När vi i dagligt tal pratar om skärmar tänker vi oftast på olika former av metallskal, som omsluter el- och elektronikkretsar, men kom ihåg att en skärm i zonindelningssammanhang ”imaginär”, t ex zongränsen kan utgöra ett avstånd eller närhet till ett jordplan. Definitionen av zon är ju ”Volym, begränsad av en sluten yta (verklig eller imaginär), med bestämd elmiljö”, dvs en volym med bestämd elmiljö.

 

Repetition: en generaliserad skärm (som beskrevs i zonindelningskursen) kan sägas vara en topologisk sluten yta, vilken representerar en viss elek­tromagnetisk koppling, eller dämpning, oftast begränsad. Alltså, vilken åtgärd som helst som reducerar elektromagnetisk fältkoppling är en skärm. Detta kursavsnitt behandlar vi hur zongränser upprätthålles med skär­made kablar och hur man kopplar samman apparatskärmar och kabel­skärmar.

Skärmade kablar i praktiken

De flesta konstruktörer och installatörer av elektrisk utrustning är över­ens om att bl a skärmade kablar är ett, bland flera, bra sätt att åstad­komma EMC. Men i praktiken kastas miljontals kronor ”i sjön” enbart i svensk industri på grund av bristande kunskap om kabelskärmning och kabelskärmsanslutning. Skärmade kablar anses av många som mi­rakelmedicin mot alla slags störningar. Det finns en utbred övertro på kabelskärmars effekter samt okunskap om dess rätta användning och utformning.

 

Ibland används skärmade kablar till apparater eller givare med plast­kapsling, vilka fullständigt saknar möjligheter till anslutning av kabel­skärm (eftersom apparaten saknar skärmlåda). Ofta används skärmade  kablar till ingen nytta på grund av oriktig anslutning. Trådanslutning av kabelskärm till t ex en s k jordskena inuti apparatskåp med decime­ter- och meterlånga ledare (ofta gul-gröna) är inte en ovanlig företeelse. I båda dessa fall degraderas kabelskärmen till ett mekaniskt skydd eller förstyvning av kabeln.

 

En förklaring till det senare exemplet är, att det ställs krav på att skär­men ska ”jordas”. Installatören uppfattar detta som att kabelskärmen ska anslutas till skyddledarsystemet. Kravställaren har missat att tala om hur och var kabelskämen ska anslutas och utföraren tolkar på sitt sätt.(Använd inte ”jord, jorda, jordning” generellt för olika slags elektriska an­slutningar; skilj på skyddsledaranslutning, kabelskärmsanslutning, plåt­sammanfogning m fl! Mer om Jord och Jordning i en kommande text.) Det finns alltså behov av att reda ut varför och hur skärmade kablar ska hanteras.

Varför skärmad kabel?

Det finns ett antal frågor man bör ställa sig innan man beslutar om att använda skärmade kablar:

• Av vilken anledning skall skärmade kabel användas?
• Vad vill vi uppnå?
• Behövs skärmad kabel för att dämpa emission eller påverkan av fält?
• I vilket frekvensområde ska skärmen skydda?
• Var befinner sig störningskällan eller offret? Är det signalen i ledarna i kabeln som är störningskällan eller är källan eller offret i apparaten? Med andra ord: var vill vi ha zongränserna?
• Vad finns det för möjligheter att ansluta kabelskärmen? Var ska den anslutas? Hur ska eller kan den anslutas? Ska den anslutas?

Zonindelning

Elmiljözon definieras som en given volym med bestämd elmiljö, begrän­sad av en sluten yta, en zongräns. Notera att denna yta kan vara en fiktiv, tänkt, yta!

 

Vid all slags EMC-konstruktion är det viktigt att tänka i elmiljözoner för att åstadkomma en balanserad skyddslösning. Zontänkandet gör det möjligt att lätt identifiera kopplingsvägar och -mekanismer. Allmänt sett förlänger en skärmad kabel, rätt ansluten till ett apparathölje av metall, apparatens interna elmiljözon ut i kabeln. Den i särklass oftast förekommande EMC-fråga är: ”ska man ansluta ka­bel-skärmen i båda ändan eller bara i en ända?”

 

En skärmad kabel, utan filter och ansluten mellan två apparater med me­tallhölje, binder ihop apparaternas skärmar. Ett avbrott i skärmen (brist­fälligt eller ej ansluten kabelskärm) medför att de yttre och inre zonerna, och därmed de olika miljöerna, kopplas samman. Se Figur EC 01.

Kabelskärmen är oftast en förlängning av apparatskärmen och utgör där­med en del av en totalskärm. Öppningar i en totalskärm innebär läckage: således måste vi ansluta kabelskärmen till apparatskärmen. Är kabelskärmen avsedd att vara ”länk” mellan två apparater ska kabel­skärmen anslutas till apparatskärmarna i båda ändarna för att behålla zongränsen hel och erhålla god skärmning (Figur EC 01).

Kabelskärmanslutning

En kabelskärm skall anslutas till apparatskärmen på samma sätt som en koaxialkabel, dvs lågimpedivt, annars gör den nästan ingen nytta. Utgör kabeln en förbindelse mellan två apparatskärmar ska den anslutas lågim­pedivt till båda skärmarna, dvs i båda ändarna.

 

Det förekommer allt som oftast, att man diskuterar var och hur en kabel­skärm skall anslutas. Ofta använder man uttrycket ”jordas”, vilket i sig leder fel. En del hävdar att en kabelskärm skall anslutas enbart i en ända och andra att den skall anslutas i båda ändarna. Dessutom hävdar vissa ”enändesanhängare”, ofta ”jordare”, att den ända från vilken signalen drivs skall anslutas. Ytterligare andra hävdar, att det är i den andra än­dan, som kabelskärmen skall anslutas. Som vanligt finns det orsaker till varför alla har mer eller mindre rätt, allt beroende på vad man vill åstad­komma med sin kabelskärm.

Grundmodell

Föreställ dig en signalöverföringskrets, vilken blir störd av ett elektro­magnetiskt fält, se Figur EC 01. Ett sätt att skydda kretsen är att innesluta den i en metallåda; vi säger att kretsen skärmas. På så sätt reduceras då oftast fältet tillräckligt för att kretsen skall vara ostörd. Om vi nu vill, att de två kretsdelarna skall placeras långt från varandra och fortfarande vara skärmade, så blir lådan otymplig. Då utför man lådan som två lådor med en flexibel skärm emellan, dvs en kabel med en flexibel metallisk yttermantel.

 

Från denna enkla modell inser man, att kabelskärmen skall anslutas i båda ändarna till de båda lådornas skärmar. Det är väl ingen som vill hävda, att om man hade haft en lång, stel låda så skulle denna lådskärm bli bättre om man delade på lådan i två delar?

Icke-idealisk kabelskärm

Ett stelt rör som kabelskärm är opraktiskt, varför man normalt utfor­mar kabelskärmen som en flätad strumpa av många trådar med lämplig ytbehandling. Denna strumpa är knappast lika tät som ett rör, eftersom ström kan följa trådarna till strumpans insida och fält kan läcka in ge­nom de små öppningarna, som är ofrånkomliga, mellan trådarna. Detta fält ger upphov till en ström, som nu flyter på insidan och som ökar med ökande frekvens (= hålen läcker mer vid ökande frekvens), ger upphov till ett internt spänningsfall i skärmens längdsled. Detta är tvärt emot vad som är fallet med ett homogent rör; ett homogent rör blir bättre  skärm med ökande frekvens. En flätad skärmstrumpa blir sämre skärm med ökande frekvens.

 

Förhållandet mellan spänningen på kabelskärmens insida och ström­men på dess utsida kallas bl a överföringsimpedans och mäts i Ω per meter kabellängd. Detta är ett mått på kabelskärmens godhet. Ju lägre överföringsimpedans desto bättre skärm. Eller med andra ord, ju lägre spänning på skärmens insida för en given ström på dess utsida desto bättre skärmningseffekt. Notera att spänningsfallet på skärmstrukturens insida inte kan bli stör­re än den yttre drivanda spänningen mellan lådornas ytterytor.

Idealisk kabelskärmanslutning

Hittills har vi förutsatt att kabelskärmen (rör eller strumpa) är ansluten till lådskärmarna runt om sin periferi med hela dess tvärsnitt. Detta medför inget nämnvärt bidrag till spänningsfallet på skärmens insida och försämrar således inte skärmningseffekten.

Nu är inte verkligheten så idealisk. Om nu kabelskärmen ansluts till en lådskärm med en förbindelsetråd kommer ett spänningsfall att upp­stå mellan trådändarna, se Figur EC 02. Detta spänningsfall är frek­vensberoende, ty tråden är både resistiv och induktiv. Induktansen i en vanlig förbindelsetråd är av c:a 10 nH per cm. Ju längre tråd och ju högre frekvens desto större spänningsfall. Detta spänningsfall kan vara tusentals gånger högre än spänningsfallet inuti kabelskärmen, även om kabelskärmen är flera meter lång.

 

Kretsarna inuti lådorna känner nu av denna spänning (summan av spänningen inuti kabelskärmen och spänningsfallet över tråden), som en gemensam-mod-spänning (”com­mon mod”). Strömmen i skärmanslutningstråden alstrar dessutom ett magnetfält, vilket inducerar spänningar i de frilagda signalledarna. Spänningsfallet i tråden driver även en kapacitiv ström till signalledar­na via kapacitansen mellan kabelskärm och signalledare, se Figur EC 02. Således: att ansluta en kabelskärm med tråd är inte någon bra an­slutningsmetod.

 

Notera att strömmen i kabelskärmen orsakas inte enbart av yttre fält, den kan även bero på inre fält eller spänningar mellan anslutna låd­skärmar! Om man nu tar bort kabelskärmsanslutningen blir ju spänningsfallet ännu större och därmed skärmningsverkan ännu sämre. Spänningen mellan lådorna kan ju i princip bli hur hög som helst. Den kapacitiva kopplingen till signalledarna ökar, dock induceras ingen spänning ef­tersom det inte flyter någon ström i någon anslutningstråd.

 

Det är, som redan påpekats, tokigt att öppna en skärm för att göra den bättre. En dålig anslutning är nästan lika dålig som ingen anslutning (dock frekvensberoende). I princip skall alltså en kabelskärm anslutas på samma sätt som man gör med en koaxialkabel, nämligen runt hela dess periferi och med mycket låg anslutningsimpedans till lådskärmens ytor.

 

I Figur EC 02 utgörs U bland annat av

U = I 2 π f L eller

U = – L dI/dt

 

där f = strömmens frekvens och

dI/dt = strömderivatan, där t kan vara en strömpuls omslagstid.

Undantag

I vissa fall kan en kabelskärm fungera trots att den inte är idealiskt ansluten:

• med kort trådanslutning i båda ändar, elektriskt kort kabel (kabellängden kort relativt våglängden vid aktuell frekvens) och vid låg störningsfrekvens,
• med trådanslutning i enbart den ena ändan när det saknas skärmlåda i den andra och om den oskärmade delen av kretsen är elektriskt sett mycket kort (se figur EC06).

Ett exempel på det senare är en oskärmad givare isolerat monterad långt från störningskällor och ansluten till en lång skärmad kabel. Exempel: en givare är någon cm lång och kabeln flera tiotals meter samt störningsfrekvensen 50 Hz med övertoner. Ytterligare ett exempel på undantagsfall är, när man har högimpediv sig­nalingång, vilken blir störd av elnätets 50-Hz-spänningsfält. Det räcker då att ansluta kabelskärmen i en ända till apparatskärmen och därmed till elektriska fältets referens, nämligen skyddsledarsystemet, via appara­tens PE-ledare.

 

När man använder korta trådar för kabelskärmsanslutning, vilka ansluts i lådans inre, får man se upp: fältet från störningsströmmar, som flyter på skärmen och därmed i trådanslutningen, leds in i lådan och kommer att al­stra fält internt i lådan. Detta fält kan koppla till och störa kretsar eller led­ningar i lådan, se Figur EC 03. Genom att ansluta kabelskärmen direkt mot lådans utsida kopplas störningsströmmen av till lådan och förhindrar att dessa strömmar kommer in i densamma.

Om det förekommer kraftiga sk vagabonderande strömmar (nätfrekvens) kan den tunna trådanslutningen brinna av! Kraftiga runtomanslutande kabelskärmsanslutning klarar vagabonderande ström mycket bättre. Att det går strömmar i kabelskärmen pga två ”jordningar” (skyddsledaran­slutningar av lådorna) är inget skäl till att inte ansluta kabelskärmen till lådorna utan ett skäl att inte ansluta lådan till byggnadsstrukturen eller till skyddsledarsystemet i mer än en punkt. Det senare kan man åstadkomma med t ex en isolationstransformator. Alternativt kan de bägge lådorna an­slutas till samma skyddsledarpunkt. Givare och andra kretsar, vilka inte behöver nätspänningsmatning, skall således vara isolerade från byggnad och PE-ledarsystem.

 

Man kan påstå att kabelskärmen fungerar då den reducerar yttre påverkan på just signalöverföringskretsar mellan lådor. I andra sammanhang kan man mena, att om utrustningen i den ena eller den andra lådan inte blir störd, då fungerar skärmen. Båda uppfattningarna är givetvis riktiga.

 

Om utrustningen fungerar då kabelskärmen inte anslutes i en av dess än­dar (om det finns skärmlådor i båda ändarna), men blir störd då den an­sluts i båda ändarna, beror förmodligen störningen på att kabelskärmen ansluts felaktigt och inte på att kabelskärmen som sådan inte fungerar då den är ansluten i båda ändarna. Fungerar utrustning med två skärmlådor och med kabelskärm enbart ansluten i en ända ska man ifrågasätta om kabelskärmen behövs överhuvudtaget.

Tumregler

I dagens läge, med ökande mängd högfrekventa störningskällor, vill man att kabelskärmar skall göra nytta vid alla frekvenser och för alla tänkbara fall. Grundregeln är då att:

• ansluta kabelskärmen i båda ändarna till apparatlådornas metallhöl­jen, se Figur EC 04 och Figur EC05, samt att
• kabelskärmsanslutningen skall ske runt skärmens hela omkrets till apparat-höljet, Figur EC 05, antingen direkt via särskild förskruv­ning eller via anslutningsdonets metallhölje och ev bakkåpa.

Observera att anslutningsdonen (kabeldon och apparatdon) måste ha god runtomanslutande kontakt med varandra och att det apparatfasta donet måste ha god elektrisk kontakt med det metalliska apparathöljet. Det senare får man se upp med vid val av ytbehandling samt vid an­vändning av metalliserade plastlådor.

 

Om det inte finns någon skärmlåda i en av kabelns ändar, t ex en li­ten givare utan skärmlåda, hur gör man då? Jo, om givaren har ett litet kretskort så ansluts skärmen till kortets jordplan. Om det saknas kretskort låt kabelskärmen vara oansluten! ”Jorda” inte kabelskärmen, se Figur EC 06!

Kopplingsimpedans

Skärmade kablars skärmningsegenskaper beskrivs med hjälp av kopp­lings-impedans, även kallad överföringsimpedans (eng.: transfer im­pedance), se Figur EC 07.

Kopplingsimpedansen anges i Ω/m och är förhållandet mellan störningsspänning på skärmens insida och stör­ningsströmmen, som flyter på utsidan av kabelskärmen. Strömmen på skärmens insida är oftast betydligt lägre än strömmen på dess utsida förutsatt att kabelskärmen är ansluten till apparatskärmen på ett kor­rekt sätt.

 

Kopplingsimpedansen är ett mått på kabelns skärmningsegenskaper, är frekvensberoende och avhängigt av material och utformning. Typiska värden är 1 – 10 milliΩ/m och exempel visas i Figur EC 08.

Figur EC 09 visar en elektrisk modell över anslutningsimpedan­sens inverkan på den totala kopplingsimpedansen. Det framgår, att an­slutningens impedans ligger i serie med kabelns. Om Zp är stor relativt Zt, vilket är fallet då trådanslutning (”pigtails”) används, är det kabel­skärmsanslutningen som bestämmer den totala skärmverkan.

Exempel: om kabelskärmen ansluts med en 5 cm lång ledning i var ände innebär det en anslutningsinduktans på ca 2 x 50 nH = 100 nH. Vid 10 MHz representerar detta en impedans på ca 6,3 Ω. En skärmad 10 m kabel med överföringsimpedansen ca 10 mΩ/m medför 0,1 Ω. trådan­slutningarna ger således 63 gånger större bidrag till läckaget än kabel­skärmen!

 

U = Is (Zt + 2 Zp) / 2

(Halva spänningen i varje ända om impedanserna i ändarna är lika.)

 

Is: ström i skärmen;

Zt: kabelskärmens överföringsimpedans;

Zp: kabelskärmens anslutningsimpedans;

Z: impedans mellan skärmad ledning och apparathölje, ofta inimpe­dans i en krets;

U: spänningen över Z.

Skärmanslutningstekniker

Figur EC 10 visar vanlig skärmanslutningsteknik med trådanslutning i jämförelse med EMC-mässig anslutning med hjälp av bakkåpa. Figuren visar även kurvor på uppmätt kopplingsimpedans för de olika illustre­rade fallen. Notera att i det illustrerade trådanslutnings-fallet sträcker sig den effektiva längden av anslutningstråden från kabelskärmsänden via anslutningsstiften i anslutningsdonshalvorna och via ytterligare en tråd till chassiet (panelen).

Kurvorna i Figur EC 10 illustrerar kopplingsimpedansen i dBmΩ vid olika frekvenser för fyra anslutningsfall. Det framgår tydligt att runt­omanslutning av kabelskärmen via skärmande metallbakkåpa ger låga värden för kopplingsimpedansen även för höga frekvenser. Anslutning via lång trådanslutning (50 mm) är sämst, anslutning via två parallella stift (”Två ledare, 15 mm”) ger 6 dB förbättring (halvering), jämfört med anslutning via ett stift (”En ledare, 15 mm”).

 

Ett exempel (se Figur EC 10) med en 50 mm lång trådanslutning:

 

(0 dBmΩ/m = 0,001 Ω/m) av en kabelskärm blir ”läckaget” pga denna trådanslutning densamma som för 100 meter kabelskärm (10 mΩ/me­ter) vid 20 MHz!

 

Det tyvärr vanliga förfarandet, att montera skärmade anslutningsdon på ett kretskort och dra skärmanslutningen via en mer eller mindre lång ledare på kortet, är det samma som att infoga en trådanslutning och därmed införa en onödig impedans i serie med kabelskärmens an­slutningsimpedans. En EMC-riktig kabelskärmsanslutning, för skärmning av störnings­strömmar över några tiondels MHz, utesluter trådanslutning, eftersom kopplingsimpedansen för denna tråd blir totalt dominerande över skär­mens kopplingsimpedans.

 

Runtomanslutning 360º med kabelförskruvning av metall, i båda än­darna av kabeln, bibehåller kabelns skärmningsegenskaper för hög­frekvensströmmar och -fält. Om endast skärmanslutning med ledning är möjlig, anslut då kabel­skärmen till apparatlådans utsida med en så bred och kort ledare som möjligt (se Figur EC 03). Detta ger kabelskärmsfunktion vid åtminstone låga frekvenser.

 

Eftersom kabelskärmen är en del av zongränsen gäller generellt, att man ska se till att zongränsen är sluten.

 

Skärmningseffekten är mycket beroende av hur bra skärmförbindelsen blir i alla övergångar mellan kabelskärm och skärmlådor samt vid mel­lanskarvdon. Det bästa sättet att hålla skärmningseffektiviteten hög är att ha skärmande don i alla snitt. Jämför hur man hanterar koaxial­kabel. Har man inte skärmande don utan är tvungen att använda tråd för anslutning av kabelskärmen till apparatskärmen via skarvdonsstift, måste man se till att denna tråd är så kort det någonsin går. Man kan gärna ha flera parallellkopplade trådar och stift. Men märk att detta enbart skyddar vid måttligt höga frekvenser!

 

Om man enbart önskar begränsa lågfrekvent kapacitiv koppling räck­er det med att kabelskärmen är ansluten till fältkällans referens i en punkt, vilken oftast kan vara en apparatskärm. I detta lågfrekvensfall kan kabelskärmsanslutningen ske med kort ledare. Det skadar aldrig att ha kabelskärmen ansluten i ”båda ändar”. En kabelskärm, som inte är ansluten någonstans, medför risk att eventuella störningsfält kopplar lättare till eller från kabeln p g a den ökade kapacitansen mellan kabel och omgivning.

 

Vi tittar på ett exempel på beräkning av anslutningsimpedans:

 

Vi skall installera en 10 m lång skärmad kabel. Med hjälp av Figur EC 08 väljer vi en kabel ”Aluminium/Polyesterband +65% kopparfläta”; kurvan visar en relativ jämn Kopplingsimpedans Zt (eng.: transfer im­pedans) på ca 10 mΩ/m i frekvensområdet 100 kHz till 100 MHz. Ka­belskärmen är ansluten med ca 30 mm trådanslutning. Kabeln koppling­simpedans blir Ztkabel = 10 m x 10 mΩ = 100 mΩ = 0,1 Ω (första termen i formeln). Tillkommer anslutningensimpedans Ztanslut, som är induktiv (en rak ledare har en induktans L = 1 nH/mm = 10 nH/ cm).

 

Ztanslut = 2 π f L ≈ 20 Ω vid 100 MHz, ≈ 2 Ω vid 10 MHz

 

där f = frekvens och L för 30 mm tråd = 30 nH

 

Det innebär att Ztanslut är helt dominerande (jämfört med Ztkabel = 0,1 Ω) och förstör de från början fina egenskaperna hos den för dyra pengar in­köpta skärmade kabeln.

 

En EMC-riktig kabelskärmsanslutning för skärmning av högfrekvens­fält utesluter trådanslutning, eftersom anslutningsimpedansen blir för hög och totalt dominerande i den sammanlagda kopplingsimpedansen. Vi bör eftersträva noll Ω i anslutningsimpedans för kabelskärmen. Runt­omanslutning med kabelförskruvning av metall ger låg anslutningsimpe­dans (Figur EC 05).

 

Tumregel: En trådanslutning har ca 2 Ω impedans vid en frekvens mot­svarande en tusendel av våglängden på grund av trådens egeninduktans. Till exempel: 3 mm tråd vid 100 MHz (λ = 3 m) ≈ 2 Ω. Använd skärmande runtomslutande bakkåpa vid kabelskärmskontak­tering!

 

Ett oftast vid måttligt höga frekvenser väl fungerande sätt är att ansluta med kabelklammor, se Figur EC 11.

 

Figur EC 12 visar ett exempel på bakkåpa, som uppfyller önskade kri­terier för EMC.

• Kåpan skall vara skärmande (helt i metall, metalliserad eller med metallfoder).
• Kabelskärmen skall kunna direktanslutas till kåpan.
• Kåpan skall ha bred direktkontakt med anslutningsdonet, som ska vara av metall med elektriskt ledande yta.
• Kåpan skall vara helt runtomslutande mot kabelskärmen och kontaktdonet.

Andra kritiska utföranden

Externa kablar visar sig ofta vara de mest betydelsefulla kopplingsvägar­na för radiofrekvent fältemission och orsak till fältkoppling in till en apparat eller ett system. På grund av kablarnas längder är de effekti­vare antenner än höljen, kretskort eller andra strukturer. Kablar och anslutningsdon måste därför specificeras noggrant för att förhindra att de tjänar som kopplingsvägar för oönskade common mode-strömmar. Skärmade kablar är en lösning till dessa hot, förutsatt att skärmen är ansluten med låg impedans och att skärmen är tillräckligt heltäckande och tätt. Ett alternativ till skärmade kablar är att använda filter, mer om detta i en annan kurs.

Okontinuitet i skärmen

En kabelskärm används i princip till att förlänga en apparatskärm eller för att vara en flexibel del av en skärmande struktur (se Figur EC 01). Skärmen ska således i princip vara obruten från apparatskärm till ap­paratskärm  för att fungera fullt ut. Detta gäller oavsett om man har en enkelledare (koaxialkabel), tvinnat par (tvinnax) eller en mång­ledare innanför skärmen. Trådanslutningar ger försämrade skärmningsegenskaper för hela kablaget.

Exempel från verkligheten

Akutproblem – felande styrsystem

Jag, Miklos, har jobbat med ett fall som kan tjäna som ett lärorik ex­empel (se Figur EC13). Vi fick en förfrågan om vi med kort varsel kunde ställa upp och lösa ett akut störningsproblem på ett snabbgående fartyg levererad från ett varv i Pireus i Grekland. Problemet var, att en 150 W kortvågsradio ombord störde ut en svensk underleverantörs styrsystem till fartygets framdrivnings- och manöversystem.

Vi hittade en kabel med tveksam utförande. Kabeln visade sig vara skarvad på ett ställe långt inne under styrpulpe­ten. Det fanns inte mycket att välja på än att krypa in och undersöka skarvningens utförande. Skärmarnas sammanfogning i skarven före­föll vara tvivelaktigt så första åtgärden blev att förbättra detsamma med lite koppartejp.

 

Strömmätningen visade mycket riktigt 6 dB (50%) förbättring. Det räckte dock inte ty störningsproblemet var kvar.

 

Uppmuntrade av framgången monterade vi några common-mode-fer­riter på kablarna. Strömmätningen visade nu ca 20 dB (= 10 ggr) lägre värde. Och störningen på styrsystemets funktion var nu borta!

 

Förklaring: Fartygsleverantören hävdade, att båten var i exakt samma utförande som fem tidigare levererade och som inte uppvisade samma problem. Enligt ritningarna från systemleverantören skulle två skärmade kablar löpa till en kombinerad manöverenhet med en joystick för styrning av vattenjet-motorer och en tryckknapp för att aktivera autopilotsyste­met. Kablarna var ganska tjocka och styva och och skulle löpa i trånga utrymmen och vara anslutna till nämnd manöverenhet, som satt väl­digt trångt längs ut i förarsätets armstöd.

 

Det visade sig att någon montör har tyckt att det skulle vara mycket lättare att dra en gemensam kabel för båda systemen. Tänkt och gjort: klippte av kablarna och ersatte sista biten med en gemensam kabel på 7-8 m.

 

De två systemen, dvs autopiloten och vattenjet-styrning, hade blivit oavsiktligt sammankopplade via den gemensamma kabelsträckan på några meter. Den tidigare högfrekvensmässiga isoleringen mellan sys­temen och kortvågsradions fält sattes ur spel; zongränserna mellan systemen och till omgivningen bröts. Dessutom fick det ”nya” (sam­mankopplade) systemet en mycket större fysisk utbredning och därmed mottagningsförmåga för kortvågsradio än vattenjet-styrsystemet i sig. Våra fix-lösningar medförde lägre inkopplad hf-energi till systemen, vilket gjorde att de fungerade trotts att de två systemen hamnade i samma zon. Genom att kabelskärmarna hade brutits upp och kopp­lats samman med långa trådar, som inte kortsluter vid hög frekvens, kopplades högfekvens-effekten lätt in i systemen. Fixen slöt skärmen tillräckligt.

Exempel på felaktigt utförande

Det finns många fallgropar, som man bör se upp för när man köper eller tillverkar skärmade kablar. EMC-kraven har även tvingat leverantörer av komponenter att förbättra sina produkter eller ta fram helt nya. Detta underlättar för apparat- och systemkonstruktörer att uppfylla gällande EMC-krav.

 

Ändå vet man aldrig vad man får med mindre än att ta isär och kontroll­ era utförandet. Jag har på måfå tagit ett antal datakablar i mina lådor samt en nyinköpt SCART-kabel och öppnat bakkåporna (oftast av plast) för att kontrollera utförandet; ingen av dem är perfekt.

 

Låt oss titta på utförandet av några olika så kallade skärmade datakablar: Det finns flera brister i utförande, som gör dessa kabelskärmar mer eller mindre värdelösa vid höga frekvenser.

SCART- kabel för överföring av video- och audio-signaler:

Etiketten påstår att det är separat skärmning av ljud och bild. Det finns bara en skärm ytterst under isoleringen, vilken är ansluten med en 4-5 cm lång tråd till anslutningsdonets hus (längs till höger i bild Figur EC14).

Datakabel med skärmande bakkåpa av metall:

Skenet bedrar (se Figur EC15): den fina metall-bakkåpan är inte utnytt­jad för direktanslutning av kabelskärmen. Kabelskärmen är ansluten (lödd) till anslutningsdonets hus med en 3-4 cm lång svartisolerad tråd. Som man kan se i bilden finns det två plastklämmor för anslutning av skärmad kabel. Den nedre klammern är avsedd för att klämma den av­isolerade kabelskärmen till kåpan så att en bred nästan runtom-anslut­ning uppnås. Den övre klämman tjänar som dragavlastning och skall klämma om isoleringen.

Datakabel med oskärmad bakkåpa av plast:

Se Figur EC16: Kabelskärmen är ansluten till anslutningsdonets hus med en 3-4 cm lång tråd (den med transparent isolering). Två bristfälligheter:

• trådanslutning ger inte lågimpediv anslutning och
• en stor längd av ledningarna är oskärmade eftersom kåpan saknar skärm.

När bakkåpan inte är skärmande och kabelskärmen är ansluten med tråd, då kommer kabeln att ha dåliga skärmningsegenskaper. I vissa fall  används kabelskärmen även för signalöverföring (signalretur) och då för­sämras även signalöverföringens kvalitet pga stor missanpassning.

Räkneexempel: om det finns en 10 cm lång oskärmat del på en 1 m lång skärmar kabel, då är 10 % av kabeln oskärmad. Detta innebär att kabeln kommer att ha max 20 dB skärmverkan. Förutsättning: inkoppling till kabeln är proportionell mot kabellängden från ett elektriskt fält.

Datakabel med bakkåpa av plast med skärmande inlägg:

Skärmande bakkåpa (det syns knappast utifrån, se Figur EC17) i bra ut­förande, med möjlighet att ansluta kabelskärmen till kåpans skärm med metallklämma. Observera: dubbla klämmor där den inre är avsedd för att klämmas mot den avisolerade kabelskärmen och den yttre är avsedd för avlastning och skall klämmas över isoleringen. Lägg märke till de fjädran­de gripklorna, som säkerställer lågimpediv anslutning till anslutningsdo­nets hus. I det här fallet är tyvärr kabeln oskärmad!

Kabelskärm för audio

Det är problem med störningar på en mikrofoninstallation. Vi tog en titt på mikrofoninstallationen. Den såg ut i stil med skissen enligt Figur EC18.

Skärmad enkelledare används för att koppla mikrofonen till audioingången. Mikrofonkabeln är installerad bland andra ledningar. Överhörningen av­ses att elimineras av mikrofonkabelns skärm.

 

Hur stor skärmningsdämpning kan vi förvänta oss av mikrofonkabelskär­men i audiofrekvensområdet om den totala kabellängden är 3 meter och den sammanlagda oskärmade kabellängden är ca 0,3 m?

 

Lösning:

Denna gång är det inte ”grissvansarna” som orsakar problem, eftersom de vid audiofrekvenser är lågimpediva. Problemet är de nakna, oskärmade delarna av ledaren. Störning från intilliggande ledningar kopplar odäm­pat, både kapacitivt och induktivt, in till innerledaren. Om den nakna oskärmade delen är 10% av den totala längden och om vi har en högimpe­div ingång, då kan vi erhålla maximalt 10 gångers dämpning, dvs 20 dB. Med endast 1% oskärmning kan vi erhålla maximalt 40 dB (100 gånger) förbättring relativt ett oskärmat fall!

Sensmoral: Kabelskärmen skall vara så heltäckande som möjligt.

Slutsats

Trådanslutning (”pigtails”) är mycket vanliga för anslutning av kabelskär­mar. Tyvärr kan det, på grund av induktansen i anslutningstråden, vara nästan lika illa på högre frekvenser som oanslutna skärmar. Koppling­simpedansen för en trådanslutning ökar snabbt med ökande frekvens och vid inte allt för hög frekvens blir induktansen i trådanslutningen helt do­minerande och förstör effektivt kabelns annars goda högfrekvens-skärm­nings-egenskaper.

Avslutning

Detta är den femte kursdelen, tredje avsnittet av EMC-kursen i en serie med syfte att ge olika yrkeskategorier inblick, förståelse och kunska­per om vad EMC innebär och hur EMC uppnås. Detta kursavsnitt har behandlat kabelskärmning, både i teori och praktik. Det praktiska ut­förandet är mycket viktigt för att erhålla förväntad skärmningseffekt. Denna kursdel ingår som en del av en serie på fyra skärmningskursde­lar, där de tre övriga behandlar Apparatskärmning, Öppningar i skärm och lågimpediv sammanfogning av skärmningsdelar.

 

Övriga kurser i serien ger inblick i olika EMC-teknikområden såsom zonindelning, filtrering, jordning, men introduktionskursen och kursen om Störningskällor, störningsoffer och kopplingsvägar är ett måste för den som vill behärska EMC-tekniken.

 

Har du frågor eller synpunkter är du hjärtligt välkomna med dessa till info@contentavenue.se. Vi utlovar inga personliga svar (även om det kan bli så), men vid behov publicerar vi tillrättalägganden. Vi uppskattar ditt engagemang!

 

Miklos Steiner, redaktion@electronic.se

Ulf Nilsson, emculf@gmail.com