Ekran to osłona wykonana z materiału przewodzącego. Może mieć postać plecionki, folii albo ich połączenia. Otacza jeden przewód albo wiązkę kilku przewodów. Ekran jest wymagany np. w kablach do przesyłu sygnałów cyfrowych, które są podatne na zaburzenia z zewnątrz, i w kablach zasilających napędy z przemiennikami częstotliwości, które są ich źródłem. Jego obecność zapewnia kompatybilność elektromagnetyczną w obu kierunkach. Ekran zmniejsza podatność na zaburzenia promieniowane i ich emisyjność, a prawidłowo uziemiony chroni również przed wpływem zaburzeń przewodzonych i blokuje ich emisję.
Wymagana skuteczność
Dobór odpowiedniego ekranu wymaga określenia potrzebnego poziomu ochrony i oceny pod tym kątem różnych osłon. Chociaż kroki te są oczywiste, nie jest to wcale łatwe zadanie.
Pamiętając, że ekran to dodatkowy koszt, jak również o tym, że wpływa on na wagę i wymiary kabla, najpierw trzeba możliwie jak najdokładniej oszacować wymagany stopień ochrony. W tym celu należy wziąć pod uwagę zaburzenia wprowadzane przez obwody, do których kabel jest podłączony, jak i ich podatność na te, które za jego pośrednictwem mogą do nich docierać.
Charakterystyki emisyjności i podatności wyznacza się zazwyczaj w specjalnym oprogramowaniu. Jeżeli chodzi o emisyjność, to ta przewodzona i promieniowana są ograniczone przepisami z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej. Określają one limity dla urządzeń różnego rodzaju, w zależności od miejsca ich instalacji i zastosowania. Na rysunku 1 została przedstawiona przykładowa charakterystyka emisyjności nieekranowanego kabla. Wyraźnie widać na niej zakres częstotliwości, przy których zaburzenia promieniowane przez niego przekraczają dopuszczalny limit, w związku z czym potrzebuje on dodatkowej osłony. Ponieważ natężenie pola na wykresie na rysunku 1 jest wyrażone w dBμV/m, minimalną wymaganą skuteczność ekranowania można obliczyć jako różnicę wartości odczytanych z krzywych emisyjności kabla: rzeczywistej oraz tej dopuszczalnej – i przeliczyć ją na decybele.
Podobnie można wyznaczyć dopuszczalną podatność kabla na zaburzenia ze źródeł zewnętrznych, która jest uwarunkowana odpornością urządzeń do niego podłączonych. Na rysunku 2 przedstawiono przykładową charakterystykę podatności nieekranowanego kabla, w którym zaburzenia z zewnątrz indukują napięcia. Na wykresie tym widać, że powyżej pewnej częstotliwości są one większe niż ustalony limit. Ekranowanie jest w związku z tym konieczne. Ponieważ indukowane napięcie oraz napięcie progowe nie zostały wyrażone w decybelach, wymaganą skuteczność ekranowania można obliczyć, wyznaczając iloraz tych wielkości i przeliczając go na dB.
Skuteczność ekranowania
Gdy wiemy już, jaki poziom ochrony jest potrzebny, wydawałoby się, że wystarczy wybrać kabel z ekranem, który według producenta będzie w stanie taką zapewnić. Niestety, informacja podawana w specyfikacjach kabli nie zawsze okazuje się przydatna w praktyce.
Często jest ona ograniczona do stopnia pokrycia przewodów ekranem i opisu jego materiału oraz wykonania. Chociaż dane te mogą być pomocne przy porównywaniu różnych kabli, nie dostarczają informacji o tym, czy dany ekran sprawdzi się w określonym zastosowaniu. Dodatkowo producenci w kartach katalogowych podają czasami skuteczność ekranowania. Pod kątem tego parametru różne kable można jednak porównywać tylko wówczas, gdy konfiguracja obwodów, w jakich zapewniają daną skuteczność ekranowania, jest identyczna – jeżeli chodzi o długość okablowania, sposób jego podłączenia oraz impedancję wejściową urządzeń, które łączy.
Parametrami użytecznymi w praktyce, które pozwalają na bezpośrednie porównanie ekranowanych kabli niezależnie od konfiguracji obwodu, są: impedancja przejściowa ekranu (transfer impedance) i admitancja przejściowa (transfer admitance). Ta pierwsza charakteryzuje efektywność ograniczania wpływów prądów w ekranie, a druga – zmniejszania skutków sprzężenia pojemnościowego.
Niska impedancja przejściowa oznacza wysoką skuteczność ekranowania. Zgodnie z definicją jest to iloraz napięcia indukowanego w ekranowanym przewodzie i prądu płynącego w jego ekranie, w przeliczeniu na jednostkę długości kabla. Przykładowo, jeżeli w ekranie 3-metrowego kabla płynie prąd o natężeniu 1 A, a w jego przewodzie indukowane jest napięcie o wartości 60 mV, impedancja przejściowa ekranu wynosi 20 mΩ/m. Jeżeli ekran ma impedancję przejściową 30 mΩ/m i płynie przez niego prąd o natężeniu 1 A, w przewodzie indukowane będzie napięcie o wartości 90 mV.
Impedancja przejściowa
Wartość impedancji przejściowej zmienia się wraz z częstotliwością. Przy bardzo niskich częstotliwościach jest równa rezystancji ekranu. Przy wzroście częstotliwości ma natomiast tendencję do zmniejszania się w przypadku ekranów litych (ciągłych) i odwrotnie – zwiększa się w ekranach nielitych (oplot, owijka).
Na rysunku 3 przedstawiono wykres impedancji przejściowej ekranu w postaci litej osłony metalowej. Wraz ze wzrostem częstotliwości głębokość wnikania w nią prądu na skutek efektu naskórkowości maleje. W konsekwencji przewody są narażone na oddziaływanie coraz słabszego pola. Odpowiada to mniejszej impedancji przejściowej, a więc większej skuteczności ekranowania.
Podobna zależność dotyczy ekranów w postaci podłoża dielektrycznego pokrytego warstwą metalu o grubości rzędu mikrometrów. Choć przy niskich częstotliwościach mają dość wysoką impedancję przejściową, a zatem i niską skuteczność ekranowania, wraz ze wzrostem częstotliwości ta ostatnia poprawia się. Przy bardzo wysokich częstotliwościach staje się ona porównywalna z tą osiąganą przez osłony lite.
Na rysunku 4 została przedstawiona charakterystyka impedancji przejściowej ekranu w postaci oplotu. Plecionka w zakresie niskich częstotliwości ma stałą, niską impedancję przejściową, która przy określonej częstotliwości jeszcze maleje z powodu efektu naskórkowości. Jednak wycieki pola przez otwory w oplocie, przy częstotliwościach typowo od ok. 1 MHz do 10 MHz, zaczynają mieć znaczenie. Rośnie ono wraz ze wzrostem częstotliwości. W efekcie tego zwiększa się impedancja przejściowa ekranu, więc maleje skuteczność ekranowania.
Owijki, admitancja przejściowa
Na rysunku 5 przedstawiono charakterystykę impedancji przejściowej ekranu w postaci taśmy metalowej owiniętej wokół przewodu na zakładkę. Jak widać, przy niskich częstotliwościach jest ona dość mała. Wraz ze wzrostem częstotliwości jednak wycieki pola przez szczeliny utworzone w miejscu wypływu kleju na styku kolejnych zakładek stają się zauważalne. Choć używając spoiwa przewodzącego, można poprawić impedancję przejściową ekranu w zakresie średnich częstotliwości, generalnie jego rezystywność jest i tak zazwyczaj o kilka rzędów wielkości większa niż metalu. Przy wysokich częstotliwościach pojemność pomiędzy zachodzącymi na siebie częściami taśmy ma tendencję do stabilizowania impedancji przejściowej, która w konsekwencji utrzymuje się na stałym poziomie. Ekrany z owijki metalowej zazwyczaj mają mniejszą skuteczność ekranowania w zakresie wysokich częstotliwości niż ekrany lite i te z folii metalizowanej, ale większą niż te z oplotu.
Admitancja przejściowa jest z kolei definiowana jako stosunek prądu płynącego w ekranowanym przewodzie do napięcia w ekranie na jednostkę długości kabla. Jest proporcjonalna do pojemności pomiędzy ekranem a przewodami. W ekranach uziemionych na obydwu końcach parametr ten jest znacznie mniej istotny niż impedancja przejściowa – inaczej niż w przypadku ekranów uziemionych wyłącznie na jednym końcu. Generalnie niska admitancja przejściowa oznacza wysoką skuteczność ekranowania. Podobnie jak impedancja, admitancja również zmienia się wraz z częstotliwością.
Monika Jaworowska
