Podstawy ekranowania Potrzebujesz pomocy związanej z ekranowaniem swoich systemów? Pomożemy Ci przy planowaniu i wyborze właściwych produktów.

Odbiornik (Z) jest zasilany ze źródła napięcia (U) przez przewody. Pomiędzy przewodami dodatnimi i ujemnymi występują różnice napięcia, które powodują powstanie pola elektrycznego. Wokół przewodu przewodzącego prąd powstaje pole magnetyczne (H). Pole magnetyczne ulega wahaniom w czasie ze względu na swoją zależność od prądu. Z uwagi na to, że tylko w nielicznych zastosowaniach występują prądy o stałym czasie, prowadzi to do nieregularnych, zmiennych pól magnetycznych. Pola te stają się sygnałem elektromagnetycznym, swego rodzaju „mininadajnikiem” i jednocześnie odbiornikiem. Każdy przewód może zatem wpływać negatywnie na działanie innych urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Aby zakłócenia te nie miały zauważalnego wpływu na urządzenia i systemy, konieczne jest fachowe ekranowanie kabli i przewodów.

Gdy dwa obwody wykorzystują wspólny fragment przewodu, występują zakłócenia galwaniczne. Jest to często wspólny przewód potencjału odniesienia lub przewód powrotny. Wahania prądu lub napięcia w pierwszym obwodzie (np. operacje łączeniowe) powodują zakłócenia w drugim obwodzie. Zakłócenia galwaniczne mogą być również skutkiem nieprawidłowego uziemienia ekranowanych kabli AKPiA i transmisji danych.

Środki ochrony:

• Wspólny fragment przewodu powinien mieć możliwie jak najniższą rezystancję i indukcyjność (wystarczające przekroje przewodów)
• W miarę możliwości oddzielanie obwodów
• Możliwie jak najmniejsza długość wspólnych przewodów zasilających
• Umieszczanie punktów rozgałęzień możliwie jak najbliżej źródła prądu

Zmienną zakłócającą w przypadku sprzężeń pojemnościowych jest napięcie elektryczne. Przyczyną zakłóceń pojemnościowych są zmienne pola elektryczne systemu. Typowym przykładem zakłóceń pojemnościowych są dwa przewody ułożone równolegle na dłuższym odcinku, działające jak dwie przeciwległe okładziny kondensatora i w tej funkcji stanowiące zwarcie dla sygnałów o wysokiej częstotliwości.

Środki ochrony:

• Unikanie lub minimalizacja równoległego układania przewodów
• Możliwie jak największe odstępy między źródłem zakłóceń i przewodem (min. 60 – 100 cm)
• Używanie ekranowanych przewodów AKPiA i danych (ekran podłączony z jednej strony)
• Używanie skrętek

Przyczyną zakłóceń indukcyjnych jest zmienne pole magnetyczne. Wokół przewodu przewodzącego prąd wytwarza się pole magnetyczne, które przenika również przez sąsiednie przewody. Zmiana prądu powoduje zmianę pola magnetycznego, które następnie indukuje napięcie w sąsiednich przewodach.

Przykład: Jeśli dwa przewody są ułożone na odcinku 100 m równolegle do siebie w odległości 30 cm, a prąd płynący przez przewód zakłócający wynosi 100 A (50 Hz), w przewodzie zakłócanym indukowane jest napięcie ok. 0,3 mV. Przy takim samym ułożeniu, gdy prąd zmieni się z 1 kA w ciągu 100 µs, indukowane jest napięcie ok. 90 mV. Im szybsza i większa jest zmiana prądu, tym wyższe jest indukowane napięcie.

Środki ochrony:

• Odstęp między kablami elektroenergetycznymi a kablami transmisji danych i AKPiA min. min. 1 mm
• Równoległe układanie przewodów na jak najkrótszym odcinku
• Użycie skrętki może zmniejszyć zakłócenia indukcyjne o współczynnik ok. 20
• Używanie przewodów ekranowanych z ekranem podłączonym po obu stronach (ekranowanie)

Skrętki?
Stosowanie skrętki redukuje zakłócenia indukcyjne, ponieważ skręcenie przewodów powoduje ciągłe odwracanie kierunku indukcji względem pola zakłócającego. Aby uniknąć sprzężeń, sąsiednie pary przewodu danych lub AKPiA są wykonane z różnymi skokami skrętu. Typowe skoki skrętu wynoszą od 30 do 50 mm. W przypadku kabli elektroenergetycznych skok skręcania żyły wynosi od 200 do 900 mm w zależności od przekroju przewodu.

Zakłócenia powodowane przez fale powstają wtedy, gdy przewodzone fale lub impulsy przenikają na sąsiednie przewody transmisji danych lub AKPiA lub gdy jeden obwód nakłada się z innym obwodem w obrębie jednego kabla. W przypadku zakłóceń galwanicznych, pojemnościowych i indukcyjnych wprowadzających zakłócenia, wpływ czasu przejścia sygnałów elektrycznych na przewodzie zakłócającym i zakłóconym jest pomijany. W szczególnych przypadkach długość fali częstotliwości zakłóceń może być taka sama, co długości przewodów. W takiej sytuacji konieczne jest również tutaj uwzględnienie tego efektu.

Środki ochrony:

• Używanie skrętki podwójnie ekranowanej (ekranowanie)
• Unikanie niezgodności na całej długości przewodów
• Brak przesyłania sygnałów o bardzo wysokim poziomie i sygnałów o bardzo niskim poziomie w tym samym kablu
• Używanie kabli bez odbić, o niskim tłumieniu i małej pojemności

Źródłem zakłóceń systemów i przewodów mogą być również niezwiązane z przewodami fale elektromagnetyczne. Źródłem zakłócającym jest wolna fala H0, E0. W bliskim obszarze w zależności od rodzaju zakłóceń może przeważać pole elektryczne lub pole magnetyczne. Wysokie prądy wytwarzają głównie pole magnetyczne, a wysokie napięcia głównie pole elektryczne. Energia zakłócająca o wysokiej częstotliwości rozprzestrzenia się po przewodach podłączonych do źródła zakłóceń i umożliwiających bezpośrednie promieniowanie (>30 MHz). Ponadto stacje nadawcze dużej mocy mogą powodować powstanie pól o dużym natężeniu, które oddziałują szkodliwie na znajdujące się w pobliżu instalacje kablowe. W zakładach produkcyjnych największe zakłócenia powstają przy wyłączaniu obciążeń indukcyjnych. Podczas tych operacji powstają duże skoki napięcia o wysokiej częstotliwości (tzw. „burst“). Te sekwencje impulsów mają częstotliwość do 100 MHz.

Środki ochrony:

• Stosowanie ekranów o wysokiej zdolności absorbcji i odbicia (miedziane lub aluminiowe) w polu dalekim i bliskim. Należy stosować ekrany przewodzące i w miarę możliwości całkowicie zamknięte, o niskiej rezystancji sprzężenia i korzystnych wartościach tłumienia ekranu. (ekranowanie)
• Jeśli przeważa magnetyczne pole bliskie, szczególnie przy niskich częstotliwościach, należy stosować dodatkowe ekranowanie z miękkiego ferromagnetycznego stopu mumetalu lub metalu amorficznego.

Sposób połączenia ekranu zależy przede wszystkim od spodziewanych zakłóceń. Do eliminacji pól elektrycznych konieczne jest jednostronne uziemienie (1) ekranu. Eliminacja zakłóceń powstałych wskutek oddziaływania zmiennego pola magnetycznego jest możliwa tylko wtedy, gdy ekran jest podłączony z obu stron. Przy obustronnym podłączeniu ekranu (2) powstaje jednak pętla, co niesie za sobą określone wady. Szczególnie duży wpływ na sygnał użytkowy mają zakłócenia galwaniczne wzdłuż potencjału odniesienia, które powodują pogorszenie skuteczności ekranu. Środkiem zaradczym w tej sytuacji może być zastosowanie kabli podwójnie ekranowanych (4), przy czym ekran wewnętrzny podłącza się z jednej strony, a ekran zewnętrzny z obu stron. W celu zmniejszenia zakłóceń galwanicznych w przypadku ekranu podłączonego po obu stronach jeden koniec łączy się często przez kondensator z potencjałem odniesienia (3). To przerywa pętlę uziemienia dla prądów o stałej i niskiej częstotliwości.

Efektywność środków ochrony przed zakłóceniami obrazuje poniższy przykład. Na przedstawiony układ na długości 2 m działa zmienne pole magnetyczne 50 kHz. Napięcie zakłóceniowe zmierzone na wyjściu jest podane w stosunku do napięcia zakłóceniowego przy niepodłączonym ekranie przewodu (1) 0 dB. Podłączenie ekranu (2) z jednej strony nie przynosi poprawy, ponieważ nie chroni on przed zakłóceniami magnetycznymi. Przy podłączeniu ekranu z obu stron, jak pokazano na ilustracji 3, pole zakłócające jest tłumione o ok. 25 dB. Skrętka (20 skrętów na metr) w układzie (4) nawet bez ekranu ma mniejszą podatność na zakłócenia (ok. 10 dB) dzięki kompensującemu działaniu pętli przewodu. Podłączony z jednej strony ekran (5) ponownie nie przynosi poprawy. Dopiero po podłączeniu ekranu z obu stron (6) następuje polepszenie tłumienia do poziomu ok. 30 dB.