Ochrana proti přepětí v kontextu průmyslové elektroniky - svodiče a galvanická izolace

 

Galvanická izolace vstupně/výstupních rozhraní v zařízeních průmyslové elektroniky má dvě důležité výhody a motivy: má schopnost rozetnout zemní smyčky (které vnášejí rušení do signálových přenosů) a ochrání port na krabičce proti "běžným" poruchovým hladinám napětí.
V kontextu tohoto povídání nás bude zajímat druhá jmenovaná vlastnost.

 

Zařízení průmyslové elektroniky jsou napájena buď bezpečným malým napětím, nebo mají přímo na napájecích svorkách "nízké napětí" 240V střídavých (případně podobně vysoký stejnosměr). Napájecí sítě o vyšších hladinách jsou vzácné.
Je ale třeba si uvědomit, že pokud je "bezpečné malé napětí" odvozeno snižujícím měničem nebo trafem ze sítě "nízkého napětí", za příznivé konstalace okolností se chybou v zemnění může objevit mezi krabičkami navzájem na zemních potenciálech plná hodnota "nízkého napětí", přestože sama koncová krabička má na vstupních svorkách jmenovité napájení "bezpečné malé". Případně lze spekulovat, že pokud se "poblíž" vyskytují ještě vyšší napájecí hladiny, platí analogicky totéž riziko - např. na rozhraních řídících prvků trakčních měníren/rozvoden, a ostatně i ve VN transformovnách/rozvodnách.

V zájmu odolnosti širšího systému proti relevantním přepěťovým nehodám, tzn. proti tvrdému napětí omezenému na konkrétní maximální hodnotu, bývají některá rozhraní průmyslové elektroniky vybavena galvanickou izolací. Do prostředí NN napájení (240V) se běžně používají slaboproudé oddělovací součástky o jmenovité izolační pevnosti ve vyšších stovkách voltů, běžně třeba do 1.5 kV. Jedná se například o tyto součástky:

• 
  Optočleny (řádově do 50 MHz)  
• Signálové transformátory (běžně do cca 250 MHz, výš trafa moc nefungují)
• Kapacitní oddělovače (kondíky v sérii s oběma žilami v páru či koaxu) - lze oddělit signály až do jednotek GHz
• Vyskytují se "monolitické" součástky s miniaturním signálovým trafem na čipu, s aktivní elektronikou na obou stranách - např. pro oddělení USB
• 
  Pokud se na "odděleném ostrůvku" vyskytuje aktivní elektronika, často je napájena miniaturními DC/DC převodníky s magnetickým přenosem (VF trafem), zalitými v plastové kostičce. Nebo samozřejmě pro větší výkony může posloužit klasický spínaný měnič z diskretních součástek, s VF trafem a zpětnou vazbou optočlenem. V zařízení s více nezávisle oddělenými porty lze potkat napájecí měnič s více navzájem oddělenými sekundárními sekcemi.
• Vláknová optika s transceivery buď duplexními nebo i simplexními. Běžně dostupné jsou optické vysílače a přijímače cca do 10 Gbps jednou lambdou, rychlejší transceivery (40Gb a 100Gb Ethernet) používají CWDM.    

 

Součástky se jmenovitou izolační pevností 2 nebo 4 kV jsou rarita.
Je-li požadována vyšší izolační pevnost, lze provést komunikační linku vláknovou optikou - tam pak izolace záleží prakticky jenom na délce vlákna. A teoreticky také na provedení kabelu - nesmí obsahovat kovové nebo karbonové výztužné lanko (kevlar a jiné polymery nevadí) a případné dutiny v plášti by měly být zajištěny proti kondenzaci vlhkosti.
Zřejmě přesně proto je optický ethernet tak rozšířený ve VN elektro-energetice. Nejde tu o rychlost - opto-transceivery v kancelářském ethernetu původně začínaly na rychlosti 1 Gbps, dnes je v průmyslovém použití (energetika) typická 100 Mbps optika s moderními SFP transceivery. Stejně tak se v tomto prostředí někdy přenáší po optice třeba vteřinový pulz nebo IRIG pro synchronizaci času - v tomto případě se ale jedná o simplexní signály, takže se pro přenos používají starší/hloupé diskrétní vysílače a přijímače (nikoli duplexní SFP moduly).
Další výhodou vláknové optiky je netečnost k elektromagnetickému poli (na "rádiových" vlnových délkách) - takže datový přenos není rušen jiskřením na kontaktech mechanických stykačů/odpojovačů apod.

Základním smyslem galvanické izolace je, aby komunikace pokud možno fugovala "jako by se nechumelilo" i v případě, že je mezi interními referenčními zeměmi obou komunikujících zařízení nějaké chybové napětí, v mezích jmenovité izolační pevnosti použitých součástek.

Na komunikačních spojích, kde hrozí přepětí "nade všechny napěťové meze", galvanická izolace sama o sobě nestačí - poslouží však jako výtečná tečka v kaskádní přepěťové ochraně s použitím svodičů.

 

Jištění proti přepětí - svodiče

Asi nemá smysl, podrobně zde reprodukovat obsah bleskosvodných norem. Zmiňme snad jen základní slovní zásobu: existují jasně definované zóny bleskové ochrany, na jejich rozhraní se umisťují svodiče, počínaje nehrubším na vstupu do budovy (z nechráněného vnějšího prostoru), který má být správně následován jedním či více jemnějšími stupni. Zóny bleskové ochrany se číslují (0,1,2), svodiče se dříve značily písmenky (třída B,C,D), dnes jim odpovídá "typ 1,2,3".

Svodiče přepětí fungují v principu tak, že při nějaké jmenovité hodnotě napětí mezi jeho dvěma vývody se svodič otevře (sepne) a svede přepěťový pulz/energii z chráněného vodiče do ochranné země (PE). Pro vícežilová vedení se vyrábějí ochrany osazené uvnitř více "svodičovými" součástkami.

Ve specifikacích svodičů se uvádí jmenovitý maximální proud (hodnota obvykle v kiloAmpérech) a tvar testovací vlny, obvykle 8/20 nebo 10/350 mikrosekund (náběh do maxima / poločas exponenciálního doběhu). Jinak řečeno, těmito hodnotami je sdělena energie v Coulombech a nepřímo (po vynásobení napětím) v Joulech = energie, kterou je svodič schopen absorbovat nejméně jednou (případně je uvedeno že opakovaně) aniž by ochrana selhala.

Svodičové "součástky" jsou několika druhů, fungují na různých principech a liší se některými charakteristickými vlastnostmi.

• 
  Plynové jiskřiště je velmi příjemná hrubá ochrana pro všeobecné použití. Má v poměru k "výdrži" mizivou parazitní kapacitu a velikou šířku pásma, takže se hodí pro frekvence až do nízkých jednotek GHz (než začnou vadit mechanické rozměry elektrod). Dokud není překročeno zápalné napětí, má jiskřiště vysoký stejnosměrný odpor, nulový parazitní svod - takže nezanáší do signálu nelinearitu (zkreslení) a např. na koaxiálních anténních svodech jiskřišti nevadí stejnosměrné napájení přiložené ke střídavému signálu. Jmenovité zápalné napětí je poměrně vysoké, nejnižší co se vyrábí je cca 75 V, ve formátu "součástek pro slaboproudou elektroniku" jsou ale k dispozici i jiskřiště pro stovky Voltů až nízké jednotky kV. Jiskřiště má určitou "dobu reakce" (pár nanosekund) - při rychlém náběhu přepěťového pulzu je zápalné napětí i násobně vyšší než jmenovité. Naopak jakmile jiskřiště zapálí/sepne, hořící oblouk je schopen držet napětí i hluboko pod jmenovitou "zápalnou" hodnotou (třeba 20 V). Oblouk zhasne, pokud přestane protékat dostatečný proud a napětí znovu nevzroste.
• 
  Transil se chová podobně jako zenerova dioda. Ořízne napěťové špičky nad určitou hodnotu, ale neprojevuje se u něj efekt "zapálení" tzn. nesníží napětí chráněného vodiče pod tuto hodnotu. Transil je polovodič a neotvírá skokem, ale do jisté míry pozvolna. Proto jsou v datasheetu uvedeny minimálně dva napěťové prahy, jeden pro parazitní svod 1 mA, druhý pro plné otevření. Rozdíl mezi nimi bývá asi 20-30%. Někdy datasheet obsahuje i křivku "proudu podle napětí". Transil je poměrně rychlý, ovšem jeho energetická "výdrž" ve srovnání s jiskřišti zaostává - proto se jedná o oblíbenou "jemnou" ochranu druhého nebo třetího stupně, v kaskádě za jiskřišti. Vyrábí se široká paleta jmenovitých napětí, od nízkých jednotek Voltů asi do 200 V.
  Nectností transilů je vyšší parazitní kapacita - proto jsou obvykle nepoužitelné pro rychlé signály ("špatný poměr kapacita/výdrž") cca nad 10 MHz. Kromě toho se zdá, že "pozvolným otvíráním" zanášejí do signálu nelinearitu (zkreslení) což znatelně vadí rychlým komunikačním modulacím s větší hloubkou bitů na symbol. Někteří výrobci ochran kombinují v rychlých ochranách velké transily s maticí usměrňovacích diod, patrně kvůli snížení parazitní kapacity... nám se ale lépe osvědčilo, transily zcela vynechat a vstup osadit galvanickou izolací, která zbytkový pulz za jiskřištěm hravě snese.
• 
  Varistory se zřejmě chovají podobně jako transil. Jedná se o metal-oxidové součástky (keramika), často je zmiňován jako základní materiál oxid zinečnatý (ZnO). Vyrábí se buď diskové provedení (MOV = klasické modré disky v telefonních modemech okolo vstupní zdířky RJ11) nebo také "multi-layer" SMD varianta (MLV), která vnějším vzhledem i vnitřní strukturou připomíná MLCC (keramický kondík).
  Energetická výdrž a parazitní kapacita vychází podobně jako u transilů. Vyrábí se několik napěťových variant, nejnižší je kolem 75 V, vyšší jsou ve stovkách V.
• 
  Velmi účinnou ochranou pro rádiová pásma je "čtvrtvlnný zkrat" = pahýl koaxiálního vedení o délce čtvrt vlny, na konci zkratovaný. Výhodou je nejlepší dosažitelný ochranný efekt, nejmenší zbytkové napětí za ochranou, ze všech dostupných druhů ochran. Nevýhodou je relativní úzkopásmovost (jedná se o laděný prvek) a nepropustnost pro stejnosměrné napájení (stejnosměrně se chová jako čistý zkrat).

 

Vyrábějí se kombinované několikastupňové ochrany sdružené v jednom pouzdře. Přesto je třeba říci, že rozložené kaskádové zapojení má něco do sebe. Hrubá ochrana patří na vstup do budovy, druhý jemnější stupeň na vstup do místnosti. Jejich rozmístění má svůj smysl. A i z tohoto důvodu se nelze zlobit na výrobce průmyslové elektroniky (včetně přijímačů a modemů, ve kterých končí kabel ze ZBO 0) že nedávají do svých přístrojů příliš hrubou ochranu. Ona totiž ochrana třídy B a C do samotného koncového přístroje nepatří - patří na vstup do budovy a na vstup do místnosti. Pokud by byla hrubá ochrana svěřena koncové krabičce, při úderu blesku by příchozí pulz v plné své síle protekl samotnou krabičkou do její ochranné země (o jejíž kvalitě tváří v tvář bleskovému proudu lze obecně pochybovat), tzn. vstoupil by bez omezení do ZBO 2 a hledal by si cestu zeměmi někde v místnosti plné počítačů a další citlivé elektroniky... poměrně děsivá představa, nemyslíte?

Ilustrace k jištění anténního svodu přijímače Meinberg
Kliknutím se zobrazí větší obrázek

Uvědomte si, že úder blesku se chová prakticky jako zdroj relativně konstantního proudu, schopný dodat naprázdno velmi vysoké napětí. Proto mají svodiče definovánu "výdrž" hodnotou v kiloampérech za čas (tzn. v Coulombech). Výdrž svodiče v Joulech je ale fakticky odvozena od mechanické konstrukce a tepelné kapacity svodiče.
Z principu fungování svodičů (schopnost absorbovat během milisekundy děsivý pulz tepelné energie) potom plyne jeden důležitý princip:
Pro svodič o konkrétních mechanických rozměrech a hmotnosti, který je nabízen v několika variantách zápalného napětí, budou jako odolnější (v kiloAmpérech / Coulombech) vycházet varianty o nižším zápalném napětí.
Pozor: všimněte si, že toto je v rozporu s případným současným požadavkem na vysokou galvanickou izolaci vstupního portu zařízení! Čili hledáte kompromis.

Trocha koření na závěr kapitolky:
Porcelánová jiskřiště jsou průsvitná. K "doutnání" lze jiskřiště přimět proudem v jednotkách mA. Testovací pulz o jmenovitých parametrech se navenek projeví ostrým bílým zábleskem. (Video natočeno s laskavým svolením pana Vladimíra Broka při návštěvě na jeho pracovišti.)
 

 

Elektromagnetická kompatibilita - sousední obor

Pokud se podíváte na plošný spoj nějakého průmyslového přístroje, poznáte galvanicky izolovaný ostrůvek takto ošetřeného rozhraní téměř na první pohled: průsvitná izolační mezera ("příkop") bývá široká několik milimetrů a bývají přes ni rozkročené jakési součástky. Méně často se jedná o svodiče (varistory, transily, jiskřiště), častěji se jedná o prosté keramické kondenzátory. Řádově pár desítek až stovek pikoFaradů na 1-2 kV.

Proč jenom kondíky? To je pro potlačení elektromagnetického rušení?
Možná. Na základě pár praktických zkušeností se ale jedná spíš o opatření, aby dotyčný izolovaný port, při zachování jmenovité izolační pevnosti, zároveň splnil EMC test na "bursty ingress", tzn. normu EN61000-4-4.

Ve specifikacích průmyslových zařízení se často dočtete "odolnost proti přepětí na úrovni 2 (4, 8) kV". Přičemž pohledem na plošák zjistíte, že použité optočleny a napájecí DC/DC převodník mají pevnost třeba jenom kilovolt. Nebo ta věc nemá žádný izolovaný port. Pokud se bavíme o neizolovaných vstupech, nebo o běžné izolační pevnosti, tak jaký smysl má specifikace v kiloVoltech? Energie absorbovatelná svodiči se přeci neudává v kiloVoltech, ale v Coulombech nebo Joulech (resp. v kA při konkrétním tvaru testovací vlny).

Vysvětlení je následující:
evropská norma pro "bursty ingress" (EN 61000-4-4) specifikuje, že se generátorem o konkrétních parametrech generují dávky VN pulzů o konkrétní periodicitě / střídě / počtu, a výstup generátoru není na testované rozhraní připojen přímo, ale přesně definovanou kapacitní vazbou. Norma říká, že na vstup testovaného zařízení se připojí kabel (patrně s konkrétně specifikovanou izolací) a tento kabel se volně položí na desku nebo do korýtka, které je teprve vodivě spojeno s výstupem VN generátoru.
Norma mluví o několika stupních odolnosti: to jsou ty patra 0.5/1/2/4 kV (existují tuším ještě drsnější "železniční" dodatky/varianty.) Norma mluví také o několika stupních "splnění" testu: jsou odstupňovány podle toho, nakolik je zařízení daným rušivým signálem ovlivněno (až zničeno).

= za případné nedorozumnění může obvykle lajdácká práce autora dokumentace na straně výrobce. A pokud Vám ta čísla nejsou jasná, tak máte možná i mezery ve vzdělání v oblasti EMC norem :-) Tak jako autor tohoto spisku.

Čili ty kondíky napříč izolační mezerou si nekladou za cíl, posloužit jako svodiče (určitě nikoli jako hrubá ochrana). Jejich smyslem je, zafungovat v kombinaci s definovanou kapacitní vazbou generátoru EN61000-4-4 jako kapacitní dělič, který zajistí, aby při "bursty ingress" testu nebyla překročena izolační pevnost takto ošetřeného rozhraní/portu.

 

Závěr

Pokud posuzujete pro dané nasazení nějakou krásnou průmyslovou krabičku v žebrovaném kovovém pouzdře, s údajně izolovaným komunikačním rozhraním či anténním vstupem, zamyslete se, jaký stupeň ochrany vstupu od té krabičky očekáváte, a za jakým účelem. A nenechte se povšechně uchlácholit dlouhým seznamem norem, které krabička splňuje, pokud nevíte konkrétně, co která norma znamená.

Pro použití uvnitř budovy, kde nehrozí VN přepětí, bude mít patrně přednost galvanická izolace, která zařízení ochrání před chybami v napájecích zemích apod. = na úrovni napájecích hladin.

Pro použití s metalickým vedením, které probíhá ZBO 0 = venkovním prostředím, budete potřebovat přiměřenou míru odolnosti proti VN přepětí = budete potřebovat svodiče. V tom případě patrně budete muset trochu slevit ze současného požadavku na galvanickou izolaci. Budete řešit kompromis.

Odolnost proti bursty ingressu je fajn, ale ochranu proti venkovnímu atmosférickému přepětí Vám ani vzdáleně nezajistí.

Dvě narážky na konkrétní případy z praxe:

Pokud výrobce nabízí průmyslový DSL modem sice s izolovaným linkovým rozhraním, ale prakticky bez interních svodičů, slušelo by se v návodu patřičně zdůraznit, že pro použití s vedením ve venkovním prostředí je naprosto nezbytné modem externě ochránit odpovídajícími svodiči. Samotné izolaci na úrovni 1 kV se blesk hlasitě vysměje, a odolnost DSL rozhraní proti připojení diferenciálních 240V st (jinak vynikající vychytávka!) bohužel proti blesku taky nijak nepomůže.

Pokud výrobce průmyslového ethernetového switche (od přírody galvanická izolace na všech komunikačních portech) opatří všechny čtyři napájecí svorky (12-48V ss, 2x vstup) interně 75V jiskřišti opřenými o vnější kostru, degraduje tak izolační pevnost na zmíněných 75 V (a to se bavíme o zápalném napětí, hořící oblouk se udrží při dostatečném proudu i mnohem níž). Takový switch je pak nepoužitelný v některých provozech, které bazírují na SELV s izolační pevností ve stovkách Voltů. Opět by se slušelo tuto vlastnost alespoň popsat v dokumentaci. A možná by bylo nakonec lepší, nechat rozhodnutí na zákazníkovi, jaké svodiče jsou přípustné (jde o zápalné napětí). Pokud výrobce toto rozhodne sám, staví zákazníka do složité situace.

Jako vždy a všude - ďábel se skrývá v detailech...