Pokiaľ ide o nízkofrekvenčné riadenie, prepínanie a jednosmerné napájanie, je možné vykonať prácu bez toho, aby ste sa museli príliš starať o kvalitu použitej kabeláže. Ak má byť bod A pripojený k bodu B a ohmmeter hovorí, že to vo všeobecnosti stačí. Tá pravá "zábava" sa zvyčajne začína vtedy, keď prevádzka obvodu A začne rušiť prevádzku obvodu B, alebo ak zariadenie pracuje s nízkofrekvenčným signálom, napríklad z mikrofónu alebo snímacej cievky. Ak sa v blízkosti nachádza akýkoľvek druh vysielača alebo možno citlivý prijímač, mohlo by sa začať objavovať nežiadúce vysokofrekvenčné rušenie, ktoré by kontminovalo nízkofrekvenčný signál. V tomto článku poskytnem prehľad tienenia vrátane niektorých postupov, ktoré by ste mali poznať ako obranu proti nežiadúcemu rušeniu signálov.

Tienené vodiče

Väčšina z vás bude mať vo svojich zásobách nejaký tienený vodič. Možno je to tienený zvukový kábel s jedným alebo dvoma vodičmi vo vonkajšom tienení z tenkej fólie alebo okolo nich obalených jemnými drôtmi. Možno je to viacžilový ovládací kábel s opletením jadra. Či tak alebo onak, cieľ použitia týchto káblov je dvojaký:

• zabrániť (alebo aspoň znížiť) signály vo vnútri kábla v spájaní s inými obvodmi alebo káblami
• zabrániť tomu, aby bludné elektromagnetické polia vytvárali napätia a prúdy vo vodičoch.

Ak vo väčšine z týchto káblov - najmä tých, ktoré sú určené na použitie so zvukovým alebo vysokofrekvenčným signálom pod 1 MHz - stiahnete izoláciu a opletenie, uvidíte, že vodiče sú navzájom skrútené. Robí sa to z niekoľkých dôvodov. Samotné skrútenie vodičov ich drží stlačené a tak si držia svoj tvar, aby medzi nimi bola čo najmenšia voľná plocha, čo pomáha účinne znižovať napätie indukované vo vodičoch vonkajším poľom.

Na začiatku 19. storočia Faraday zistil, že meniace sa magnetické pole uzavreté vodičom indukuje napätie v tomto vodiči. Tento vzťah sa stal známy ako Faradayov zákon. Akákoľvek slučka tvorená vodičmi - či už sú to drôty v zariadení, vodiče v kábli alebo stopy na doske s plošnými spojmi (PCB) - bude zachytávať signál z bludného magnetického alebo elektromagnetického poľa. Podobne, meniaci sa prúd prúdiaci v slučke vytvorí a vyžaruje signál, ktorý môže byť zdrojom rušenia.

Ľahký a lacný spôsob, ako zabrániť tomu,  aby sa obvod nestal zdrojom alebo obeťou rušenia, je jednoduché skrútenie vodičov tak, aby plocha slučky, ktorú tvoria, bola čo najmenšia.  Alebo rozložte stopy na PCB pre signál a jeho spätnú cestu vedľa seba. Čím vyšší je prúd vedený slučkou alebo blízkymi vodičmi (napríklad pre motory alebo prístroje), tým je to dôležitejšie.

Udržuje elektrickú rovnováhu vodičov, takže všetky vyzerajú s externým poľom približne rovnako. Toto zabráni tomu, aby sa signály, ktoré môžu byť spojené s káblom na všetkých vodičoch (signály v bežnom režime), konvertovali na signály, ktoré nie sú rovnaké na rôznych vodičoch (signály v diferenciálnom režime), a tak interferovali s požadovanými signálmi. Obrázok 1 zobrazuje príklady signálov bežného a diferenciálneho režimu na rôznych typoch káblov.

Príklady signálov spoločného a diferenciálneho režimu pre rôzne typy káblov. A zobrazuje prúd signálu diferenciálneho režimu v dvojvodičovom netienenom kábli. B zobrazuje signálny prúd spoločného režimu so spätnou cestou cez kryt a uzemnenie. V C prúdi signál spoločného režimu na vonkajšej strane tienenia koaxiálneho kábla so signálom diferenciálneho režimu vo vnútri kábla. D zobrazuje signál rozdielového režimu na signálnych vodičoch vo vnútri tienenia, pričom prúd bežného režimu prúdi na vonkajšiu stranu tienenia. (Obrázok :  American Radio Relay League.)

Nedrží teda tienenie všetky polia mimo kábla? Bohužiaľ, nie vždy je tomu tak. Pri veľmi nízkych frekvenciách - napríklad pri striedavom napätí 50/60 Hz - prechádzajú magnetické polia z transformátora alebo elektrického vedenia takmer cez všetky druhy tienenia, pretože materiál tienenia nie je dostatočne hrubý na to, aby dostatočne potlačil tieto rušenia. Ani vysoko kvalitné tienenie koaxiálneho kábla veľakrát nestačí a neprinesie želaný efekt. Stačí priviesť nízkofrekvenčný signál cez kúsok koaxiálneho kábla voľne položeného na výkonovom transformátore, alebo v jeho tesnej blízkosti, aby ste počuli indukovaný sieťový 50/60 Hz brum. S rastúcou frekvenciou je tienenie účinnejšie, avšak iba za predpokladu, že je správne vykonané. Ak nie, tak nastávajú niekoľko hodinové patálie s hľadaním čo jeho najlepšieho potlačenia. Verte mi, viem o čom hovorím a potvrdia mi to aj tý z vás, ktorý ste stavali nejaký audio zosilňovač.

Aké efektívne je vaše tienenie?

Magnetické pole je tlmené absorpciou, keď prechádza hrúbkou tienenia o 8.7 dB pre každú hĺbku izolácie. Obrázok nižšie je graf hrúbky izolácie vs. frekvencie pre bežné tieniace materiály. Čím menšia je hrúbka izolácie pre tieniaci materiál, tým vyššia je absorpcia, ktorú poskytuje pre danú hrúbku.

Iba magnetické materiály môžu poskytovať magnetické tienenie pri sieťových frekvenciách striedavého prúdu. Tieniace materiály ako sú napríklad meď a hliník sú dostatočne silné na to, aby vytvorili pevné šasi alebo kryt pre vaše zariadenie a začínajú poskytovať magnetické tienenie pre frekvencie nad 10 kHz a sú dosť účinné aj nad frekvenciu 1 MHz.

Tienenie elektrického poľa nastáva odrazom a stratu je možné vypočítať pomocou vzorca:

R = 20 log [(Z_W / 4Z_S) cos Φ] dB

kde R je strata odrazu, Z_W je vlnová impedancia (377 Ω vo voľnom priestore), Z_S je impedancia tienenia a Φ je uhol medzi poľom a tienením.

Pre bežné materiály tieniaceho štítu, ako je hliník, alebo meď, je Z_S <1Ω, takže aj veľmi tenký tieniací štít môže poskytnúť viac ako 70 dB tienenia. Tienenie elektrického poľa je celkom jednoduché - najmä pri nízkych frekvenciách. Tienenie elektrického poľa musí byť nepretržité a musí úplne zakrývať chránený tienený obvod. Typickým tieniacim krytom / štítom je kovový perforovaný kryt puzného zdroja, ktorého úlohou je zabrániť neželanému vyžarovaniu mimo obvod zdroja. Vo svojej podstate sa tak jedná o Faradayovu klietku.

Ďalším bežným typom tieneného kábla je koaxiálny kábel s jedným stredovým vodičom obklopeným vonkajším vodičom (tienením), oddeleným plastovým alebo vzduchovým dielektrikom. Prúd v koaxiálnom vodiči prúdi po vonkajšej strane stredového vodiča a na vnútornej strane tienenia, ktoré je buď pevne tkaný oplet z jemných drôtov, pevná kovová trubica (fólia alebo hrubšia vrstva), alebo ich kombinácia. Koaxiálny kábel je veľmi efektívny pri tienení signálu smerujúceho dovnútra kábla z vonkajších polí kvôli jeho vynikajúcej symetrii (ktorá spôsobuje rušenie účinku polí) a kvôli Skin Effect-u, ktorý izoluje prúd bežného režimu na vonkajšej strane tienenia od signálu vo vnútri.

Čo je to "Skin Effect" ?

Kvôli tomu, ako AC polia interagujú s vodičmi, vedú kovy striedavý prúd iba do určitej hĺbky izolácie d, ktorá je nepriamo úmerná druhej mocnine frekvencie. Toto sa nazýva "Skin Effect" a zmenšuje sa prierez vodiča, ktorý vedie striedavý prúd, a zvyšuje sa jeho odpor.

d = 1 √ vpfµs

µ je priepustnosť vodiča a s je vodivosť vodiča.

Skin Effect začína mať výrazný účinok pri signáloch nad 1 MHz. Do 10 MHz vedie medený drôt prúd iba vo svojich vonkajších 0,02 mm. Pri UHF a vyšších frekvenciách stačí pomerne tenká vrstva pokovovania.

Tieniace kryty

Čím vyššia je frekvencia signálov používaných obvodom, tým dôležitejšie a potrebnejšie je použitie kovového tieniace krytu. Za predpokladu, že drôty a káble smerujúce dovnútra a von z krytu sú správne vedené a pripojené, môže kovové puzdro zabrániť VF rušeniu z vonkajších polí vstupu do zariadenia a výstupu VF rušenia z vnútornej štruktúry zariadenia von. Kovový tieniaci kryt navyše poskytuje vášmu zariadeniu aj dostatočnú mechanickú pevnosť a možnosť montáže do zariadenia.

Tienenie je dôležité najmä pre citlivé obvody, ktoré musia byť "dobrým susedom" s inými zariadeniami, ktorých správna funkcia by mohla byť narušená nežiadúcim vyžarovaným EMI (elektromagnetické rušenie). Napríklad, ak máte rádioamatérsky prijímač a žijete v typickej prímestskej alebo mestskej zástavbe, pripojíte dipól alebo inú anténu a naladíte sa na frekvenciu 14.030 MHz - budete určite počuť veľa slabých signálov (jednotlivé tóny, alebo skupiny tónov), ktoré pochádzajú poväčšine z relatívne blízkeho ethernetového sieťového zariadenia, ktoré vyžaruje káblami pripojenými k netieneným alebo zle tieneným zariadeniamtoto nežiadúce rušenie. (Počítačové vybavenie je notoricky známe tým, že vytvára a reaguje na EMI najmä vo frekvenčnom pásme UHF.)

.Obrázok nižšie ukazuje graf hrúbky izolácie pre tri bežné kovy v náveznosti s frekvenciou.

Hrúbka izolácie verzus frekvencia pre hliník, meď a oceľ.

Ako vidíte, pre všetky tieniace materiály okrem najtenšieho plechu sú hliníkové kryty celkom účinné pri tienení nad niekoľko kHz. Veľkou výhodou je, že s hliníkom sa ľahko pracuje a je aj pomerne konštrukčne pevný.

Medzi ďalšie možnosti tienenia patrí zostavenie vlastného tieniaceho krytu z materiálu spájaného doskami s plošnými spojmi, ktoré zospájkujeme do kompaktného krytu. Rovnako vhodné je aj ohýbanie mosadzného alebo medeného plechu do požadovaného tvaru krabičky a dokonca aj nastriekanie plastových krytov elektricky vodivou farbou je efektívnym riešením tienenia.

Bez ohľadu na to, aký dobrý je váš tieniaci kryt, jeho účinnosť môže byť značne degradovaná nesprávnym pripojením vodičov. Obrázok nižšie zobrazuje, ako by mal byť tieniaci kryt správne pripojený. Zaobchádzajte s tieniacim krytom ako s akýmsi "VF zádržným zariadením", ktoré pri správnej funkčnosti udržuje VF signály vo vnútri tieniaceho krytu a zároveň udržuje VF prúdy z vonkajších polí mimo tohto krytu.

Správny a nesprávny spôsob pripojenia tieniaceho krytu. Vľavo vidíte pripojenie tienenia skrz krytie tak, aby sa akýkoľvek bežný režim prúdu v tienení spojil s referenčnou cestou obvodu (Si.Ref.). Toto je veľmi častý zdroj vysokofrekvenčného rušenia do a zo zariadenia. Vpravo je tienenie správne pripojené k krytu. (Zdroj : Jim Brown K9YC.)

NIKDY nepoužívajte tienenie ako spätné alebo uzemňovacie spojenie pre signál, ak sa mu vyhnete. Akýkoľvek prúd v bežnom režime na vonkajšej strane tienenia bude nasledovať spätnú cestu k zemi obvodu a môže spôsobiť katastrofu. Podobne akýkoľvek vysokofrekvenčný šum na zemi obvodu šťastne unikne z krytu rovnakou cestou a bude vyžarovať, aby spôsobil VF rušenie.

Mnoho zvukových zariadení používa tienený krútený pár vodičov pre ľavú a pravú stranu signálu a zem. Čo by ste mali robiť, ak zariadením preniká VF vyžarovanie  z externých signálov? Za predpokladu, že vaše zariadenie má kovový kryt, použite vždy tienené (kovové) konektory a uistite sa, že ich vodivé spojenie je dobré medzi tienením kábla a zadným plášťom konektora. NIKDY NEPOUŽÍVAJTE PLASTOVÉ KONEKTORY KTORÉ NIE JE MOŽNÉ TIENIŤ!

Ak VF rušenie aj tomu pretrváva, je veľká šanca, že jeden alebo dva káble poskytujú cestu pre VF signál, a tak sa toto rušenie dostane spoľahlibo do zariadenia. Odpojte preto všetky odpojiteľné káble a skontrolujte, či sa VF ešte objavuje. Znova postupne pripojte káble, kým sa opätovne neobnoví VF rušenie. Pridajte dodatočné feritové jadrá na káble v zariadení, ktoré je vystavené VF rušeniu. Vhodným riešením je napríklad použite mixu typu FB 31 pre HF signály a 43 pre horné HF a VHF / UHF frekvencie. (Najlacnejšie feritové jadrá a perličky sú typu 43, ale pre istotu sa obráťte na dodávateľa.) Po "vyčistení" zapojenia od VF rušenia, ktoré prenikalo prostredníctvom tohto kábla pripájajte postupne ďalšie káble po jednom, aby ste zistili, či tiež nepotrebujú dodatočný feritový filter.

Čo je to "Šum"?

V dnešnej elektronike existuje tendencia považovať akýkoľvek nežiaduci nízkofrekvenčný signál za "šum", ale keď sa nad tým tak zamyslíte, tak je to skutočne"šum". Vždy sa jedná o sieťový šum o frekvencii 50 alebo 60 Hz, ktorý tvorí sínusová vlna vytvorená magnetickým poľom zo striedavého prúdu alebo výkonového transformátora.

Ak má šum základnú frekvenciu 120 Hz, je to takmer vždy spôsobené nedostatočnou filtráciou za usmerňovačom v napájacom zdroji. Ak šum nezahŕňa iba frekvenciu 50/60 Hz, ale aj veľa vyšších harmonických frekvencií, je to zvyčajne výsledkom nesprávneho zapojenia neutrálneho vodiča, alebo nevhodnou trasou silového vedenia v prístroji. Typickým príkladom je vedenie fázováho vodiča cez celé zariadenie smerom na predný panel, kde je zapojený do hlavného vypínača a následne sa vracia k zdroju do zadnej časti prístoja. Z frekvencie tónu nežiaduceho šumu môžete všeobecne získať predstavu o kvalite filtrácie jeho zdroja.

Záver

Pomocou vhodného tienenia vyriešite iba základné problémy elektromagnetickej kompatibility (EMC) - predmet, ktorý pokrýva všetky druhy rušenia, prechodových javov a šumu. Ak chcete viac informácií o tom, ako sa tieto a súvisiace problémy riešia prakticky, tak tieto stránky a internet vám poskytnú dostatočné množstvo materiálov na štúdium tejto problematiky. Nespomenuli sme síce všetky aspekty spojené s VF rušením a spôsobmi ako ho úspešne potláčať, ale tento článok berte ako potrebný základ pre pochopenie tejto problematiky.