Екранований кабель і ЕМС

Ви коли-небудь замислювалися, чому вас попросять вимкнути мобільні телефони і електронні гаджети в авіації або лікарні, де є інші електричні та електронні системи, від яких можуть залежати життя багатьох людей? Ваша улюблена радіопередача перерваний втручанням або екран телевізора, покритий «снігом», коли хтось використовує пилосос або електричну дриль? Більшість старшого покоління все ще пам'ятають такі проблеми, навіть якщо сьогодні (частково завдяки Міжнародним стандартам МЕК) вони в значній мірі подолані. Сьогодні перешкоди на вашому смартфоні можуть навіть включати пристрої, перестають працювати разом. Приклади, подібні цим, ілюструють те, що називається електромагнітної сумісності (ЕМС)

20 квітня 2018 р. Київ, Україна

Що таке ЕМС або основи електромагнітної сумісності

ЕМС продовжує набувати все більшого значення в міру збільшення кількості бездротових підключених пристроїв. Визначення того, що таке ЕМС і розуміння концепцій дозволяє досягти електромагнітної сумісності з самого початку.

Електромагнітна сумісність (ЕМС - концепція забезпечення можливості використання різних електронних пристроїв без взаємних перешкод – це електромагнітні перешкоди. Електромагнітні перешкоди - коли електричні прилади працюють в безпосередній близькості один від одного.

Всі електричні схеми мають можливість випромінювати небажані електричні перешкоди, які можуть порушити роботу одного або іншого компонента з розташованих у відносній близькості ланцюгів.

Що таке ЕМС - визначення

Часто при роботі з ЕМС необхідно запитати: що таке ЕМС і мати визначення.

Визначення ЕМС: ЕМС визначається як здатність пристроїв і систем працювати в їх електромагнітної середовищі без шкоди для їх функцій і без помилок, і навпаки. Електромагнітна сумісність забезпечує, щоб робота не впливала на електромагнітну середу в тій мірі, в якій неприпустимо негативний вплив на функції інших пристроїв і систем.

Підвищення обізнаності ЕМС

У перші дні електроніки використовувалися порівняно небагато елементів електронного обладнання. Однак сьогодні кількість предметів електроніки в повсякденному житті значно зросла. Деякі з цих є приладами передачі сигналів, у той час як багато інших є чутливими приймачами. Інші можуть використовувати цифрові електронні системи, в яких можуть виникнути помилкові спрацьовування, викликані перехідними сигналами. Це призводить до того, що ЕМС стає ключовим елементом будь-якого дизайну електроніки, а не тільки промислового або військового сектору.

У перші дні систем електроніки, попса, шум і загальний шум, одержувані радіоприймачами, сприймалися як «досвід» прослуховування радіо. Навіть, якщо вони були створені людиною з іншого місцевого електрообладнання.

Деякі з перших основних проблем впливу електричних перешкод на електронні системи виникли із-за військових застосувань. Після Другої світової війни, із зростанням важливості ядерної зброї, електронний імпульс, викликаний вибухом і його впливом на обладнання, викликав занепокоєння. Також викликають занепокоєння ефекти високонадійних радіолокаційних систем на обладнання.

Пізніше стали видні ризики для електронного обладнання, пов'язаного з ОУР. Це не тільки повреждало електроніку, але і викликала помилкові спрацьовування в електрообладнанні.

У 1970-ті роки використання логічних схем швидко зростало, і з цим швидкість перемикання збільшувалася. Відкриття, що ці схеми впливають на EMI, викликало зростаюче усвідомлення необхідності прийняття заходів щодо ЕМС. Необхідності закладати вже в проект продукту щоб ці елементи задовільно працювали в реальному світі.

В результаті цього зростаючого усвідомлення багато країн стали сприймати ЕМС як зростаючу проблему. Деякі почали видавати директиви виробникам електронного обладнання, визначаючи стандарти. Європейське співтовариство було одним з перших, в якому дотримані вимоги ЕМС. В той час, як багато країн були скептично налаштовані, впровадження стандартів ЕМС підвищило стандарти і дозволило більшості типів обладнання працювати разом один з одним без перешкод. Тепер це особливо важливо у зв'язку з швидким зростанням використання мобільних телефонів.

Основи ЕМС

Мета застосування заходів для електромагнітної сумісності – це забезпечити, щоб різні елементи електронного устаткування могли працювати в безпосередній близькості, не викликаючи яких-небудь надмірних перешкод.

Інтерференція, яка призводить до погіршення характеристик, відома як електромагнітна завада EMI. Саме це втручання необхідно зменшити, щоб забезпечити сумісність різних елементів електрообладнання і дати можливість працювати їм в присутності один одного.

В ЕМС є два основних елемента:

• Викиди: викиди ЕМІ відносяться до генерації небажаної електромагнітної енергії. Вони повинні бути зменшені нижче визначених допустимих меж, щоб гарантувати, що вони не будуть викликати збої в роботі іншого обладнання.
• Сприйнятливість і імунітет: сприйнятливість елемента електроніки до EMI - це спосіб реагування на небажану електромагнітну енергію. Метою схеми є забезпечення достатньо високого рівня імунітету до цих небажаних сигналів.

Електромагнітні перешкоди

Електромагнітні перешкоди EMI - це ім'я, присвоєне небажаного електромагнітному випромінюванню, яке створює потенційні перешкоди для інших елементів електронного обладнання.

Існує безліч способів, якими електромагнітні перешкоди можуть переноситися з одного предмета обладнання в інше. Розуміння цих методів є ключем до пом'якшення впливу електромагнітних завад.

EMI можна розділити на дві категорії:

• Безперервні перешкоди: безперервні перешкоди часто бувають у вигляді радіосигналу або коливань, які підтримуються постійно. Це може бути від неэкранированного осцилятора, або це може бути у вигляді широкосмугового шуму.
• Імпульсні перешкоди: ця форма перешкод складається з короткого імпульсу. Це може бути викликано електростатичним розрядом, блискавкою або перемикається схемою.

Крім розуміння форми перешкод, необхідно також знати, як перешкоди переміщуються від передавального пристрою до приймаючого пристрою. На жаль, це не завжди легко виявити, оскільки багато з шляхів важко визначити. Проте хороший початковий дизайн усуває багато проблем.

Стандарти ЕМС

Враховуючи зростаючу обізнаність і необхідність підтримувати високі стандарти електромагнітної сумісності, багато стандарти були введені, щоб допомогти виробникам відповідати рівням, необхідним для підтримки повної електромагнітної сумісності.

Багато років тому рівні ЕМС були низькими, і часто виникали перешкоди. Таксі, які проїжджали повз будинок, використовуючи радіотелефон, з великою ймовірністю порушували роботу телевізора. Робота мікрохвильовки йди пилососа в сусідній квартирі могли впливати на роботу електроприладів або освітлення. Було багато й інших випадків.

В результаті виникла необхідність впровадження стандартів ЕМС для забезпечення необхідного рівня сумісності.

ЕМС тепер є невід'ємною частиною будь-якого проекту проектування електроніки. У відповідності зі стандартами, впровадженими в усьому світі, будь-який новий продукт повинен бути випробуваний і перевірений, щоб він відповідав стандартам ЕМС. Хоча це створює додаткову проблему для інженера-конструктора електроніки, важливо, щоб були застосовані хороші методи ЕМС і щоб продуктивність ЕМС продукту була достатньою для забезпечення правильної роботи у відповідності з усіма розумними сценаріями.

Існує безліч форм електромагнітних перешкод, які можуть впливати на ланцюгу і перешкоджати їх роботі в тому вигляді, в якому це було призначене. Ця електромагнітна або радіочастотна інтерференція, RFI, як її іноді називають, може виникати кількома способами, хоча в ідеальному світі вона не повинно бути.

EMI - електромагнітні перешкоди можуть виникнути з багатьох джерел, будь то викликані людиною або природного походження. Вони також можуть мати різні характеристики, що залежать від їх джерела і характеру механізму, що викликає перешкоди.

З самої назви перешкоди, дане йому, EMI є небажаним сигналом в приймачі сигналу і, в цілому, методи проектування і випробувань прагнуть зменшити рівень перешкод.

Типи електромагнітних перешкод

EMI - Електромагнітні перешкоди можуть виникати у багатьох відношеннях і з ряду джерел. Різні типи EMI можна розділити на кілька категорій.

Один із способів категоризації типу EMI - це те, як він був створений:

• Штучні електромагнітні перешкоди: цей тип електромагнітних перешкод зазвичай виникає з інших електронних і електричних систем (частотні модулятори, генератори, перетворювачі, електричні двигуни та ін). Деякі електромагнітні перешкоди можуть виникати при перемиканні великих струмів і т. д.
• Природно відбуваються EMI: цей тип електромагнітних перешкод може виникнути з багатьох джерел – сюди вносять свій внесок як космічний шум, так і блискавки, інші атмосферні типи шуму.

Іншим методом категоризації типу EMI є його тривалість:

• Безперервні перешкоди: цей тип EMI зазвичай виникає з джерела, такого, як схема, яка випромінює безперервний сигнал. Однак фоновий шум, який є безперервним, може бути створений кількома способами, як штучними, так і природними.
• Імпульсний шум: знову ж таки, цей тип EMI може бути штучним або природним. Блискавки, ОУР та системи комутації впливають на імпульсний шум, який є формою EMI.

Також можна класифікувати різні типи EMI за їх пропускної здатності.

• Вузькосмугова зв'язок. Зазвичай ця форма EMI, ймовірно, є єдиним джерелом несучою - можливо, що генерується осцилятором деякої форми. Іншою формою вузькосмугового EMI є помилкові сигнали, викликані интермодуляцией та іншими формами спотворення в передавачі, наприклад, мобільним телефоном маршрутизатора Wi-Fi. Ці помилкові сигнали з'являються в різних точках спектру і можуть створювати перешкоди для іншого користувача радіочастотного спектру. Таким чином, ці помилкові сигнали повинні підтримуватися в жорстких межах.
• Широкосмуговий зв'язок. Існує безліч форм широкосмугового шуму, які можуть виникнути. Він може виникнути з різних джерел. Штучні широкосмугові перешкоди можуть виникати з джерел, таких як дугові зварювальні апарати, де безперервно генерується іскра. Природно відбувається широкосмуговий шум може відчуватися від Сонця - він може викликати сонячні промені для систем супутникового телебачення, коли Сонце з'являється за супутником, а шум може маскувати бажаний супутниковий сигнал. На щастя, ці епізоди тривають всього кілька хвилин.

Механізми зв'язку EMI

Існує безліч способів, якими електромагнітні перешкоди можуть бути пов'язані від джерела до приймача. Розуміння того, який метод зв'язку створює перешкоди для приймача, є ключем до вирішення цієї проблеми.

Механізми електромагнітних перешкод

• Випромінюваний: цей тип зв'язку EMI, ймовірно, є найбільш очевидним. Це тип зв'язку EMI, яка зазвичай виникає, коли джерело і жертва розділені великою відстанню - зазвичай більше, ніж довжина хвилі. Джерело випромінює сигнал, який може бути бажаним або небажаним, і жертва отримує його таким чином, що порушує його роботу.
• Проводяться: Проводяться викиди відбуваються, як випливає з назви, коли є маршрут провідності, по якому можуть переміщатися сигнали. Це може бути по силових кабелях або іншим кабельним з'єднанням. Провідність може бути в одному з двох режимів:
  • Загальний режим: цей тип зв'язку EMI виникає, коли шум з'являється в тій же фазі на двох провідниках, наприклад, поза і назад для сигналів, або + ve і -ve для силових кабелів.
  • Диференціальний режим: Це відбувається, коли шум не відповідає фазі на двох провідниках.

Необхідні методи фільтрації будуть змінюватись в залежності від типу взаємодії з EMI. Для ліній загального режиму фільтруються разом. Для диференціального режиму їх можна фільтрувати разом.

• Взаємопов'язано: те, що зазвичай називається зв'язаним EMI, може бути однією з двох форм, а саме ємнісний зв'язку та магнітної індукції.
  • Ємнісна зв'язок: Це відбувається, коли змінюється напруга від джерела емкостно передає заряд в схему жертви.
  • Магнітна зв'язок: цей тип зв'язку електромагнітних перешкод, коли існує різне магнітне поле між джерелом і жертвою - зазвичай два провідника можуть працювати близько один до одного. Це викликає струм у схемі жертви, тим самим передаючи сигнал від джерела до жертви. Тому завжди рекомендується прокладати силовий кабель поряд з інформаційним кабелем.

Визначаючи форму зв'язку, яка існує, і спосіб, яким вона досягає жертви, може виявитися, що найбільш ефективним методом скорочення EMI є вжиття заходів для зменшення зчеплення та зниження рівня перешкод до прийнятного рівня. Електромагнітні перешкоди присутні у всіх областях електроніки і електротехніки. Розуміючи джерело, методи зв'язку і сприйнятливість жертви, рівень перешкод можна знизити до рівня, при якому EMI не викликає надмірного погіршення продуктивності.

Еволюція стандартів і законодавства ЕМС

Основна обізнаність про можливості втручання між різними формами електронного обладнання існувала вже багато років. Однак відносно обмежене використання електроніки за сьогоднішніми стандартами означає, що мало що зроблено щодо законодавства, що стосується стандартів.

Деякі з перших стандартів і законодавства ЕМС були введені в 1979 році. Федеральна комісія по зв'язку, FCC в США, встановила юридичні обмеження на електромагнітні випромінювання від усього цифрового обладнання. Ці обмеження були встановлені в результаті зростаючої доступності цифрових систем, включаючи невеликі калькулятори і форми цифрового обладнання, які заважали дротової і радіо - систем мовлення.

Для підтримки цього законодавства ЕМС був визначений ряд методів випробувань.

Ще один важливий крок вперед був зроблений в 1980-х роках Європейським співтовариством. Вони ввели те, що було названо новим підходом до стандартизації вимог електромагнітної сумісності для забезпечення більш вільного доступу до торгівлі електронним обладнанням.

Одним з основних елементів цього була Директива щодо електромагнітної сумісності - 89/336 / EC. Цей стандарт ЕМС застосовується до всього обладнання, яке повинне бути розміщене на ринку, що використовується у ЄС. Сфера охоплення була широкою, і Директива щодо ЕМС охоплювала все обладнання, яке могло викликати електромагнітне обурення чи на виконання якого можуть впливати такі порушення».

Директива щодо ЕМС від ЄС була новаторською у плані стандартів і законодавства щодо електромагнітної сумісності, оскільки в перший раз були встановлені обмеження на імунітет обладнання до перешкод, а також його викидів. Таким чином, у Директиві з електромагнітної сумісності визнано, що обидва елементи керуючого обладнання ЕМС гармонійно пов'язані не тільки із зменшенням небажаних випромінювань, оскільки необхідні викиди також можуть викликати перешкоди.

Директива щодо електромагнітної сумісності просунулася вперед і тепер є добре зарекомендували себе стандартом ЕМС. Це було визнано успішним, хоча з ним не пов'язані значні витрати. В результаті свого успіху багато інші країни впровадили аналогічне законодавство щодо електромагнітної сумісності, часто використовуючи ті ж стандарти електромагнітної сумісності, що і ЄС. Це дає гармонійні стандарти та цифри для задоволення у всьому світі, що дозволяє домогтися ефектного масштабу.

Загальні стандарти ЕМС

Існує декілька поширених стандартів ЕМС, які широко використовуються. Деякі з цих стандартів також включають в себе інші елементи, крім продуктивності ЕМС.

Екранований кабель

Екранований кабель забезпечує винятковий захист від електромагнітних та радіочастотних перешкод (EMI / RFI). Використовуйте його для захисту чутливих електронних схем від зовнішнього шуму в таких додатках, як зв'язок, радар і передача даних. Але екранований канал не тільки втручається; він також зберігає викиди, що життєво важливо для відповідності європейським стандартам CE - важлива проблема для OEM-виробників. Крім того, екрануючі кабелі забезпечують надлишкову захист EMI / RFI при використанні екранованих кабелів з екранованими екранами EMI / RFI.

Ринки і Сфери

Гнучкий екранований кабель Olflex Classic (Shield-Flex) ідеально підходить для наступних сфер і ринків:

1. авіаційно-космічний
2. Обладнання для обробки повітря (HVAC)
3. Комерційна (COTS) (Код CAGE: 09641)
4. Центри обробки даних
5. Оборона / Військові / Уряд
6. Здоров'я / Медицина
7. Промислові
8. Радіо широкосмуговий / антена
9. Будівництво суден
10. Сонячна енергія / енергія вітру
11. Зв'язок
12. Випробувальне і вимірювальне обладнання
13. Силові лінії / Транзит
14. Комунальні послуги
15. Приводи двигунів із змінною швидкістю

Також, якщо використання екранованого кабелю не є обов'язковим для відповідності національним і місцевим нормам, як і раніше часто рекомендується використовувати екранований кабель в якості живлячої або сигнального кабелю. Але одного екранованого кабелю недостатньо. Захист діє тільки тоді, коли використовується правильний тип екранованого кабелю і коли кабель підключений правильно.

З'єднання заземлення

Для ефективності використання екранованого кабелю важливо заземлення щита. З цієї причини зубчасті шайби або роздільні шайби повинні бути встановлені під гвинтами монтажного шафи, а пофарбовані поверхні повинні бути очищені, щоб отримати контакт з низьким повним опором. Наприклад, анодовані алюмінієві корпуси забезпечують неадекватне заземлення, якщо під гвинтами використовуються прості шайби. Дроти заземлення та блискавко повинні бути виконані з дроту з великим поперечним перерізом або ще краще з багатожильного заземлюючого проводу. Якщо поперечні перерізи проводів менше 10 мм2 використовуються з двигунами з малою потужністю, з перетворювача в двигун слід запускати окрему лінію PE з поперечним перерізом не менше 10 мм2, наприклад: Провід H07V-K 1X10 жовто-зелений LappKabel

Кабель живлення двигуна

Для дотримання перерозподілу радіочастотних перешкод кабелі між перетворювачами частоти й двигунами повинні бути екранованими - кабелями з екраном, сполученим з обладнанням на обох кінцях.

Сигнальний кабель

Відстань між кабелем двигуна і сигнальним кабелем повинно становити більше 20 см, а мережевий кабель і кабель двигуна повинні направлятися окремо, наскільки це можливо. Ефекти перешкод значно знижуються зі збільшенням відстані. Додаткові заходи (наприклад, розділові смуги) необхідні при менших відстанях. В іншому випадку перешкоди можуть бути пов'язані або передані.
Захисні екрани кабелів повинні бути з'єднані з обох кінців так само, як екрани кабелю двигуна. На практиці одностороннє заземлення може розглядатися у виняткових випадках. Однак це не рекомендується.

Типи щитів

Виробники частотних перетворювачів рекомендують використовувати екранований кабель для захисту проводки між перетворювачем частоти і двигуном. Для вибору важливі два фактори: покриття щита і тип екранування.

Покриття екрану, яке означає кількість поверхні кабелю, покритого екраном, має становити не менше 80%. Що стосується типу щита, одношаровий плетений мідний щит виявився надзвичайно ефективним на практиці. Тут важливо, щоб щит був плетен. Навпаки, захисний екран з мідного дроту (типу NYCWY) залишає відкриті ділянки з широкою щілинної формою, а компоненти HF можуть легко проходити через ці проміжки. Площа поверхні для струмів витоку також значно менше.

Екранування доступно навалом для дооснащення. Його можна потягнути за кабель, щоб забезпечити необхідний ефект екранування. Для коротких сполук в якості альтернативи можна використовувати металеві шланги або труби. Кабельні канали можуть замінювати екранування тільки при певних умовах (радіаційний канал з хорошим контактом кришки і хороше сполучення між компонентами воздуховода і землею).

Кабелі з подвійним захистом додатково покращують ослаблення випромінюваних і випромінюваних перешкод. Внутрішній екран сполучений з одного кінця, а зовнішній екран сполучений з обох кінців. Скручені провідники зменшують магнітні поля.

Екрановані кабелі з витими провідниками можуть використовуватися для сигнальних ліній. Загасання магнітного поля збільшується приблизно з 30 дБ за допомогою одного екрана до 60 дБ з подвійним екраном і приблизно до 75 дБ, якщо провідники також скручені.