Продукция

Устройство защиты РГ4PoE
Устройство защиты РГ5
Устройство защиты РГ6
Универсальный корпус 19"
Модуль РГ4-12LSA
Модуль РГ4PoE-6LSA
Модуль РГ5-8LSA
Модуль РГ5G-4LSA
Прочее
Рекомендации по применению
История создания
Предпосылки создания РГ4, РГ5, РГ6
Видеоролик
Образец договора (36 кБ)
Варианты формирования заказа
Сертификат соответствия
Складские остатки
Комплект разработчика LKD-Kit

Некоторые вопросы использования газоразрядных приборов для защиты линий Ethernet

Газоразрядные приборы широко используются для защиты электронных устройств от импульсов повышенного напряжения различной природы. Этому способствует сочетание свойств:
крайне низкая проводимость в нерабочем состоянии;
высокая импульсная мощность;
низкая вносимая емкость;
низкое дифференциальное сопротивление рабочего участка вольт-амперной характеристики.

Вместе с тем, общеизвестны и недостатки этих приборов:
запаздывание срабатывания при высоких скоростях нарастания входного напряжения;
высокая крутизна фронта напряжения при переходе в рабочее состояние.

В качестве иллюстрации этого факта можно привести осциллограмму напряжения, при срабатывании устройства защиты, опубликованную в каталоге фирмы KRONE AG 95/96 года, раздел "Protection System".

Рис.1. Осциллограмма напряжения на газорязрядном приборе фирмы KRONE

На протяжении нескольких десятилетий газоразрядные приборы верой и правдой защищали аппаратуру связи. Поэтому, когда компьютерные сети развились настолько, что потребовалось объединение компьютеров за пределами одного здания, вполне естественно, было обратиться к проверенному техническому решению. Однако использование этих приборов в сетях Ethernet должно учитывать два обстоятельства, которые отличают их от сетей проводной связи, а именно:
1.Рабочее и предельно допустимое напряжение оборудования передачи данных ниже в 10 раз.
2.Верхняя граница рабочих частот выше в 10000 раз.

В этих условиях недостатки газоразрядных приборов, терпимые в других приложениях, становятся критически важными. Поэтому прямой перенос отработанных решений без их корректировки с учетом специфики Ethernet невозможен.

Попробуем разобраться в процессах, происходящих в цепи, имеющей в своем составе типичный газоразрядный прибор NS2R-90, выпускаемый фирмой Nenshi Communications Equipment Co. Ltd. Схема экcперимента приведена на Рис.2. Для регистрации процессов использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS 450B (500 MHz, 2 GS/s).

Рис.2. Схема измерений

Осциллограмма напряжения в точке 1 (Рис.3) практически полностью повторяет данные фирмы KRONE за небольшим исключением. Высокая разрешающая способность регистрирующего оборудования позволила зафиксировать значительный отрицательный выброс на фронте срабатывания разрядника.

Рис.3. Осциллограмма напряжения в точке 1. Делитель 1:1000.
Действительный масштаб по напряжению 1000 В/дел.
Справа представлена та же осциллограмма, растянутая по оси времени в 200 раз.

Почему на осциллограмме каталога фирмы KRONE этот факт отсутствует? Можно предположить, что поскольку, устройства, описываемые в каталоге, предназначены для низкочастотных приложений, то и для регистрации процессов использовалась соответствующая аппаратура. Косвенно об этом свидетельствует крутизна фронта напряжения на приводимой осциллограмме, которая определяется исключительно переходной характеристикой усилителя вертикального отклонения осциллографа. На рисунке она имеет явный наклон, что может свидетельствовать о возможностях аппаратуры. В нашем случае длительность зарегистрированного фронта составила <1 ns, что так же является пределом разрешающей способности прибора. Скорее всего, применив более высокочастотную аппаратуру, мы зафиксировали бы еще меньшие значения для длительности фронта.

Импульсные измерения в субнаносекундном диапазоне представляют собой серьезную инженерную задачу. Просто высокочастотного осциллографа в этом случае недостаточно. В таких измерениях на первый план выходят факторы, которые в обычных условиях не проявляются, и нужно иметь опыт их нейтрализации. Мы не ставили перед собой подобную задачу, поэтому полученные результаты можно оценить только качественно. А именно: не оставляет сомнений наличие импульса с амплитудой не менее напряжения динамического пробоя разрядника (в нашем случае примерно 400В) и длительностью фронта <1 ns.

При распространении импульса с такой длительностью фронта определяющими становятся паразитные параметры элементов. В частности, для оборудования Ethernet определяющим фактором становится проходная емкость интерфейсного трансформатора, которая составляет 10-20 pF.

Рис.4. Типовая схема входных цепей оборудования Ethernet

Входные цепи практически любого оборудования Ethernet можно представить в виде эквивалентной схемы, состоящей из RC цепи, где C = 10 pF - проходная емкость интерфейсного трансформатора, а R = 50 ом – согласующий резистор на входе микросхемы. Несложно рассчитать возникающие напряжения, но предложенная модель не учитывает много прочих паразитных параметров, поэтому значительно надежнее зарегистрировать прохождение импульса непосредственно в оборудовании.

Рис.5. Осциллограмма напряжения в точке 2. Делитель 1:1000.
Действительный масштаб по напряжению 100 В/дел.

Амплитуда импульса, зарегистрированного на входе микросхемы, составляет ±200 В. Важно заметить, что импульс является синфазным и не взаимодействует со схемами подавления дифференциальной помехи, применяемыми в устройствах защиты, какими бы быстродействующими они не были.

Таким образом, устройство защиты, под действием импульса грозового перенапряжения формирует на входе приемо-передатчика вторичную помеху в виде высоковольтного импульса.

В наших измерениях использовалось модельное подключение газоразрядного прибора, однако несложный анализ широко распространенных схем защитных устройств позволяет выявить потенциально опасные схемотехнические решения.

Рис.6. Схемотехнические решения защитных устройств, потенциально опасные с точки зрения возникновения высоковольтной вторичной помехи

Какой выход из этой ситуации?

1. Снизить амплитуду импульса на газоразрядном приборе за счет совместного включения с полупроводниковым прибором (существуют также газоразрядные приборы со встроенными элементами подавления импульса). Такое решение широко используется для защиты телекоммуникационных интерфейсов, но полностью проблему крутого фронта оно не решает.

2. Использовать вместо газоразрядных приборов другие компоненты, например полупроводниковые стабилитроны или варисторы. При их применении необходимо решить схемотехнические вопросы нейтрализации высокой емкости этих приборов и низкой (по сравнению с газоразрядными приборами) максимально допустимой мощности.

3. Использовать схемотехнические решения, обеспечивающие нейтрализацию крутых фронтов напряжения при переходе газоразрядного прибора в проводящее состояние.

Литература.
1. Райзер Ю.П. "Физика газового разряда". М., Наука, 1992
2. Базелян Э.М., Райзер Ю.П. "Искровой разряд". М., Издательство МФТИ, 1997