Введение

Настоящий инженер должен уметь отличать кабель от кабеля. Даже, если он не инженер саперных войск -:). Поскольку последствия ошибки выбора КПП приводят к серьезным материальным потерям и могут не менее фатально сказаться на карьере.

Данная статья поможет лучше ориентироваться и правильно выбирать в огромном разнообразии кабельно-проводниковой продукции, с которой приходится сталкиваться инженеру АСУ ТП, а так же давать ответ на вопрос, почему цена двух кабелей RS-485 одинакового сечения может отличаться более, чем в 4 раза.

С этой целью подробно рассматриваются материалы и конструкция инструментальных кабелей и кабелей передачи данных и их влияние на эксплуатационные и экономические характеристики проектных решений.

В заключение приведены практические преимущества, которые можно получать выбирая качественный кабель, а так же перечень тех компаний, которые свой выбор уже сделали.

Материалы

Кабель изобретен более сотни лет назад, и его производство является классическим примером "старой" экономики и зрелой отрасли. Кабельная индустрия за эти годы видела все - и взлеты и падения, слияния и поглощения. В результате острой конкурентной борьбы выжили только сильнейшие, способные производить либо самый дешевый кабель и умеющие экономить на всем, либо предлагающие продукцию, отличающуюся какими-то выдающимися свойствами.

Для того, что бы понять, каким образом производители достигают минимальной цены или уникальных эксплуатационных характеристик, рассмотрим материалы и конструкцию современных кабелей передачи сигналов и данных.

Компоненты, из которых состоит кабель, это:

• Проводники
• Внешняя оболочка кабеля
• Внутренняя изоляция
• Экранирование и бронирование

Собственно ничего другого в кабеле нет.

Проводники

Проводники в кабелях могут изготавливаться из:

• меди луженой и нелуженой (tinned, bare)
• омедненной стали (copper covered steel, CCS)
• алюминия
• никеля, серебра и т. д. -:)

Конечно, со времени изобретения электричества, медь широко используется для изготовления кабелей из-за высокой проводимости, хороших механических свойств , и, когда-то (!), дешевизны. Луженая медь к тому же хорошо противостоит коррозии. Однако цены на медь , как и на все невозобновляемые ресурсы, бьют сегодня все рекорды и нет причин для изменения этой тенденции.

Поэтому для высокочастотных кабелей, где высокочастотный ток вытесняется в тонкий слой поверхности проводника вследствие скин эффекта, применяют омедненную сталь.

Сравнительно дешевый алюминий используют для изготовления экранов и оплеток. Проблему пайки решают с помощью луженного медного дренажного провода, проложенного по всей длине кабеля.

Никель и серебро применяется для покрытий поверхностей высокодобротных высокочастотных кабелей с низкими затуханиями и потерями.

Классификация по AWG

AWG - это американский стандарт проводов (American Wire Gauge) Калибр провода в стандарте AWG отражает приведенный средний диаметр провода. Чем толще провод, тем меньше его калибр в AWG. Например AWG 26 это диаметр 0.404 мм, сечение 0.127 мм ², AWG 24 - диаметр 0.511 мм, сечение 0.203 мм².

Провод производятся на специальных волочильных станах с помощью протягивания исходной заготовки через серию фильер. Компания Belden использует заготовку диаметром 8 мм и имеет возможность получать из нее монолитный медный проводник толщиной с человеческий волос или AWG 44.

Рис. 1. Исходная заготовка и конечный продукт - проводник AWG 44.

Внутренний проводник кабеля может быть однопроволочным, монолитным (solid) или многопроволочным (strained). В обозначении этот находит свое отражение следующим образом: AWG 24, 7x32 означает 7 проволок AWG 32 d0.610 мм, 0.226 мм ².

Как отмечалось выше, в высоко конкурентной и зрелой кабельной отрасли, цена кабеля определяется не жадностью фирм изготовителей, а ценой использованных материалов. Для медных кабелей это прежде всего цена меди.

Сэкономить на меди можно двумя способами. Первый способ - это изобрести нестандартное сечение, а второй - это сэкономить собственно на меди.

Так некоторые компании изобрели интересный маркетинговый ход - производить кабель с сечением, которое находится между стандартными типоразмерами AWG. Такие сечения тяжело сравнивать, они как правило "чуть-чуть" меньше стандартных. Менеджеры по продажам убеждают в том, что это "почти" AWG XX, что как раз в ваших уникальных условиях данное сечение является оптимальным, и тому подобное. Вам, конечно, решать, но в любом случае решение нужно принимать осознанное.

Еще более пугающие тенденции наблюдаются на рынке отечественного силового кабеля. Быстро осознав, что основным критерием выбора кабеля у нас является цена, некоторые отечественные производители стали использовать вместо меди различные подозрительные сплавы, содержание меди в которых неуклонно падает.

Однако ставить знак равенства между двумя медными кабелями одинакового сечения рано. Меломаны знают что и медь бывает разной. Так , при изготовлении микрофонных и спикерных кабелей Belden с медными проводниками используется только медь низкого сопротивления, полученная процессом ETP (Electrolytic Tough Pitch). В результате этого процесса получают медь 99.95% чистоты, проводимость которой соответствует стандарту ASTM B115. Высокая чистота, обеспечиваемая процессом ETP, позволяет добиться качества, сравнимого с бескислородной медью.

Таким образом, варьируя нестандартными сечениями и составом меди, некоторые производители получают ценовое преимущество до 30% - 50 % по отношению к добросовестным конкурентам.

Сэкономить при желании можно не только на меди, а и на производстве из нее собственно проводников..

Проводники бывают одножильными и многожильными.

Рис.2 Пример одножильного кабеля

В одножильном проводнике одна монолитная проволока образует проводник. Кабель с такими проводниками относительно жесткий и используется при фиксированном монтаже, где существенные и частые изгибы исключены. Представьте себе канцелярскую скрепку и то, как она гнется, и вы получите представление об устойчивости к изгибам монолитного проводника. Типичное приложение одножильных сигнальных кабелей - телефонная разводка внутри помещения. Это самый экономичный способ получить нужные квадраты сечения при прочих равных условиях.

Рис. 3. Многопроволочная скрутка

Многожильный провод включает в себя несколько монолитных проводников, свитых или собранных вместе. Например, 7 монолитных жил AWG 36 собираются в пучок вместе, что бы сделать один AWG 28 многожильный проводник. Чем больше в кабеле проводников, тем он гибче, тем меньше он оказывает сопротивление токам высоких частот вследствие поверхностного эффекта, и тем он соответственно дороже.

Большинство приложений в электронике используют многожильный провод, сформированный из 7-ми монолитных проводников.

Скрутка так же бывает разная. Самый дешевый способ - это скрутка пучком:

Рис. 4. Скрутка пучка проволок

В этой скрутке отсутствует какой-либо геометрический рисунок. Положение каждого проводника случайно. В основном применяется в кабелях питания.

Более продвинутый способ скрутки - это концентрик.

Рис. 5. Скрутка проводника методом концентрик

При скрутке концентрик проводники располагаются слоями. Позиция каждого проводника по отношению к соседям контролируется. Например, 19-ти проволочный проводник состоит из 12-ти проволок, навитых вокруг 6-ти, которые в свою очередь навиваются вокруг одной центральной проволоки. Каждый последующий слой накручивается в противоположном направлении, что бы избежать самораскручивания.

Если смириться с самораскручиванием ( а это не только повышенный износ кабеля, но и дополнительные помехи, возникающие вследствие движения проводников относительно диэлектрика и друг друга), то можно применить компромиссный вариант, который более легок в изготовлении, а следовательно дешев - юнилэй.

Рис.6. Скрутка проводников методом юнилэй (unilay)

Это тот же концентрик, но все проводники всех слоев закручены в одну сторону, по часовой или против часовой стрелки.

Качество скрутки, точность изготовления вместе с однородностью диэлектрика напрямую связаны с помехозащищенностью витой пары - наиболее популярного в настоящее время кабеля передачи данных.

Рис 7. Воздействие электромагнитной волны помехи на витую пару.

Подавление помех в витой паре основано на том, что падающая электромагнитная волна помехи, наводит в проводах витой пары синфазные напряжения (соответственно и токи) одинаковой величины при наличии двух условий: (1) если длинна волны помехи много больше расстояния L между проводниками (условие синфазности), и если (2) комплексное сопротивление Z проводников по отношению к земле и другим цепям строго равны на всей длине линии в широком диапазоне частот.

Полезный же сигнал передается одинаковыми противофазными напряжениями, которые затем усиливаются дифференциальным каскадами магистрального приемника. Напряжение на выходе дифференциального усилителя пропорционально разнице сигналов на его входах. При поступлении равных напряжений на входы идеального дифференциального усилителя, выходное напряжение Uвых будет равно нулю. Следовательно, если помеха наводит строго одинаковые сигналы на проводники витой пары в любой момент времени, тогда напряжение на выходе идеального дифференциального усилителя всегда будет равно нулю.

Современные магистральные приемопередатчики эффективно подавляют синфазный сигнал на 70-100 dB и даже больше. Это означает, что десятки вольт синфазной помехи превратятся в доли процента аддитивной помехи милливольтного полезного сигнала. Но, даже самый лучший дифференциальный приемник ничего не сможет поделать с несимметричной кабельной системой. Все сотни децибел подавления синфазного сигнала окажутся бесполезными, поскольку на входы приемника изначально придут сигналы помехи в разных фазах.

Не менее вредны отклонения волнового сопротивления витой пары от заданного, вследствие тех же причин - а именно неточности изготовления и неоднородности диэлектрических характеристик. При нагрузке витой пары на активное сопротивление, равное волновому, например терминатор, встроенный в оконечное устройство, сопротивление витой пары становится активным в широком диапазоне частот и линия переходит в режим бегущей волны. Это означает, что и форма сигнала и фронты будут передаваться практически без искажений, установится оптимальный режим передачи энергии с одного конца кабеля на другой с минимальным затуханием.

Если же волновое сопротивление витой пары отклоняется от стандартного, на которое рассчитан терминатор, в линии появятся стоячие волны, а в ее комплексном сопротивлении - реактивная составляющая - емкостная или индуктивная, в зависимости от физической длинны кабеля. Как известно любая емкость или индуктивность приводит к искажению формы сигнала и к затягиванию фронтов, а как известно, пологие фронты являются источником ложных срабатываний магистральных приемников. Кроме того, режим передачи энергии становится неоптимальным, затухания возрастают.

Ситуация усугубляется в случае излишних перегибов кабеля при монтаже и резких поворотов кабельной трассы, приводящих к смещению проводников витой пары относительно друг друга, характерных для дешевого кабеля.

Рис. 8. Влияние отклонений волнового сопротивления кабеля от номинального на форму передаваемого импульса

Поэтому не стоит ожидать рекордной помехозащищенности, высоких скоростей и расстояний передачи данных от кабеля, изготовленного из сомнительного металла на разбитом отечественном или китайском оборудовании.

Внешняя оболочка кабеля и внутренняя изоляция

Оболочка физически защищает внутренние компоненты кабеля, придает внешний вид и обеспечивает устойчивость к горению. Кроме того она защищает от внешних воздействий и неприятностей при монтаже.

Внутренняя изоляция изолирует проводник в кабеле механически и электрически.

Внешняя оболочка и внутренняя изоляция во многом определяет электрические и механические характеристики кабеля, их стабильность во времени, срок службы кабеля и характер деградации характеристик в процессе старения. Поэтому лидеры кабельной отрасли затрачивает огромные дополнительные усилия и время на разработку рецептур своих собственных изоляционных материалов. Так компания Belden имеет не только собственные патентованные рецептуры, но и зарегистрированные торговые марки на выпускаемые изоляционные материалы, например Flamarrest®, Datalene®,Haloarrest™,Tefzel™,Halar™,Solef™

В результате изоляционные материалы Belden обеспечивают превосходные эксплуатационные качества при воздействии разнообразных неблагоприятных факторов окружающей среды.

Приведем вкратце свойства некоторых популярных материалов.

ПВХ (PVC)

ПВХ или поливинилхлорид ( в просторечии - хлорка) является наиболее традиционным изоляционным материалом представляет собой сложную смесь, свойства которой сильно зависят от состава. ПВХ обычно эластичный и достаточно прочный, не горюч (IEC 60332-1, 2, 3С), однако имеет не слишком хорошие электрические параметры и используется в основном для кабельных оболочек. ПВХ не слишком хорошо сдерживает влагу и годится в основном для внутренней прокладки. ПВХ имеет температурный диапазон от -20°C до +60°С.

Тем не менее, специальные составы, изготовленные по оригинальной рецептуре Belden имеют могут иметь температурный диапазон от -55°С до 105°С и использоваться для наружной прокладки (Belflex™, Oil resistant).

Полиэтилен ( ПЕ, PE)

Полиэтилен, который ассоциируется с полиэтиленовыми пакетами и крышками в быту, обладает целой комбинацией выдающихся качеств, делающих его незаменимым в кабельной промышленности. Во первых полиэтилен имеет отличные электрические и механические параметры, он прочный и достаточно жесткий, хорошо защищает от влаги, подходит для наружной прокладки, широкий рабочий диапазон температур от -60°С до +80 °С и все это по очень приемлемой цене. Но, к сожалению, полиэтилен очень хорошо горит.

Полиэтилен часто используется как диэлектрик в коаксиальных кабелях, вспененный или сплошной.

Существует так же хлорированный полиэтилен (ХПЭ, CPE) , который обладает высокой химической стойкостью, к тому же не горит. Хлорированный полиэтилен имеет рабочие температуры от -35°C до +90°С.

Teflon® ( фторопласт )

Teflon® является зарегистрированной торговой маркой фирмы Dupont, так же давно применяется в быту. Teflon - практически идеальный диэлектрик, обладающий исключительными электрическими параметрами, минимальными потерями в широчайшем диапазоне частот. Существует два вида тефлона - PTFE (фторопласт-4) и FEP . Teflon® обладает хорошими механическими параметрами, отлично защищает от влаги, термостойкий с температурным диапазоном от -70°С до +200 °С и даже до +260°С. PTFE практически не горит, исключительно химически стойкий, сложный в производстве и обработке.

Belden изготавливает из тефлона пожаростойкие кабели и кабели, предназначенные для эксплуатации при высоких температурах в системах передачи данных, контрольно измерительной аппаратуры, АСУ ТП и в других коммерческих и промышленных применениях, а так же кабели, предназначенные для прокладки между фальшпотолком и перекрытием, не требующие применения кабелепроводов и сокращающие время монтажа.

Безгалогенные негорючие компаунды ( LSNH, LSZH, LSOH, FRNC)

Галогены это чрезвычайно ядовитые, летучие и химически активные вещества, вступающие в реакцию практически со всеми простыми веществами. В связи с тем, что галогены, интенсивно выделяющиеся при горении полимеров (до 180 л на 1 кг изоляции из ПВХ), являются основной причиной тяжелых отравлений при пожарах, существуют международные нормы, ограничивающие применение галогеносодержащих материалов в жилых и офисных помещениях.

Компания Belden разработала и производит на своих европейских заводах LSNH (Low Smoke, No Halogen) – сложные безгалогенные компаунды, которые негорючие , при разложении не выделяют токсичных и вызывающих коррозию веществ и полностью удовлетворяют требованиям стандартов IEC 60332-1, 2, 3C, HD 624, HD 602.

Кабели, изготовленные из безгалогенных компаундов могут использоваться как для внутренней, так и для внешней прокладки. В номенклатуре Belden их легко отличить по суффиксу NH (например 9463NH )

Другие материалы

К другим материалам, используемым в диэлектриках и оболочках относятся полипропилен (PP) - похож по свойствам на полиэтилен, полиуретан (PUR) обладающий хорошей химической стойкостью, резина и ее заменители (EPDM - каучукоподобный этиленпропиленовый диэлектрический полимер, TPE, Neopren™, Hypalon™, каучук и природный каучук) обладающие высокой эластичностью, широким температурным диапазоном, но плохими диэлектрическими свойствами.

Нововведением Belden является материал для производства оболочек Flamarrest®. Этот компаунд характеризуется низкой воспламеняемостью и малым выделением дыма, он в пять раз более гибкий, чем флуорокополимер PVDF. Кабели в оболочке Flamarrest® недороги и просты в монтаже. В широкий перечень оригинальных компаундов для оболочек, запатентованных Belden, также входят Tefzel™, Halar™, Solef™ (все на основе фторопласта), Datalene® - пенополиэтилен, Haloarrest™- негорючий, безгалогенный материал.

Свойства вышеперечисленных и других материалов, используемых при изготовлении внутренних изоляторов и оболочек, приведены в таблице 1 ниже:

Сокращения:
PVC=поливинилхлорид•CPE = хлорированный полиэтилен• HDPE = полиэтилен высокой плотности• LDPE = полиэтилен низкой плотности• PUR = полиуретан • LSNH = безгалогенный негорючий компаунд • FEP = фторопласт • 1 = плохая • 2 = удовлетворительная • 3 = хорошая • 4 = превосходная • 5 = исключительная

Табл.1.Свойства изоляторов и оболочек

Экранирование

Рис. 9. Многопарный кабель Belden c индивидуальным экраном

Способ экранирования электрического поля был изобретен Майклом Фарадеем, который в 1836 году изобрел свою знаменитую клетку. Принцип работы клетки Фарадея очень простой - при попадании замкнутой электропроводящей оболочки в электрическое поле, свободные электроны оболочки начинают двигаться под воздействием этого поля. В результате противоположные стороны клетки приобретают заряды, поле которых компенсирует внешнее поле (см. рис. 9).

Рис. 9. Клетка Фарадея

Строго говоря, клетка Фарадея защищает только от электрического поля. Статическое магнитное поле будет проникать во внутрь. Но электромагнитная волна ( в том числе волна от помех и наводок) образована из-за непрерывного взаимопорождения двух изменяющихся полей - электрического и магнитного, процесс которого описан уравнениями Максвелла. Изменяющееся электрическое поле создает изменяющееся магнитное, которое , в свою очередь создает изменяющееся электрическое. Поэтому, если мы, с помощью клетки Фарадея, блокируем изменяющееся электрическое поле, то, изменяющиеся магнитное поле генерироваться так же не будет.

Однако, в области высоких частот, действие такого экрана основано на отражении электромагнитных волн от поверхности экрана и затухании высокочастотной энергии в его толще вследствие тепловых потерь на вихревые токи.

Поэтому способность клетки Фарадея экранировать электромагнитное излучение определяется толщиной материала , из которого она изготовлена, глубиной поверхностного эффекта, соотношением размеров проемов в ней с длиной волны внешнего излучения.

Поверхностный эффект - это известный из физики эффект вытеснения токов высокой частоты к поверхности проводника, приводящий к тому, что на высоких частотах реально работает только очень тонкий слой поверхности, а внутри проводника ток отсутствует вовсе. Идея биметаллических проводников основана на поверхностном эффекте и состоит в том, что дорогой высокопроводящий металл, медь, используется только для тонкого покрытия, а сам проводник изготовлен из прочной и дешевой стали. Соответственно качество поверхности, степень ее окисления определяет электрические параметры проводников с током на высоких частотах.

Понятно, что для экранировки кабеля необходимо создать клетку Фарадея с хорошо проводящей поверхностью по всей длине экранируемых проводников. Вопрос только, как ее изготовить максимально технологично, с минимумом затрат на материалы, энергию, машинное временя и рабочую силу.

Экран типа Beldfoil®

Компания Belden разработала и запатентовала простой и эффективный способ экранирования кабеля на основе сэндвича из слоя фольги, нанесенного на пленку из полиэстера, под названием Beldfoil®.

Рис. 10. Технология Beldfoil®, оранжевым цветом показана фольга, синим - изолирующая полимерная пленка.

С помощью технологии Beldfoil® компания Belden убивает сразу двух зайцев - во первых добивается гибкости и, немаловажно, износостойкости экрана, благодаря отличным механическим свойствам полиэстера, а во вторых обеспечивает идеальное качество его поверхности на протяжении всего срока службы кабеля, поскольку доступ кислорода воздуха к ней исключен.

Кабель с экранировкой Beldfoil® обязательно имеет медный луженый дренажный провод, хорошо контактирующий с фольгой по всей длине кабеля. Дренажный провод позволяет легко заземлить экран и снять шумы и наводки, индуцированные в нем вследствие антенного эффекта..

Замыкающая складка

Рис. 11. Замыкающая складка

Технология Beldfoil®, как и все в этом мире, имеет и свои недостатки. В классической реализации Beldfoil®, клетка Фарадея получается незамкнутой, с щелью, хотя и очень узкой, в доли миллиметра. Тем не менее, такая щель по всей длине кабеля существенно ухудшает параметры экранировки на высоких и сверхвысоких частотах вследствие "щелевого эффекта".

Компания Belden предложила простое и красивое решение, добавив дополнительную складку при оборачивании проводников полиэфирным сэндвичем. Эта складка надежно замыкает экран по всей длине, устраняя щелевой эффект и значительно улучшая АЧХ экрана (см. рис. 11).

Z-FOLD®

До сих пор мы рассматривали экранировку одной единственной витой пары, тогда как современные интерфейсные и инструментальные кабели часто включают в себя несколько витых пар, в общем, либо индивидуальном экране.

Нужно сказать, что кабель не излучает и не поглощает внешнюю энергию, если сумма величин токов в любом его сечении в любой момент времени относительно общей шины (земли) равна нулю. Данное условие выполняется в случае витой пары тогда, когда сигналы передаются парафазным сбалансированным сигналом, как например это сделано в интерфейсах RS-485 или Ethernet, и, если по экрану не протекает синфазный ток относительно общей шины (земли).

Причин возникновения такого тока в экране может быть много, но наиболее просто получить значительный такой ток величиной в единицы (а иногда десятки) ампер, частотой 50 Гц, просто заземлив экран кабеля с двух сторон, присоединив его к двум разным низкоомным землям. Опытные радиолюбители знают - что бы микрофон не фонил, экран нужно заземлять с одного конца.

Так вот, если экраны в многопарном кабеле не будут изолированы, вам не удастся заземлить их с нужной стороны при любой схеме подключения.

Вообще изоляции экранов кабелей передачи данных следует уделять не меньшее внимание, чем изоляции сигнальных проводников. Экраны не должны случайным образом касаться корпусов, трубных проводок, фальшполов, элементов конструкций, иначе тяжело идентифицируемые сбои и потери производительности просто неизбежны.

И так, вывод очевиден - экраны отдельных витых пар в качественном многопарном кабеле должны быть изолированы друг от друга и от внешней оплетки. Нет проблем одеть каждый экран в еще одну оболочку, например из ПВХ. Но компания Belden решает задачу до гениальности просто - добавив еще одну складку в свой сэндвич (см. рис. 12.). Полученную технологию Belden назвал Z-FOLD®.

Рис. 12. Z-FOLD®

Не лишне будет заметить, что только компания Belden обладает патентом на данную технологию и может применять ее в своих кабелях.

Экран типа DUOFOIL®

Как уже говорилось выше, сэндвич из фольги с полиэстером позволяет создать превосходные опции для экранировки кабеля. Что, если добавить еще один слой фольги в полученный пирог ? Получится экран DUOFOIL® компании Belden, который содержит дополнительный слой фольги, увеличивая надежность экранировки и количество циклов изгиба кабеля, в тоже время ставя дополнительный барьер помехам и уменьшая сопротивление экрана.

Рис. 13. Экран DUOFOIL®

Экран DUOBOND®

Конструкция кабеля делает из него прекрасный капиллярный насос. Отрежьте достаточно длинный кусок обычной витой пары и поставьте один из ее концов в стакан воды. Посмотрите, как быстро кабель ее "выпьет". Благодаря силам поверхностного натяжения вода быстро заполнит все микропустоты кабеля и поднимется на любую высоту. Это же произойдет, если влага попадет в повреждения оболочки, или в негерметичные соединения.

Не нужно много объяснять, почему это плохо. Влага приводит к коррозии металлических частей и покрытий кабеля. Впрочем для силовых кабелей этот процесс идет сравнительно медленно, поскольку деградация характеристик кабеля в следствие коррозии идет в основном за счет уменьшения его сечения.

Совсем другое дело в случае высокопроизводительных кабелей передачи данных. Как уже отмечалось, из-за поверхностного эффекта, на высоких частотах работает именно поверхность. А как известно, именно поверхность и покрытия первыми принимают на себя удар коррозии.

Но еще до окисления поверхностей, с попаданием влаги "поплывут" все диэлектрические характеристики изоляторов и волновые сопротивления. Последствия обсуждались выше.

Но все вышесказанное справедливо для "обычного" кабеля, например изготовленного на заводе, производящем силовой кабель, и решившем побыстрому горизонтально интегрироваться в смежный бизнес кабелей передачи данных.

Если же уделить вопросам влагозащиты достаточное внимание, подобных последствий можно избежать.

Рис. 14. Экран DUOBOND®

Компания Belden, добавив специальный адгезивный слой между проводником и экраном, в своей патентованной технологии DUOBOND®, одновременно решила три задачи. Во-первых слой адгезии из несмачиваемого материала, заполнивший капилляры решил проблему влагозащиты. Во-вторых этот слой обеспечивает более быструю, удобную и надежную заделку, в-третьих этот слой выполняет механическую функцию, обеспечивая целостность экрана.

Ну и как всегда, все скрыто в мелочах - фокус даже не в том, что бы догадаться добавить подобный слой в кабель, а в его составе, который не должен влиять на электрические параметры кабеля в широком диапазоне частот.

Оплетка

Рис. 15. Оплетка

Говоря о способах экранировки, нельзя обойти вниманием самый традиционный метод экранировки кабелей - оплетку.

Суммируя свойства данного вида можно сказать, что оплетка придает кабелю высокую прочность, гибкость и устойчивость к механическим воздействием, множественным перегибам. Оплетка обеспечивает от 40% до 98% покрытия поверхности кабеля. Правда это касается оплетки, изготовленной компанией Belden. При выборе кабеля невредно поинтересоваться , какой процент поверхности покрывает оплетка, из какого материала она выполнена, чем покрыта, а не просто удовольствоваться фактом ее существования.

Тем более, что и других отличий при вышеперечисленных равных параметрах хватает. Например экран типа "French Braid" (французская оплетка) - запатентованная Belden конструкция из двух встречных многожильных спиралей с чередующимся перехлестом вдоль единственной смещенной оси, отличается от обычной оплетки, в которой перехлесты равномерно распределены по поверхности. Эта конструкция обеспечивает улучшенный ресурс по сгибу по сравнению со стандартными витыми экранами, повышенную гибкость по сравнению с традиционными экранами кабелей, и более низкий уровень микрофонных и трибоэлектрических шумов, чем иные витые или традиционные экраны кабелей. Кабели с “французской оплеткой” проще оконцовывать, поскольку спирали легко расплетаются. Кроме того, эта оплетка имеет меньшее, чем обычный спиральный экран, сопротивление постоянному и переменному току.

Рис. 16. Оплетка "French Braid" - изобретение Belden

Спиральная оплетка состоит из проводников навитых спиралью на вокруг изолированных проводников или ядра кабеля. Проводники, как правило, изготавливаются из меди.

Рис. 17. Спиральная оплетка.

Спиральная оплетка обладает непревзойденной гибкостью и живучестью на изгиб. Обеспечивает до 97% покрытия, легко заделывается и потому идеально подходит для аудио применений. Однако сравнительно высокая индуктивность ограничивает другие использования данного вида оплетки.

Так фольга или оплетка ?

Рис. 18. Коэффициенты экранирования оплетки и фольги

Так какому же методу экранирования следует отдать предпочтение - фольге или оплетке ? Взглянем на зависимости коэффициента экранирования фольги и оплетки от частоты ( рис. 18.) .

На относительно низких частотах до нескольких десятков мегагерц оплетка обеспечивает лучшее экранирование, чем фольга, главным образом за счет своей толщины. Однако затем экранирующие способности оплетки резко падают и становятся почти неприемлемыми еще до 100 МГц.

В то же время фольга имеет плоскую амплитудно-частотную характеристику , сохраняя удовлетворительные экранирующие способности в очень широком диапазоне частот, вплоть до гигагерц.

В те времена, когда был изобретен первый коаксиальный кабель, имевший экран из оплетки, радиостанции вещали только в средне и длинноволновом диапазонах, короткие волны считали бросовыми и непригодными для радиосвязи, а ультракороткие только исследовали. Даже каких-то 15-20 лет сантиметровый диапазон использовался главным образом для космической радиосвязи и РЛС, а частотный привод делали на тиристорах, формируя выходное напряжение из отрезков синусоиды частоты 50 Гц.

Сегодня всепроникающий частотный привод делают на высокоскоростных IGBT, формируя ШИМ с несущей частотой в десятки килогерц, обычная мобилка излучает частоты 900 МГц или даже 1800 МГц, а технологии WI-FI, уверенно приходящие, в цеха, уже забрались до 2,4 - 5,7 ГГц! Сравните с графиком на рис. 18. и станет ясно, что эра кабелей с экраном из оплетки уходит в прошлое.

Осознавая вышеизложенное и в полном соответствии со своей миссией, которая заключается в передаче сигналов без искажений, компания Belden выпускает кабели, которые имеют два слоя экрана из фольги и оплетки, либо даже четыре слоя, где фольга чередуется с оплеткой дважды, что позволяет сочетать в одном кабеле лучшие свойства фольги и оплетки.

Рис. 19. Комбинация фольги и оплетки

Но дело не только в частоте наводки, а и в ее характере. Вообще о наводках, паразитных связях, электромагнитной совместимости можно говорить вечно, но это не является темой данной статьи. По этой теме написаны трактаты, дающие иногда противоречивые рекомендации. От инженеров приходится слышать о том, что "Борьба с наводками - это не наука, это искусство". Альтернативное мнение состоит в том, что искусство - это делать из неподходящего материала поражающий элемент огнестрельного оружия. Если же с материалами проблем нет, (см. таблицу ниже), то обеспечение помехоустойчивости и конфиденциальности передачи информации превращается в ремесло.

Бронирование

Как уже говорилось, кабель должен обеспечивать защиту не только от электрических воздействий, но и от механических повреждений при монтаже и эксплуатации. Дополнительную механическую защиту обеспечивает бронирование.

Рис. 20. Бронирование

Бронирование осуществляется двумя методами, либо добавлением слоя гофры из алюминия или стали, что принято в США, либо оплетки из стальных проволок, что характерно для Европы.

Первые кабели легко распознать в каталогах и прайсах Belden по префиксам 1 2 для алюминия и 1 3 для стали. Например 1 2 9463 - это стандартный кабель 9463 с гофром из алюминия, а 1 3 9463 - тот же кабель, но с гофром из стали.

Вторые отличаются суффиксом LS - например 9463 LS - это опять таки тот же кабель, но с броней из стальной оплетки.

За все нужно платить

Рис. 21. Соотношение цен кабелей с различным типом экранов.

Интересно отметить качественную картину изменения стоимости кабеля в зависимости от типа экрана (рис. 21).

Если принять стоимость среднестатистического кабеля в оплетке за единицу, тогда как точно такой же кабель, но со спиральным экраном будет в 3 раза дороже, с экраном из фольги - в 3,5 раза дороже. Добавление дополнительных слоев фольги и оплетки удорожает кабель в 4,2 раза по сравнению с кабелем с одним слоем оплетки в качестве экрана.

Поэтому рассматривая две "почти одинаковых" витых пары, например для интерфейса RS-485, от разных производителей разница в цене более чем в 4 раза может быть обусловлена просто другим типом экранирования.

А нужно ли инвестировать в качество ?

Действительно, это вопрос для любой компании, независимо от того, использует ли она кабель в своей деятельности или нет.

Мантры современной теории бизнеса говорят о том, что делать качественную продукцию выгоднее, чем некачественную, поэтому она как минимум не должна стоить дороже последней. Наверное это справедливо ,если исчислять стоимость правильно, считая чистую приведенную стоимость всех расходов за весь срок службы продукции и учитывая такие тяжело поддающиеся оцениванию материи, как стоимость деловой репутации и имени компании.

Однако, и у системного интегратора, побеждающего в тяжелых тендерах и у предприятия, пытающегося поместиться в жесткие рамки бюджета, есть мощный стимул сэкономить сейчас вместо экономии когда-либо потом. Тем более , как было показано выше, экономить есть на чем и экономить можно в разы.

Поэтому решение данного вопроса сугубо индивидуальное для каждого случая и конкретной компании.

Здесь же просто подытожим те выгоды, на которые можно рассчитывать, используя качественный кабель.

1. Долговечность. Качественный кабель служит в разы дольше. На сайте компании Belden приведены результаты исследований по деградации характеристик кабелей различных производителей в процессе эксплуатации из-за старения. Кабели компании Belden демонстрируют исключительную стабильность своих характеристик во времени, причем это касается не только электрических характеристик, но и механических. Такие кабели со временем не деревенеют, не накапливают влагу, не растрескиваются на солнце. Поэтому их смело можно использовать даже во второй раз. Невредно сравнить срок службы кабеля со сроком службы всего приложения, объекта, системы. Если срок службы приложения больше, оцените стоимость затрат на новый кабель, демонтаж и монтаж новых кабельных трасс, не забудьте добавить стоимость простоя оборудования, а так же риска выпуска бракованной продукции из-за отказа кабеля. Если же Вы анонимно выпускаете одноразовые кипятильники, то Вам есть на чем еще сэкономить, в том числе и на кабеле.
2. Точность и чистота передачи сигналов для инструментальных кабелей - это значит Вы будете точнее поддерживать температуру на тарелке в ректификационной колонне или дозировать материал, получая кристально чистый, незамусоренный помехами сигнал от датчиков, не тратя времени на дополнительную фильтрацию, ухудшающую динамические характеристики регуляторов. Эти улучшения благотворно отразятся на качестве и себестоимости выпускаемой продукции.
3. Более высокая производительность. Качественный кабель обеспечит более высокую пропускную способность сети, как за счет возможности работать на более высоких скоростях для простых последовательных протоколов, так и из-за отсутствия искаженных пакетов данных, требующих повторной пересылки для сетей IEE 802.3. Из практики известны случаи, когда производительность сети Ethernet уменьшалась в 5-10 раз за счет появления "битых" пакетов в момент включения конкретного частотно-регулируемого привода. Это приводит как минимум к рассинхронизации данных, получению недостоверной информации, и, как максимум, к отказам и зависаниям систем автоматики.
4. Больший радиус покрытия сети. С качественным кабелем можно надеяться, что максимальные расстояния между репитерами сети передачи данных, оговоренные стандартом, могут быть преодолены. Конечно, этого нельзя гарантировать всегда и при любых условиях, но автору известны случаи, когда с помощью кабеля Belden удавалось перекрыть расстояние более 3 км на приличной скорости при стандарте 1.2 км. для интерфейса RS-485.
5. Большая конфиденциальность передачи информации. Если кабель не воспринимает излучения извне вследствие высокой экранировки, следовательно, он и не излучает. Во многих приложениях это важно с целью недопущения несанкционированного съема информации с линий связи.
6. Расширения области применения приложений. Некоторые проекты становятся реализуемыми только благодаря наличию уникальных свойств и стойкости кабельно-проводниковой продукции. Например, надежная передача информации из ПЛК, расположенном в кабине мостового крана стала возможной благодаря сверхгибкому кабелю для Profibus компании Belden, многие приложения в металлургии, коксохимическом производстве требуют одновременной стойкости к высоким температурам и агрессивной среде, другие приложения в атомной энергетике не состоялись бы, если бы не было радиационно-стойкого кабеля, устойчивого к воздействию борной воды.

Такие производители , как ABB, Rockwell Automation (Allen Bradley), Westinghouse, Emerson Process Management (Fisher/Rosemount Controls),GE Fanuc, Honeywell,Invensys/Foxboro,Limitorque,Matsushita,Mitsubishi,Modicon/ Schneider AEG,Omron,Phoenix Contact,Siemens,Yokogawa считают, что инвестировать в качество жизненно необходимо.

Они сделали свой выбор - для них Belden давно выпускает кабель с соответствующими заказными номерами и маркировкой.

Какой кабель выберете Вы?

Литература

1. Презентация компании BeldenCDT