有效的电缆屏蔽是怎样的?

2020年3月27日 评论 738 2060字

什么是电线屏蔽,为什么要做屏蔽,电缆屏蔽该如何设计?本文主要围绕这些问题进行展开。

电缆和引线在人们未意识到的情况下可以作为天线,同时接收和发射电磁干扰 (EMI) 信号。采取屏蔽措施往往是非常必要的。

屏蔽层是一层额外的导线,附加在电线或电缆之外,帮助将屏蔽层内导线的电磁场与屏蔽层外部的电磁场隔离开来。

屏蔽层可以设置在每条独立的导线上,安置在成组的导线上,或者覆盖住电缆内部整条捆扎起的导线束。通常有必要整合起多个屏蔽层,在这一情况下,每个屏蔽层往往在电气上相互保持绝缘。

屏蔽的有效性与屏蔽层有关,可以反射一部分的电磁干扰,但同时也会吸收掉一部分,然后将其引向接地。在这两种情况下,部分能量仍会抵达信号导线处,但是都会经过高度的衰减,不会引起可产生问题的干扰。

生理信号本质上是一种模拟信号,信号强度一般非常低。这样,任何干扰都非常不利,因而需要考虑使用有效的信号屏蔽措施,这非常重要。

最常见的屏蔽位置是电缆或电线外护套的正下方。然而,结构更加复杂的电缆可能由多个部分组成(子缆),分别含有一个或多个屏蔽层。

屏蔽措施有助于防止有害的外部干扰,但也常常用于防止电缆内部产生干扰。在众多医疗应用中非常常见的、电缆中同时含有供电和信号线路的情况下,这将作为一项重要的考虑因素。

形形色色的屏蔽方法都有利有弊,我们将具体的研究螺旋屏蔽、编织屏蔽和金属箔屏蔽。

一,螺旋屏蔽或服务屏蔽

螺旋屏蔽,也称为服务屏蔽,含有围绕绝缘导线呈螺旋状缠绕呈一层或多层的电线(通常为镀锡或镀银铜线)。螺旋屏蔽的特点在于,具有出色的挠性和弯曲寿命,以及 85-95% 的覆盖率。螺旋屏蔽还易于端接,在提供低频保护时的效率最高。

如果屏蔽层的每股电线分离开来,螺旋屏蔽的有效性将丧失,这一情况在多次弯曲后可能发生。

有效的电缆屏蔽是怎样的?

螺旋屏蔽在采用特氟龙缠绕的情况下具有 95% 的覆盖率,具有出色的挠性与弯曲寿命

有效的电缆屏蔽是怎样的?在较多次数的弯曲后,螺旋屏蔽的电线股呈开放状态

二,编织屏蔽

编织屏蔽可以同时为高频和低频干扰提供出色的防护效果,同时还可保持良好的挠性与弯曲寿命。

编织屏蔽通常含有两组铜绞线,在相反的方向上编织而成;其中一组在左手方向铺设,而另一组在右手方向铺设。由于采用了这种设计,编织屏蔽具有良好的挠性。

大多数采用了编织屏蔽的电缆都指定需要达到 80% 到 95% 的覆盖率。编织层的覆盖率越高,对电磁干扰的屏蔽效果就越好。编织屏蔽不可能达到100% 的覆盖率,这是因为在电线股相互穿过的各点处,总是会出现泄漏。

除了覆盖的百分比外,编织层的紧密度也会对性能产生影响。覆盖率较高的紧密编织层在屏蔽上的效果更好,但是将使电缆或电线的挠性降低。较为松弛的编织层挠性较高,但是屏蔽的效果则有所降低。

有效的电缆屏蔽是怎样的?

在编织屏蔽的长度方向上布置加蔽线有利于端接操作

编织屏蔽难以进行端接作业,除非编织层“经仔细梳理并处理为尾缆– 也就是说,将左右两侧铺设的导线结合到一起,使其成为一条单对的绞合线”。“梳理”和端接编织屏蔽所付出的额外人工会增加电缆组件的成本。在某些配置下,沿屏蔽层的长度方向添加一条加蔽线可以方便屏蔽层的端接作业。

在弯曲次数过多时,由于相互重叠的电线股相互摩擦,可能造成编织批屏蔽断开。如果发生这一情况,则断开的电线股会损坏绝缘层,导致电缆故障。对于需要非常多次的弯曲的应用,编织屏蔽可能并不是最好的选择。

三,金属箔屏蔽

金属箔屏蔽需要使用加蔽线以方便屏蔽层的端接作业

有效的电缆屏蔽是怎样的?金属箔屏蔽中含有金属箔,通常为铝箔,层压到聚酯或聚丙烯薄膜上。金属箔屏蔽可提供 100% 的覆盖率,金属箔一般以各层重叠的方式围绕着电缆芯线缠绕起来。100% 的覆盖率只是一项物理属性,并不表示金属箔屏蔽可以100% 的屏蔽掉电磁干扰。金属箔屏蔽对于高频和低频干扰的屏蔽都非常有效。金属箔屏蔽的重量更轻、体积更小,一般来说,与编织屏蔽或螺旋屏蔽相比,对于电缆或电线组件增加的成本也较少。

金属箔屏蔽的挠性可能要高于编织屏蔽,但是弯曲寿命一般会较短。加蔽线在于金属箔屏蔽接触的电缆上沿其长度布设,从而可以对金属箔屏蔽实施可靠的电气端接作业。

复杂的多芯电缆示例,其中金属箔屏蔽位于内部导线上,同时具有外部的编织屏蔽

组合屏蔽

组合屏蔽含有多个屏蔽层或者采用多种屏蔽方式,在更广的频谱上具有最高的效率。组合的金属箔上编织屏蔽方式将编织屏蔽的强度与挠性以及金属箔屏蔽的 100% 的覆盖率这些优势良好的结合到了一起。

常用屏蔽方法比较

下表对讨论过的三种屏蔽方式进行了对比,并且总结了每种屏蔽方式的电气性能与机械性能:
有效的电缆屏蔽是怎样的?

电缆屏蔽特性

有效的电缆屏蔽是怎样的?

电缆上固定铁氧体磁珠

铁氧体磁珠

铁氧体磁珠本身不提供屏蔽,但是具有屏蔽效应。在高频噪声构成问题的情况下,通常会使用铁氧体衰减器。衰减器围绕电缆放置,吸收在电缆上传播的、多余的外来能量。低频信号及直流信号只会在导线上传送,不会受到阻挡,但是频率更高的信号将被抑制并损耗,从而降低电磁干扰。

总结

电磁干扰与射频干扰可造成信号退化,使得诊断过程极为困难,甚至无法实行诊断。有效的屏蔽可以降低有害干扰,减少设备内部所需的有源滤波工作量。

来源:线束世界,作者:周庆文

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