Грозозащита в симметричных линиях передачи данных

• Схемотехника устройств подавления противофазных помех, в симметричных линиях достаточно проста, как правило такие устройства состоят из трех ступеней, рассчитанных на разные пороговые напряжения срабатывания. Практическими исследованиями установлено, что при ударе молнии, основной пик напряжения составляет по времени около 250 μs, поэтому элементы схемы должны обладать быстродействием, хотя бы на порядок выше. Современные полупроводниковые и газоразрядные приборы работают в области наносекундных интервалов и удовлетворяют всем требованиям по максимальному току, диапазону рабочих напряжений и сроку службы. Конструирование многоступенчатых схем следует начинать с выбора элементной базы и рассчета развязывающих резисторов, устанавливаемых между ступенями.

• Рассчитать элементы схемы в соответствии с требуемой полосой пропускания можно пользуясь следующими формулами, предназначенными для расчета двухзвенных пассивных RC> фильтров нижних частот. Эквивалентные емкости элементов берутся из справочных данных.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ СОВРЕМЕННЫХ ГАЗОВЫХ РАЗРЯДНИКОВ

• Газоразрядные приборы используемые в системах грозозащиты в основном различаются и выбираются по напряжению пробоя в динамическом режиме, при воздействии на разрядник импульсного напряжения. При прочих равных условиях, более чувствительными приборами являются комбинированные скоростные пик-абсорберы серии RAV производства компании OKAYA, Valparaiso, Indiana, USA http://www.okaya.com/ На графике вверху показаны сравнительные характеристики простых и комбинированных газовых разрядников. Улучшение динамических свойств практически на два порядка, достигается совмещением в одном корпусе газоразрядного прибора и скоростного полупроводникового варистора. Внешнй вид динамических пик-абсорберов RAV показан на фото.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ВАРИСТОРОВ

• Аналитически вольтамперная характеристика варистора может быть выражена формулой, в которой σ0 - это начальная проводимость варистора при U=0. α - константа, определяемая типом варистора.

• Варисторы-нелинейные полупроводниковые резисторы, обладают свойством изменения проводимости в зависимости от приложенного напряжения.

• Вольтамперная характеристика варистора зеркально симметрична относително горизонтальной оси, и при измерении на постоянном токе или на частотах до ~100 Герц, имеет форму, изображенную на рисунке слева. При повышении частоты, характеристика приобретает вид петли гистерезиса.

• Варисторы применяются для защиты от перегрузок, искрогашения, стабилизации и ограничения напряжения, в качестве элементов функциональных аналоговых узлов преобразователей степенных функций, и т.п.

Номинальное напряжение (Nominal Varistor Voltage), Vn - напряжение на варисторе, при котором через него течет некий ток, называемый классификационным, для варисторов, применяемых в радиоэлектронике, классификационный ток принимается равным 1 mA. Иногда этот параметр называют классификационным напряжением.

Максимальное напряжение (Maximum Operating Voltage), Vm - напряжение, которое может быть приложено к варистору на неопределенно длительное время. Указывается среднеквадратическое значение.

Максимальное напряжение отсечки (Maximum Clamping Voltage), Vc - поскольку варистор сконструирован для работы в цепях с импульсным напряжением, то все тестовые измерения требующие токов превышающих 1mА, проводятся в импульсном режиме. Vc это максимальное напряжение, измеренное на клеммах варистора при воздействии испытательного импульса 8/20 μs стандарта ITU 1Vc-Per IEC 61000-4-2 Level 4, (см описание ниже).

Максимальный импульсный ток (Peak Current) ITM - максимальный импульсный ток, не вызывающий повреждения варистора. Измеряется при помощи импульса8/20 μs.

Максимальная энергия импульса (Max. Energy Capability), WTM - максимальное количество энергии, поглощаемое варистором без деградации параметров' выражается в джоулях (Ватт-секундах) и может быть выражена следующим образом: WTM=VCIT, где T - время действия импульса.

Собственная емкостьв неактивном режиме CV - Емкость между выводами варистора, измеряется на частоте 1 КГц или 1МГц.

Быстродействие (Response Time) - время перехода из непроводящего состояния в проводящее. В настоящее время варисторы имеют быстродействие до 0.2 ns.

• Применение варисторов в качестве элементов многоступенчатых систем грозозащиты один из очевидных способов использования этих замечательных полупроводниковых приборов. Варисторы обладают рядом уникальных свойств, таких как высокое быстродействие в момент появления перенапряжений, быстрое восстановление после снятия перегрузки, и, что особенно важно, варисторы способны проводить импульсные токи величиной от десятков до тысяч ампер. В 2001 году начато серийное производство многослойных варисторов с емкостью не более 3 пф и быстродействием 0.2 ns, что сделало возможным применение варисторов в цепях защиты скоростных линий передачи данных. Для работы в схема грозозащиты линий Ethernet, Т1 и т.п. идеально подходят варисторы типа WPSA производства компании World Products, California, US. www.worldproducts.com и аналогичные приборы других компаний, например Panasonic, Litlefuse, Bourns и др.


ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ДВУХАНОДНЫЕ СТАБИЛИТРОНЫ

Последняя ступень грозозащиты должна иметь высокое быстродействие, малую собственную емкость в нерабочем состоянии и ограничивать остаточное напряжение на уровне, не превышающем двойного напряжения питания микросхемы интерфейса или порта. Компания OKAYA производит ряд сверхбыстродействующих двуханодных стабилитронов, таких например, как RSSA с быстродействием 10-¹² секунды и токами до 1300 Ампер. Такого рода полупроводниковые приборы эффективно подавляют входные перегрузки, ограничивая напряжение на уровне от 3 до 10 вольт.

ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ МОДУЛИ ETHERNET ИНТЕРФЕЙСОВ

• Сетевые устройства Ethernet всегда имеют на входе трансформатор, предназначенный для гальванической развязки от линии связи и согласования симметричной линии со входом микросхем интерфейса. В устройствах, предназначенных для бытовых применений, или для применений в малых оффисах, где требования к помехоустойчивости передачи данных не высоки или не оговариваются вообще, применяются классические двухобмоточные трехсекционные широкополосные ◄трансформаторные сборки, которые одинаково хорошо проводят на вход микросхем порта как информационный сигнал, так и сигнал помехи. Такие трансформаторы не рассчитаны на работу в условиях импульсных помех или помех от близкорасположенных промышленных установок, сварочных аппаратов, мощных радиопередатчиков, и конечно же не рассчитаны на работу с открытыми «воздушными» линиями связи. В некоторых источниках, например здесь: http://www.premiermag.com/pdf/net015.pdf такие трансформаторы называют CHEAPERNET TRANSFORMER от слова cheap - недорогой, дешевый.

• Для создания сетевых устройств, рассчитанных на работу в условиях; внешних помех высокого уровня, следует применять специально разработанные многообмоточные модули трансформаторной развязки, содержащие фильтры синфазной и противофазной составляющих помехи, и ограничивающих полосу пропускания на требуемом уровне. Пример простейшего многообмоточного модуля компании DELTA приведен на рисунке►.

http://www.deltaww.com/ Линейные согласно включенные индуктивности, служат для подавления импульсных помех, кроме того, трансформаторы имеют специальные выводы от середины обмоток, позволяющие строить устройства выделения постоянной составляющей сигнала. Значительно более сложные по устройству модули содержат фильтры нижних частот, защитные диоды, и сдвоенные трансформаторы. Такие модули выпускаются компанией BOTHHAND http://www.bothhand.com/ например модуль FS2022 http://www.bothhand.com/products/10baseT/FS2022B-3-Rev.A2-02.06.04.pdf имеет встроенные LC фильтры нижних частот и фильтры импульсных помех. Компания PULSE выпускает трасформаторные модули развязки с помехоподавляющими секциями на связанных индуктивностях http://www.pulseeng.com/pdf/H342.pdf, на страницах сайта этой компании можно найти схемы некоторых узлов грозозащиты, с заземлением продольной помехи на шасси устройства. Пожалуй самый широкий спектр трансформаторных модулей выпускает компания PREMIER MAGNETICS, California. Существуют решения, позволяющие модифицировать уже имеющуюся аппаратуру путем замены линейных узлов. Например модуль RJ-45 http://www.acksys.fr/docs_us/Documentations%20techniques/LF1S028.pdf

Трансформаторные модули имеют стандартные цоколевки, и практически всегда возможно подыскать модуль взамен обычного трансформатора и установить в имеющемся оборудовании.

ПРИМЕРЫ СХЕМ ГРОЗОЗАЩИТЫ ДЛЯ РАЗНЫХ СПОСОБОВ ВКЛЮЧЕНИЯ КАБЕЛЯ И ЗАЗЕМЛЕНИЯ

• Схема грозозащиты симметричной линии связи без заземленной нейтрали (общего провода).
• Применяется в случае прокладки кабеля в металлической трубе, имеющей по всей длине контакт с землей.

• Схема грозозащиты симметричной линии связи с заземленной нейтралью, применяется для коротких линий связи, имеющих участки открытой (воздушной) подвески.
• Варисторы должны иметь внутреннюю емкость не более 15 пикофарад, если возможно увеличение сопротивления R до 10 Ом, емкость варисторов может быть больше.

• Схема грозозащиты симметричной линии связи с заземленной нейтралью и экранированным кабелем

• Схема грозозащиты симметричной линии связи с заземленной нейтралью, экранированным кабелем и присоединением к общему проводу аппаратуры


• Методика проверки на электрическую прочность элементов конструкции и грозозащиты вцелом, оговаривается документом ITU 1Vc-Per IEC 61000-4-2 Level 4, описывающем форму и способы воздействия на схему методом имитации стандартного грозового импульса. На чертеже показана форма этого импульса, который также называют импульсом 8/20 μs. В целом считается, что несмотря на то, что длительность реальных грозовых разрядов может достигать 250 μs, реальной поражающей способностью обладает именно часть импульса, ограниченная временем нарастания 8 μs и временем спада 20 μs


Exergia Division II 2004   

Дополнительная литература:
Грозозащита радиоэлектронных средств Справочник "Радио и Связь" под ред. В. И. Кравченко (формат *.djvu)

 
HOME Стр.1 Стр.2 Стр.3 NEXT