نقش کابل‌های شیلددار در کاهش تداخلات الکترومغناطیسی

تداخل الکترومغناطیسی (EMI)، نویز یا تداخل ناخواسته در یک مسیر یا مدار الکتریکی است که توسط تجهیزاتی مانند موتورها، رادیوها و سایر دستگاه‌های الکتریکی ایجاد می‌شود. EMI با اختلال در عملکرد سیم‌ها و کابل‌ها، کاهش کیفیت آن‌ها و مختل‌ کردن یکپارچگی سیگنال، باعث بروز خطا یا قطع ارتباط در سیستم‌های الکترونیکی می‌شود‌. برای مقابله با این مشکل، کابل‌های شیلددار نقش بسیار مهمی ایفا می‌کنند. شیلد کابل به‌عنوان یک لایه محافظ در اطراف سیم‌ها، تأثیر EMI ناشی از منابع خارجی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌دهد. انواع مختلف کابل‌های شیلددار، نیازهای محیطی خاصی را برآورده می‌کنند.

برای آشنایی بیشتر با مفهوم تداخلات الکترومغناطیسی و پیامدهای آن بر عملکرد سیستم‌های الکترونیکی، تفاوت نویز و سیگنال و نحوه تشخیص آن‌ها، نقش کابل شیلددار در کاهش نویز، انواع کابل شیلددار و کاربردهای آن‌ها تا انتهای این مقاله با ما همراه باشید.

تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) چیست و چرا خطرناک است؟

تداخل الکترومغناطیسی (EMI) پدیده‌ای است که در آن یک دستگاه الکترونیکی یک میدان الکترومغناطیسی ناخواسته تولید می‌کند که عملکرد دستگاه دیگر را مختل می‌کند. در صنایع امروزی که مبتنی بر فناوری هستند، شیوع تداخل الکترومغناطیسی (EMI) به یک نگرانی قابل توجه تبدیل شده است که بر عملکرد و قابلیت اطمینان تجهیزات الکترونیکی حساس تأثیر می‌گذارد. در کاربردهای حساس به داده‌ها، EMI می‌تواند منجر به خطا و از دست رفتن داده‌ها شود که می‌تواند عواقب گسترده‌ای داشته باشد.

به عنوان مثال، در حوزه پزشکی، تداخل می‌تواند بر عملکرد تجهیزات حیاتی تأثیر بگذارد. طبق گزارش اخیر کمیسیون بین‌المللی الکتروتکنیک (IEC)، تخمین زده می‌شود که 30 درصد از نقص عملکرد دستگاه‌ها در محیط‌های صنعتی را می‌توان به مسائل مربوط به EMI نسبت داد. در نتیجه، مشاغل به طور فزاینده‌ای به دنبال راه‌حل‌های مؤثر برای کاهش این چالش‌ها هستند. یکی از این راه‌حل‌ها استفاده از کابل‌های شیلددار است که نه تنها محافظت عالی در برابر EMI را فراهم می‌کند، بلکه انتقال قابل اعتماد داده‌ها را در محیط‌های پیچیده نیز تسهیل می‌کند.

تعریف EMI و منابع آن (نویزهای خارجی)

EMI به اختلال ناشی از میدان‌های الکترومغناطیسی ساطع شده از دستگاه‌های الکترونیکی اشاره دارد که بر عملکرد تجهیزات حساس تأثیر منفی می‌گذارد و ناکارآمدی عملیاتی ایجاد می‌کند. در محیط‌هایی مانند مخابرات، مراقبت‌های بهداشتی و هوافضا که دقت و قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است، نقش کابل شیلددار در کاهش نویز و حفظ عملکرد بهینه تجهیزات الکترونیکی بسیار مهم است.

منابع تداخلات الکترومغناطیسی یا همان نویزهای خارجی به دو گروه تقسیم می‌شوند:

• منابع طبیعی: منابع طبیعی مانند رعدوبرق، شراره‌های خورشیدی یا تابش کیهانی، میدان‌های الکترومعناطیسی غیرقابل پیش‌بینی و قدرتمندی را ایجاد می‌کنند که بر دستگاه‌های الکترونیکی در فواصل بسیار دور تاثیر می‌گذارند.
• منابع مصنوعی ساخته دست بشر: این منابع طیف گسترده‌ای از دستگاه‌ها و سیستم‌های الکترونیکی مانند رادیوها، موتورها، شبکه‌های برق، لوازم خانگی و ماشین‌آلات صنعتی پیشرفته را شامل می‌شوند.

پیامدهای EMI بر عملکرد سیستم‌های الکترونیکی

قبل از اینکه به نقش کابل شیلددار در کاهش نویز الکترومغناطیسی بپردازیم، بهتر است با پیامدهای EMI بر عملکرد سیستم‌های الکترونیکی آشنا شویم. این پیامدها عبارت‌اند از:

• کاهش عملکرد: تداخل الکترومغناطیسی باعث افت حساسیت سیستم‌ها شده و سیگنال‌ها را دچار به‌هم ریختگی می‌کند. در نتیجه، دقت پردازش کاهش یافته و عملکرد کلی مدار مختل می‌شود.
• خرابی و از دست رفتن داده‌ها: در سیستم‌های ارتباطی، تداخل الکترومغناطیسی منجر به از دست رفتن بسته‌های داده، خطا در خواندن اطلاعات یا اختلال در همگام‌سازی می‌شود. مشکلی که به‌ویژه در ارتباطات پرسرعت بسیار بحرانی است.
• خطرات ایمنی: در صنایع حساس مانند هوانوردی، EMI ممکن است سیستم‌های ناوبری را مختل کند. در تجهیزات پزشکی نیز می‌تواند بر عملکرد دستگاه‌هایی مانند ضربان‌ساز قلب یا پمپ‌های تزریق دارو تأثیر بگذارد و جان بیماران را به خطر بیندازد.
• عدم انطباق با استانداردها و مقررات: محصولاتی که آزمون‌های EMI را با موفقیت پشت سر نگذارند، موفق به دریافت مجوزهای نظارتی نخواهند شد. این موضوع معمولاً به تأخیر در عرضه محصول، نیاز به بازطراحی و تحمیل هزینه‌های مالی سنگین منجر می‌شود.

به‌عنوان مثال رادارهای خودرو را در نظر بگیرید. اگر تداخل الکترومغناطیسی سیگنال‌های راداری را با مشکل مواجه کند، سیستم‌هایی مانند کروز کنترل تطبیقی یا حفظ خودرو در مسیر ممکن است فاصله‌ها را به‌اشتباه تشخیص دهند. در چنین شرایطی که ایمنی سرنشینان در میان است، کوچک‌ترین خطا می‌تواند پیامدهای جدی داشته باشد.

تفاوت نویز و سیگنال: چگونه آن‌ها را تشخیص دهیم؟

سیگنال و نویز دو اصطلاحی هستند که در مهندسی برق و ارتباطات استفاده می‌شوند. سیگنال کمیتی متغیر با زمان یا مکان است که اطلاعات مشخصی را حمل می‌کند و نویز یک اثر ناخواسته بر روی سیگنال است که باعث اختلال و کاهش وضوح  آن اطلاعات می‌شود. به بیان ساده‌تر، سیگنال برای انتقال یک پیام خاص ایجاد می‌شود؛ اما نویز عامل ناخواسته‌ای است که در پیام اختلال ایجاد می‌کند. سیگنال معمولاً بر اساس پارامترهایی مانند دامنه، فرکانس و فاز اندازه‌گیری می‌شود، در حالی که نویز بر اساس نسبت سیگنال به نویز (SNR) اندازه‌گیری می‌شود. SNR نسبت توان سیگنال به توان نویز است. SNR بالاتر نشان می‌دهد که سیگنال از نویز قوی‌تر است، در حالی که SNR پایین‌تر نشان می‌دهد که نویز از سیگنال قوی‌تر است.

کابل شیلددار چگونه از سیگنال‌ها محافظت می‌کند؟

قبل از آشنایی با نقش کابل شیلددار در کاهش نویز باید بدانید که کابل شیلددار چیست؟‌ کابل شیلددار نوعی کابل برق است که یک لایه مخصوص به نام شیلد در اطراف سیم‌های داخلی خود دارد. برای نمونه در سیستم‌های کنترل صنعتی و اتوماسیون، از کابل فرمان شیلددار استفاده می‌شود که یک لایه مخصوص به نام شیلد در اطراف سیم‌های داخلی خود دارد. در ادامه با ساختار،‌ مکانیسم عملکرد و تأثیر نوع شیلد بر عملکرد این نوع کابل توضیح خواهیم داد:

ساختار کابل شیلددار: لایه‌های محافظ (فویل، بافت)

ساختار کابل شیلددار شامل موارد زیر است:

• هادی‌ها: این‌ها سیم‌های داخلی هستند که سیگنال الکتریکی را حمل می‌کنند.
• عایق: یک لایه محافظ در اطراف هر هادی برای جلوگیری از اتصال کوتاه.
• لایه محافظ: یک پوشش فلزی (مانند فویل یا توری بافته شده) که تداخل خارجی را مسدود می‌کند.
• روکش بیرونی: لایه پلاستیکی نهایی که کابل را از آسیب فیزیکی محافظت می‌کند.

لازم به ذکر استمهم‌ترین تفاوت کابل شیلددار و بدون شیلد این است که کابل‌های بدون شیلدار فاقد لایه محافظ هستند و نسبت به کابل‌های شیلددار انعطاف‌پذیری بالاتری دارند.

مکانیسم عملکرد شیلد در جذب و دفع نویز

کابل‌های شیلددار به‌عنوان مانعی در برابر میدان‌های الکترومغناطیسی ناخواسته عمل می‌کنند. این کابل‌ها با یک لایه رسانا طراحی شده‌اند که رساناهای داخلی را احاطه کرده است و از آن‌ها در برابر نویزها محافظت می‌کند. نقش شیلد در کابل برق این است که نویز الکترومغناطیسی ساطع شده را رهگیری و جذب می‌کند و مانع از ورود آن به کابل می‌شود. در نتیجه با جلوگیری از نفوذ نویز الکترومغناطیسی در کابل کیفیت سیگنال حفظ شده و انتقال داده با دقت و پایداری بیشتری انجام می‌شود.

تأثیر نوع شیلد بر عملکرد (فویلی در برابر بافت)

نوع شیلد یا محافظ کابل تأثیر مستقیمی بر عملکرد و نقش کابل‌های شیلددار در کاهش نویز و حفظ کیفیت سیگنال دارد. شیلد فویل با پوشش کامل خود، بیشترین حفاظت را در برابر تداخل‌های الکترومغناطیسی به‌ویژه در فرکانس‌های بالا ارائه می‌دهد و محافظت قوی در برابر تداخل الکترومغناطیسی فراهم می‌کند. در مقابل، شیلد بافته‌ شده با استحکام مکانیکی بالا و پوشش جزئی خود، برای استفاده در محیط‌هایی با تداخل مغناطیسی کم تا متوسط مناسب است؛ اما ممکن است در برخی شرایط نویز بالا کمی آسیب‌پذیر باشد. یکی از مزایای شیلد بافته شده، انعطاف‌پذیری و دوام آن است که آن را برای کابل‌هایی که مرتباً حرکت می‌کنند، مناسب می‌سازد.

انواع کابل‌های شیلددار و کاربردهای آن‌ها

کابل‌های شیلددار بر اساس نحوه طراحی‌شان انواع مختلفی دارند:

کابل شیلددار فویلی (Foil Shield)

این نوع کابل شیلددار دارای یک لایه نازک فلزی (معمولاً آلومینیوم) است که هادی‌ها را احاطه می‌کند و حفاظت کامل در برابر تداخلات الکترومغناطیسی فراهم می‌کند. مناسب فرکانس‌های بالا و انتقال داده حساس است، هزینه تولید پایین و نصب آسانی دارد؛ اما مقاومت مکانیکی و انعطاف‌پذیری آن کمتر است.

کابل شیلددار بافتنی (Braided Shield)

شیلد بافته‌شده از سیم‌های نازک مسی یا قلع‌اندود تشکیل شده که هادی‌ها را می‌پوشاند. استحکام مکانیکی و انعطاف بالایی دارد و برای کابل‌هایی که تحت فشار یا خم ‌شدن مکرر هستند، مناسب است. در برابر تداخلات الکترومغناطیسی حفاظت متوسطی ارائه می‌دهد.

کابل شیلددار با هر دو پوشش (Foil & Braid)

این کابل ترکیبی از شیلد فویلی و بافته‌شده است. لایه فویلی پوشش کامل و حفاظت عالی در فرکانس بالا ارائه می‌دهد، در حالی که لایه بافته‌شده مقاومت و انعطاف بالایی دارد. این نوع کابل شیلددار مناسب کاربردهای حساس است که هم کیفیت سیگنال و هم دوام مکانیکی اهمیت دارد،.

کاربرد در صنعت، شبکه‌های کامپیوتری و تجهیزات پزشکی

رایج‌ترین کاربرد کابل شیلددار شامل موارد زیر است:

• کاربردهای صنعتی: در محیط‌های صنعتی، از کابل‌های شیلددار برای اتصال ماشین‌آلات و سیستم‌های کنترلی استفاده می‌شود که در آن‌ها تداخل الکترومغناطیسی از سایر تجهیزات می‌تواند مشکل‌ساز باشد. شیلد، سیگنال‌ها را از نویز محافظت می‌کند و عملکرد قابل اعتماد سیستم‌های خودکار، حسگرها و ابزار دقیق را تضمین می‌کند.
• کاربرد در شبکه‌های کامپیوتری: در شبکه‌های انتقال داده، کابل‌های محافظ برای حفظ یکپارچگی سیگنال در فواصل طولانی و در محیط‌هایی با تداخل الکترومغناطیسی بالا ضروری هستند. به عنوان مثال، کابل‌های زوج به هم تابیده محافظ‌دار (STP) در شبکه‌های اترنت برای جلوگیری از از دست رفتن داده‌ها و تضمین عملکرد قابل اعتماد استفاده می‌شوند. آشنایی با نقش کابل شیلددار در کاهش نویز می‌تواند به انتخاب نوع مناسب آن برای نیازهای خاص شما کمک کند.
• کاربرد در تجهیزات پزشکی: کابل‌های شیلددار در تجهیزات پزشکی که دقت سیگنال و ایمنی بیمار از اهمیت بالایی برخوردار است، بسیار حیاتی هستند. آن‌ها در دستگاه‌هایی مانند دستگاه‌های MRI، تجهیزات سونوگرافی و سیستم‌های نظارت بر بیمار استفاده می‌شوند تا از عدم تداخل سیگنال‌های الکتریکی و در نتیجه حفظ قابلیت اطمینان داده‌های تشخیصی اطمینان حاصل شود.

جمع‌بندی

در این مقاله با نقش کابل شیلددار در کاهش نویز و تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) آشنا شدیم و تفاوت نویز و سیگنال را بررسی کردیم. انواع کابل‌های شیلددار و همچنین تأثیر نوع شیلد بر کیفیت سیگنال و محافظت در برابر نویز را نیز مورد بررسی قرار دادیم و در انتها کاربردهای کابل‌های شیلددار در صنایع، شبکه‌های کامپیوتری و تجهیزات پزشکی را توضیح دادیم.

سوالات متداول