Грозозащита в симметричных линиях передачи данных

Защита симметричных входов сетевых устройств от перенапряжений, связаных с воздействием атмосферного электричества, имеет свою специфику, и отличается от аналогичных устройств, применяемых для защиты входных цепей коаксиальных линий. В первую очередь это связано с тем, что передача данных, например в цепях Т1, Е1 или ETHERNET происходит по симметричным линиям, выполненным в виде витой пары*, нагруженной с двух сторон на симметричные (дифференциальные) трансформаторы.

* Здесь и далее рассматриваются только линии передачи данных по симметричным витым парам.

 

1.1 МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОМЕХИ В СИММЕТРИЧНЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ.

Рассмотрим схему  экранированной линии при воздействии на нее внешнего электромагнитного поля.

На схеме: Cp - межобмоточная (паразитная) емкость трансформатора, Cp1 - емкость между экраном и жилами кабеля, Re - эквивалентное сопротивление входных цепей аппаратуры.

Воздействие внешнего электромагнитного поля,  создает в проводниках линии связи ЭДС, имеющую две составляющие - синфазную и противофазную.

Противофазная составляющая определяется несимметричностью линии: U1≠U2, или I4>0 и может быть легко подавлена при помощи ограничителей напряжения, таких как двуханодные стабилитроны и газовые разрядники.

Синфазная, или продольная составляющая ЭДС, наводится на всех проводниках кабеля, включая экранную оплетку, и действует на входные цепи аппаратуры Re, через паразитную емкость монтажа и межобмоточную емкость трансформатора, см. ток Is на схеме (1). Синфазная ЭДС создает разность потенциалов между входом аппаратуры и общим проводом, и является главной причиной пробоя входных цепей аппаратуры связи.

Условие присутствия синфазной помехи: [ U1=U2 ]>0, [ I2=I3; I1 ]>0Синфазная ЭДС создает ток, проходящий через входные цепи аппаратуры, цепи питания и далее через сеть переменного тока, на землю.

Заменим схему (1) на эквивалентную схему (2) для синфазной помехи. Трансформатор представим как последовательно включенный конденсатор, эквивалентный межобмоточной емкости трансформатора. Для упрощения примем Re за один резистор, включенный на общий провод питания входных цепей аппаратуры.

Для наглядности, на схеме показан входной инвертор структуры КМОП (CMOS) с защитными диодами. После упрощения получается простая дифференцирующая цепь, в которой емкость Ce равна сумме емкостей монтажа и обмоток трансформатора, а Re является эквивалентным входным сопротивлением.

При воздействии на вход синфазной помехи, токи I1-I3 суммируются на левой обкладке конденсатора, I1+I2+I3=Is. Ток Is создаeт на входном сопротивлении Re суммарное напряжение синфазной помехи Us, которое в зависимости от полярности проходит на источник питания через верхний или нижний защитный диод КМОП-инвертора.

Очевидно, что чем меньше сумма токов  I1+I2+I3=Is, тем меньше значение напряжения Us. В случае превышения напряжения Us выше порога, равного 2U+, происходит пробой защитных диодов.

Следует отметить, что напряжение помехи может иметь различную форму, длительность и амплитуду, поэтому рассматривать численные значения емкости Ce и сопротивления Re, не имеет смысла, более того, разделение импульсов помехи по параметрам, может привести к ошибочным выводам. Поэтому для рассмотрения выбран наихудший случай, а именно: дифференцирующая цепь CeRe принимается как прозрачная для импульсов любой формы.

1.2 Что лучше экранированная витая пара или неэкранированная ?

Спецификации на экранированные кабели с симметричными парами, приводимые всеми без исключения производителями, указывают на то, что экранная оплетка служит для подавления излучения кабеля во внешнее пространство, для уменьшения влияния между соседними парами кабеля, или соседними кабелями, проложенными в одном кабельном канале (Crosstalk Effect).

Использование экранированного кабеля с целью улучшения защиты линии связи от помех, связанных с воздействием мощного внешнего электромагнитного поля, спецификациями производителей никак не оговаривается.

Обьясняется это тем, что экранированный многопарный кабель не обладает сколько-нибудь существенными преимуществами перед неэкранированным, ни в  скорости передачи данных, ни в устойчивости к внешним электромагнитным наводкам большой интенсивности.

Кроме того, при использовании экранированного кабеля возникает серьезная проблема с заземлением экранной оплетки, заключающаяся в том, что симметричная конструкция кабеля не позволяет присоединять экранную оболочку кабеля напрямую к земле, как это делается в коаксиальных линиях связи.

1.3 СИНФАЗНАЯ ПОМЕХА В ЭКРАНИРОВАННОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ.

Как было показано в 1.1, при воздействии синфазной помехи, токи в проводниках кабеля суммируются. В случае применения экранированного кабеля, ток наводится также и в экранной оболочке, и равен I1, см.(1). Очевидно, что ток I1 не равен по величине токам I2 и I3, а при ближайшем рассмотрении намного превышает суммарный ток: I1>>I2+I3. Причина неравенства токов проста: площадь поверхности и сечение экранной оплетки в сотни раз превосходят аналогичные параметры витой пары, поэтому  ЭДС, наведенная в экранной оплетке, создает на эквивалентном сопротивлении Re значительно большее по размаху напряжение.

В точке присоединения линии связи к аппаратуре, токи I1,I2,I3, суммируются и образуют суммарный ток Is, в котором подавляющую часть составляет ток, наведенный в оплетке I1, а токи I2 и I3 составляют, как было показано, пренебрежимо малую часть. Ток Is проходит через межобмоточную емкость трансформатора, и при уровне более удвоенного напряжения питания микросхемы порта, пробивает входные цепи.

Из этого простого анализа цепи очевидно, что экранная оболочка кабеля в данном случае не так полезна, как может показаться на первый взгляд, более того, экранная оболочка является носителем самой внушительной части энергии синфазной составляющей, при этом совершенно не меняя в лучшую сторону скоростные характеристики симметричной линии связи. Использование экранированного кабеля создает очевидную проблему: как и куда должна быть присоединена экранная оболочка кабеля, и как нейтрализовать ток синфазной составляющей протекающий по оплетке.

1.4 ПРИСОЕДИНЕНИЕ ОБОЛОЧКИ КАБЕЛЯ НА ЗЕМЛЮ

Легко доказать, что простое заземление оплетки кабеля не устраняет прохождение импульса пробивного напряжения на вход микросхем порта. Как было показано, входные каскады аппаратуры представляются дифференцирующей цепью, прозрачной (в первом приближении) для любых импульсных и периодических помех. Сопротивление конденсатора, см. Ce рис.(1) в начальный момент времени равно нулю, (см. законы коммутации) поэтому, в момент прохождения фронта импульса, он практически беспрепятственно проникает через емкость трансформатора во внутренние цепи аппаратуры.

Для примера рассмотрим случай заземления экранной оплетки в непосредственной близости от аппаратуры, в случае, если общий провод питания аппаратуры не заземлен и как следствие имеет потенциал, отличный от потенциала земли.

Импульс синфазной помехи создает в экранной оболочке ток, который в точке заземления разветвляется на две части (см рис.3). При этом ток I1 проходит через контур заземления, а ток I2, через паразитную емкость между экраном и проводниками кабеля, трансформатор интерфейса и далее через источник питания проходит в сеть переменного тока, которая в свою очередь имеет емкостную или гальваническую связь с землей. Таким образом, если из суммы токов, воздействующих на вход, убрать ток возникающий в оплетке, возможность пробоя входных цепей аппаратуры значительно уменьшается.

1.5 КАК ПРАВИЛЬНО ЗАЗЕМЛЯТЬ ЭКРАННУЮ ОБОЛОЧКУ КАБЕЛЯ

Рис.3 Случай присоединения экрана кабеля на землю, общий провод питания не заземлен, Cp - паразитная емкость, Earth -заземление, P.G. - общий провод питания сетевого устройства. Точки V1 и V2 показывают разность потенциалов напряжения между землей и проводом питания. Пробой в этом случае происходит вследствие прохождении импульса I2 через входные цепи и далее через питание и сетевой трансформатор в сеть переменного тока, имеющую контакт с землей, как по низкой, так и по высокой частоте.

Путем аналогичных рассуждений нетрудно доказать, что даже в том случае, когда потенциалы земли и общего провода питания аппаратуры одинаковы, то есть общий провод аппаратуры заземлен, импульс помехи будет проникать во входные цепи аппаратуры. Заземление, экранной оплетки при использовании кабеля с симметричными парами опасно для аппаратуры, не имеющей специально организованной, симметричной относительно пар кабеля, шины заземления.

• Простое заземление экранной оболочки кабеля не имеет никакого смысла, так как не устраняет проблемы проникновения синфазной помехи, и возникновения опасных потенциалов на входах микросхем.

Одной из главных причин пробоя входных цепей является несимметричное заземление экранной оплетки кабеля

• Для правильного заземления оплетки кабеля необходимо иметь точку заземления, симметричную относительно витой пары. Эта задача может быть решена только применением симметричного трансформатора с центральным отводом от первичной обмотки, или дополнительного симметрирующего автотрансформатора, включаемого в цепь витой пары. Большинство сетевых устройств не имеет симметричной входной схемы с отводом, поэтому применение экранированного провода для связи таких устройств не рекомендуется. Для систем связи, разработанных для работы с экранированным кабелем, выпускаются специальные полностью экранированные разъёмные пары RJ-45, в которых экран присоединяется к отводу трансформатора.

При воздействии мощной синфазной помехи, например вызванной грозовыми разрядами, основной причиной выхода из строя сетевой аппаратуры является неправильное использование экранированных кабелей, а именно несимметричное заземление экранирующей оплетки.

• Если сетевое устройство не оборудовано специальными экранированными разъёмами RJ-45, или не имеет специального вывода для заземления экрана, то заземлять оплетку без симметрирующего трансформатора нельзя. Достаточно безопасно применять обычный UTP кабель и симметричные устройства грозозащиты.

В случае необходимости применения экранированного кабеля с аппаратурой, не предназначенной для таких целей, следует применять внешние схемы создания симметричной точки заземления, комбинированные со схемой грозозащиты.

1.6 ПОДАВЛЕНИЕ СИНФАЗНЫХ ПОМЕХ В СИММЕТРИЧНЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ.

Для подавления синфазных помех существует метод, основанный на применении связанных катушек индуктивности, размещенных на общем сердечнике. Катушки индуктивности, включенные по такой схеме, называют продольным трансформатором, или du/dt-фильтром. Читается как ДэУ-по-Дэтэ Фильтр. Согласно включенные индуктивности не оказывают никакого влияния на полезный сигнал в линии, как впрочем и на противофазную составляющую помехи. Для синфазной составляющей продольный трансформатор в идеале представляет собой бесконечно большое сопротивление. Варианты схем включения продольного трансформатора показаны на рисунке. Продольные трансформаторы включены в состав всех трансформаторных модулей Ethrnet, предназначенных для работы в составе аппаратуры связи локальных сетей промышленного и коммерческого назначения. Если по каким-либо причинам используется кабель имеющий экранную оболочку, например при использовании экранной оболочки для подачи питания, то ее следует включать через однообмоточный симметрирующий трансформатор, или на среднюю точку первичной обмотки линейного трансформатора. Во всех случаях продольный трансформатор включается после симметрирующего. Средняя точка симметрирующего трансформатора присоединяется к заземлению или общему проводу аппаратуры и может быть использована как опорная для включения первой секции грозозащиты.

При протяжке кабеля «по воздуху» можно подвешивать его на медный или стальной тросик или проволоку. Концы тросика необходимо надежно  заземлять.

Провод к тросику следует подвешивать при помощи пластмассовых или других диэлектрических креплений, на расстоянии 1-2 см.

В том случае, когда потенциалы земли на концах троссика не равны, это часто встречается при организации воздушных линий связи между домами, разделите его на две части при помощи фарфорового изолятора. Тросик, выполняя роль громоотвода, будет маскировать ваш провод (в электрическом смысле), и электрический разряд уйдет по нему в землю, следуя по пути с наименьшим электрическим сопротивлением.

Очевидно, что паразитная емкость между жилами кабеля и тросиком пренебрежимо мала, и влияние тока, наведенного в тросике, будет пренебрежимо малым.

Exergia Division II 2004   

Дополнительная литература

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

Пресс-релиз фирмы ANALOG DEVICES   загрузить pdf.

 

Рейтинг@Mail.ru

FarPost

Exergia Division II

 

HOME

Стр.1

Стр.2

Стр.3 Стр.4 Стр.5 Стр.6 Стр.7

NEXT