Co znamená stínění?
V rámci kabelového spoje se stíněním rozumí opatření, při kterém jsou elektromagnetická rušivá pole stíněna vodivým materiálem umístěným kolem kabelu, aby byl zajištěn přenos dat bez rušení. Toto stínění zabraňuje jak pronikání vnějšího rušení do kabelů, tak výstupu signálů, které by mohly ovlivnit ostatní elektronické systémy ve vozidle.
Proč je nutné stínění?
Z důvodu velkého množství asistenčních systémů řidiče se v moderních vozidlech používá stále více kabelových přenosových cest s velkou šířkou pásma. Tyto systémy vyžadují přenos dat bez rušení, zejména v oblastech důležitých pro bezpečnost, jako je podvozek, brzdy, řízení a pohon. Aby bylo možné přenášet vysoké přenosové rychlosti měděnými kabely, nepoužívá se již binární kódování NRZ se dvěma napěťovými hladinami, ale kódování s několika stavy hladin, jako je tomu například u 10GBASE-T1 (IEEE 802.3ch-2020), který používá PAM4 (pulzní amplitudovou modulaci) se 4 napěťovými hladinami pro přenosovou rychlost 10 Gbit/s po kroucené dvojlince. Tím lze přenosovou rychlost zdvojnásobit. Pokud se zvýší počet hladin při zachování stejného maximálního napětí, rozdíl napětí mezi jednotlivými hladinami se zmenší. Tato vzdálenost je však důležitá, aby bylo možné rozlišit stavy v přijímači. Vzhledem k menší vzdálenosti mezi hladinami mohou rušení na přenosové cestě snadněji rušit rozdíl hladin v přijímači a zvyšuje se bitová chybovost. Vzhledem k tomu, že elektrické kabely mnoha různých systémů jsou ve vozidlech často uloženy spojené dohromady, pravděpodobnost rušení se dále zvyšuje. Účinné stínění a jeho správné připojení je důležitým opatřením, které zabraňuje výpadkům funkce systému.
Snížení působení a vyzařování elektrických polí vhodným stíněním
Rušivá pole lze rozdělit podle jejich frekvence. Elektrostatická a kvazistatická nebo nízkofrekvenční elektrická pole lze omezit stínicím opletem z vysoce vodivého materiálu kolem vodičů přenášejících signál. Stínicí oplet funguje na principu Faradayovy klece. Elektrické pole působící zvnějšku způsobí posun náboje v kovovém opletu, čímž uvnitř opletu vznikne magnetické pole s opačným směrem a z vnějšku působící pole se vyruší překrytím obou polí s opačným směrem. S rostoucí frekvencí elektrického pole se v důsledku skin efektu zvyšuje účinek stínění. Skin efekt popisuje posun proudů od středu k povrchu elektrického vodiče s rostoucí frekvencí. Hloubka průniku polí závisí nejen na frekvenci, ale také na vodivosti. Vysokofrekvenční elektrická a elektromagnetická pole mohou být díky skin efektu stíněna také vysoce vodivými tenkými kovovými fóliemi nebo fóliemi s kovovým povlakem. Stínění jsou účinná jak proti nežádoucímu vyzařování signálu (elektromagnetické rušení (EMI)), tak proti účinkům rušení na signálových vedeních (elektromagnetická kompatibilita (EMC)). To platí stejně pro elektrická, magnetická i elektromagnetické pole.
Snížení působení a vyzařování magnetických polí vhodným stíněním
Nízkofrekvenční magnetická pole o frekvenci až několika set kilohertzů mohou pronikat kovovým stíněním a vyvolávat v signálových vodičích rušivé proudy. Tato pole jsou stíněna vysoce průchodnými materiály. Účinek tohoto stínění spočívá v tom, že magnetická pole jsou vázána ve stínícím materiálu, takže magnetické pole neproniká k signálovému vodiči. Protože jsou však tyto vysoce průchodné materiály velmi drahé a mohou omezovat flexibilitu kabelu, nízkofrekvenčním magnetickým polím se předchází diferenciálním přenosem signálu a zkroucením obou signálových vodičů. Při diferenciálním přenosu signálu se používají dva vodiče s polovičním jmenovitým napětím, ale s různými znaménky, a v přijímači se analyzuje diferenciální napětí mezi oběma vodiči. Zkroucením těchto dvou vodičů dojde ke změně směru indukovaného rušivého proudu v každé smyčce a je v průměru kompenzováno symetrickým zkroucením. Tato metoda se používá mimo jiné pro UTP kabely (Unshielded Twisted Pair). Skin efekt elektricky vodivého materiálu má tlumivý efekt na vysokofrekvenční magnetická a elektromagnetická pole. Je třeba rozlišovat mezi stíněním pletivem a fóliovým stíněním. Při použití drátěného opletu jako stínění klesá účinnost stínění směrem k vyšším frekvencím, což je způsobeno neúplným pokrytím povrchu. Ve stínicím opletu jsou malé mezery, kterými při vysokých frekvencích proniká část magnetického pole. Pro zvýšení stínicího účinku mají vysoce kvalitní kabely pod stínicím opletem elektricky vodivou fólii, která stíní zbývající vysokofrekvenční pole.
Jakou roli hraje připojení stínění k referenčnímu potenciálu systému?
Stíněný kabel s vysoce vodivým stínicím opletem a kovovou nebo pokovenou fólií neposkytuje spolehlivou ochranu, pokud nejsou konce stínění řádně připojeny k referenčnímu potenciálu systému. Bez připojení k referenčnímu potenciálu systému nemohou protékat žádné vyrovnávací proudy, takže stínění má proti rušivým polím jen malý účinek. Pokud je stínění připojeno k referenčnímu potenciálu na jedné straně kabelu, jsou stíněna pouze elektrická pole. Pro odstínění magnetických polí nad rozsahem v kilohertzích musí být stínění oboustranně uzemněno, aby mohl protékat proud. V oblasti kontaktů by mělo být stínění spojeno s krytem stíněného konektoru ze všech stran (360°), protože jinak vznikají otvory, kterými mohou pronikat vysokofrekvenční rušivá pole a vysílat signály.
Jak se měří účinnost stínění?
K porovnání účinnosti stínění kabelů s různými stínicími oplety potřebujeme naměřené hodnoty. Rozlišují se nízkofrekvenční a vysokofrekvenční měření. V nízkofrekvenčním rozsahu se určuje přenosová impedance nebo-li vazební odpor. Při tomto měření se na vnější stranu stínění přivádí proud a měří se napětí mezi vnitřním vodičem a stíněním. Ve vyšším frekvenčním rozsahu se používá stínicí útlum. Stínicí útlum lze určit například pomocí triaxální měřicí metody. Stínicí útlum představuje poměr přiváděného signálu k signálu vyzařovanému přes stínění.
