Очень часто при проектировании электронных систем и систем автоматизации вопрос выбора кабелей для многих инженеров является «второстепенным». Однако позже, когда оказывается, что правильно подобранная кабельная система позволяет сэкономить затраты на производство, повысить срок службы и надежность устройства, и, что немаловажно, сохранить качество сигнала.
Не плановые простои оборудования неприемлемы в любой отрасли промышленности. Поэтому системы электроснабжения это «артерии» современной техники. В современных автоматических системах движущиеся устройства (роботы, краны и так далее) создают массу проблем для инженеров, которые должны принять решение – какой кабель лучше использовать, круглый или плоский? Рассмотрим несколько критериев, которые нужно учитывать при выборе.
Приложения
В зависимости от рынка и условий эксплуатации изделий применяются круглые и плоские кабели. Круглые кабели уже давно являются отраслевым стандартом и используются в большинстве промышленных и автоматизированных систем и захватывают диапазон от простых производственных комплексов до альтернативной энергетики.
Плоские кабели не получили столь широкого распространения и являются больше «точечными» решениями, и могут использоваться для питания и передачи сигналов управления и измерения в медицинском оборудовании, гражданских самолетах и других специфических категорий. Плоские или фестонные кабели также пользуются большим спросом на рынке мостовых кранов для компаний, которые не хотят использовать бабины в своих решениях.
Критерий производительности
Электрические характеристики
- Электромагнитные помехи (англ. EMI) состоят как из внешних, так и из внутренних источников. Внутренняя защита от электромагнитных помех варьируется и сильно зависит от конструкции кабеля. Если инженеры работают с индивидуальными экранированными парами в плоском кабеле, то это обеспечит сопряжение пары перекрестных помех и защиту связи.
Очень сложно разместить общий экран на плоском кабеле, поскольку экранирующий материал имеет тенденцию к округлению — он не может иметь плоский формат. Это делает очень сложной и практически недоступной внешнюю защиту от электромагнитных помех плоских кабелей, поскольку данный способ защиты способен обеспечить лучшую защиту от внешних EMI только для круглых кабелей.
- Перекрестные помехи: это неконтролируемое соединение сигналов между двумя цепями передачи. Подобно защите от электромагнитных помех, использование разнообразных длин пар в плоском или круглом кабеле повышает защиту от перекрестных помех.
- Затухание: в конечном итоге определяет максимальную длину сигнального кабеля и сопротивление проводника, что влияет на падение напряжения на компоненте питания. В большинстве случаев затухание при использовании плоского кабеля ухудшается. Использование высококачественной изоляции и правильное размещение в грунте может улучшить затухание, что приводит к необходимости выбора плоской конструкции. В некоторых отраслях производятся высокопроизводительные (низкопрочные и ослабленные) плоские кабели.
Механическое напряжение
Существует четыре основных типа нагрузки для кабелей – сгибание, скручивание, тик – токовые (англ. tic — toc) и S – образные нагрузки. Круглые кабели могут выдерживать все из-за их естественной способности перемещаться по нескольким осям одновременно. В некоторых применениях они способны выдерживать до 30 миллионов циклов изгиба, прежде чем их нужно будет заменить. Плоские кабели лучше всего подходят для линейных перемещений, поскольку это движение находится на одной линейной оси.
Движения, требующие нескольких осей, таких как скручивание, могут привести к тому, что плоский кабель будет привязан или перекручен только до определенной точки. При нагрузках вращения электромагистраль скручивается и наматывается на определенную длину. Таким образом, каждый компонент должен быть интегрирован в правильное положение при закручивании и быть обернут или встроен в ПТФЭ-ленту (тефлон), чтобы минимизировать силы трения при скручивании.
Неблагоприятные условия работы
Данные электрические изделия подвергаются воздействию многих факторов окружающей среды, которые могут привести к ухудшению качества кабеля, если неправильно были подобраны материалы при изготовлении. Некоторые из этих условий включают ультрафиолет, масло, излучение, стирание, высокую или низкую температуру и трение. Знание этих факторов заранее сильно повлияет на выбор свойств материала (полиимид / вспененный полиэтилен и так далее) для изоляции проводников и материалов оболочки кабеля (полиуретан).
Большинство ПВХ или ПТФЭ, используемых в круглых кабелях, могут быть применены для выдерживания многих из этих неблагоприятных факторов окружающей среды, сохраняя при этом свою гибкость. Плоские кабели, которые экструдируются с силиконом, смогут выдерживать высокие температуры. Однако силикон является более мягким материалом и не обеспечивает значительного сопротивления истиранию и трению, что может привести к возникновению внутренних сбоев.
Проектирование и производство кабелей
Круглые кабели спроектированы так, чтобы максимизировать пространство в пределах минимальной требуемой площади поперечного сечения. Это позволяет использовать их в большинстве отверстий для систем автоматизации или при подключении различного рода электрических машин, которые могут оказаться проблемой для плоского кабеля с удлиненным поперечным сечением, то есть квадратным штифтом и круглым отверстием.
Занимаемая при монтаже площадь и его удобность играет не последнюю роль, и здесь круглые проводники имеют преимущество, так как сделать круглое отверстие значительно проще, чем прямоугольное. Тем не менее, при использовании плоских кабелей появляется возможность уложить их друг на друга для экономии места, что нельзя сделать при использовании круглых.
Кроме того, плоские кабели необходимо взвешивать и балансировать, чтобы обеспечить равномерность движения. Это также необходимо и для круглых проводников только тогда, когда они установлены в кабельной трассе. Они требуют только наполнителей и лент для обеспечения концентричности.
Вес и гибкость конструкции кабеля — это оптимизация эргономических характеристик для конечного пользователя, особенно когда это переносное устройство:
И, наконец, для инкапсуляции всех плоских компонентов в один кабель требуется специальное оснащение. Кабельно-производственное оборудование стандартизировано для производства круглых кабелей, поэтому дополнительная оснастка превращается в дополнительную производственную стоимость для клиентов.
Зависимость от условий эксплуатации
Современные реалии промышленности требуют от кабельной продукции защиту от многих неблагоприятных факторов, а не только от одного. Например:
- Износоустойчивость и сопротивление резанью: поскольку проводники могут наматываться на бабины и тянуться по бетонной поверхности с наличием острых кромок, что может привести к повреждению внешнего слоя изоляции. Поэтому внешний слой должен иметь хорошую жесткость (полиуретаны имеют хорошую репутацию).
- Небольшое удлинение при большой растягивающей нагрузке: это достигается путем двустенного экструзионного процесса в сочетании с арамидной оплеткой (кевлар / вектран) между ними, чтобы снять механические нагрузки с внутренних компонентов. Этот тип конструкции минимизирует растягивающую нагрузку на внутренние проводники, что снижает усталость и ранний отказ.
- Использование прочного элемента в конструкциях снижает зависимость от меди, тем самым уменьшая общее ее количество, что в конечном итоге сокращает размер, вес и стоимость кабеля. Такие типы конструкций практически невозможны при использовании плоских кабелей, которые основываются на силиконе и ПТФЭ для герметизации нескольких компонентов проводника.
При разработке системы электроснабжения доступно большое количество вариантов. Инженеры должны выполнить большой объем работы, чтобы подобрать наилучший вариант, который будет соответствовать требованиям механики и электротехники устройства. Правильный выбор конструкции кабеля дает всем сторонам уверенность в надежной и долгой работе системы.
