Экранирование электрических проводов

Экранированием проводов решаются 2 задачи:

•уменьшение наводок на выходящие за пределы контролируе­мой зоны провода от электромагнитных излучений основных и 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 параграфе. 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 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. 12.3 протекает ток 1_э. ЦепД второй рамки образуют тот же провод и токопроводящая поверх-1 ность земли, по которой в обратном направлении протекает ток I Ш Очевидно, что 1_об = 1_э + 1_з = 1_п. Мощность излучения рамок завися™ от их площади и протекающих токов. Влияние экрана на уменьшев ние обратного тока в земле учитывается с помощью коэффициентам токового экранирования К, равного отношению величины обрат-' ного тока в земле 1_з к суммарной величине обратного тока 1_об. Для j способа экранирования на рис. 12.3 в диапазоне звуковых частота k_t ~ 0,05. В большинстве случаях расстояние от провода до экра­на а значительно меньше расстояния провода до земли h. Поэтому 1 площадь второй рамки значительно больше площади первой. Хотя 1 ток 1_э > 1_з из-за более высокой проводимости экрана, чем земли, ной при h» а побочное излучение рамки «провод-земля» является не-Я допустимо большим. Для его снижения необходимо уменьшать h и ток 1_з. Ток 1_з обеспечивается при отсутствии заземления экрана у I нагрузки (рис. 12.4).

Рис. 12.4. 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 1_п 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. 12.4). 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 везможность изги­ба кабеля в любом месте трассы. Эти кабели обеспечивают высо­кую устойчивость против агрессивной среды и эффективное элек­трическое экранирование, Так как свинец относится к диамагне-тикам (с (I < 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 провода

ми 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. 12.5а)).

Рис. 12.5. Симметрирование проводов кабелей Более удобные для симметрирования кабелей так называе­мые дифференциальные конденсаторы переменной емкости С_дс. (рис. 12.5). Путем вращения регулировочного винта такого кон-; денсатора 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 суперпозию 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 — Unshilded 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.

I 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.