Toto krátké povídání se tematicky nevešlo nikam jinam, a proto dostalo samostatnou hlavičku :-)
V různých krabičkách průmyslové elektroniky existuje
napohled paradoxní fenomén: chcete-li solidní galvanickou
izolaci nějakého vstupního portu nebo vnitřního bloku řečené krabičky,
musíte zároveň slevit ze svých požadavků na ochranu proti přepětí
na bázi svodičů. (A naopak.)
Následujících pár odstavců tuto myšlenku trochu rozvede.
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:
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.
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".
Tyto pojmy používá norma IEC/EN 62305, která se týká obecně ochrany proti blesku. Možná blíž k naší problematice slaboproudých zařízení má norma IEC/EN 61643-21, která se týká testování přepěťových ochran pro slaboproudá zařízení (český překlad názvu normy zní "Ochrany před přepětím nízkého napětí").
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.
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.)
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.
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...
Sepsal: František Ryšánek (rysanek [AT] fccps [dot] cz)