Zgodnie z przyjętą w normach definicją, kompatybilność elektromagnetyczna oznacza zdolność urządzeń elektronicznych do poprawnej pracy w otaczającym środowisku, w którym występują zakłócenia elektromagnetyczne, a ponadto, kompatybilność elektromagnetyczna oznacza ograniczenie emisji do otoczenia własnych zakłóceń tych urządzeń do takiego poziomu, który nie zakłóca pracy innych urządzeń.
Nowoczesne urządzenia elektroniki przemysłowej i automatyki wymieniają pomiędzy sobą informacje o postaci sygnałów cyfrowych, lub, coraz rzadziej, analogowych, poprzez sieci zbudowane na ogół z kabli
z żyłami miedzianymi. Do transmisji sygnałów wykorzystywane są najczęściej tory kablowe utworzone z dwóch identycznych żył izolowanych, reprezentujących zwykle różny stopień symetrii względem ziemi, zależny od konstrukcji kabla.
Zakłócenia elektromagnetyczne, jakie występują w otaczającym środowisku, indukują w torach transmisyjnych sygnały zakłóceń, które przy odpowiednio dużym poziomie powodują błędy transmisji - w najkorzystniejszym przypadku spowalniające działanie, a w najmniej korzystnym, powodujące awarie systemu sterowania. Z tego powodu troska o integralność sygnałów w sieciach automatyki jest nie do przecenienia, a najprostszym sposobem zapewnienia tej integralności jest zastosowanie w takich sieciach odpowiednich kabli, gwarantujących ochronę przed zakłóceniami.
Niewrażliwość kablowego toru transmisyjnego na zakłócenia elektromagnetyczne występujące w zewnętrznym otoczeniu kabla, zależy w decydującym stopniu od konstrukcji kabla. Przesyłanie sygnałów torem transmisyjnym, utworzonym z dwóch identycznych żył, podlega zawsze wpływowi trzeciego elementu toru - wszechobecnej ziemi, którą reprezentują na przykład pozostałe żyły kabla, dołączone do innych, niezależnych źródeł i odbiorników sygnałów, uziemione korytka kablowe i metalowe elementy konstrukcyjne, wreszcie inne elementy metalowe kabla, takie jak ekrany indywidualne torów i ekrany wspólne ośrodka kabla, jeżeli występują one w kablu. Z trzech elementów przewodzących, jakimi są dwie żyły izolowane kabla oraz ziemia, tworzą się niezależnie od woli konstruktora dwie drogi przepływu sygnałów elektrycznych: używany do przesyłania sygnałów tor symetryczny względem ziemi oraz niepożądany tor współziemny, niesymetryczny, jedną z „żył” którego stanowią wszystkie elementy metalowe kabla, a drugą - ziemia.
Z powodu ograniczeń współczesnej technologii, dwie żyły izolowane toru symetrycznego nie są nigdy idealnie jednakowe, a więc ich pojemności cząstkowe względem ziemi są różne. Mamy więc do czynienia z asymetrią względem ziemi. Oznacza to, że tor symetryczny oraz tor współziemny są ze sobą wzajemnie sprzężone: pojawienie się jakichkolwiek sygnałów elektrycznych w jednym z nich powoduje przenikanie części ich energii do drugiego. Wyrażony w decybelach stosunek sygnału użytecznego w torze symetrycznym do pojawiającego się w następstwie przenikania energii sygnału zakłóceń w torze współziemnym jest ilościową miarą symetrii toru i nazywany jest tłumiennością niesymetrii toru względem ziemi. Jest rzeczą oczywistą, że przenikanie zakłóceń z toru współziemnego do toru symetrycznego charakteryzuje dokładnie taka sama wartość tłumienności, ponieważ dwa sprzężone ze sobą tory są czwórnikiem biernym.
Z podanej wyżej definicji wynika, że symetria toru względem ziemi jest tym lepsza, im większa jest tłumienność niesymetrii. Osiągana w praktyce wartość tłumienności niesymetrii zależy w głównej mierze od budowy kabla.
Najczęściej stosowaną ilościową miarą skuteczności ekranowania pola magnetycznego wielkiej częstotliwości jest impedancja sprzężeniowa, wyrażana stosunkiem wzdłużnej siły elektromotorycznej, pojawiającej się wewnątrz ekranu o jednostkowej długości, do natężenia prądu płynącego wzdłuż ekranu, indukowanego przez zewnętrzne pole elektromagnetyczne zakłócające. Zgodnie z w wymaganiami normy DIN VDE 0250, Arkusz 405, wartość modułu impedancji sprzężeniowej ekranu kabla sterowniczego przy częstotliwości 30 MHz powinna być nie większa niż 250 mW/m, co jest równoważne tłumieniu zakłóceń elektromagnetycznych o 40 dB.
Kable z pojedynczymi żyłami
Izolowane żyły tych kabli układane są obok siebie warstwami, a na gotowy ośrodek wytłaczana jest powłoka zewnętrzna kabla. Taką konstrukcję mają kable TECHNOTRONIK i TECHNOFLEKS typu LiYY oraz TECHNOKONTROL typu YKSLY. Zaletą tej konstrukcji jest niski koszt kabla.
Do przesyłania sygnałów kablami z pojedynczymi żyłami, tory transmisyjne tworzy się z położonych obok siebie żył izolowanych (jest to wybór optymalny). Podczas transmisji sygnałów każdy taki tor wytwarza zmienne w czasie pole elektromagnetyczne w swoim otoczeniu, a ponieważ sąsiednie tory są do niego równoległe na całej długości kabla (z powodu braku skrętu parowego), wspomniane pole przenika długie pętle tych sąsiednich torów, indukując w nich duże zakłócenia przenikowe. Ponadto, tworzone tory nie są symetryczne względem ziemi (tłumienność niesymetrii rzędu 10 dB), wskutek czego wnikają do nich zakłócenia ze źródeł zewnętrznych. Oba rodzaje zakłóceń wpływają negatywnie na jakość transmisji, szczególnie przy dużych odległościach odbiornika od źródła sygnałów.
Kable z wiązkami żył
Alternatywę dla wyżej wspomnianych stanowią kable, których ośrodki są formowane ze skręconych wcześniej wiązek żył izolowanych. Wiązki te, zwykle parowe (parę stanowią dwie żyły), skręcane są z różny-mi skokami skrętu, ponieważ wiązki skręcone z jednakowymi skokami skrętu zachowałyby się tak samo, jak równoległe względem siebie pary żył. Taką konstrukcję mają kable typu LiYY-P oraz YKSLY-P.
Do przesyłania sygnałów w takich kablach wykorzystywane są tory symetryczne wiązek parowych, o bardzo dobrej symetrii względem ziemi (tłumienność niesymetrii ponad 30 dB), a więc bardziej odporne na wpływ zakłóceń zewnętrznych. Jeżeli ponadto wiązki parowe skręcone są z odpowiednio krótkimi skokami skrętu, to wspomniane tory nie są zakłócane przez przeniki z torów sąsiednich.
Jak wiadomo, zewnętrzne źródła zakłóceń elektromagnetycznych indukują w każdej połówce skoku skrętu wiązki parowej identyczne siły elektromotoryczne o przeciwnych znakach, a więc kompensujące się nawzajem, jednakże pod warunkiem, że zmiana fazy tych sił na długości połowy skoku skrętu nie przekracza paru stopni. Długości skoków skrętu muszą być zatem dopasowane do widma częstotliwości przesyłanych sygnałów, a wtedy zakłócenia nie wpływają na jakość transmisji.
Kable pęczkowe
Przy połączeniach o dużej długości omówione wyżej środki nie gwarantują poprawnej transmisji ze względu na przenik, nawet przy częstotliwościach akustycznych. Dalszą redukcję przeniku pomiędzy torami symetrycznymi uzyskuje się wówczas poprzez skręcanie wiązek parowych w pęczki. Mimo dodatkowego wprowadzenia skrętu pęczkowego, nadal konieczne jest stosowanie różnych i krótkich skoków skrętu wiązek parowych.
Takie rozwiązanie zastosowano w kablach TECHNOKONTROL typu RDY(St)Y (Bd), których ośrodki są formowane ze skręconych wcześniej pęczków czteroparowych.
Kable z ekranami statycznymi ośrodka
Towarzysząca skrętowi parowemu symetria torów względem ziemi, nie stanowi wystarczającej ochrony przed zakłóceniami przemysłowymi wielkiej mocy, pochodzącymi np. od napędów prądu stałego lub falowników dużej mocy. Pola elektromagnetyczne występujące w środowisku otaczającym kabel indukują w żyłach toru transmisyjnego wewnątrz kabla zakłócenia, które nie kompensują się wzajemnie z powodu niedoskonałej symetrii toru i mogą wpływać niekorzystnie na jakość transmisji. Dodatkową ochronę przed zakłóceniami w takich sytuacjach osiąga się poprzez ekranowanie.
Najtańszy jest ekran statyczny, obejmujący cały ośrodek kabla, nazywany ekranem wspólnym ośrodka. Jest on wykonywany z laminowanej tworzywem taśmy aluminiowej, zwijanej wokół ośrodka kabla w rurkę z zakładką. Dla ułatwienia uziemienia, wzdłuż ekranu układana jest żyła uziemiająca z ocynowanych drutów miedzianych, kontaktująca się z nim na całej długości. Jeśli tak wykonana rurka jest odpowiednio szczelna, to ekran zatrzymuje całkowicie składową elektryczną pola elektromagnetycznego zakłóceń, ale tylko w niewielkim stopniu chroni przed polem magnetycznym. Przy transmisji w zakresie częstotliwości akustycznych taka ochrona przed zakłóceniami jest całkowicie wystarczająca. Przykładem takiego rozwiązania są kable TECHNOKONTROL typu YKSLYekw oraz RDY(St)Y (Bd).
Kable z ekranami statycznymi wiązek
Dobrą ochronę przed przenikaniem sygnałów z jednego toru transmisyjnego do torów sąsiednich kabla, a jednocześnie pełną ochronę przed zakłóceniami zewnętrznymi wnikającymi za pośrednictwem pola elektrycznego, dają ekrany indywidualne wiązek parowych, wykonywane z laminowanych tworzywem taśm aluminiowych. Ze względu na duże koszty materiałowe oraz pracochłonność wykonania, tego rodzaju kable są droższe od kabli z ekranem wspólnym ośrodka. Takie ekrany stosowane są w kablach TECHNOTRONIK typu LiY(St)CY-P oraz TECHNOKONTROL typu YKSLYekp.
Kable z ekranami w postaci oplotu
Bardzo dobrą ochronę kabla przed silnymi, zewnętrznymi polami elektromagnetycznymi, obecnymi
w zakłóceniach przemysłowych, daje ekran elektromagnetyczny i jest to najczęściej ekran wspólny na ośrodku kabla. Najprostszą wersją takiego ekranu jest pojedynczy oplot z drutów miedzianych, zazwyczaj ocynowanych. Tłumienność zakłóceń zewnętrznych zależy od konstrukcji takiego ekranu i z tego powodu stosujemy wyłącznie oploty o konstrukcji optymalnej, gwarantujące tłumienie zakłóceń zewnętrznych o około 50 dB (większe o 20 dB w porównaniu z oplotami o standardowej budowie). Takie ekrany zastosowano w kablach TECHNOTRONIK typu LiYCY oraz LiYCY-P, jak również TECHNOFLEKS typu LiYCY.
Kable z ekranami specjalnymi
Jeszcze lepszą ochronę przed zewnętrznymi polami elektromagnetycznymi daje podwójny oplot
z drutów miedzianych, który tłumi zakłócenia zewnętrzne przeciętnie o 70 dB, co oznacza, że poziom zakłóceń indukowanych w żyłach kabla jest o 70 dB mniejszy, niż na zewnątrz kabla. Zaletą podwójnego oplotu jest również jego giętkość, umożliwiająca wielokrotne przeginanie kabla. Kable z takim ekranem wykonujemy na indywidualne zamówienia klientów.
Kable z ekranami złożonymi, wielokrotnymi
Zdecydowanie najlepszą ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi zapewnia ekran elektromagnetyczny wielokrotny. Jest to ekran dwuwarstwowy, w którym najczęściej pierwszą warstwę stanowi rurka zwinięta z grubej, laminowanej tworzywem taśmy aluminiowej, a drugą warstwę - oplot o konstrukcji optymalnej z drutów miedzianych ocynowanych. Taki ekran tłumi zakłócenia zewnętrzne o co najmniej 80 dB. Przykładem takiego rozwiązania są kable typu TECHNOTRONIK BUS.
Na zamówienia klientów wykonywane są ekrany trójwarstwowe, tłumiące zakłócenia zewnętrzne o co najmniej 100 dB.
Wnioski praktyczne dotyczące wyboru kabli
Kompatybilność elektromagnetyczna oznacza z jednej strony stopień ochrony sygnałów przesyłanych torem kablowym przed zakłóceniami indukowanymi przez zewnętrzne, względem kabla, pole elektromagne-tyczne, a z drugiej strony, ochronę środowiska otaczającego kabel przed emisją zakłóceń z toru kablowego. Efektywny stopień ochrony przed zakłóceniami indukowanymi z zewnątrz może być – jak to przedstawiono powyżej - sumą dwóch składników: tłumienności niesymetrii toru transmisyjnego względem ziemi oraz wyrażonej w decybelach skuteczności ekranowania. Drugi składnik występuje wyłącznie w kablach ekranowanych.
Najgorszą ochronę przed zakłóceniami uzyskuje się w przypadku kabli nieekranowanych, których ośrodki skręcane są z pojedynczych żył izolowanych, ponieważ tworzone z takich żył tory transmisyjne charakteryzuje tłumienność niesymetrii rzędu zaledwie 10 dB. Ochronę tę poprawia do około 30 dB skręt parowy żył izolowanych, z odpowiednio krótkimi skokami skrętu, a dodatkowo, o kilka dB, skręcanie wiązek parowych w pęczki. Maksymalna wartość tłumienności niesymetrii rzędu 40 dB, osiągana w kablach nieekranowanych, nie zapewnia jednak wystarczającej ochrony przed zakłóceniami pochodzącymi od napędów dużej mocy i z tego powodu kable niekranowane mogą być stosowane w sieci wyłącznie do bardzo krótkich połączeń.
Radykalną poprawę stopnia ochrony sygnałów przed zakłóceniami daje ekranowanie. Ekran wspólny ośrodka kabla ze zwiniętej w rurkę taśmy aluminiowej, albo giętki ekran o postaci oplotu z drutów miedzianych - wyłącznie o konstrukcji optymalnej - zwiększa stopień ochrony sygnałów o 40 do 50 dB, natomiast ekran dwuwarstwowy - z taśmy aluminiowej i miedzianego oplotu - daje poprawę stopnia ochrony o ponad 80 dB; taki sam efekt uzyskuje się w przypadku kombinacji ekranów indywidualnych wiązek parowych z taśmy aluminiowej, z ekranem wspólnym ośrodka kabla o postaci oplotu z drutów miedzianych.
Jest rzeczą oczywistą, że stopień ochrony zewnętrznego otoczenia kabla przed niepożądaną emisją z toru kablowego jest dokładnie taki sam, jak stopień ochrony sygnałów przesyłanych tym torem przed zakłóceniami indukowanymi z zewnątrz.
W Tablicy 1 przedstawiono schematycznie stopień ochrony sygnałów przesyłanych kablami przed zakłóceniami zewnętrznymi.
Przesyłane kablem sygnały ulegają zniekształceniu na skutek przeniku sygnałów z torów sąsiednich, przeniku sygnałów zakłócających pochodzących od źródeł zewnętrznych oraz tłumienia falowego i odbicio-wego. Wraz z odległością, przesyłany i zniekształcany sygnał staje się coraz mniej czytelny, aż wreszcie odbiornik sygnału nie może go prawidłowo zidentyfikować. Stąd wynika ograniczenie zasięgu transmisji. Największym zniekształceniom podlegają sygnały o dużej przepływności (częstotliwości), toteż zasięg ich transmisji jest najmniejszy.
W Tablicy 2 zestawiono orientacyjny zasięg transmisji sygnałów cyfrowych kablami różnych typów (o zróżnicowanej budowie) i dla różnych przepływności binarnych. Warto zwrócić uwagę, że z opisanych wyżej powodów zasięg transmisji zależy od konstrukcji kabla w taki sam sposób, jak stopień ochrony sygnałów przesyłanych kablem przed zakłóceniami zewnętrznymi. Najmniejszą odporność na zakłócenia i najmniejszą przepływność sygnałów mają kable, w których w ośrodek kabla skręcane są pojedyncze żyły. Skręcanie żył w wiązki parowe poprawia tę przepływność. Istotną poprawę uzyskuje się przez zastosowanie ekranów. Najbardziej efektywne są ekrany w postaci oplotu.
