一文了解车用屏蔽线的种类,原理及接发

2021年7月19日
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导线是汽车线束中占比最大的组成部分,关于导线中的屏蔽线,我发现很多学员都是一知半解的状态,这里专门介绍车用屏蔽线的种类,原理及接发。

屏蔽线定义

屏蔽线:导体外部有导体包裹的导线叫屏蔽线。

屏蔽层:包裹的导体叫屏蔽层,一般为编织铜网或铜泊(铝)。屏蔽层需要接地,外来的干扰信号可被该层导入大地。

屏蔽线作用:避免干扰信号进入内层,导体干扰同时降低传输信号的损耗。

一文了解车用屏蔽线的种类,原理及接发

结构:
1.(普通)绝缘层+屏蔽层+导线
2.(高级)绝缘层+屏蔽层+信号导线+屏蔽层接地导线

一文了解车用屏蔽线的种类,原理及接发

注意:屏蔽层接地导线的绝缘层有导电功能,可以与屏蔽层导通(有一定的电阻)。

屏蔽线的作用

屏蔽线的作用是将电磁场噪声源与敏感设备隔离,切断噪声源的传播路径。屏蔽分为主动屏蔽和被动屏蔽。

主动屏蔽目的是为了防止噪声源向外辐射,是对噪声源的屏蔽。

被动屏蔽目的是为了防止敏感设备遭到噪声源的干扰,是对敏感设备的屏蔽。

屏蔽电缆的屏蔽层主要由铜、铝等非磁性材料制成,并且厚度很薄,远小于使用频率上金属材料的集肤深度。

屏蔽层的效果主要不是由于金属体本身对电场、磁场的反射、吸收而产生的,而是由于屏蔽层的接地产生的,接地的形式不同将直接影响屏蔽效果。

对于电场、磁场屏蔽层的接地方式不同。可采用不接地、单端接地或双端接地。

屏蔽线的种类与特征

我们把在电线外部包上能从外部将电磁波反射的屏蔽金属的电线称作为屏蔽电线。一文了解车用屏蔽线的种类,原理及接发

屏蔽线的工作原理

屏蔽线是在普通非屏蔽布线系统的外面加上金属屏蔽层,利用金属屏蔽层的反射、吸收及趋肤效应实现防止电磁干扰及电磁辐射的功能。

屏蔽系统综合利用了双绞线的平衡原理及屏蔽层的屏蔽作用,因而具有非常好的电磁兼容(EMC)特性。

拓展介绍:趋肤效应:指电流在导体截面的分布随频率的升高而趋于导体表面分布,频率越高,趋肤深度越小,即频率越高,电磁波的穿透能力越弱。

电磁兼容(EMC)是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力,同时不能产生过量的电磁辐射。

也就是说,要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作,同时又不能辐射过量的电磁波干扰周围其它设备及网络的正常工作。

U/UTP(非屏蔽)电缆的平衡特性并不只取决于部件本身的质量(如绞对),而会受到周围环境的影响。

因为U/UTP(非屏蔽)周围的金属、隐蔽的“地”、施工中的牵拉、弯曲等等情况都会破坏其平衡特性,从而降低EMC性能。

一文了解车用屏蔽线的种类,原理及接发

所以,要获得持久不变的平衡特性,只有一个解决方案:在所有芯线外加多一层铝箔进行接地。

铝箔为脆弱的双绞芯线增加了保护,同时为U/UTP(非屏蔽)电缆人为的创造了一个平衡环境。从而形成我们现在所说的屏蔽线缆。

实验表明,频率超过5MHz的电磁波只能透过38μm厚的铝箔。如果让屏蔽层的厚度超过38μm,就使能够透过屏蔽层进入电缆内部的电磁干扰的频率主要在5MHz以下。

而对于5MHz以下的低频干扰可应用双绞线的平衡原理有效的抵消。

根据布线最早的定义,分为非屏蔽线缆-UTP和屏蔽线缆-STP两种。后来随着技术的发展和各家不同的工艺,衍生出了很多不同屏蔽的种类:

1.F/UTP  Foil Screened Cable 单层的铝箔屏蔽结构
2.Foil and Braid Screened Cable 铝箔和铜质编织网双层屏蔽结构

a) SF/UTP 铝箔和铜质编织网同时包裹在四对线的外层

b) S/FTP (PIMF) 线对单对铝箔屏蔽加上包裹在四对线的外层的铜质编织网
PIMF =Pair in Metal Foil。

屏蔽电缆抵抗外界干扰主要体现在:信号传输的完整性可以通过屏蔽系统得到一定的保证。屏蔽布线系统可以防止传输数据受到外界电磁干扰和射频干扰的影响。

电磁干扰(EMI)主要是低频干扰,马达、荧光灯以及电源线是通常的电磁干扰源。
射频干扰(RFI)是高频干扰,主要是无线频率干扰,包括无线电、电视转播、雷达及其他无线通信。

对于抵抗电磁干扰,选择编织层屏蔽最为有效,也就是金属网屏蔽,因其具有较低的临界电阻。
对于射频干扰,金属箔层屏蔽最有效,因为金属网屏蔽所产生的缝隙可使得高频信号自由地进出。

对于高低频混合的干扰场,则要采用金属箔层加金属网的组合屏蔽方式,也就是S/FTP形式的双层屏蔽电缆,这样可使得金属网屏蔽适用于低频范围的干扰,金属箔屏蔽适用于高频范围的干扰。

IBM ACS的屏蔽线缆中铝箔屏蔽层单层厚度即达到50-62μm,起到了更完整的屏蔽效果。

同时由于只采用单层屏蔽,对于施工而言将更加简单,便于安装,不易在施工过程中造成人为的损坏,且铝帛的厚度可以承受更大的破坏力。从而能给用户提供更高品质的传输性能。

屏蔽线的接法

一文了解车用屏蔽线的种类,原理及接发

屏蔽线的一端接地,另一端悬空 。

当信号线传输距离比较远的时候,由于两端的接地电阻不同或PEN线有电流,可能会导致两个接地点电位不同,此时如果两端接地,屏蔽层就有电流行成,反而对信号形成干扰。

因此这种情况下一般采取一点接地,另一端悬空的办法,能避免此种干扰形成。

两端接地屏蔽效果更好,但信号失真会增大。

请注意:两层屏蔽应是相互绝缘隔离型屏蔽!如没有彼此绝缘仍应视为单层屏蔽!

最外层屏蔽两端接地是由于引入的电位差而感应出电流,因此产生降低源磁场强度的磁通,从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压。

而最内层屏蔽一端接地,由于没有电位差,仅用于一般防静电感应。下面的规范是最好的佐证!

《GB 50217-1994电力工程电缆设计规范》

3.6.8 控制电缆金属屏蔽的接地方式,应符合下列规定:

(1)计算机监控系统的模拟信号回路控制电缆屏蔽层,不得构成两点或多点接地,宜用集中式一点接地。

(2)除(1)项等需要一点接地情况外的控制电缆屏蔽层,当电磁感应的干扰较大,宜采用两点接地;静电感应的干扰较大,可用一点接地。
双重屏蔽或复合式总屏蔽,宜对内、外屏蔽分用一点,两点接地。

(3)两点接地的选择,还宜考虑在暂态电流作用下屏蔽层不致被烧熔。

《GB50057-2000建筑物防雷设计规范》

第6.3.1条规定:……当采用屏蔽电缆时其屏蔽层应至少在两端等电位连接,当系统要求只在一端做等电位连接时,应采用两层屏蔽,外层屏蔽按前述要求处理。

其原理是:

1.单层屏蔽一端接地,不形成电位差,一般用于防静电感应。

2.双层屏蔽,最外层屏蔽两端接地,内层屏蔽一端等电位接地。此时,外层屏蔽由于电位差而感应出电流,因此产生降低源磁场强度的磁通,从而基本上抵消掉没有外屏蔽层时所感应的电压。

如果是防止静电干扰,必须单点接地,不论是一层还是二层屏蔽。因为单点接地的静电放电速度是最快的。

但是,以下两种情况除外:

01 外部有强电流干扰,无法满足最快放电

如果接地线截面积很大,能够保证静电最快放电的话,同样也要单点接地。当然了,真是那样,也没有必要选择两层屏蔽。

否则,必须两层屏蔽,外层屏蔽主要是减少干扰强度,不是消除干扰,这时必须多点接地,虽然放不完,但必须尽快减弱。要减弱,多点接地是最佳选择。

比如,企业中的电缆桥架其实就是外屏蔽层,它是必须多点接地的,第一道防线,减小干扰源的强度。

内层屏蔽层(其实,大家不会买双层的电缆,一般是外层就是电缆桥架,内层才是屏蔽电缆的屏蔽层)必须单点接地,因为外部强度已经减少,尽快放电,消除干扰才是内层的目的。

02 外部点击和防雷安全的要求

这种情况必须要两层防护,外层不是用来消除干扰的,是出于安全的考虑的,保证人身和设备安全的,必须多点接地。

内层才是防止干扰的,所以必须单点接地。

关于屏蔽线的接发总结

01 单点接地

1)屏蔽电缆的单端接地对于避免低频电场的干扰是有帮助的。或者说它能够避免波长 λ 远远大于电缆长度 L 的频率干扰.

2)电缆屏蔽层单端接地能够避免屏蔽层上的低频电流噪声。这种电流在内部导致共模干扰电压并且有可能干扰模拟量设备。

3)屏蔽层的单端接地对于那些对低频干扰敏感的电路(模拟量电路)来说是可取的。

4) 连续测量值的上下波动和永久偏差表示有低频干扰。

02 双端接地

1)确保到电控柜或者插头(圆形接触)的连接经过一个大的导电区域(低感应系数)。选择金属在金属上比非金属在非金属上要好。

2)由于有些模拟量模块使用了脉冲技术(例如:处理器和 A/D 转换器集成在同一模块中),建议将模拟量信号彼此间屏蔽,确保正确的等电位连接,只有在这种情况下进行双端接地。

3)通常金属箔屏蔽层的传输阻抗远远大于铜编织线的屏蔽层,其效果相差 5-10 倍,不能用作数字信号电缆。

4)偶尔的功能失灵表明有高频干扰。这是导线等电位连接无法消除的。

5)除去电缆的端点以外,屏蔽层多点接地是有利的。

6)不要将屏蔽层接在插针上,避免“猪尾巴”现象。

7)要时刻注意屏蔽层的并联阻抗应该小于自身阻抗的 1/10。电缆桥架、机械框架、其它屏蔽层或者其它并行电缆都能够使系统作到等电位。

8)如果当屏蔽层双端接地时电缆屏蔽层发热,或者屏蔽层碰到电控柜外壳或者屏蔽总线时打火,说明等电位连接不可靠。

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