Uszkodzenia w kablach

Większość instalacji służących do odbioru telewizji działa „wyśmienicie” aż do momentu całkowitej awarii. O ile znalezienie uszkodzonego wzmacniacza czy przegryzionego przez psa kabla łączącego telewizor z gniazdkiem nie sprawia większego problemu, to zabawa zaczyna się w momencie gdy podejrzenie usterki pada na okablowanie…

Można powiedzieć, że „zabawa” w znajdywanie uszkodzonego miejsca jest wprost proporcjonalna do komplikacji instalacji i błędów popełnionych przy jej wykonaniu a odwrotnie proporcjonalna do jakości wykonania dokumentacji instalacji. Dla tych, którzy nie załapali żartu to zilustruję go na przykładzie. W ziemi pomiędzy budynkami biegnie kabel dostarczający telewizję. Ktoś wpadł na pomysł aby pomiędzy budynkami zrobić wspaniały ogród, tylko, że nikt nie pamiętał o kablu, który został nieprawidłowo wkopany w ziemię, a co gorsza nikt nawet nie pamięta gdzie on biegnie. Robotnicy przecięli kabel i w obawie o swoje premie się nie przyznali do tego. Ogród jest zrobiony. Telewizji nie ma. Wiadomo, że kabel jest uszkodzony, lecz nie wiadomo gdzie. Inwestor nie godzi się na rozkopanie świeżo zrobionego ogrodu i żąda aby kabel po prostu został naprawiony. I co teraz zrobić?

Do znajdywania tego typu uszkodzeń kabli (i nie tylko) służą reflektometry kablowe, zwane czasami radarami kablowymi lub TDR’ami (od angielskiego bodajże Time Domain Reflectometry). Zasada działania tego typu urządzeń jest bardzo prosta. W badany kabel „wpuszcza” się bardzo wąski impuls. Badając kształt impulsu oraz czas po jakim miernik go ponownie zarejestruje można stwierdzić w jakiej odległości od początku kabla znajduje się uszkodzenie i jakiego typu jest ono.

Przykład fajnego TDR’a służącego do lokalizacji uszkodzeń w kablach koncentrycznych.

Podstawowe pytanie, jakie można sobie zadać widząc takie urządzenie to „Jak tak naprawdę ono działa?”. Być może poniższy tekst choć trochę rozświetli tajemnice tego urządzenia.

Podstawą w tym przypadku jest impedancja. Można ją definiować na wiele sposobów, ale tak właściwie z marszu czytając regułkę pewnie niewielu spośród czytelników zrozumie jej sens. Dlatego jej nie umieszczam. Napiszę tylko tyle, że dla kabli koncentrycznych, czyli takich jakie są używane w instalacjach telewizyjnych, impedancja przewodów jest opisana zależnością:

gdzie:
a – promień żyły środkowej
b – promień oplotu kabla
ε_r – stała dielektryczna

Tak czy siak z wzoru można wyczytać tyle, że impedancja kabla koncentrycznego zależy od jego wymiarów geometrycznych oraz dielektryka.

Dla ciekawych tego dlaczego akurat 75Ω? Dlatego, że tłumienie linii przesyłowej jest najmniejsze dla b/a=3,6 a to odpowiada około 75Ω.

Ale wracając do głównego tematu. Zmiana impedancji w torze przesyłowym powoduje tyle, że część energii transportowanej w nim odpija się częściowo od miejsca, w którym ta zmiana impedancji zachodzi a częściowo przechodzi dalej. Odbijający się sygnał powoduje interferencje, co można zobaczyć na ekranie telewizora w przypadku telewizji analogowej jako bliższe oryginalnemu obrazowi „duchy”.

Wracając do wzoru opisującego zależność impedancji od wymiarów geometrycznych kabli można stwierdzić, że zmiany impedancji będą spowodowane np. poprzez:

• niezachowanie odpowiednich promieni gnących kabli,
• ich ostre zagięcia,
• odkształcenia kabla (np. poprzez zbicie go młotkiem),
• zawilgocenie kabla (zmienia się wtedy jego stała dielektyczna),
• zwarcie czy rozwarcie jednego z jego końców.

Między innymi tego typu uszkodzenia można obserwować na reflektometrach kablowych. Ale żeby było jeszcze ciekawiej to można na nich obserwować także wszystkiego rodzaju gniazda końcowe, rozgałęźniki, anteny itp.

Ogólnie TDRy mają ogromne możliwości a ich rozpiętość cenowa bywa naprawdę spora. W przypadku zastosowań telewizyjnych warto zaopatrzyć się w urządzenie, które są dedykowane specjalnie do zastosowań telewizyjnych. Osobiście posiadam sprzęt, którego najmniejszy zakres pomiarowy to 100m, a największy to 4km. W praktyce pracuje się na najmniejszym zakresie i ma się świadomość tego, że powinien on być jeszcze co najmniej 2x mniejszy dla zwiększenia komfortu pracy.

W jaki sposób taki reflektometr pokazuje rodzaje uszkodzeń? To proste. Np. zwarcie powoduje spadek impedancji, rozwarcie jej wzrost.

UWAGA!!! Obraz tego samego uszkodzenia na różnych przewodach może być trochę inny. Ten sam typ uszkodzeń na różnych typach przewodów może się znacznie różnić.

Całkowite zwarcie lub rozwarcie

Na poniższych obrazkach pokazano całkowite rozwarcie na końcu badanego przewodu. Jak widać przerwa na przewodzie powoduje wzrost impedancji.

Zwarcie przewodów powoduje gwałtowny spadek impedancji.

Wilgoć w przewodzie

Woda potrafi przyczynić się do korozji złącz kablowych, a co za tym idzie osłabić punkt łączenia ze sobą dwóch odcinków przewodu. Woda także potrafi dostać się w głąb kabla powodując zmniejszenie jego impedancji. Należy podkreślić, że woda ma tendencje do wnikania w głąb kabla, szczególnie jeśli dany przewód ma dielektryk spieniany chemicznie oraz do osiadania w najniżej położonych odcinkach kabla. Woda jest dobrym przewodnikiem – przyczynia się do osłabienia izolacji pomiędzy żyłą a ekranem. Wilgoć w przewodzie powoduje zmniejszenie się wartości VOP (czyli po polsku prędkość propagacji fali). Powoduje to, że można jedynie stwierdzić początek miejsca zawilgocenia. Koniec zawilgocenia można poznać jedynie poprzez wykonanie pomiarów na drugim końcu przewodu.

Słabej jakości przewody

Na rysunku poniżej przedstawiono łączenie dwóch różnych kabli tego samego typu. Jak widać impedancja środkowego odcinka jest niższa niż 75 Ohm. Co ciekawe oba przewody były opisane jako 75Ω – jak widać – reflektometr zweryfikował poprawność opisów. Część reflektometrów, w tym np. rodzimej produkcji RM-20 nie posiada skali na osi OY. Konsekwencją tego jest niemożliwość bezpośredniego stwierdzenia impedancji badanego przewodu tzn. podłączając reflektometr do takiego przewodu, nie zauważy się, że przewód ten ma impedancję inną niż 75Ω.

Innym przykładam słabej jakości przewodów są przewody o nadmiernej rezystancji czego konsekwencją jest nadmierne tłumienie sygnałów. Na ekranie reflektometru taki defekt kabla objawia się wzrostem impedancji proporcjonalnym do długości kabla.

Jak widać na przedstawionym powyżej obrazku pierwsza część badanego przewodu jest w porządku, podczas gdy jego druga część cechuje się nadmiernym wzrostem impedancji.

Słabe złącze

W instalacjach antenowych często istnieje potrzeba łączenia ze sobą kilku odcinków przewodów. Najczęściej łączenie tego typu wykonuje się za pomocą tzw. beczki, czyli przejściówki z dwoma żeńskimi złączami F. Prawidłowo wykonane połączenie tego typu nie powinno być widoczne na reflektometrze. Beczki potrafią być widoczne na reflektometrze w postaci niewielkiego wzrostu lub spadku impedancji. Poniższy obrazek pokazuje obraz spowodowany łączeniem dwóch kabli 50Ω beczką przystosowaną do montażu na przewodach 75Ω.

W przypadku bezpośredniego łączenia ze sobą przewodów koncentrycznych bez użycia odpowiednich złącz obraz jest zgoła inny. W zależności od stopnia oczyszczenia łączonych ze sobą przewodów oraz stopnia ubytku dielektryka zmiany impedancji mogą być różne. W przypadku przedstawionym na poniższym obrazku wyraźnie widać spadek impedancji w miejscu łączenia przewodów.

Przewód zakończony terminatorem

Terminator to inna nazwa dla rezystora o wartości rezystancji równej impedancji charakterystycznej przewodu. Pomiędzy przewodem a terminatorem istnieje całkowite dopasowanie, rezystor pochłania całkowitą energię impulsu wysłanego przez reflektometr. Mierząc reflektometrem kabel zakończony terminatorem uzyska się obraz, na którym nie widać końca przewodu.

Antena podłączona do przewodu

Podczas pomiarów anteny podłączonej do badanego odcinka przewodu pokazuje się charakterystyczny obraz, który w literaturze jest opisywany jako odbicie w kształcie litery „S”. Osobiście tego typu odbicia bardziej przypominają mi literę „N”. Ocenę kształtu odbitego impulsu pozostawiam ocenie czytających niniejszą lekturę. Należy podkreślić, że kształt odbicia zależy od samej anteny podłączonej do przewodu. Poniższy obrazek prezentuje wygląd typowego odbicia spowodowanego przez antenę.

Pomiary odcinka przewodu z podłączoną do niego anteną mogą być utrudnione ze względu na to, że reflektometr może pokazywać zakłócenia spowodowane obecnością anteny.

Niektóre reflektometry posiadają odpowiednie filtry usuwające tego typu zakłócenia, przez co możliwe jest zlokalizowanie uszkodzenia na takim fragmencie przewodu. Jeśli reflektometr nie posiada tego typu funkcji to pewną poprawę może dać parokrotne uśrednienie otrzymanych danych pomiarowych.

Powyższe przykłady stanowią niewielką część możliwości TDRów i nie ukrywam, że opisałem je w celu zachęcenia do zapoznania się z tego typu urządzeniami. Jeśli kogoś temat ten będzie bardziej interesował to w przyszłości opiszę zasady przeprowadzania pomiarów za pomocą TDRów.