Какво се разбира под eкраниране?
В контекста на кабелното свързване, екранирането се отнася до мярката, използвана за защита от електромагнитни полета на смущение, като се използва проводящ материал около кабела, за да се осигури предаването на данни без смущения. Това екраниране предотвратява навлизането на външни смущения в кабелите, както и изтичането на сигнали, което може да засегне други електронни системи в автомобила.
Защо е необходимо екраниране?
Поради многобройните системи за подпомагане на водача в съвременните автомобили се използват все повече комуникационни канали с широка честотна лента. Тези системи изискват безпроблемен пренос на данни, особено в критични за безопасността области като шаси, спирачки, кормилно управление и задвижване. За да могат да се пренасят данни с висока скорост по медни кабели, вече не се използва двоично NRZ кодиране с две нива на напрежение, а кодиране с няколко състояния на нивото, като например в 10GBASE-T1 (IEEE 802.3ch-2020), като се използва PAM4 (импулсна амплитудна модулация) с 4 нива на напрежение за скорост на пренос от 10 Gbit/s по Twisted Pair кабел. По този начин скоростта на пренос може да се удвои. Ако броят на нивата се увеличи, докато максималното напрежение остава същото, разликата в напрежението между отделните нива става по-малка. Това разстояние обаче е важно, за да могат да се различат състоянията в приемника. Поради по-малкото разстояние между нивата, смущенията в комуникационния канал могат по-лесно да нарушат разграничението на нивата в приемника и процентът на битовите грешки се увеличава. Тъй като електрическите проводници на много различни системи в автомобилите често са положени заедно, вероятността от неизправности се увеличава допълнително. Ефективното екраниране и правилното му свързване са важна мярка за избягване на откази на системните функции.
Намаляване на въздействието и излъчването на електрическите полета чрез подходящо екраниране
Полета на смущение могат да бъдат класифицирани според тяхната честота. Електростатичните и квазистатичните, съотв. нискочестотните електрически полета могат да бъдат намалени чрез екранираща оплетка, изработена от високопроводим материал около проводниците, носещи сигнал. Екраниращата оплетка въздейства на принципа на фарадеевия кафез. Приложено отвън електрическо поле предизвиква изместване на заряда в металната оплетка, което създава противоположно поле вътре в оплетката и въздействащото отвън поле се заличава чрез наслагване на двете противоположни полета. Поради скин-ефекта с покачващата се честота на електрическото поле се увеличава и екраниращият ефект. Скин-ефектът се отнася до изместването на токовете от центъра към повърхността на електрически проводник с нарастваща честота. Дълбочината на проникване на полетата зависи не само от честотата, но и от проводимостта. Благодарение на скин-ефекта, високочестотните електрически и електромагнитни полета могат също да бъдат екранирани чрез високопроводими тънки метални фолиа или фолиа с метално покритие. Екранирането работи както срещу нежелано излъчване на сигнали (излъчване на смущения, Electro magnetic interference (EMI)), така и срещу ефектите от смущения върху сигналните проводници (устойчивост на смущения, Electro magnetic compatibility (EMC)). Това се отнася еднакво за електрическите, магнитните и електромагнитните полета.
Намаляване на въздействието и излъчването на магнитните полета чрез подходящо екраниране
Нискочестотните магнитни полета до няколкостотин килохерца могат да проникнат през метални екранировки и да предизвикат паразитни токове в сигналните проводници. Такива полета се екранират с високопропускливи материали. Ефектът от това екраниране се състои в това, че магнитните полета са концентрирани в екраниращия материал, така че магнитното поле да не прониква в сигналния проводник. Въпреки това, тъй като тези високопропускливи материали са много скъпи и могат да ограничат гъвкавостта на кабела, нискочестотните магнитни полета се избягват чрез диференциален пренос на сигнала и усукване на двата сигнални проводника. При диференциален пренос на сигнал се използват два проводника с половината от номиналното напрежение, но с различен знак, и разликата в напрежението между двете жила се анализира в приемника. Чрез усукване на тези две жила посоката на индуцирания паразитен ток се променя във всяка верига и се компенсира средно при симетрично усукване. Тази процедура се използва и за UTP проводници (Unshielded Twisted Pair). При високочестотни магнитни и електромагнитни полета, скин-ефектът на електропроводимия материал действа демпфериращо. Трябва да се прави разлика между плетена екранировка и екраниращо фолио. Когато се използва телена оплетка като екранировка, ефективността й намалява към по-високите честоти, което се дължи на непълното покритие на повърхността. В екраниращата оплетка има малки процепи, през които магнитният компонент на полето прониква при високи честоти. За да се увеличи ефектът на екраниране, висококачествените проводници имат електропроводимо фолио под екраниращата оплетка, който защитава от останалите високочестотни полета.
Каква роля играе връзката на екранирането с опорния потенциал на системата?
Екранираният кабел с високопроводима екранираща оплетка и метално или метализирано фолио не осигурява надеждна защита, ако краищата на екранировката не са правилно свързани към опорния потенциал на системата. Без връзка с опорния потенциал на системата не могат да протичат компенсиращи токове, така че екранировката има само ограничен ефект срещу полетата на смущение. Ако екранът е свързан към опорния потенциал от едната страна на проводника, само електрическите полета са екранирани. За да се екранират магнитни полета над килохерцовия обхват, екранировката трябва да бъде заземена от двете страни, така че да протича ток. В зоната на контакт екранировката трябва да бъде свързана от всички страни (360°) с корпуса на екранирания щекерен корпус, в противен случай ще възникнат отвори, през които могат да проникнат полета на смущение с по-висока честота и да се излъчват сигнали.
Как се определя екраниращият ефект с измервателни средства?
За да можете да сравните екраниращия ефект на кабели с различни екраниращи оплетки, са необходими стойности на измерване. Прави се разлика между нискочестотни и високочестотни измервания. Трансферният импеданс, съотв. съпротивлението на свързване, се определя в нискочестотния диапазон. При това измерване се прилага ток към външната страна на екрана и се измерва напрежението между него и вътрешния проводник. В по-високия честотен диапазон се използва демпферирането под влияние на екранировката. Демпферирането под влияние на екранировката може да се определи, например, като се използва методът на триаксиално измерване. Демпферирането под влияние на екранировката представлява съотношението на подадения сигнал към излъчения през екранировката сигнал.