סיכוך כבלים וחיבורם לזיווד

מבוא

כבלים מסוככים נמצאים בכל מקום בתעשיית החשמל והאלקטרוניקה. מטלפונים ניידים, מערכות צבאיות, מערכות רפואיות, ומכוניות היברידיות /חשמליות.

סיכוכי הכבלים נועדו להגביל פליטת שדות אלקטרומגנטיים מסיגנלים חשמליים (פליטה), וכן להקטין את ההשפעה האלקטרומגנטית הסביבתית על סיגנלים (חסינות). 

הסיכוך משמש כמסלול לזרם החוזר, לדוגמא בכבלים קואקסיאליים, וכמסלול זרם חוזר עבור זרמי common mode  של קווי תקשורת מאוזנים כמו RS422, Ethernet וכדומה. במאמר זה יפורטו ההשפעות של פרמטרי הסיכוך, ואופן חיבורו על ביצועי הכבל בהיבטי פליטה וחסינות.

---

הערכת מאפייני מיגון כבלים

ישנן מספר שיטות להערכת תכונות המיגון של כבלים:

•  יעילות מיגון בשיטת ה- insertion loss  

• זוהי אינה תכונה של הסיכוך או הכבל עצמו.

• היא תלויה בסיומות הסיכוך אל הזיווד.

• יעילות מיגון בשיטת Transfer impedance

• זוהי תכונה של החומר (סיכוך) , שאינה תלויה בסיומות הסיכוך אל הזיווד.

Target Impedance

Figure 1

כבל מסוכך מחובר למקור מתח, ועומס בקצהו השני, הסיכוך מוארק בקצותיו למשטח מוליך

הסיכוך משמש כמסלול זרם חוזר עבור Common Mode  (באדום) המושרים על ידי קרינה אלקטרומגנטית וכן מתחי VCM Common Mode על המשטח המוליך (בדרך כלל משטח אדמה של כרטיס או הפרש פוטנציאלים RF בין מערכות) . בנוסף הסיכוך משמש כמסלול לזרם החוזר של הסיגנל הלגיטימי (בכחול) VDM.

ההגדרה של Transfer Impedance  ליחידת אורך, נתון ע"י הנוסחה הבאה, הערך הוא תלוי תדר.

על פי הגדרה, צד אחד של הכבל יקוצר (גיד מרכזי -סיכוך) , יוזרם זרם על הסיכוך(ICM) וכתוצאה, יימדד המתח VDM בקצהו השני של הכבל. היחס בין המתח הנמדד לזרם שהוזרק הוא ה-Transfer Impedance של הכבל. הערך הנ"ל הוא תלוי תדר ולכן הזרם ICM יוזרק  בכל אחד מתדרי העניי ומדידת המתח תבוצע בכל אחד מתדרי העניין.

ברור, שככל ש- Transfer Impedance נמוך יותר, כך יושרה מתח נמוך יותר, כתוצאה מזרם לא רצוי על הסיכוך. ולכן, ככל שה-Transfer Impedance  נמוך, כך הסיכוך איכותי יותר.

Figure 2

סט אפ למדידת Transfer Impedance

ה-Transfer Impedance מושפע משני מרכיבים: התנגדות והשראות, זאת ניתן לראות עפ"י הנושא הבאה

Figure 3 

גרף Transfer Impedanc

ההתנגדות היא דומיננטית עד תדרים 1MHz-10MHz ובתדרים גבוהים יותר, ההשראות דומיננטית.

כיסוי אופטי

כיסוי אופטי (Optical Coverage) הוא אחד המדדים שמייצגים את איכות הסיכוך. ככל שהמפתחים באריגת הסיכוך קטנים יותר, הסיכוך יותר צפוף, המעבר האופטי בעדו יהיה קטן ואיכותו תהיה גבוה יותר.

סיכוך  טיפוסי יהיה בעל כיסוי אופטי של  מעל 85%. ערך גבוה מעיד על שטח פתחים קטן, יותר ולכן מרכיב ההשראות של ZT קטן יותר וביצועי הסיכוך טובים יותר.

כבל מסוג semi rigid הוא בעל סיכוך אחיד והומוגני, ולכן ההשראות שלו מאד נמוכה וביצועיו מעולים. החיסרון שלו הוא בגמישות שלו, ובמחיר.

Figure 4 

כיסוי אופטי :ימין 90%, באמצע 70%, משמאל 40%

כעת נראה את ההשפעה של הכיסוי האופטי של סיכוך על זוג מוליכים שזורים, למול סוגיית חסינות. גל מישורי יקרין את הכבל , כאשר בשתי קצותיו מחוברים עומסים  50 אוהם. הסיכוך בשני צדדיו מוארק למשטח מוליך.

נמדוד את המתח המושרה בין שני התיילים למול מספר אפשרויות של כיסוי אופטי.

Figure 6 תיאור סכמטי של הסט אפ	Figure 5  הסט אפ בסימולציה תלת מימדית CST

Figure 7

מתח מושרה בין זוג הגידים, כפונקציה של כיסוי אופטי

ניתן לראות שכמצופה, ככל שהכיסוי האופטי גדול, כך המתח המושרה בין המוליכים, קטן. באדום סיכוך אחיד בדומה לכבל מסוג semi rigid.

---

צימוד בין כבלים

הסברנו על  השפעת הכיסוי האופטי וביצועי הסיכוך, כעת נרצה להבין את השימוש הנכון בכבל. במצבים מסוימים, חיבור הכבל מתבצע בצורה לא נכונה שפוגעת דרמטית בביצועיו.

הסיכוך, תפקידו להקטין את הצימוד החשמלי והמגנטי, בין כבל נתון, לבין כבל קורן.

הצימוד החשמלי בין שני מוליכים 

• הראשון – מוליך בודד המעורר במתח חשמלי

• השני כבל מסוכך – המוליך הפנימי מחובר בצד אחד למשטח מוליך, ובצד השני ימדד המתח המושרה

הצימוד החשמלי כשמו כן הוא מבוסס על שינוי מתח, ולכן המעגלים החשמליים אינם צריכים להיות סגורים. שינוי המתח מתפתחים עליהם, גם כשהם פתוחים. הקיבול בין המוליך הראשון והסיכוך, ולאחר מכן בין הסיכוך לבין הגיד המרכזי, הם אלה שנושאים את האנרגיה מצד הקורן, למוקרן.

הצימוד החשמלי כאשר הסיכוך לא יוארק למשטח, יהיה מחלק מתח בין העומסים הטוריים במעגל (בהזנחת הקיבול  C1G, C2G) נקבל:

Figure 8 מוליך 1 הוא המוליך הקורן, מוליך 2 הוא המוליך הקולט	Figure 9   הארקת הסיכוך של הכבל הקולט מאפסת האת הפוטנציאל החשמלי עליו

מסיבה זו על מנת שהסיכוך אכן ישיג את מטרתו בחסימת הצימוד החשמלי, נדרש לאפס את הפוטנציאל עליו. כפי שנראה באיורים 8,9 . מכיוון שהפוטנציאל על הסיכוך הוא אפס , אזי המתח על גבי המליך המרכזי הוא גם אפס. כלומר, אין מתח שמצומד מצד הכבל הקורן, לכבל מספר 2.

יש לסייג ולומר, כי איפוס הפוטנציאל של הסיכוך בנקודה אחת אינו מספיק. יש לאפס את הפוטנציאל בכל 1/20 של אורך הגל המוקרן. הסיבה היא שזו מערכת מפולגת והמתח לאורך הסיכוך אינו אחיד.

הצימוד המגנטי בין שני מוליכים 

המנגנון המגנטי, מבוסס על שינוי זרם במוליך הקורן, והשראת זרמים בחוג הסגור את הכבל הקולט. בצורה מפושטת , הזרם בכבל 1, יוצר לולאות של שדה מגנטי, אלה נכנסות לשטח התחום ע"י חוג הזרם של כבל 2, ומכאן נקבל מתח מושרה בלולאה.

Figure 10  איור חשמלי את הצימוד המגנטי בין שני כבלים	Figure 11  שדה מגנטי של הכבל הקורן, נכנס ללולאת הזרם הכבל הקולט ומשרה מתח

המתח המושרה בלולאת הכבל הקולט תהיה:

כעת נוסיף את הסיכוך ונקבל את המעגל הבא:

Figure 12  איור תלת מימדי של כבל מסוכך וכבל קורן	Figure 13   איור חשמלי של סוגיית הצימודים

עם הוספת הסיכוך והארקתו דרך התנגדות R2 נוצר חוג זרם, בנוסף לחוג הזרם של הגיד המרכזי. כעת על שני חוגי הזרם הללו משורה מתח שמייצר זרם.

אבל כאן נמצא הפטנט, הזרם שנוצר בחוג הסיכוך מייצר גם הוא, מתח מושרה בחוג הזרם של המוליך המרכזי, אך הוא הפוך לזה שמושרה מכבל1. כלומר הזרם בסיכוך מקטין את המתח המושרה בגיד המרכזי. לכן רצוי ומומלץ לאפשר את הזרם בסיכוך גדול ככל האפשר. הווה אומר שההתנגדות/אימפדנס  R2  חייב להיות קטן ככל האפשר.

בהסתכלות על הגרף בצד ימין, ניתן לראות כי יעילות המיגון נמוכה ככל ש-RS קטן. כמו כן, המיגון מתחיל לעבוד ככל ש-RS קטן.

משמעות האימפדנס ZS (בדוגמא זו התנגדות RS) היא קריטית לביצועי הסיכוך ונדרש להבין מה מקורה. האימפדנס/התנגדות נמצאים בחוג הזרם של הסיכוך למשטח המוליך או לזיווד ולכן כוללים את ההתנגדות וההשראות של הסיכוך עצמו ואת  חיבור הסיכוך לזיווד. על מנת שהחיבור של הסיכוך יהיה בעל אימפדנס נמוך הוא צריך להיות:

·       קצר מאד ביחס לאורכי הגל הרלוונטים.

·       בעל חיבור היקפי  360 מעלות לזיווד.

כמובן שיש לוודא שהסיכוך מחובר לזיווד/משטח מוליך בשתי קצוותיו, שזהו התנאי הבסיסי לזרימת זרם בחוג הסיכוך !!!

משמעות האימפדנס ZS בסוגית חסינות

ניקח זוג מוליכים מפותל, מסוכך. הסיכוך יהיה מחובר לזיווד בשתי קצוותיו, במוליך מחובר לאימפדנס משתנה. את המערך נקרין בגל מישורי, ונבדוק מהו המתח המושרה בהדקי זוג המוליכים, כפונקציה של אמפדנס החיבור בין הזיווד לסיכוך. אורך הכבל 1m, השדה החשמלי של הגל שהוקרן הוא 1V/m.

Figure 14  איור סכמתי חשמלי של הסוגיה	Figure 15  איור תלת מימדי של המערך

Figure 16  

 מתח מושרה בין הדקי זוג המוליכים, כפונקציה של אימפדנס החיבור בין הסיכוך לזיוודים

ניתן לראות את האפקט של ביצועי הסיכוך, למול אימפדנס החיבורים. ככל שהאימפדנס של החיבור גבוה יותר, כך ביצועי הסיכוך פחות טובים, והמתח שיושרה בהדקי זוג המוליכים יהיה גבוה יותר.

Figure 17

סימולציה תלת מימדית בה ניתן לראות את ריכוז הזרם בחיבור הסיכוך לזיווד

בסימולציה ניתן לראות את ריכוז הזרם הגבוה במיוחד בחיבור לזיווד. כמובן שזו פונקציה של צורת החיבור והאימפדנס שלה. חיבור כזה נקראת Pig Tail, ומשתמשים בה כאשר לא בנמצא קונקטור מתכתי שמחבר את הסיכוך לזיווד. המשמעות של צורת החיבור ברורה, ומתגברת כאשר אורך ה-Pig Tail, מתארך (ואז האימפדנס שלו גדל).

כמה זה ארוך מידי

על מנת לחבר את האינטואיציה, למול הסימולציות הקודמות. נבדוק מהו האימפדנס של אותו חיבור Pig Tail. סוגיה כזו ניתן לפתור ב- RLC Solver, כלי ייעודי של CST שמאפשר למצוא את ההתנגדות/קיבוליות/השראות חלקית של מקטע מוליך.

נבדוק את הפרמטרים החשמליים החלקיים של אותו מקטע, בשתי קונפיגורציות : 16mm, 32mm

Figure 18

 מקטע תלת מימדי של Pig Tail

אימפדנס ה – Pig Tail עולה כפונקציה של התדר, אם מסתכל בתדר 100MHz, האימפדנס של החיבור באורך 32mm הוא כמעט 100 אוהם, בעוד האימפנדס של החיבור באורך 16mm הוא כ-30 אוהם.

ברמת האינטואיציה, אורך של 32mm כבר מהווה חיבור בעל אימפדנס משמעותי למול חיבור אופטימלי והיקפי.

---

לסיכום

סיכוך כבל הוא סוגייה שמתחלקת לשתיים :

1. איפיון הסיכוך על פי כיסוי אופטי- מומלץ לבחור כזה עם כיסוי הגדול מ- 85%

2. צורת החיבור של הסיכוך –

·       יש לחבר את הסיכוך לזיווד בשתי צדדיו, על מנת לאפשר לזרם לזרום

·       את החיבור מומלץ לבצע עם קונקטור ייעודי, שמאפשר חיבור היקפי 360 מעלות.

·       באם משתמשים ב- Pig Tail – דעו את המגבלות והמשמעות, ייצרו אותו הכי קצר שאפשר.