為什么電纜選擇如此重要？

工業(yè)環(huán)境對于元器件和設(shè)備來說可能非常惡劣。通常，在采購耐用的元器件和電子系統(tǒng)方面需要花費很多精力，因為設(shè)計人員不太關(guān)注布線和接線選擇。但是，看似相同的兩根電纜在惡劣的工業(yè)環(huán)境中表現(xiàn)可能截然不同。

本文將簡要概述電纜選擇不善的影響，然后再介紹適合工業(yè)應用的電纜構(gòu)造。最后會提供幾個可解決惡劣環(huán)境中信號高效、可靠傳輸問題的創(chuàng)新型電纜解決方案實例。

為什么電纜選擇如此重要

布線選擇不當可能最初不會露出端倪，但實際上從一開始就可能導致信號衰減和功率損耗。隨著時間的推移，它們還會帶來間歇性連接故障，這類故障相當棘手，很難排除，導致代價高昂的系統(tǒng)停機。這在高振動環(huán)境中尤其麻煩。此外，如果電纜沒有采用合適的外護套材料，暴露于化學品或極端溫度和物理損壞之下，可能會使電線裸露，造成短路，迸發(fā)火花。

理想的解決方案是選擇適合此類應用的 IP67 或 IP68 工業(yè)級電纜。工業(yè)電纜是結(jié)構(gòu)更堅固的高品質(zhì)電纜，通常采用比常規(guī)家用電纜更高品質(zhì)的材料。雖然兩種類型的電纜看起來很相似，但工業(yè)級電纜更耐用，能夠耐受高溫、溶劑和液體，性能遠勝于外觀類似的普通商用電纜。此外，工業(yè)電纜還能夠更好地耐受彎曲、扭曲和拉伸，而堅韌性欠佳的電纜則可能無法承受此類情形。

從電子角度來看，選擇合適的工業(yè)電纜還可以最大限度地減少任何電纜長度上的功率和信號損失。而且，它們的抗電磁干擾 (EMI) 能力也更強。

選擇高品質(zhì)的工業(yè)級電纜時，了解電纜的構(gòu)造非常有用。

中心導體電線

首先了解中心導體的材料和直徑。電線直徑越大，電纜可以承載的電流越多，同時最大程度地減少因距離導致的信號損失。銅是電線最好的導電材料。品質(zhì)較低的電纜可能使用鋁，與銅相比，鋁是較差的導體。確保從像 Digi-Key 這樣的授權(quán)分銷商處購買品牌電纜，因為有些電纜看起來與品牌電纜類似，實際上可能采用的是鍍銅鋁質(zhì)導線。雖然實芯線比多股絞線傳導性更好，但實芯線不易彎曲，這使得它們在許多情況下并不實用。多股絞線柔性更好，更容易布置和走線。

外層護套

外層護套材料和厚度對于工業(yè)電纜的壽命長短至關(guān)重要。外層護套越厚，對電纜的保護越好。

工業(yè)環(huán)境中的電纜外護套需要應對多種形式的嚴重不當使用，否則可能迅速降低電纜的性能。陽光，特別是紫外線 (UV)，會導致外護套褪色或開裂。包括油、汽油和清潔化學品在內(nèi)的溶劑也會溶解外護套，從而導致故障。高溫會導致電纜壽命縮短，這對于較長的電纜來說更加不利。極低溫度會導致外護套變脆，導致可見的開裂，進而可能造成外護套剝離和脫落。

外護套還必須能夠應對物理損壞，例如在銳角處拉動電纜的磨損影響。錯誤的外護套會導致電纜開口，露出屏蔽層或?qū)Ь€。厚聚氨酯因具有耐磨性，是高品質(zhì)電纜外護套材料的可靠選擇。聚氨酯還可以耐受溶劑、極端溫度、光照和各種不當使用。

人們通常將防水性視為理所當然。雖然幾乎每根電纜都可以防水，但實際上長時間暴露在潮濕環(huán)境中也會導致電纜壽命縮短。這可能很難診斷，特別是如果技術(shù)人員沒有意識到此類錯誤，而繼續(xù)使用相同的商用電纜來進行更替時。為防止此類情況，建議在大多數(shù)潮濕環(huán)境中使用 IP67 工業(yè)級電纜。

即使采用最堅固的工業(yè)電纜，布線也應遠離鋒利的邊緣。為避免拉伸電纜，應考慮使用足夠的電纜布線長度。在工廠和辦公樓中，需求變更是常事，因此需要重新布線。

對于電纜可能被水浸沒的極端環(huán)境，應選擇 IP68 級電纜，例如Amphenol Sine Systems的CA0162C22315012四芯圓形電纜（圖 1）。該電纜及連接器系統(tǒng)能夠承受 -25 至 +100°C 的極端工業(yè)溫度范圍。該電纜的四根導線使用絞合的 14 AWG 電線。

圖 1：Amphenol Sine Systems CA0162C22315012 圓形連接器電纜使用 24 AWG 粗電線，以實現(xiàn)出色的導電性。連接器防拉線扣直接熱成型到電纜外護套上，以實現(xiàn)最大程度的保護。（圖片來源：Amphenol Sine Systems）

電纜連接器和觸頭

電纜與連接器的連接可能是組件中遭不當使用最嚴重的部分。從插座上拔下電纜連接器時，建議始終抓住連接器外殼而不是防拉線扣。但是，技術(shù)人員匆忙中有時會拉動防拉線扣。有時電纜連接器被放置在狹窄空間中，不可避免地需要拉動防拉線扣來移除連接器。如果在商用電纜上重復此操作一定次數(shù)，電線與連接器觸頭很可能分離，從而導致間歇性連接故障或完全失效。

對于這些情況，建議使用高強度的電纜連接器外殼，例如熱成型防拉線扣，因為它們在插入和移除電纜連接器時可提供出色的應力保護，并在惡劣條件下隔離潮氣。

連接器配接次數(shù)通常對于固定在同一插座上數(shù)月或數(shù)年的連接器來說并不重要。但是，另一個極端下，搭配工業(yè)測試設(shè)備使用的電纜，一天內(nèi)配接次數(shù)可達到數(shù)十次。務必選擇一個連接器配接次數(shù)至少超 50% 的電纜，這一點非常重要。

有時極端條件需要采用具有獨特解決方案的創(chuàng)新產(chǎn)品。Rosenberger制造了一系列磁性自定位連接器，可提供幾乎無限的配接次數(shù)（圖 2）。Rosenberger 電纜組件末端的自定位磁性連接器可以很容易地插入插座，插入力為零。磁性連接器系統(tǒng)可自動將電纜連接器吸入插座中，配接后會聽到咔嗒聲，無需手動插入。

圖 2：Rosenberger 電纜組件末端的自定位磁性連接器可以很容易地插入插座，插入力為零。（圖片來源：Rosenberger）

Rosenberger 的L99-838-1500工業(yè) USB 電纜組件專為頻繁使用的診斷設(shè)備而設(shè)計。每端都有一個簡單的磁力鎖定機構(gòu)，可以快速方便地與兼容插座配接和取消配接。這對于辦公樓、工業(yè)控制和自動化系統(tǒng)以及配接次數(shù)異常高的其他環(huán)境中所使用的診斷設(shè)備的維護尤其有用。

金、鎳和錫：觸頭磨損詳細信息

電纜連接器觸頭與電纜載流量和可靠性有關(guān)。鍍錫連接器在商用電纜中相當普遍。對于高可靠性工業(yè)電纜連接器，金是最佳選擇，因為它是一種優(yōu)良的導體，不會像銀或銅一樣氧化或腐蝕。但是，純金的價格貴得難以接受。更好的解決方案是使用鍍金鎳觸頭，如Molex的1203410303M12 CAT6A 工業(yè)以太網(wǎng)電纜中所用的觸頭（圖 3）。

工業(yè)標準 M12 連接器采用鍍鎳金觸頭，性能優(yōu)于純金觸頭，具有更高的耐用性、金屬穩(wěn)定性和耐腐蝕性。

圖 3：1203410303 Molex M12 CAT6A 工業(yè)以太網(wǎng)電纜上的鍍金觸頭在工業(yè)環(huán)境中擁有低電阻和高可靠性特性。（圖片來源：Molex）

雖然銅和銀的導電能力略勝于金，但它們更容易在惡劣環(huán)境中變色和腐蝕。金是工業(yè)環(huán)境下的優(yōu)秀導體，因為它耐受多種溶劑并在高溫下保持連接性。出于這些和其他原因，建議高可靠性工業(yè)應用中采用金。

在大多數(shù)情況下，金-金觸頭連接擁有高可靠性、低電阻優(yōu)勢。建議較軟的觸頭（如錫）不要與金結(jié)合使用，因為可能會發(fā)生微動磨損。微動磨損是指兩種不同的金屬接觸并引起化學反應，產(chǎn)生另一種會增加連接電阻的材料。

另一種形式的微動磨損是指，當像金一樣非常硬的金屬摩擦錫等非常軟的金屬時，造成一些錫被刮掉并附著在金上，從而導致相同的化學反應。

電纜屏蔽

工廠和辦公樓等嘈雜的環(huán)境充滿了電氣噪聲。電磁干擾 (EMI) 會嚴重影響電子設(shè)備的效率和運行。布線可能會產(chǎn)生 EMI 或受其影響。正確的電纜屏蔽可以抑制或消除大多數(shù) EMI。在工業(yè)環(huán)境中，選擇具有適當屏蔽功能的電纜非常重要，因為日后可能特別難以診斷 EMI 噪聲引起的設(shè)備問題。

電纜屏蔽有兩種類型。鋁箔屏蔽在工業(yè)和商用電纜中都很常見，并提供 100% 的覆蓋率。對于工業(yè)應用，鋁箔面向?qū)Ь€的一側(cè)粘有一層薄薄的非導電膜，以便更好地與導線絕緣。為了提供足夠的屏蔽，鋁箔的厚度可能使電纜變硬且難以處理。一些商用電纜使用薄層鋁箔，足以滿足家用，但不能為工廠提供足夠的 EMI 保護。

編織銅線絲網(wǎng)屏蔽比箔屏蔽更容易使用，并具有更多的靈活性。但是，編織屏蔽通常僅提供 70% 至 95% 的覆蓋率。因此，許多高品質(zhì)的工業(yè)電纜使用薄鋁箔屏蔽和銅編織物的組合，在保持靈活性的同時提供出色的 EMI 保護。

電纜連接器在每個連接器處均提供屏蔽接地。務必在兩端都使用屏蔽接地，以實現(xiàn)最大的抗噪能力。

總結(jié)

在項目早期做好正確的布線選擇可以防止以后出現(xiàn)問題。與商用電纜相比，工業(yè)電纜品質(zhì)更高，具有更高的信號質(zhì)量和更長的使用壽命。工程師和技術(shù)人員應仔細審查待用于工業(yè)應用的電纜規(guī)格，以確保采購到合適的電纜，實現(xiàn)可靠性、長壽命和總擁有成本的最優(yōu)化。