejší a větší je změna proudu, tím vyšší je indukované napětí.

Protiopatření:

• Vzdálenost mezi silnoproudými kabely a kabely pro přenos dat nebo pro měřicí, řídicí a regulační techniku by měla činit nejméně 1 m
• Paralelní úseky vedení by měly být co nejkratší
• Použitím kroucených dvojlinek lze snížit účinek indukčního ovlivňování v míře odpovídající přibližně činiteli 20
• Vhodné je pokládání stíněných vedení (s oboustranným stíněním)

Kroucená vedení?
Použitím kroucených vedení se indukční rušivé ovlivňování snižuje, protlože směr indukce se následkem zkroucení vodičů vůči rušivému poli neustále obrací. Aby se zabránilo vzniku vazeb, sousední dvojice vedení pro přenos dat nebo pro měřicí, řídicí a regulační techniku se uspořádávají s rozdílnými délkami zkrutu. Typické délky zkrutu činí 30 až 50 mm. U silnoproudých kabelů je délka zkrutu, v závislosti na průřezu vodičů, 200 až 900 mm.

Vlnovým rušivým ovlivňováním se rozumí vlny nebo impulzy vázané na vedení, které přesahují do sousedních vedení pro přenos dat a měřicí, řídicí a regulační techniku. Kromě toho vzniká vlnové rušivé ovlivňování přesahováním jednoho obvodu vedení do jiného v rámci jednoho kabelu. Při galvanickém, kapacitním a indukčním rušivém ovlivňování se zanedbává doba průchodu elektrických signálů rušivým a rušeným vedením. Ve zvláštních případech může docházet k tomu, že vlnová délka rušivé frekvence řádově odpovídá délkám vedení. Nastane-li tento případ, je nutné zohlednit také tento účinek.

Protiopatření:

• Používejte kabely se stíněnými dvojicemi a společným (celkovým) stíněním
• Zamezte chybnému přizpůsobování v celém rozsahu trasy vedení
• Signály s velmi vysokou úrovní nesmí být vedeny prostřednictvím stejného kabelu jako signály s velmi nízkou úrovní
• Používejte kabely s vysokou odrazivostí, nízkým útlumem a nízkou kapacitou

Zdroj rušení může vyvolávat také vznik elektromagnetických vln nezávislých na vedení, které působí na zařízení a vedení. Zdrojem rušení je při tom volná vlna H0, E0. V blízkém poli může v závislosti na typu zdroje rušení převažovat elektrické, nebo magnetické pole. Vysoké proudy způsobují převážně vznik magnetického pole, zatímco vysoká napětí způsobují převážně vznik elektrického pole. Vysokofrekvenční rušivá energie se šíří prostřednictvím vedení, která jsou připojena ke zdroji rušení a umožňují přímé vyzařování (>30 MHz). Kromě toho mohou sousedící vysílače s velkým výkonem vést ke vzniku polí s vysokou intenzitou v místě kabelového zařízení a působit rušivě na kabely. V průmyslových provozech vznikají zdaleka největší rušení při vypínání indukčních zátěží. Velké vysokofrekvenční skokové změny napětí, které při těchto pochodech vznikají, se označují jako „skupiny impulzů“. Skupiny impulzů mají frekvenční spektra až 100 MHz.

Protiopatření:

• Ve vzdáleném i blízkém poli používejte stínění s vysokou absorpční i reflexní schopností (měděná nebo hliníková stínění). Při tom by se měla používat vodivá a co nejúplněji uzavřená stínění s nízkým vazebním odporem a příznivými hodnotami útlumu. (Stínění)
• Při existenci převážně magnetického blízkého pole, zejména při nízkých frekvencích, by mělo stínění navíc zahrnovat kovovou slitinu typu permalloy nebo amorfní kov.

Způsob integrace stínění se řídí v první řadě očekávaným rušivým vlivem. Pro potlačení elektrických polí je nezbytné jednostranné uzemnění (1) stínění. Rušení způsobovaná magnetickým střídavým polem lze naproti tomu potlačovat pouze tehdy, je-li stínění provedené z obou stran. U stínění vytvořeného z obou stran (2) ovšem vzniká zemní smyčka se známými nevýhodami. Užitný signál je ovlivňován zejména galvanickým rušením podél referenčního napětí, které současně zhoršuje účinnost stínění. Zde může pomoci použití triaxiálních kabelů (4), přičemž se vnitřní stínění připojuje jednostranně, vnější stínění oboustranně. Ke snížení galvanického rušení u oboustranně připojeného stínění vodičů se často také jedna strana spojuje přes kondenzátor s referenčním napětím (3). Tím se přeruší zemní smyčka alespoň pro stejnosměrné a nízkofrekvenční proudy.

Pro znázornění účinnosti opatření k ochraně proti rušivým vlivům slouží následující příklad. Znázorněné uspořádání je vystaveno působení magnetického střídavého pole s frekvencí 50 kHz v úseku o délce 2 m. Rušivé napětí naměřené na výstupu je udáváno ve vztahu k rušivému napětí při nepřipojeném stínění vodiče (1) – 0 dB. Při použití jednostranného stínění (2) nedochází k žádnému zlepšení, protože toto stínění není u magnetických rušení účinné. Oboustranně připojené stínění, jaké je znázorněno na obrázku 3, utlumuje rušivé pole o asi 25 dB. Kroucené vedení (20 zákrutů/m) vykazuje při uspořádání (4) již bez stínění nižší náchylnost k rušení (asi 10 dB) v důsledku kompenzujícího účinku smyček tvořených vodiči. Stínění (5), které je poté jednostranně připojeno, opět nevykazuje žádné zlepšení. Teprve oboustranným připojením při uspořádání (6) se dosáhne zlepšení útlumu na asi 30 dB.