כבלים ורתמות

נושא של כבלים חיצוניים הינו בעל חשיבות גדולה מאוד בהנדסת תא”מ. תאימות אלקטרומגנטית של מערכת אל סביבתה החיצונית (משדרים, מקלטים, מכשור רגיש ורועש המצויים באותה פלטפורמה) תלויה במידה רבה בתיכון הכבלים. הכבלים מהווים, בשל ממדיהם הפיזיים, אנטנות יעילות מאוד לפליטה בקרינה וקליטת הפרעות כתוצאה מקרינה על המערכת.

תיכון EMI של הכבלים מתייחס ל-4 האספקטים הבאים:
א. סיכוך זוגות קווים או קבוצות קווים בתוך הכבל ואופן סיומת הסיכוך.
ב. פיתול הקווים עם הקווים החוזרים שלהם או פיתול קווים דיפרנציאליים.
ג. הסיכוך הכולל על הכבל (OVERALL SHIELD), צפיפותו, מספר שכבות הסיכוך ואימפדנס, המעבר שלו.
ד. אופן סיומת הסיכוך החיצוני לגוף המחבר או לאלמנטי קצה בסוף קצה.

סיכוך כבלים
כדי להמחיש למתכנן את סדרי הגודל הכרוכים בבעיית סיכוך הכבלים נתבונן בדוגמא הבאה:
רמת השדה המותרת בתדר לפי היא 20dBV/m. נניח שדוחף לא מאוזן דוחף כבל באורך של 1m בתדר זה.
עוצמת השדה המקורבת שתיפלט מקווי הכבל הינה:

נוסחה 1

כאשר: f – תדר [Hz]
[m] – אורך הכבל – L
[Ampere] הזרם בקו -I
לפיכך מספיק זרם של כדי ליצור רמה העולה על דרישות התקן.
במפרטים מחמירים (תקני רפ”ט) הרמה המותרת הינה . כלומר, 20dB חמורה יותר.
במקרים אלה בזרם המותר בקו הינו פי 10 נמוך יותר, היינו 200pAmp. נניח במקרה זה זרם דוחף אופייני של 10pAmp. רמת הסיכוך של הכבל צריכה להיות:

 נוסחה 2

ערך זה הינו גדול מאוד ולא ניתן לקבלו אפילו בכבלים הטובים ביותר. במקרה זה יש צורך בסינון הרכיב הספקטרלי סביב 10MHz כחלק מהסיגנל. חובה לעבוד בקווים מאוזנים.

אימפדנס מעבר (ZT)
של כבל  אימפדנס המעבר הינו ספרת טיב לאיכות הסיכוך של כבל. זהו היחס בין המתח המושרה בתוך הכבל (יחסי למתח הרעש על העומס) לבין הזרם המשטחי על פני השכבה החיצונית של הסיכוך. אימפדנס המעבר ויעילות הסיכוך מתייחסים הפוך זה לזה – ככל שאימפדנס המעבר (כתלות בתדר) קטן יותר, כך גדלה יעילות הסיכוך. בכבלים באיכות טובה אימפדנס המעבר הינו בסדר גודל של 10mΩ/m המתאים ליעילות סיכוך של 80dB איור 1 מבהיר את הגדרת ZT ואת הקשר בינו לבין צימוד ההפרעה משדה חיצוני על הכבל ( – Differential Mode Coupling). איור 2 מתאר את אימפדנס המעבר של סיכוכים שונים כתלות בתדר. מאיור 2 ניתן לראות לדוגמא, כבל בסיכוך כפול מספק בתחום תדרים 50kHz-100MHz

סיומת הסיכוך
לסיומת הסיכוך (אופן חיבור הסיכוך למחבר או להארקה) יש חשיבות גדולה בהשגת אימפדנס מעבר נמוך ויעילות סיכוך טובה. עבור סיכוך חיצוני של כבל יש לדאוג לחיבור היקפי (3600) של מיוחד לכך. איור 3 מתאר אופני חיבור הסיכוך לגוף המחבר תוך שימוש ב-EMI BACKSHELL היקפי. במקרים רבים לא ניתן להשתמש בסיכוך כולל על הצמה, בייחוד בציוד מוטס וחללי אשר בהם קיימים אילוצי משקל גבוהים. כמו-כן, לחיווט דינאמי אל גימבלים במכלולים נעים יש מגבלה על הרכבת סיכוך חיצוני מסיבי בשל מומנט הפיתול שהסיכוך יוצר. במקרים כאלה ניתן להשתמש בחוטים בודדים מסוככים או זוגות מסוככים. במקרים אלה יש חשיבות לאיסוף הקצוות. המסוככים והארקתם לגוף היחידה. התקנים לחיבור הסיכוכים מתוארים באיור 4 ובאיור 5. איור 3(a) מתאר SHRINK BOOT, EMI/RFI, STRAIN RELIEF מתאם זה מספק שיטה פשוטה להארקת הסיכוך הכולל. הצמה/הסיכוך הכולל הנעולה בין חוט LAMP-BASE זכר לחוט LAMP-BASE נקבה, מספקת חוליית קישור טובה. איור 3(b) מתאר SHRINK BOOT, EMI/RFI, SHIELD SOCK. למתאם זה מחובר סוקט מסוכך לאחורי גוף המתאם אשר מחובר לצמה הכוללת של הכבל או הרתמה. איור 4 מתאר TAG-RING BACKSHALLS טבעת BACKSHALL מציעה שיטות מהימנות לטרמניציית חוטי סיכוך כאשר הסיכוכים מוארקים דרך ה-BACKSHALLS ודרך מעטפת המחבר. איור 5 מתאר RFI G-SPRING BACKSHALLS .BACKSHALLS אלה מספקים שיטה חדשנית לטרמינציית ולהארקת הסיכוך הכולל וסיכוך FOIL על קווי כבלים ורתמות. תכנון ה-G-SPRING מספק קפיץ היקפי הדחוס כנגד הסיכוך החשוף לביצוע הארקה חשמלית חיובית סביב כל היקף הסיכוך.

הנחיות תיכון כבלים ומחברים
המקורות החשובים ביותר לקרינה ממערכת, או לצימוד בתוף המערכת, הינם הכבלים החיצוניים. בהתייחס לאורך הכבלים, הם הרבה יותר יעילים באינטראקציה עם סביבה אלקטרומגנטית מאשר בשטח סגור, PCB או מבנים מכניים אחרים. יש להגדיר בזהירות רבה, כבלים ומחברים המהווים את מחבר הציוד. המטרה העיקרית היא להבטיח כי אותות DIFFERENTIAL MODE חסומים לקרינה מהכבלים, ואף לא אחד מזרמי COMMON MODE ייטמע בכבל על-ידי מעגל האות ואף לא יוצמד בתוך המעגל מהשדות החיצוניים דרך הכבל.

הפרדת כבלים וחזרות
להקטנת אפקט CROSSTALK בכבל, האותות הנישאים על-ידי כבל זה יהיו שווים בקירוב (בערך ±10dB) בערכי המתח והזרם שלהם. זה מוביל למיון אדמות הכבל המוצג באיור 6.  כבלים הנושאים זרמי הפרעה בתדר גבוה יהיו רחוקים מכבלים אחרים, אפילו אם הם בתוך סיכוך סגור, כך שההפרעות יוצמדו לכבלים קרובים אחרים וייצרו פליטות CM בהולכה.
מטרת העבודה לפי טכנולוגית ERA היא הגדרת ההפרדות האפשריות בין כבלים מסוגים שונים. זה מיועד לאפשר פיתוח של הנחייה נקייה בהפרדת הכבל המאפשרת למתקיני המערכת להיות שותפים בהנחיית EMC מה שמוביל להתקנת מערכות אלקטרוניקה ומחשוב אמינות ויעילות. מטרה כזו דורשת מאמץ לא קטן מכיוון שאפקטי EMC רבים נקבעים על-ידי ביצועי הציוד אליו מחובר הכבל.

זרמי חזרה
כל הקווים החוזרים יהיו מצומדים לקווי האות או המתח שלהם, בעיקר על-ידי פיתול, כיוון שזה מפחית את צימוד השדה המגנטי למעגל. קווים חוזרים לעולם לא יחולקו בין קווי אות ומתח, ובוודאי לא בין קווי אות בודדים, בעלי אופי שונה, כיוון שזה גורם לצימוד אימפדנס משותף. חוטי אדמה נוספים יכולים לעזור בהקטנת CROSSTALK קיבולי בכבל. לא ברור אינטואיטיבית כי זרמי החזרה יזרמו בהכרח במוליך כאשר ישנן מספר אפשרויות של מסלולי חזרה. ב-DC, זרמי החזרה למעשה מחולקים רק על-ידי יחס התנגדויות המוליכים. אך ככל שהתדר עולה, ההשראות ההדדית של הזוג המצומד תגרום להפחתת נוכחות האימפדנס לזרם. החזרה על-ידי החזרה המקומית שלו בהשוואה למסלולים אחרים, כיוון ששטח הלולאה הסגורה קטן ממסלול זה (איור 7) הזרם בתדר גבוה חוזר דרך קו ה-RTN המפותל ולא דרך האשייה וזוהי הסיבה העיקרית לשימוש בכבל TWISTED PAIR להעברת נתונים. כמו כן, השפעה זו גם אחראית לתכונות סיכוך מגנטי של כבל קואקסיאלי.

אלי רכט וידי בר-נתן, אלאופ תחום תאימות אלקטרומגנטיות

תגובות סגורות