Анализ различных схем защиты сигнальной цепи путем экранирования

Было проведено сравнение экранирующих свойств в отношении магнитного поля для различных схем включения кабеля.

Схема измерения показана на рис.1. Результаты сведены в таблицы, помещенные на рис. 2 и 3. Частота измерения (50 кГц) более чем в пять раз превышала частоту среза экранов всех кабелей, подвергавшихся испытанию. Кабели, показанные на рис.2 и 3, представляют собой испытуемый кабель, обозначенный на рис.1 как L₂.

В схемах А – Е (рис.2) оба конца цепи заземлены.

Эти схемы обеспечивают намного меньшее ослабление магнитного поля, чем схемы Ж – Л (рис.3), в которых заземлен только один конец цепи.

В схеме А на рис.2 экранирование магнитного поля, по существу, отсутствует. Уровень наводок в схеме А используется как опорный для сравнения характеристик всех других схем и принимается за 0 дБ.

В схеме Б один конец экрана заземлен, однако это не оказывает влияния на магнитное экранирование.

Заземление обоих концов экрана (схема В) обеспечивает некоторую защиту от магнитного поля, поскольку частота измерения выше частоты среза экрана. Эта защита была бы еще сильнее, если бы не контур заземления, образуемый заземлением обоих концов цепи. Магнитное поле наводит в этом контуре заземления, обладающем малым сопротивлением и состоящем из экрана участка шасси между двумя точками заземления, большой ток шумов. Этот ток в свою очередь, как было показано в предыдущем разделе, создает на экране напряжение шумов.

Использование витой пары (схема Г) должно в принципе обеспечивать намного большее подавление магнитных шумов, однако этого не происходит из-за контура заземления, образующегося при заземлении обоих концов цепи. Это хорошо видно из сравнения величины ослабления, обеспечиваемого схемой З (рис.3).

Добавление к витой паре экрана с одним заземленным концом (схема Д) не дает никакого эффекта. Заземление обоих концов экрана, как показано на схеме Е, обеспечивает дополнительную защиту, поскольку экран, обладающий малым сопротивлением, отводит от сигнальных проводников часть тока, наведенного магнитным полем в контуре заземления. Однако из-за наличия контуров заземления вообще ни одна из схемных конфигураций на рис.2 не обеспечивает хорошей защиты от магнитных полей.

В том случае, если цепь должна быть заземлена на обоих концах, следует использовать схему В или Е.

Значительное увеличение магнитного экранирования дает схема Ж (рис.3). Это обусловлено тем, что площадь контура, образуемая коаксиальным кабелем, очень мала, а также тем, что здесь нет контура заземления, ухудшающего экранирование. Соосность обеспечивает максимальную магнитную связь центрального проводника и экрана.

Казалось бы, витая пара на схеме З должна обеспечивать значительно большую степень экранирования, чем 55 дБ. Уменьшение степени экранирования в этом случае является следствием того факта, что здесь ухудшена магнитная связь прямого и обратного проводников, а также отсутствия экранирования внешнего электрического поля. Это видно из схемы И, где ослабление увеличивается до 70 дБ за счет заключения витой пары в экран.

Отметим, что увеличение числа витков на метр для любой витой пары (3 или И) уменьшает наводки, т.е. увеличивает магнитную связь прямого и обратного проводников.

Вообще говоря, для магнитного экранирования на низких частотах схеме И следует отдать предпочтение перед схемой Ж, поскольку в схеме И экран не является сигнальным проводником.

Заземление обоих концов экрана, как в схеме К, несколько ухудшает экранирование. Это можно объяснить тем, что через экран по контуру, образуемому экраном и шасси, протекает большой ток, наводя на два центральных проводника неравные напряжения.

Схема Л обеспечивает лучшее экранирование, чем схема И, поскольку она объединяет в себе свойства коаксиальной схемы Ж и витой пары И. Однако применять эту схему не следует, так как в ней любые напряжения или токи шумов, попавшие на экран, могут проходить на землю через сигнальный проводник.

Почти всегда бывает лучше соединять экран и сигнальные проводники только в одной точке. Эту точку следует выбрать так, чтобы ток шумов не проходил с экрана на землю через сигнальный проводник.