شیلد و فویلد- Shild & Foild
کابل شیلد دار چیست؟
سیمی که رسانای آن با یک رسانای دیگر در بیرون پوشانده شده باشد، کابل شیلد دار نامیده میشود.
رسانای پوشاننده را لایهی شیلد (لایهی محافظ) مینامند که معمولاً از توری مسی بافتهشده یا فویل مسی (یا آلومینیومی) ساخته میشود.
این لایه باید به زمین متصل شود تا سیگنالهای تداخلی خارجی از طریق آن به زمین هدایت شوند.
عملکرد شیلد کابلها
کابل شیلد دار وظیفه دارد از ورود سیگنالهای تداخلی به لایهی داخلی و رسانای اصلی جلوگیری کند و همزمان اتلاف سیگنالهای انتقالی را کاهش دهد.
ساختار یک رشته کابل شیلد دار:
- کابل شیلد دار معمولی:
شامل لایهی عایق + لایهی شیلد + سیم رسانا است. - کابل شیلد دار پیشرفته:
شامل لایهی عایق + لایهی شیلد + سیم سیگنال + سیم ارت مربوط به شیلد است.
همانطور که پیش تر گفتیم در یک رشته شیلد معمولاً از مس قلعاندود یا آلومینیوم استفاده میشود، زیرا این فلزات رسانایی بالا و مقاومت مناسب در برابر خوردگی دارند. در برخی نمونهها، برای افزایش مقاومت مکانیکی، شیلد با روکش پلاستیکی نازک محافظت میشود تا در حین خم شدن کابل یا نصب در مسیرهای باریک آسیب نبیند.
اصل کار کابل شیلد دار
سیستم سیمکشی شیلد دار برای نخستینبار در اروپا ابداع شد. در این سیستم، یک لایهی فلزی محافظ (شیلد) به بیرونِ سیستم سیمکشی معمولی (بدون شیلد) افزوده میشود.
این لایهی فلزی با استفاده از بازتاب، جذب و اثر پوستی (Skin Effect) باعث جلوگیری از تداخلات و تشعشعات الکترومغناطیسی میشود.
در واقع، سیستم شیلد دار با ترکیب اصل تعادل در زوجسیمهای تابیدهشده (Twisted Pair) و اثر حفاظتی لایهی شیلد، ویژگیهای بسیار خوبی از نظر سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) دارد.
سازگاری الکترومغناطیسی (EMC) به این معناست که تجهیزات یا شبکههای الکترونیکی باید توان مقاومت در برابر تداخلات الکترومغناطیسی را داشته باشند و در عین حال تشعشع الکترومغناطیسی بیشازحد تولید نکنند.
به بیان دیگر، تجهیزات یا شبکه باید بتوانند در محیطی با تداخلات الکترومغناطیسی شدید بهصورت پایدار کار کنند و در عین حال، باعث اختلال در عملکرد سایر دستگاهها یا شبکههای اطراف نشوند.
دلیل اصلی مقاومت کابل شیلد دار در برابر تداخلات خارجی این است که وجود لایهی شیلد تا حد زیادی یکپارچگی و پایداری انتقال سیگنالها را تضمین میکند.
به این ترتیب، سیستمهای سیمکشی شیلد دار مانع از آن میشوند که دادههای در حال انتقال تحتتأثیر تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) یا تداخلات فرکانس رادیویی (RFI) قرار گیرند.
تداخل الکترومغناطیسی (EMI) عمدتاً یک تداخل با فرکانس پایین است و منابع رایج آن عبارتاند از: موتورها، لامپهای فلورسنت و خطوط برق.
در مقابل، تداخل فرکانس رادیویی (RFI) نوعی تداخل با فرکانس بالا است که بیشتر ناشی از امواج بیسیم مانند رادیو، پخش تلویزیونی، رادار و سایر ارتباطات بیسیم میباشد.
برای مثال، در یک کابل تلفن که دادههای صوتی یا دیجیتال را انتقال میدهد، هرگونه تداخل بیرونی میتواند موجب خشخش یا قطع و وصل صدا شود. در چنین کاربردی، شیلد باعث میشود مسیر انتقال کاملاً پایدار بماند و کیفیت صدا حفظ شود.
برای مقاومت در برابر تداخلات الکترومغناطیسی (EMI)، شیلد بافتهشده (یعنی شیلد توری فلزی) بیشترین اثربخشی را دارد، زیرا دارای مقاومت بحرانی پایین است.
اما برای مقابله با تداخلات فرکانس رادیویی (RFI)، استفاده از لایهی فویل فلزی مؤثرترین روش است.
دلیل این انتخاب آن است که فویل فلزی میتواند عبور سیگنالهای با فرکانس بالا را بدون اختلال ممکن سازد، در حالیکه در شیلد توری فلزی وجود فاصلههای کوچک میان تارها ممکن است مانع محافظت کامل در برابر امواج با فرکانس بالا شود.
در شرایطی که محیط شامل تداخلات ترکیبی فرکانس پایین و بالا است، باید از روش شیلد ترکیبی استفاده شود؛ یعنی ترکیب لایهی فویل فلزی و توری فلزی بافتهشده که به آن کابل شیلد دار دولایه (بهصورت S/FTP) گفته میشود.
در این ساختار، توری فلزی وظیفهی مقابله با تداخلات فرکانس پایین را دارد و فویل فلزی برای تداخلات فرکانس بالا به کار میرود.
روش اتصال کابل شیلد دار
در کابلهای شیلد دار، معمولاً یک سر شیلد به زمین متصل میشود و سر دیگر آزاد (شناور) باقی میماند.
زمانی که فاصلهی انتقال سیگنال نسبتاً زیاد است، ممکن است به دلیل تفاوت مقاومت زمین در دو سر مدار یا وجود جریان در سیم PEN (نول و ارت مشترک)، اختلاف پتانسیل بین دو نقطهی زمین ایجاد شود.
در چنین شرایطی، اگر هر دو سر کابل به زمین متصل باشند، جریان الکتریکی در لایهی شیلد جاری میشود و این جریان میتواند باعث ایجاد تداخل در سیگنال اصلی گردد.
بنابراین، در این حالت معمولاً فقط یک سر کابل شیلد دار به زمین متصل میشود و سر دیگر بهصورت شناور (بدون اتصال) باقی میماند تا از بروز این نوع تداخل جلوگیری شود.
با این حال، اگر هر دو سر کابل به زمین متصل شوند، اثر حفاظتی شیلد قویتر خواهد بود، ولی در مقابل، احتمال اعوجاج (تحریف) سیگنال افزایش مییابد.
چه نوع کابلهایی باید شیلد داشته باشند؟
کارکرد اصلی سیم شیلد دار این است که منبع نویز میدان الکترومغناطیسی را از تجهیزات حساس جدا کند و مسیر انتشار نویز را قطع نماید.
فرآیند شیلدینگ (محافظت) بهطور کلی به دو نوع فعال و غیرفعال تقسیم میشود:
- شیلدینگ فعال: با هدف جلوگیری از انتشار نویز از منبع به بیرون و در واقع محافظت از محیط در برابر منبع نویز انجام میشود.
- شیلدینگ غیرفعال: با هدف محافظت از تجهیزات حساس در برابر نویزهای محیطی صورت میگیرد و در واقع نوعی سپر حفاظتی برای تجهیزات حساس است.
لایهی شیلد در کابلهای شیلد دار معمولاً از مواد غیرمغناطیسی مانند مس یا آلومینیوم ساخته میشود.
این لایه ضخامت کمی دارد و مقدار آن بسیار کمتر از ضخامتی است که در فلزات رسانا برای فرکانسهای کاری معمولی به کار میرود.
اثر حفاظتی شیلد بیشتر بهدلیل اتصال زمین آن است، نه صرفاً بازتاب یا جذب میدانهای الکتریکی و مغناطیسی توسط فلز.
روشهای مختلف اتصال به زمین (ارت)، تأثیر مستقیمی بر میزان کارایی شیلد دارند.
نوع اتصال زمین در محافظت در برابر میدان الکتریکی با محافظت در برابر میدان مغناطیسی متفاوت است و بسته به شرایط، شیلد میتواند به سه صورت بدون اتصال به زمین، اتصال یکطرفه به زمین یا اتصال دوطرفه به زمین طراحی و اجرا شود.
پس بنا به این نتایج میتوان گفت هر سیستمی که سیگنالهای حساسی را منتقل میکند، وجود کابل شیلد دار در آن ضروری است. کابلهایی که در مدارهای کنترلی، اندازهگیری یا مخابراتی استفاده میشوند، معمولاً به شیلد نیاز دارند. برای نمونه، کابل فرمان در خطوط اتوماسیون صنعتی باید در برابر میدانهای الکترومغناطیسی موتورها و منابع تغذیه مقاوم باشد تا سیگنالهای کنترلی بدون خطا منتقل شوند.
انواع شیلدها برای چه نوع استفادهای مفید هستند؟
شیلدها با توجه به نوع کاربرد و شرایط محیطی در چند مدل ساخته میشوند. متداولترین نوع، شیلد فویلی است که از فویل آلومینیومی تشکیل شده و پوشش کامل و یکنواختی روی رشتههای کابل ایجاد میکند. این نوع شیلد در برابر امواج با فرکانس بالا عملکرد بسیار خوبی دارد.
نوع دوم، شیلد بافتی است که از رشتههای نازک مسی بافته شده تشکیل شده و در مقایسه با فویل، انعطافپذیری بیشتری دارد. در کابلهایی که مرتباً خم و باز میشوند، شیلد بافتی گزینهی مناسبتری است.
در برخی موارد نیز از ترکیب فویل و بافت استفاده میشود تا هر دو مزیت یعنی پوشش کامل و انعطاف بالا بهدست آید. این نوع ترکیبی در کابلهای چند زوج مانند کابل دو زوج شیلد دار بسیار رایج است، چون هم هر زوج بهطور جداگانه محافظت میشود و هم کل کابل در برابر نویز محیط ایمن میماند.
انواع محافظ گذاری در کابلها
در کابلهای اترنت (Ethernet) چند نوع محافظگذاری وجود دارد:
- UTP کابل زوج بههمتابیده بدون محافظ (Unshielded Twisted Pair)
- F/UTP کابل زوج بههمتابیده با فویل محافظ کلی (Foil Unshielded Twisted Pair)
- U/FTP کابل زوج بههمتابیده با فویل مجزا برای هر زوج (Unshielded Foil Twisted Pair)
- S/FTP کابل زوج بههمتابیده با فویل و شیلد ترکیبی (Shielded Foil Twisted Pair)
UTP – Unshielded Twisted Pair
در پایینترین سطح محافظگذاری، کابل UTP هیچگونه محافظی در برابر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) ندارد.
این کابلها معمولاً ارزانتر و نصب آنها آسانتر است، اما در مقابل تداخلات الکترومغناطیسی مقاومتی ندارن
F/UTP – Foil Unshielded Twisted Pair
کابل F/UTP دارای یک لایهی فویل محافظ داخلی است که دور تمام زوجهای تابیده پیچیده شده است.
این لایه درست زیر روکش (Jacket) کابل قرار دارد و با سیم تخلیه (Drain Wire) به زمین متصل میشود.
سیم تخلیه برای تخلیهی الکتریسیتهی ناخواسته پس از خاتمهی کابل ضروری است.
در این نوع کابل، تنها یک لایه محافظ کلی وجود دارد که تمام رساناها را در بر میگیرد، اما هر زوج تابیده جداگانه محافظ ندارد.
U/FTP – Unshielded Foil Twisted Pair
در کابل U/FTP، هر زوج تابیده بهصورت جداگانه با فویل محافظ پوشیده شده است و در واقع برعکس F/UTP عمل میکند.
این نوع محافظگذاری مقاومت بسیار بالایی در برابر تداخل الکترومغناطیسی دارد و معمولاً گرانتر از انواع قبلی است.
از آنجا که فویل بهصورت مجزا روی هر زوج اعمال میشود، پایانزدن (Termination) این کابل در مقایسه با کابلهای بدون محافظ دشوارتر است.
S/FTP – Shielded Foil Twisted Pair
بالاترین سطح محافظگذاری مربوط به کابل S/FTP است.
در این نوع کابل، فویل کلی دور همهی رساناها قرار دارد و برای هر زوج نیز فویل مجزایی استفاده میشود.
همچنین مانند سایر کابلهای محافظدار، دارای سیم تخلیه (Drain Wire) است تا الکتریسیتهی اضافی را به زمین منتقل کند.
گرچه پایانزدن این کابل سختتر است، اما بالاترین سطح حفاظت در برابر تداخل الکترومغناطیسی را ارائه میدهد و کیفیت دادهها را تضمین میکند.
محافظگذاری در کابلهای کواکسیال (Coaxial Cable)
در کابلهای کواکسیال معمولاً سطح محافظگذاری بالاتری نسبت به کابلهای اترنت مورد نیاز است.
در واقع، تمام کابلهای کواکسیال دارای نوعی محافظ هستند.
انواع محافظگذاری در کابل کواکسیال عبارتاند از:
- Braided Shielding – محافظبندی بافتهای
- Dual Shielding – محافظبندی دولایه
- Quad Shielding – محافظبندی چهارلایه
Braided Shielding (محافظ بافتهای)
در این نوع، از سیمهای مسی یا آلومینیومی که بهصورت بافتهشده هستند استفاده میشود.
این محافظ در زیر روکش بیرونی و روی دیالکتریک قرار دارد.
هدف آن علاوه بر جلوگیری از تداخل EMI، حفظ سیگنال RF (Radio Frequency Signal) درون کابل است تا از افت سیگنال در فواصل طولانی جلوگیری شود.
Dual Shielding (محافظ دوبل)
در این نوع کابل، دو نوع محافظ وجود دارد:
- محافظ بافتهای (Braided Shield)
- محافظ فویلی (Foil Shield)
ترکیب این دو باعث افزایش سطح حفاظت میشود و به سیگنال RF کمک میکند تا مسافت بیشتری را طی کند.
در این کابل، تراکم بافت معمولاً 60٪ است چون فویل زیرین خودش پوشش 100٪ دارد و نیازی به بافت متراکمتر نیست.
Quad Shielding (محافظ چهارلایه)
در این نوع، هر دو محافظ فویلی و بافتهای دو برابر میشوند (یعنی دو لایه فویل + دو لایه بافت).
تراکم بافت اول حدود 60٪ و بافت دوم حدود 40٪ است.
اگرچه بافت کمتر است، اما دو فویل 100٪ی باعث میشوند سطح حفاظت بسیار بالاتر از انواع قبلی باشد.
کابلهای شیلد دار برای استفاده در چه دستگاههایی کاربرد دارند؟
کابلهای شیلد دار تقریباً در همهی سیستمهایی که اطلاعات الکتریکی یا صوتی منتقل میکنند، نقش دارند. این کابلها در تجهیزات صنعتی برای کنترل موتورها، در سیستمهای صوتی و استودیوها، در دستگاههای پزشکی، تجهیزات آزمایشگاهی، شبکههای مخابراتی و حتی لوازم خانگی استفاده میشوند.
برای نمونه، کابل شیلد دار کولر گازی از نوعی کابل است که در مسیر ارتباط بین یونیت داخلی و خارجی دستگاه تهویه استفاده میشود تا سیگنال فرمان و سنسورها بدون تداخل منتقل شوند. وجود نویز در این مسیر ممکن است باعث خطای عملکرد یا نمایش اشتباه دما شود، به همین دلیل شیلد نقش کلیدی در کارکرد صحیح دستگاه دارد.
کابلهای شیلد دار برای انتقال چه نوع سیگنالهایی استفاده میشوند؟
این کابلها بسته به نوع طراحی میتوانند سیگنالهای آنالوگ، دیجیتال، صوتی یا کنترلی را منتقل کنند. شیلد بهویژه زمانی اهمیت دارد که سیگنال مورد نظر دارای دامنهی کم یا حساسیت بالا باشد. در خطوط ارتباطی دیجیتال، وجود شیلد باعث کاهش خطاهای انتقال و افزایش نرخ اطمینان میشود.
در کاربردهای صوتی نیز شیلد مانع از ورود صدای هوم برق یا نویز محیط به مسیر صوت میشود. به همین دلیل است که در تجهیزات حرفهای از کابل شیلد دار صوتی استفاده میشود تا صدای منتقلشده بدون نویز و با وضوح بالا باشد. در برخی کاربردهای صنعتی، حتی کابلهای انتقال برق نیز برای جلوگیری از ایجاد تداخل روی خطوط مجاور، با شیلد ساخته میشوند که در این حالت به آنها کابل برق شیلد دار گفته میشود.
مزایای کابل شیلد دار نسبت به کابل بدون شیلد
یکی از بزرگترین مزایای کابل شیلد دار، مقاومت آن در برابر نویز و تداخل است. این کابلها امکان انتقال دقیقتر و پایدارتر دادهها را فراهم میکنند و در نتیجه کیفیت عملکرد سیستمها افزایش مییابد. در محیطهایی که چندین کابل برق و داده در کنار هم قرار دارند، استفاده از کابل بدون شیلد میتواند باعث القای ناخواستهی سیگنال از یک خط به خط دیگر شود.
افزون بر این، کابل شیلد دار در شرایطی که نیاز به ایمنی بیشتر در برابر تخلیهی الکترواستاتیکی وجود دارد نیز گزینهی مناسبتری است. برای مثال در سیستمهایی که از کابل افشان برای ارتباط استفاده میشود، افزودن شیلد میتواند پایداری و دوام طولانیمدت را تضمین کند.
نکاتی که در هنگام استفاده از شیلد باید به آنها توجه کرد
برای بهرهگیری از حداکثر کارایی شیلد، چند نکتهی فنی اهمیت دارد. اتصال شیلد به زمین باید به درستی انجام شود؛ در برخی سیستمها تنها یک سر کابل به زمین متصل میشود تا از ایجاد حلقهی جریان جلوگیری شود، در حالی که در بعضی کاربردها لازم است هر دو انتها زمین شوند.
همچنین مسیر نصب کابل نباید در مجاورت منابع شدید نویز مانند ترانسفورماتور یا خطوط قدرت قرار گیرد. رعایت فاصلهی ایمنی به کاهش تداخل کمک میکند.
در محیطهای با دمای بالا یا احتمال آتشسوزی، استفاده از کابل نسوز یا نمونههایی که دارای شیلد مقاوم در برابر حرارت هستند مانند قیمت کابل نسوز شیلد دار اهمیت زیادی دارد.
برای کاربردهایی که نیاز به تعداد رشتههای مختلف دارند، باید متناسب با نیاز سیستم نوع مناسب را انتخاب کرد. در سیستمهای کنترلی معمولاً از کابل شیلد دار 2 رشته یا کابل شیلد دار 3 رشته استفاده میشود، در حالی که در انتقال دادههای چند کاناله یا صوت چندمسیره، کابل شیلد دار 4 رشته گزینهی دقیقتر و پایدارتر است.
ویژگیهای یک کابل شیلددار خوب
یک کابل شیلددار باکیفیت باید دارای ساختاری دقیق، منظم و پایدار باشد. مواد بهکاررفته در هادی باید از مس خالص یا قلعاندود با مقاومت پایین انتخاب شوند تا افت سیگنال به حداقل برسد. شیلد باید پوشش یکنواختی روی رشتهها ایجاد کند و در برابر خم شدن یا ارتعاش، خاصیت محافظتی خود را از دست ندهد.
عایق استفادهشده نیز نقش مهمی دارد؛ در کابلهای مرغوب از مواد PVC یا XLPE استفاده میشود که علاوه بر مقاومت حرارتی، در برابر رطوبت و مواد شیمیایی هم دوام بالایی دارند. ضخامت و کیفیت روکش بیرونی نیز باید متناسب با محیط نصب انتخاب شود.
برای کاربردهایی که در فضای باز یا در کنار تجهیزات قدرت قرار دارند، وجود لایههای مقاومتر و در صورت نیاز، استفاده از نمونههای چندشیلدی مانند کابل مخابراتی پیشنهاد میشود تا اختلالات احتمالی به حداقل برسد.
قیمت کابل شیلد دار و عوامل مؤثر بر آن
قیمت کابل شیلد دار بر اساس چند عامل تعیین میشود که شامل جنس هادی، نوع شیلد، تعداد رشتهها، نوع روکش و استاندارد تولید است. کابلهایی که دارای شیلد ترکیبی از فویل و بافت هستند معمولاً گرانترند، زیرا فرآیند تولید پیچیدهتری دارند و پوشش محافظ کاملتری ایجاد میکنند.
جنس هادی نیز بر قیمت اثر مستقیم دارد؛ کابلهایی با مس قلعاندود یا با تراکم بالاتر از نظر رسانایی عملکرد بهتری دارند. تعداد رشتهها یا زوجها هم در قیمت مؤثر است، چرا که هرچه تعداد آنها بیشتر باشد، مواد مصرفی افزایش مییابد.
طبیعی است که در کابلهایی با ویژگیهای خاص مانند مقاومت در برابر حرارت یا رطوبت، هزینهی تولید بالاتر است. بنابراین قیمت کابل نسوز شیلد دار نسبت به نمونههای معمولی بیشتر خواهد بود. همچنین برند تولیدکننده و رعایت استانداردهای ملی و بینالمللی در تعیین قیمت نقش دارد.
در نهایت، حجم سفارش و متراژ خرید نیز بر قیمت تأثیر میگذارد؛ خرید عمده باعث کاهش قیمت واحد میشود. هنگام استعلام قیمت، بهتر است علاوه بر مشخصات فنی، به گواهی کیفیت و نوع شیلد هم توجه شود تا انتخاب نهایی مطابق نیاز فنی باشد.
سوالات متداول درباره کابل شیلد دار
آیا تمام کابلها باید شیلد داشته باشند؟
خیر، تنها کابلهایی که در معرض نویز الکترومغناطیسی هستند یا دادههای حساس را انتقال میدهند نیاز به شیلد دارند. برای کاربردهای ساده مانند انتقال برق در فواصل کوتاه یا محیطهای آرام از نظر نویز، استفاده از کابلهای معمولی کفایت میکند.
نحوه اتصال شیلد به زمین چگونه است؟
بسته به طراحی سیستم، شیلد ممکن است فقط در یک سمت یا در هر دو سمت به زمین متصل شود. در صورتی که هر دو سر متصل شوند، احتمال ایجاد حلقهی زمین وجود دارد. هدف از اتصال صحیح شیلد به زمین، جلوگیری از اختلاف پتانسیل و حذف جریانهای مزاحم است.
آیا کابلهای شیلد دار روی عملکرد الکتریکی تأثیر میگذارند؟
بله، وجود شیلد با حذف تداخلات خارجی باعث افزایش پایداری انتقال، کاهش افت سیگنال و افزایش دقت سیستم میشود. در محیطهای پر نویز، استفاده از کابل بدون شیلد ممکن است باعث خطا، تأخیر در پاسخ یا حتی آسیب به مدارهای حساس شود.
تفاوت کابل شیلد دار با کابل بدون شیلد چیست؟
اصلیترین تفاوت میان این دو نوع کابل در میزان مقاومت آنها در برابر نویز و تداخلات الکترومغناطیسی است. کابل شیلد دار دارای یک لایهی رسانا به نام شیلد است که همانند سپر عمل میکند و از ورود امواج مزاحم به مسیر سیگنال جلوگیری مینماید. در مقابل، کابل بدون شیلد هیچگونه حفاظی در برابر این امواج ندارد و در نتیجه در محیطهای صنعتی یا نزدیک تجهیزات قدرت، مستعد ایجاد نویز، افت سیگنال و تداخل بین خطوط است. علاوه بر این، کابل شیلد دار معمولاً قیمت بالاتری دارد اما در عوض پایداری و طول عمر سیستم را بهطور چشمگیری افزایش میدهد.
جمعبندی
کابل شیلد دار نقشی اساسی در حفظ کیفیت سیگنال در سیستمهای الکتریکی، صوتی و مخابراتی دارد. انتخاب نوع مناسب شیلد و تعداد رشتهها بسته به شرایط محیطی و نوع سیگنال، اهمیت فراوانی دارد. در محیطهای صنعتی یا مکانهایی که احتمال تداخل زیاد است، این نوع کابل بهترین گزینه برای جلوگیری از خطا و افت کیفیت محسوب میشود. بررسی مشخصات فنی، توجه به استاندارد تولید و آگاهی از عوامل مؤثر بر قیمت، سه عامل کلیدی در انتخاب آگاهانهی کابل شیلد دار هستند.







