Экранированный кабель

Экранированный кабель — это кабель, в конструкцию которого введен специальный экранирующий слой, предназначенный для защиты передаваемого сигнала от внешних электромагнитных помех (ЭМП) и предотвращения излучения помех от самого кабеля. Это критически важный элемент для обеспечения целостности и надежности передачи данных в условиях современной насыщенной электромагнитной среды.

1. Назначение и принцип действия экрана

Основные функции экрана:

1. Защита от внешних помех: Экранированный кабель предохраняет полезный сигнал (особенно слаботочные аналоговые и высокочастотные цифровые сигналы) от наводок, создаваемых внешними источниками: силовыми кабелями, электродвигателями, трансформаторами, радиостанциями и другим промышленным оборудованием.
2. Предотвращение излучения помех: Кабель сам может быть источником помех для окружающего оборудования. Экран блокирует нежелательное электромагнитное излучение от токопроводящих жил, что особенно важно для соответствия нормам электромагнитной совместимости (ЭМС), например, стандартам FCC или CE.
3. Защита от электростатических разрядов (ESD): Экран отводит статическое электричество, защищая чувствительную электронику.
4. Симметрирование цепи (в коаксиальных кабелях): В коаксиальных кабелях экран служит вторым проводником, замыкающим цепь, и обеспечивает точное волновое сопротивление.

Принцип действия основан на эффекте Фарадея: экран, выполненный из проводящего материала, создает барьер, который либо отражает электромагнитную энергию, либо поглощает ее и замыкает на землю через систему заземления.

2. Конструкция экранированного кабеля

Конструктивно экранированный кабель сложнее неэкранированного. Рассмотрим его слои:

1. Токопроводящая жила: Медная, может быть однопроволочной или многопроволочной (для гибкости).
2. Изоляция жилы: ПВХ, полиэтилен, сшитый полиэтилен (СПЭ), тефлон и др. Разделяет жилы и экран.
3. Экран: Ключевой элемент. Может быть нескольких типов, которые часто комбинируются для повышения эффективности.
4. Дренажный проводник: Оголенный или луженый медный проводник, который прокладывается под экраном или оплеткой. Его задача — обеспечить удобный и надежный контакт для заземления экрана по всей его длине.
5. Внешняя оболочка: Защищает все внутренние элементы от механических повреждений, влаги, масел и других внешних воздействий. Материал — ПВХ, полиуретан, резина и др.

3. Типы экранирования и их эффективность

Выбор типа экрана зависит от частоты сигнала, типа помех и требований к гибкости кабеля.

3.1. Фольгированный экран (Foil Shield)

• Конструкция: Тонкая алюминиевая или медная фольга, ламинированная на полиэстеровую пленку для прочности. Фольга накладывается по спирали или продольно вокруг скрученных жил.
• Обозначение: F или Foil.
• Преимущества:
  • Высокая эффективность на высоких частотах (до 100% покрытия).
  • Гибкость и малый диаметр кабеля.
  • Низкая стоимость.
• Недостатки:
  • Низкая механическая прочность, особенно при частых изгибах.
  • Высокое сопротивление по постоянному току.
  • Для подключения требуется специальный инструмент и часто — дренажный провод.
• Применение: Статичные или малоподвижные применения: витая пара (FTP), кабели для АСУ ТП, аудио-кабели.

3.2. Оплеточный экран (Braided Shield)

• Конструкция: Плетеная сетка из луженых медных проволок. Степень покрытия (плотность оплетки) измеряется в процентах (обычно от 65% до 95%).
• Обозначение: B или Braided.
• Преимущества:
  • Высокая механическая прочность и стойкость к вибрациям, многократным изгибам.
  • Низкое сопротивление, хорошая пригодность для отвода токов.
• Недостатки:
  • Не обеспечивает 100% покрытия, есть микропоры.
  • Менее эффективен на очень высоких частотах.
  • Больший вес, диаметр и стоимость по сравнению с фольгой.
  • Снижение гибкости.
• Применение: Профессиональные аудио- и видео-кабели, кабели для подвижных механизмов (например, на роботах), силовые кабели в условиях помех.

3.3. Комбинированные экраны (Multiple Shields)

Для достижения максимальной защиты используются комбинации разных типов экранов.

• SF/UTP (Foil + Braid): Фольга вокруг каждой пары и общая оплетка. Высший уровень защиты для сетевых кабелей (категории 6A/7/7A).
• S/FTP (Foil + Overall Foil): Фольга вокруг каждой пары и общая фольга. Очень эффективно против перекрестных помех и внешних воздействий.
• Coaxial (Оплетка ± Фольга): В коаксиальных кабелях используется одна или две оплетки, иногда в сочетании с фольгой.

4. Маркировка экранированных кабелей

Маркировка стандартизирована (например, по ISO/IEC 11801) и имеет вид X/Y TP, где:

• X — тип общего экрана.
• Y — тип экрана для каждой пары.
• TP — витая пара.

Основные типы:

• U/UTP — Неэкранированный кабель.
• F/UTP — Общий экран из фольги, пары неэкранированы.
• U/FTP — Общего экрана нет, но каждая пара экранирована фольгой.
• SF/UTP — Общий экран из оплетки и фольги, пары неэкранированы.
• F/FTP — Общий экран из фольги и каждая пара в фольге.
• S/FTP — Общий экран из оплетки и каждая пара в фольге (наивысшая защита).

5. Области применения

Экранированные кабели незаменимы в следующих сферах:

1. Промышленная автоматизация (АСУ ТП): Подключение датчиков, PLC-контроллеров, сервоприводов в цехах с большим количеством силового оборудования.
2. Структурированные кабельные системы (СКС): Для построения сетей в условиях сильных электромагнитных помех (промышленные предприятия, медицинские учреждения).
3. Аудио- и видео-техника: Профессиональные студии звукозаписи, концертные и вещательные системы для передачи сигналов без наводок и фона.
4. Силовые цепи: Кабели с экраном (например, ВВГЭ, КГЭВ) используются для питания чувствительного электронного оборудования и для снижения электромагнитного излучения от силовых линий.
5. Измерительные системы: Для передачи точных аналоговых сигналов с высоким разрешением.

6. Правила монтажа и заземления

Неправильное заземление экрана часто хуже, чем его отсутствие. Основные правила:

1. Заземление в одной точке: Для защиты от низкочастотных помех (например, «земляной петли») экран должен быть заземлен строго в одной точке, обычно на принимающем или передающем конце.
2. Заземление в нескольких точках: Для защиты от высокочастотных помех экран может заземляться с обоих концов. Однако это может привести к протеканию уравнительных токов по экрану. Для предотвращения этого часто используют сигнальные трансформаторы или развязывающие усилители.
3. Качество контакта: Соединение экрана с землей должно быть максимально коротким и иметь минимальное сопротивление. Для этого используются специальные экранные (D-Sub) разъемы, ферритовые клеммы и правильная техника обжима.
4. Нельзя скручивать и обрывать экран: При разделке кабеля экран должен быть аккуратно отведен и надежно подключен к контактной площадке разъема.

Заключение

Экранированный кабель — это не просто кабель в металлической оплетке, а сложное инженерное решение, необходимое для обеспечения надежности и точности в современном технологичном мире. Его правильный выбор (фольга, оплетка, комбинация), монтаж и, что самое важное, грамотное заземление являются залогом безотказной работы систем управления, связи и измерения в условиях электромагнитного «шума». Пренебрежение экранированием там, где оно необходимо, неизбежно приводит к сбоям, потере данных и снижению качества сигнала, что в промышленных условиях может вылиться в серьезные финансовые потери.