Nízké stejnosměrné napájení v průmyslové elektronice

...a vybrané související / sousední oblasti.

Obsah

Úvodem

V každodenní praxi průmyslového měření a regulace se s výhodou používá napájení "bezpečným malým napětím" (v terminologii elektrotechnických norem) tzn. "něčím cca do 50-60 V", obvykle stejnosměrných. Ona hranice, co je ještě "bezpečné malé", není jedna, je jich několik - záleží na prostředí, ve kterém je napájecí soustava provozována a je rozdíl mezi stejnosměrným a střídavým napájením. Podrobnosti stanoví platná norma (začátkem roku 2017 patrně ČSN EN 61140 ed.2).

Reálně se v průmyslových rozvaděčích vyskytují stejnosměrné zdroje/větve/soustavy o typických jmenovitých napětích 12, 24 nebo 48 V:

24 V je tradiční napájení pro řídící elektroniku a čidla na průmyslových linkách a obecně v rozvaděčích MaR. Přímo tímto napětím jsou přitom napájena snad jen venkovní rozhraní čidel a podobných přístrojů s primitivní binární či analogovou signalizací. Jakákoli složitější elektronika (PLC, počítače, další jednoúčelové přístroje) má pro svá křemíková srdce o vysoké integraci na napájecím vstupu snižující měnič.
48 V je napětí běžné v telekomunikacích - a to ještě nejspíš přivandrovalých z Ameriky, u nás bývalo napětí v JTS jmenovitých 60V. 48 V je dále charakteristickým prvkem standardizovaného PoE dle 802.3af/at, kde napěťová hladina jednak odkazuje na prostředí telco/JTS drátů (se kterými má CAT5e atd. kabeláž jakési společné dědictví), druhak je "relativně vysoké napětí, ale ještě v kategorii napětí bezpečného malého" optimální s ohledem na úbytky na vedení a přechodových odporech = vyšší napětí minimalizuje potřebný proud, za jinak stejných okolností (daná wattáž spotřebiče).
12 V se vyskytuje konkrétně v automobilních aplikacích i v širším "průmyslovém" kontextu. Toto napájení je poměrně časté také u přístrojů na pomezí spotřební elektroniky, např. v levných kamerách pro dohled v zastřešeném venkovním prostředí apod. Na 12V hladině je příjemné, že je také běžná v počítačích, dnes už jenom v roli primární "silové" větve, která sama přímo nenapájí žádnou choulostivou logiku, pouze na ní visí drobné "point of load" měniče pro nižší napájecí napětí (pro vlastní logiku). Tyto "point of load" regulátory obvykle snesou na vstupu poměrně široký rozsah napětí, takže s trochou opatrnosti lze mnohé embedded PC motherboardy a podobná zařízení napájet přímo z baterky. Snad jen je třeba mít se na pozoru u 3.5" disků, kde 12V větev napájí pohon motoru a je vhodné držet ji v nějaké rozumné toleranci. 2.5" disky potřebují jenom +5V. 12 V berou na vstupu také mnohá SoHo WiFi APčka, eth switche, print servery apod. = malé krabičky, které mají na vstupu snižující spínaný měnič (= všechny s výjimkou úplně nejlevnějšího šuntu). Není zde rozhodující, jaké jmenovité napětí je natištěno zvenčí na přístroji - měnič uvnitř mívá elyty na 16 V a švába a další polovodiče dimenzované třeba až na 40V, a není pravda, že vyšší provozní napětí obvodu striktně škodí.
Hladina 12 V je v tomto kontextu výchozí volbou pro malé ostrovní systémky solárního napájení.
Hladina 12V má jednu speciální oblast použití: lékařskou elektroniku.
Jiné jmenovité hladiny "bezpečného malého napětí" jsou v průmyslu méně běžné. např. hladina +5V se vyskytuje snad jen u poměrně vzácných přístrojů, které mají venkovní rozhraní TTL = nesnášenlivá vůči vyšším napětím (a obvykle navíc neizolovaná). Prostě napájení +5V pro volnou signalizaci v průmyslu zní trochu diletantsky :-)
V některých kolejových vozidlech se vyskytují napájecí hladiny, jejichž jmenovitý rozsah překračuje hranici mezi "bezpečným malým" a "nízkým" napětím. Resp. integrátoři elektrovýzbroje pro kolejová vozidla takový široký rozsah někdy požadují. Možná ten požadavek neplyne ani tak z přímého napájení bateriovou větví, jako spíš z univerzálního použití nakupovaných "krabiček"... Hardwaru, který zvládne fungovat s napájením od 24 do 140 V, je málo.

Tento webík vznikl jako pokus, shrnout v kostce různé praktické aspekty stejnosměrého napájení, především v prostředí MaR. "Malému bezpečnému napětí" nevěnují NN revizáci (a asi ani NN normy) příliš velkou pozornost, patrně proto, že "to nekope", takže se v obvodech s tímto napájením "přece nemůže nic moc stát". No - i to je relativní. I na malém bezpečném napětí lze vyvolat oheň, zničit drahou elektroniku, mít problém s náběhem nebo s rušením, s nepořádkem v uzemnění. A pokud se do věci začne míchat izolační pevnost galvanického oddělení, to už teprve přestává legrace.

Revizního technika zajímá především bezpečnost pro lidskou obsluhu. Bezpečnost proti přímému úrazu elektrickým proudem (a také požární aspekty). Je třeba mít se na pozoru, pokud je "bezpečné malé" napětí vyráběno snižujícím zdrojem ze sítě "nízkého napětí". Což je statisticky vzato skoro vždy a všude :-) V tom případě je třeba mít na paměti, že ochranná zem (PE) převzatá z primárního rozvodu NN má dobrý smysl i v sekundárním rozvodu "malého bezpečného" napětí. V takových případech lze patrně debatovat o "kvalitě oddělení" primární a sekundární strany - přesněji řečeno, debatovat lze vlastně jenom nad rámec normou stanovených minimálních požadavků pro varianty SELV vs. PELV, a třeba oborové normy pro medicínu mají své vlastní (přísnější) požadavky.

Autor tohoto spisku nemá revizácké zkoušky, pouze základní paragraf vyhlášky 50. Proto by se tímto rád předem omluvil, pokud nedohlédne všech souvislostí v kontextu elektro-norem.

Zdroje

Malé bezpečné napětí o potřebné hodnotě a výkonové dimenzi je třeba nějak získat - obvykle konverzí ze sítě "nízkého napětí" tzn. 240/400 V.


adaptér spínaný

adaptér trafo

adaptér spínaný "notebookový"

Měnič na DIN lištu menšího výkonu

Měnič na DIN lištu většího výkonu

Měnič v ploché vestavbové schránce

V zásadě je třeba rozlišovat napájecí zdroje vhodné do průmyslového nasazení, od zdrojů spíše spotřebitelských nebo v lepším případě kancelářských. (Abstrahujme nyní od definice těchto kategorií v EMC normách.)
Základní poznávací znaky:


Nejdůležitějším rozdílem je patrně výdrž v trvalém provozu - ale ta se zjistí až časem.

Za zmínku stojí nabíječky k tlačítkovým mobilům Nokia. Jsou sice napohled sexy maličké a lehoučké, ale vnitřek budí smíšené pocity. Spínaný měnič se "samokmitajícím tranzistorem" budí maličké trafíčko a krmí vcelku standardní sekundár (usměrnění diodou a filtrační kondík), ovšem zcela bez zpětné vazby! Nikde žádný optočlen.
Zapojení obsahuje holé minimum součástek, ale jmenovité napětí výstupu je velmi přibližná hodnota. Prakticky se to chová pod zátěží dost podobně, jako miniaturní železná trafíčka, ale je to možná levnější na výrobu. Odrušení skoro žádné - leda by ho dělal ten samokmitající spínač, ale při jeho mechanických rozměrech to není moc pravděpodobné (má pouzdro TO92).

Většina dnes používaných zdrojů jsou vysokofrekvenční "spínané" měniče, ale dodnes se dá koupit a v některých provozech je k vidění klasické železné trafo. Má svoje výhody: nezamořuje okolí VF rušením a snese krátkodobě značné přetížení. Také životnost bývá dlouhá - při vhodném dimenzování a kvalitním provedení.

Zdroje cca nad 500 W (VF spínané i konvenční trafa) jsou často vybaveny třífázovým vstupem, aby zatěžovaly rozvodnou síť vyváženě.

Baterie jako primární zdroj se prakticky nepoužívají. Akumulátory jsou krátce zmíněny níže v kapitole o zálohování ss napájecích větví.

Napájení fotovoltaikou by bylo na samostatný populárně naučný článek. V kontextu "malého bezpečného" napájení je třeba říci, že okamžité výstupní napětí a dostupný výkon solárního článku jsou nestálé/kolísavé parametry, proto bývá panel "podepřený" akumulátorem - a proto se v systému vyskytuje také "solární" nabíječ (hloupý nebo chytřejší PWM měnič). Logika výstupní sekce a specifika práce s baterkami se velmi podobají záložnímu zdroji. Prakticky dostupné panely mají maximální výstupní napětí obvykle v mezích "bezpečného malého" napětí, takže u malého systému s jedním panelem v principu nehrozí nebezpečný dotyk. Pokud je ve výkonnějších systémech z praktických důvodů použito sériové řazení panelů, je třeba dbát bezpečnostních norem pro "nízké napětí" a možná ještě specificky pro stejnosměr.

Dimenzování zdrojů

Dimenzování spínaných zdrojů (měničů) je zajímavé téma.

Platí nepřímá úměra mezi trvalou zátěží měniče a jeho životností - ovšem tato závislost nebývá dokumentována a záleží i na dalších okolnostech, zejména na okolní teplotě. Zrovna "derating" zatížitelnosti při vyšší provozní teplotě bývá u kvalitních zdrojů v dokumentaci zmíněn, ale to je samo o sobě taky dost neúplná informace. Je tedy třeba nechat se vést zkušeností a opatrností.
S ohledem na provozní životnost, a třeba taky na schopnost reálně nastartovat pod zátěží (viz níže kapitoly o inrush odběru a o jištění) je rozumné, dimenzovat spínané měniče na dvoj- až trojnásobek reálného odběru, který plánujete na výstup měniče připojit. Řečeno opačně, neprovozujte měnič trvale na víc než 30-50 % jeho jmenovitého maximálního výkonu. U spotřebičů, jejichž odběr závisí na provozní konfiguraci, režimu a dalších parametrech (např. počet obsazených portů u Eth switche nebo zátěže počítače) je vhodné (protože opatrné), počítat s maximálním reálným odběrem spotřebičů = v maximální konfiguraci a zátěži.
Máte-li pochybnosti a štítková hodnota odběru spotřebiče vypadá "přibližně", změřte si odběr spotřebiče při uměle vytvořené maximální zátěži.

Pravidlo 30-50 % má železnou platnost v oblasti kancelářských počítačů, ale (bez ohledu na velmi odlišné okolnosti) dává velmi dobrý smysl i při napájení větví spotřebičů malého bezpečného napětí v "průmyslu". Třeba i proto, že realita na elektromontážní stavbě má sklon se oproti projektu otravně komplikovat - nějaký spotřebič tu a tam přibyde, software nebývá zrovna optimalizovaný na minimální zátěž procesoru (a pokud byl zpočátku štíhlý, určitě to někdo později napraví upgradem), prostup tepla stěnami rozvaděče MaR řeší v projektu málokdo a provozní prostory v průmyslu mívají daleko do klimatizovaného datacentra nebo laborky... A nakonec, z hlediska obvodové koncepce nebývá mezi PC zdrojem a průmyslovým měničem velký rozdíl.

Pravda je, že u značkových zdrojů pro průmyslové použití (platí to i pro PC servery) lze předpokládat opatrnější dimenzování v oblasti tepla, zatížitelnosti součástek apod. Třeba značka, model, ESR, povolený proud a jmenovitá životnost elytů je zajímavé téma, ovšem nikoli jediné. Toto je dost tenký led, je třeba jít do detailu, mít zkušenosti... a stejně se nakonec jedná o subjektivní hodnocení.
A i při napohled bezvadném osazení součástkami se u nového modelu dost obtížně odhaduje, zda vnitřní zapojení přece jenom neobsahuje kurvítko. To se zjistí až zpětně, statisticky.

U dnešního běžného spotřebního hardwaru se lze domnívat, že napájecí zdroj je navržen tak, aby s malou rezervou přežil dvouletou evropskou záruku (všimněte si, že ve zbytku světa je standardem záruka 1 rok, a obecně se nelze domnívat, že by výrobci zrovna pro Evropu nějak upravovali schéma či osazení). Hrubá kurvítka se vyskytují spíše u levného hardwaru. Naopak výrobek stavěný na dlouhou výdrž (4 a více let) je ve spotřebním zboží a kancelářském HW nutně unikátem. Pokud libovolný kus moderní spotřební elektroniky otevřete po 4 letech provozu, přivítají Vás obvykle nafouklé elyty, přestože výrobek třeba nějakým zázrakem ještě funguje.
V "průmyslu" by člověk čekal delší projektovanou životnost, ale bohužel to neplatí zrovna obecně. I tady je bohužel vodítkem cena a značka. Hardware stavěný tak, aby nebylo třeba řešit jeho technickou životnost, protože morálně skoná dřív, se ani v průmyslu moc nevyskytuje - např. i proto, že doba razantní obměny průmyslových celků je řádově delší, než u spotřební elektroniky.

Ještě z trochu jiného úhlu pohledu: součástky uvnitř spínaného zdroje jsou často poskládány tak, aby při jmenovité zátěži celého zdroje byla přibližně využita výkonová kapacita jednotlivých jeho součástek. A následuje spousta otazníků:

Udávaný jmenovitý výkon různých modelů napájecích zdrojů se týká vždy výstupu. Nedokonalá účinnost (ztráta) se přičte jako zvýšený odběr na vstupu. Ono to vyplývá z podrobnějšího rozpisu parametrů: výkon odpovídá součinu napětí*proud na výstupu.

Jmenovitá účinnost spínaných zdrojů bývá udávána jako minimum pro rozsah 20 - 100% zatížení. Špičková účinnost se vyskytuje obvykle někde mezi 50 - 80 % a bývá ještě o pár procent vyšší. (Záleží na výrobci. Někteří výrobci udávají jenom špičkovou hodnotu, nebo uvedou v tabulce špičkovou, a níže v datalistu graf účinnosti podle zátěže.) Při provozu na 30-50% zátěže každopádně není třeba se obávat nějak citelně zhoršené účinnosti zdroje.

Základy

Je to sice nepravděpodobné, nicméně občas dostaneme opravdu laický dotaz na vztah výkon/napětí/proud u napájecích zdrojů. Vesměs od lidí, kteří nevystudovali elektro obor, přestože se k němu pracovně nějakým způsobem nachomýtli. Proto odpusťe následující mini-úvod.
Lidé znalí, pokračujte následující kapitolou.

Tak tedy: elektrický výkon = napětí * proud. P = U * I.
Výkon je fyzikální práce za jednotku času. Napětí je analogické tlaku třeba ve vodovodních trubkách. Proud je opět průtok něčeho (elektronů) za jednotku času.

Moderní elektronika a elektrotechnika je převážně koncepčně stavěna tak, že uvažuje napřed napětí, a proud vysvětluje jako jeho následek. Základním parametrem většiny součástek je provozní napětí či napěťová pevnost, a až jako druhý v řadě se řeší dovolený proud, příkon, SOAR apod. Elektrotechnické a elektronické obvody jsou vždy koncipovány na nějaký rozsah napájecího napětí, které se především nesmí překročit, aby nedošlo k destrukci obvodu přepěťovým průrazem. Určité minimální napětí bývá nutné pro správnou funkci obvodu, destrukce podpětím obecně nehrozí (ovšem s důležitou výjimkou jedné kategorie spínaných měničů! kde podpětí vede k nadproudu na vstupu.)

Zdroj napájení tedy obvykle dává konkrétní jmenovité napětí, udržované zpětnovazební regulací v nějakém úzkém rozsahu. Spotřebič (stavěný na toto napětí) si vezme proudu jenom tolik, kolik potřebuje ke své funkci. Zpětnovazební regulace ve stabilizovaném napájecím zdroji zajistí, že spotřebič dostane proud o který si řekne, a přesto větev napájení (výstup zdroje) napěťově nepoklesne pod jmenovitou (úzkou) toleranci. Spotřebiče lze zapojovat k napájecímu zdroji paralelně - je třeba pouze dbát na to, aby spotřebiče v celkovém součtu neodebíraly víc proudu, než kolik je zdroj schopen na výstupu dodat (při zachování jmenovitého napětí).

Není tedy třeba se bát, že by příliš výkonný napájecí zdroj "odpálil" spotřebič svým nadměrně velkým jmenovitým výkonem. Není tomu tak: o omezení proudu dodávaného zdrojem se stará stabilizace (zpětnovazební regulační smyčka) uvnitř zdroje, která hlídá výstupní napětí, a pokud se toto blíží k horní mezi, tak "přivře kohoutek". Toto "přivírání a otvírání kohoutku" se děje průběžně, s vysokým regulačním ziskem a zároveň vysokou rychlostí reakce (kolik jen dovolí Nyquistovo kritérium stability :-P).

Slušný napájecí zdroj pracuje s vysokou účinností, tzn. regulace NEprobíhá striktně tak, že by zdroj nepotřebnou energii přijatou ze vstupu mařil (měnil na teplo). Slušný napájecí zdroj energii transformuje na potřebné napětí, s určitou nevyhnutelnou minimální ztrátou (v námi pojednávané kategorii řádově 20%). Z toho plyne, že napájecí zdroj (transformátor, měnič) si vezme na vstupu jenom o něco větší příkon, než o který si řeknou spotřebiče na jeho výstupu.

Z výše uvedených pouček existují některé výjimky. Např. miniaturní monolitické DC/DC převodníky pro použití na plošných spojích mívají nepříliš kvalitní stabilizaci, a pokud nedodáte specifikovanou minimální zátěž, překročí výstupní napětí specifikovanou toleranci. A např. měniče pro napájení LED osvětlení mívají výstup zapojený jako zdroj konstantního proudu, tzn. stabilizují proud, nikoli napětí (to je pochopitelně shora omezeno).

Jištění proti nadproudu a zkratu

Bezpečné malé napětí má sklon člověka ukolébat k bezstarostnosti. Nekope to nekouše, tak co se může stát, ne?

Pokud máte jediný malý spotřebič (řekněme 5W) napájený malým spínaným adaptérkem (řekněme do 1.5A), tak se asi skutečně nemůže mnoho stát, snad kromě toho, že zdroj přetížením tiše odejde. Dosažitelný zkratový proud nehrozí tavením izolace na drátech.

Popravdě se nemůže mnoho stát ani u zdrojů řádově silnějších, pokud má zdroj klasickou ochranu: při zkratu se okamžitě vypne, a nanejvýš "si zkouší sem tam prsknout", jestli zkrat už náhodou nezmizel.

Pokud plánujete větší napájecí větev, se silným zdrojem a několika spotřebiči, je na místě se zamyslet: jaký zkratový proud od daného zdroje hrozí, jak vlastně fungují zabudované ochrany zvoleného modelu zdroje (co přesně dělají), zda by nebylo vhodné jistit každý spotřebič zvlášť a případně kde (fyzicky a topologicky = např. zda jistit i vedení ke spotřebiči, nebo až spotřebič samotný), a na jakou hodnotu.

Platným motivem pro selektivní jištění stejnosměrných spotřebičů je jistě také možnost, zabránit výpadku celé napájecí větve následkem individuální poruchy jediného spotřebiče.

Pojistky zabudované v napájecích zdrojích

Jak již výše krátce zmíněno, většina spínaných zdrojů má ochranu toho druhu, že pokud není během zlomku vteřiny po zapnutí dosaženo na výstupu jmenovitého napětí, zdroj se prakticky vypne.
Existují ale zdroje, které mají ochranu "limitem na konstantní proud" - např. MeanWell EDR, NDR, DRH, DRT series nebo SDR-480P (písmenko P na konci je důležité). Takový zdroj při přetížení trvale odevzdává na výstupu plný výkon, omezený pomocnou (ochrannou) zpětnou vazbou na jakousi maximální hodnotu proudu. Pokud tento proud nestačí na dosažení jmenovitého napětí (= odběr zátěže je příliš velký), tak se nedá nic dělat, napětí na výstupu je sice nižší, ale zdroj přesto běží dál.

Zdroj s ochranou "limitem na konstantní proud" může být výhodný v případech, kdy zátěž má při rozběhu zvýšený odběr, který by tradiční zabudovanou "ochranu vypnutím" spolehlivě vyhazoval. Klasickým případem je inrush větve, která napájí větší počet nějakých malých krabiček, které mají každá na vstupu spínaný měnič (tzn. mj. kondík na primáru = na vstupu každé krabičky). Úhrnná kapacita takové větve může při rozběhu znamenat problém. Alternativním řešením může být zdroj s klasickou ochranou, ale hrubě předimenzovaný.

Zdroj s ochranou "limitem na konstantní proud" má ale jednu zásadní nectnost: do zkratu krmí svůj špičkový proud. Což třeba u zdroje s výstupem 24 V / 20 A znamená, že při zkratu dílčího spotřebiče bude hořet izolace na drátech. Plyne z toho potřeba dodatečného jištění, nejlépe individuálního, pro jednotlivé spotřebiče.

Popravdě zdroje s ochranou "limitem na konstantní proud" mají tento styl ochrany asi hlavně kvůli možnosti paralelního spřažení více takových modulů: Každý dá, kolik může, a přitom není třeba, aby měly moduly mezi sebou navzájem nějak explicitně spřaženou smyčku zpětnovazební regulace.
Vyvážení zátěže mezi moduly jistě záleží na přesném souladu interních referencí (pro výstupní napětí) a regulačním zdvihu napříč celým rozsahem zátěže... ale to už odbíhám od tématu (jištění).

Existuje také "hybridní" varianta ochrany: zdroj se po zapnutí (nebo po vzniku poruchy) např. 3 vteřiny snaží dosáhnout plného výstupního napětí = v případě potřeby jede na plný výkon, a teprve pokud se mu během 3 vteřin nepodaří dosáhnout plného napětí, vypne se. Toto je řešení pro inrush napájecích větví s velkou kapacitní složkou, a zároveň se minimalizuje riziko požáru při zkratu dílčího spotřebiče.
Tento styl ochrany mají např. některé zdroje MeanWell SDR a WDR series.

Samostatné externí jištění

Pokud potřebujete napájet více spotřebičů z jediného zdroje a chcete je jednotlivě jistit (selektivita jištění) aby jeden vadný spotřebič neshodil celou napájecí větev, nebo prostě chcete mít jasně definovanou vnější pojistku, máte k dispozici několik druhů ochrnných prvků:

Zamyslete se také nad možností, stejnosměrnou napájecí větev rozdělit, namísto jednoho velikého zdroje použít několik menších "point of load" snižujících adaptérků. Toto má smysl zejm. v situacích, kdy délka vedení představuje problém s ohledem na úbytky. "Point of load" koncepce se uplatňuje interně např. na PC motherboardech, v ethernetových switchích a podobné elektronice, kde výkonné čipy potřebují napájení velkým proudem o napětí třeba jenom 1 až 2.5 Voltu.

Záloha

Zcela samozřejmě existují mnohá nasazení, kde přijde vhod bateriová záloha stejnosměrného napájení - a nemusí se jednat zrovna o velkou telefonní ústřednu. Klasické použití nižších hladin (24 a 12 V) je pro výkonově subtilní spotřebiče - pro které je často bateriová záloha klíčově důležitá, nebo přinejmenším velmi užitečná.

Člověk odkojený kancelářskými počítači volí zcela automaticky jednoduchou cestu: prostě koupit malou střídavou UPSku a za ni připojit snižující AC/DC měnič.
Toto je ale v několika ohledech suboptimální řešení.
Malé UPSky mívají kvůli ceně dost ošizenou konstrukci. Výstupní průběh bývá spíš obdélník s překmity na hranách, než sínus - opravdu malé snižující měniče nemají PFC, takže jim divný průběh tolik nevadí, ale teoreticky může docházet díky překmitům k přebíjení primárního kondenzátoru. Nemluvě o energetické účinnosti takové kaskády. Samotná levná UPS, kterou nepořídíte ve výkonové kategorii nižší než cca 300W, je pro napájení spotřebiče o příkonu např. 10-15W hrubě předimenzovaná, ona ani na plný výkon nemá účinnost zrovna oslnivou, a tady běží na zlomek výkonu... pravda je, že klasická offline UPS má při funkční primární síti prostě propojený vstup na výstup relátkem, takže ztráty vznikají pouze na vrub vlastní spotřeby a dobíjení. Další věc jsou rozměry standardní UPSky.

Je-li třeba zálohovat baterií napájecí větev bezpečného malého napětí, vhodným přístupem je každopádně záloha přímo na napájecí větvi. Nejlépe v tom smyslu, že je baterie připojena paralelně na nízkou napájecí větev (nebo téměř paralelně - viz níže k ochranám). Tento přístup má důležité výhody:

Podmínkou použití "paralelně připojené baterie" je přiměřená tolerance spotřebičů vůči kolísání napětí v napájecí větvi: cca do +/- 20% jmenovité hodnoty (což je víc, než např. tolerance +/- 5%, která je běžná na sekundární straně počítačových napájecích zdrojů).

Zmíněná "baterková" tolerance představuje menší problém, než se na první pohled může zdát.
Např. u průmyslových počítačů mívá vnější napájení dostatečný udávaný rozsah, aby se s touto "bateriovou" tolerancí vyrovnalo. Prvním blokem na napájecím vstupu totiž bývá snižující měnič, a ten má poměrně širokou toleranci.
Nižší vnější napájecí hladiny než 12 V se prakticky nepoužívají, a např. i uvnitř dnešních počítačů už přímo na 12 V neběží prakticky žádné logické obvody, tato větev funguje pouze jako "zprostředkující", pro krmení "point of load" snižujících měničů. Použité "point of load" snižující regulátory prakticky vydrží na primáru nejméně 16 V, prvním omezením jsou jejich primární elyty (zejm. solid-poly kondíky bývají dimenzovány pouze s menší rezervou), samotné spínače / usměrňovače a řídící obvody PWM vydrží ještě mnohem víc.
Jinak řečeno, ačkoli to není běžné, 12V větev dnešních motherboardů se dá často napájet přímo z olověné baterie. Problémové body jsou případně dva: napájení pohonu 3.5" točivých disků (které v malých počítačích moc k vidění nejsou) a případný obvod pro detekci podpětí (napěťový watchdog), který může mít zbytečně úzkou toleranci. K watchdogu je třeba říci, že se na motherboardech na 12V větvi moc nevyskytuje, ale je přítomen např. uvnitř miniaturních snižujících zdrojů značky PicoPSU, které lze jinak s výhodou použít pro "doplnění" nižších větví ATX napájení z jediné 12V větve (kterou levnější modely PicoPSU pouštějí skrz bez úpravy).

Bateriovou zálohu stejnosměrné větve napájení není vhodné řešit prostým paralelním připojením baterie natvrdo na výstup běžného snižujícího měniče. Je třeba použít měnič, který "o baterce ví" a umí jí vyhovět: umí se chovat jako shovívavý nabíječ a trochu na baterku dohlédnout. Od měniče to vyžaduje nepatrně složitější logiku a regulaci na sekundární straně.

Měnič v roli "UPS nabíječe" by měl umět nejlépe všechny tyto věci (sestupně podle důležitosti):

Měniče s funkcí bateriové zálohy (DC UPS) vyrábí mj. opět firma MeanWell - v několika výkonových kategoriích. Jmenovitě řady DRC, SCP, AD, ADD (navzájem se liší inteligencí bateriového obvodu).
Na dolním konci výkonového spektra jsou zajímavé UPS desky PicoUPS a OpenUPS od MiniBox.com (firma co vyrábí PicoPSU) - bohužel cenou zrovna neuchvátí.
Naopak pro výkonnější spotřebiče se lze poohlédnout po vhodném staničním nabíječi u firem jako NES Nová Dubnica nebo AXIMA.

Je třeba si uvědomit, že baterie (akumulátor) má značnou energetickou hustotu a zkratový proud - zejména před nejištěným zkratem je třeba mít se na pozoru. Každý jistě slyšel automobilní ponaučení o maticovém klíči, který někdo položil omylem na svorky autobaterie...
K dosažení zajímavých kouřových a tavných efektů nejsou ani potřeba desítky ampérhodin, ledacos dokáže i maličký tužkový článek. Přitom baterie používané pro stejnosměrnou zálohu napájení mají blíž k autobaterii než k tužkové baterce.
Zejména je dobré si uvědomit, že špičkový výkon (proud) baterkou zálohované stejnosměrné napájecí větve je mnohem vyšší, než jmenovitý výkon použitého měniče (nabíječe). O to větší důraz je třeba klást na řádné jištění na výstupu takového zdroje a třeba také na řádné provedení kabeláže! Silový nízký stejnosměr je v tomto zrádný - nekope a nekouše, ale dokáže pěkně roztavit až odpařit izolaci na drátech.

Pokud se týče volby baterií, vždy je vhodné zkombinovat navzájem kompatibilní model nabíječe a baterie. Např. moderní LiIon baterie (roste zejm. popularita "solárních" LiFeYPo) mají jiné nabíjecí křivky a prahová napětí než olověné akumulátory.
V rámci dané "chemie" už obvykle není velký hřích, použít např. akumulátor o větší kapacitě. Pokud není měnič přehnaně chytrý, že by si hlídal nabíjecí křivku (což v základní cenové kategorii nebývá) tak prostě dává omezený=pevný nabíjecí proud až do dosažení nastaveného konstantního napětí pro trvalé dobíjení (u olověných článků pro staniční použití obvykle 13.5 - 13.8 V = napětí, při kterém baterka nezačne plynovat, tzn. nevysychá).
Popravdě je možná menší hřích, baterku vůči "hloupému" nabíječi předimenzovat, než ji naopak poddimenzovat - při poddimenzování ji totiž nabíječ dobíjí relativně rychleji, což baterce zkracuje životnost. Tradičně u olověných baterií platilo zlaté pravidlo, že se mají nabíjet proudem o hodnotě "desetina kapacity", a nižší je lepší. Větší baterie má tedy hned dvě výhody: delší dobu zálohy a o něco delší provozní životnost.
V rámci nabídky baterií s olověnou chemií existují dvě dílčí kategorie: baterie trakční a baterie staniční. Pro funkci zálohy s trvalým dobíjením (na konstantní napětí) je vhodný staniční typ = klasické "UPSkové" provedení v širokém rozsahu jmenovitých kapacit. Naopak nevhodné jsou pro tuto funkci autobaterie. Těm dobíjení konstantním napětím zkracuje životnost. V roli zálohy nevydrží dlouho.

V rozporu s obecnými poučkami není velký hřích, řadit baterie paralelně. Paralelní řazení několika sériových řetězů se tradičně používá ve velkých telekomunikačních ss zdrojích a velkých UPS. Není potřeba baterie nějak složitě párovat, pouze před počátečním vzájemným propojením je vhodné sjednotit úroveň nabití (napětí), aby po spojení paralelních větví neprotékal křížem mezi větvemi nebezpečný vyrovnávací proud. Otázkou je samozřejmě netriviální chování v případě poruchy jednotlivého článku či dílčího packu (zapouzdřené baterie).
U rozsáhlých telecomských bateriových zdrojů s paralelním řazením několika sériových větví je proto k vidění hlídání symetrie na každé větvi zvlášť.

Spínání, inrush

Ve střídavých rozvodech NN je zvýšený odběr při rozběhu známým jevem. Zejména u žárovek a motorů se počítá krátkodobě s pěti- až sedminásobkem jmenovitého odběru, a časová reakční charakteristika jističů s tímto krátkodobým navýšením může počítat.

V průmyslových rozvodech malého bezpečného napětí se ale běžně nevyskytují jako zátěž elektromotory ani žárovky - takže se snad není čeho bát, ne? Navíc VF měniče, bežně používané jako zdroj pro napájecí větve malého bezpečného napětí, mají tvrdý výstup s bezvadnou stabilizací a obvykle i zabudované elektronické ochrany... tady opravdu není čeho se bát, nekope to, je to nezáludné, není o čem zdlouhavě bádat, ne?

Tady pozor, je to možná přesně naopak.
Zejména v dnešní době se malé bezpečné ss napětí používá k napájení často i více kusů nějakých slaboproudých zařízení: v zásadě počítačů, displejů, měřících přístrojů, komunikačních převodníků pro průmyslové sběrnice, síťových aktivních prvků apod.
Je třeba si uvědomit, že každý tento prvek má na napájecím vstupu snižující spínaný měnič, potažmo hned za vstupní svorkou poměrně velký filtrační kondík na primáru zabudovaného měniče. Při paralelním napájení více podobných přístrojů společnou ss větví se jejich vstupní kapacity na napájecí větvi sčítají. Dochází tedy nevyhnutelně k jevu, známému např. ze školních počítačových učeben - že při startu napájecí větve "od nuly" z kompletně vybitého stavu není nadřízený měnič schopen nastartovat, vybavuje mu ochrana, přestože by v součtu měl mít výkon víc než dostatečný pro napájení všech spotřebičů na dané ss větvi.

No a pak se zamyslete, jak chcete jednotlivé spotřebiče spouštět = připojovat, spínat. Je totiž trochu ohavné, sepnout natvrdo proti sobě dva poměrně velké kondíky (na výstupu hlavního zdroje vs. na vstupu spotřebiče), ve kterých se skokově srovná potenciál, přičemž proteče velmi mnoho Coulombů za velmi krátkou dobu. Vznikne proudová špička, celá napájecí větev se zachvěje. Přechodový jev. Napájecí cestou od zdroje k dotyčnému spotřebiči proteče proudový pulz, jehož špičková hodnota je omezena v zásadě jenom parazitními odpory jednotlivých součástek po cestě (kondíky, vedení, spínače, jističe).
Zmíněný inrush při tvrdém sepnutí dvou velkých kondíků jednak opotřebovává spínací kontakty a šokem zatěžuje vodivé cesty, druhak může rušit citlivou elektroniku kolem: přímo napájení zařízení nebo zařízení sousedící. Pokud máte tvrdou větev centrálního napájení a zlobí vám malé spotřebiče, které připojujete jednotlivě, může být vhodné zařadit do živého vodiče k jednotlivému spotřebiči přiměřený odpor.
Je třeba si uvědomit, že kromě "živého" vodiče dojde k zákmitu také v rozvodu zemí, zejm. pokud vedete živý vodič napájení stejným průřezem jako pracovní zem (což je obvyklé) - takže i pokud máte nuláky rozvedené striktně do hvězdy, mžikově se zhoupne referenční signálová zem na právě sepnutém zařízení, pokud zařízení vztahuje signálovou zem k napájecímu nuláku - (viz níže samostatná kapitola k zemnění).
Pokud se týče integrity referenčních zemí v sovislosti se spínáním napájení, může být podstatné, spínat pouze "živý" vodič napájení - nebo pokud připojujete vedle živého i ss nulák, tak aby nulák byl sepnut jako první. Jinak se na referenčních zemích mezi sousedními spotřebiči může mžikově objevit plné napětí napájecí větve, k velké radosti typických neizolovaných signálových vstupů. Část inrushe proteče zpět do zdroje signálovými zeměmi namísto nulákem apod. Pokud pro připojování jednotlivých spotřebičů používáte "rozpojovací svorkovnice", zamyslete se (zejm. pokud už máte připojeny neizolované signálové spoje k sousedním krabičkám).

Svoji roli v "kapacitním inrushi" hraje následující princip:
Nízké jmenovité napětí napájecí větve znamená, že pro akumulaci určité energie (třeba na překlenutí výpadku napájení o určité délce) musí mít kondík na primáru ve spotřebiči mnohem větší elektrickou kapacitu (ve Faradech), než při napájení NN 240V.
E = 1/2 CU2. Ano je tam čtverec napětí. Pro srovnání, běžný 400W zdroj na 240 V má na primáru třeba 330-470 uF.
I toto výrobce spotřebičů ponouká, aby při nižším napětí použili na primáru spíš větší kapacitu. Nakonec to sice z praktických důvodů končívá tak, že např. počítačové napájecí zdroje ve formátu PS/2 se vstupem 24 nebo 48 V ss mají dobu překlenutelného výpadku řádově kratší, než podobně velké zdroje na 240V st. - ale i tak je kapacita na primárech stejnosměrných zdrojů nemalá.

Jak z té šlamastyky ven?
Je tu několik vedlejších faktorů, které shodou okolností hrají v náš prospěch, a také některá opatření, která můžeme cílevědomě podniknout:

Vedení

Plánujete-li rozsáhlejší centrální rozvod bezpečného malého napětí, je třeba dbát na minimalizaci úbytků na vedení. U napájení zařízení, která komunikují po sběrnici, někteří výrobci doporučují zapojit napájení jako logickou hvězdu = ke každému uzlu samostatný přívod od zdroje, přestože tyto jednotlivé přívody budou reálně navzájem ve stoprocentním souběhu. Daisy-chaining napájení ("smyčkování" většího počtu uzlů) se obecně nedoporučuje... Alternativou může být sběrnicový rozvod z vodičů o dostatečném průřezu, např. ještě s průchozími svorkami, aby nebylo třeba páteřní vodiče přerušovat (odizolace chce trochu šikovnosti, ale jde to).

Pozor také u zařízení, která mají společné napájení, a mínus napájení funguje zároveň jako signálová referenční zem u komunikačních rozhraní (která nejsou galvanicky izolovaná). Tato situace nastává klasicky u RS422/485. Pokud by se stalo, že úbytek na vodiči napájecí pracovní země dostane pracovní body symetrických přijímačů mimo dovolený rozsah (typicky -3 až +7 V od lokální referenční země), komunikace přestane fungovat, v případě většího rozdílu zemních potenciálů můžou transceivery odcházet.

Pokud řešíte napájení bezpečným malým napětím na větší vzdálenost, s trochu výkonnějším zařízením (počítač) se velice snadno dostanete do situace, kdy z propočtu maximálních úbytků na vedení vyjdou hodně tlusté dráty (velký průřez). Tlusté dráty na velkou vzdálenost = hodně peněz. Velmi snadno se může stát, že samostatný napájecí zdroj pro vzdálené zařízení se vyplatí, protože umožní použít vedení o menším průřezu na NN 240 V. Tato "point of load" koncepce konverze napájení samozřejmě předpokládá, že v dotyčném provozu je vůbec přípustné používat "nízké napětí" 240 V st.

Odpor vodiče na jednom metru délky buď umíte ručně spočítat ze známého průřezu, nebo najdete v datalistu daného kabelu, nebo použijete Danykovu kalkulačku.
Pozor, vedete-li napájení dvoužilovým kabelem (jak je obvyklé), musíte úbytek napětí počítat dvakrát, tzn. jakoby obě žíly za sebou v sérii! Úbytek vzniká jak na "živém" vodiči (+) tak na pracovní zemi (-). Nad tou zemí se zamyslete, pokud slouží zároveň jako společná referenční zem signálová (viz výše).

PoE

Power over Ethernet, jak už název napovídá, znamená nápad, přenášet napájení koncových zařízení po strukturované kabeláži CAT5/6/7.
Je na to norma, resp. vlastně už dvě: IEEE 802.3af a 802.3at.

Použitím kabeláže CAT5/6/7 je zase určen průřez vodičů.
Nejběžnější je průřez AWG24 (každá žíla 0.2 mm2), kabely CAT7 pro pevnou instalaci (do lišt na zeď) mají AWG23 (každá žíla 0.25 mm2).
Dále je třeba si uvědomit, že kontakty v RJ45 jsou sice povinně zlacené, ale mají relativně subtilní styčnou plochu a přítlačnou sílu.

Z těchto velmi dobrých důvodů stanovují normy 802.3af/at jednak použití relativně vyšší napěťové hladiny = 48 V (která je mj. typická pro klasické analogové telefony) a také maximální odběr koncového zařízení: pro ilustraci v případě 802.3af je to 15.4 W na straně zdroje a max. 13 W na straně spotřebiče. To není mnoho - v "průmyslu" to například nestačí na trochu slušný počítač nebo kameru. Standard 802.3at tyto meze přibližně zdvojnásobuje, ale pořád to není žádná sláva. Bohužel základní fyzika platí pro každého, takže se s tím dá velmi málo dělat.

Košer 802.3af/at kompatibilní zařízení ("zdrojová" i "spotřebičová") pracují povinně s napětím 48V jmenovitých (s nějakou tolerancí) a povinně při náběhu provádějí jednoduchý handshake, podle kterého zdrojové zařízení (switch nebo injektor) zjistí, jakou spotřebu od koncového zařízení očekávat, a především, zda koncové zařízení očekává napájení po ethernetu (pokud ne, switch/injektor nepošle napájení do drátů!). Kromě toho slušný standardní switch nebo injektor obsahuje elektronickou reverzibilní pojistku proti nadproudu a zkratu, v případě switche per port, a pokud je switch "chytrý" (managed), obvykle umí stav PoE per port hlásit v managementu a také na dálku napájení per port nahodit nebo vypnout.

Bohužel košer = "normu splňující" zařízení jsou drahá. Jednak obvykle obsahuje regulátor popř. upconverter na 48 V, druhak per-port inteligence také něco stojí.
Proto na trhu existuje spousta "taky PoE" krabiček a řešení, která normu nesplňují, protože se od ní v některých aspektech odchylují.
Nejběžnější neshodou je, že zařízení neobsahují inteligenci pro úvodní "handshake" - říká se jim obvykle "pasivní PoE". Injektor z této kategorie je hloupá napájecí výhybka (nebo jenom trapná konektorová redukce) - vůbec neřeší, zda koncové zařízení PoE očekává či alespoň toleruje, a prostě natvrdo připojí napětí na dráty.
Pokud pasivním injektorem krmíte normu splňující koncové zařízení nebo splitter, tak koncové zařízení funguje (pakliže jste dodrželi 48 V).
Druhou častou "neshodou" je, že po drátech teče nějaké jiné (nižší) napětí než 48V, obvykle 12 nebo 24 V. Např. wifinářské RouterBoardy od Mikrotiku podporují 10-30V PoE, tzn. lze je napájet některým ze široké palety běžných zdrojů 12 nebo 24 V včetně přímé zálohy olověnou baterií.

Stejnosměrné napětí lze na datové linky přiložit v zásadě dvěma způsoby:
Správně by měla být použita frekvenční výhybka (LC obvod), která datovou komunikaci (rychlé hrany) přivede z "nenapájeného" portu RJ45 a stejnosměrné napájení vezme ze samostatného konektoru či svorkovnice. Tento styl PoE je jediná možnost při nasazení na gigabitové spoje, protože gigabit Ethernet využívá všechny čtyři páry v CAT6 kabeláži.

Nejlevnější pasivní injektory ale prostě jenom připojí + a - napájení na modrý pár proti hnědému (vždy oba vodiče v páru natvrdo paralelně). Frekvenční výhybka se nekoná, pro komunikaci zbývá oranžový a zelený pár. Potažmo s takovýmto PoE může koexistovat jenom 10/100 Mb Ethernet.

Norma zná dvě konkrétní zapojení PoE: říká jim režim A a B. Režim A přenáší napájení přiložené na oranžový a zelený pár, režim B přenáší napájení na páru modrém a hnědém. Norma nepřipouští možnost, že by napájení běželo po všech čtyřech párech.
Existují ale proprietární injektory a splittery, které posílají napájení po všech čtyřech párech paralelně, a výrobce proto může tvrdit, že umí přenést po jednom kabelu až 60 W (na straně zdroje) resp. 50 W (na vstupu koncového zařízení). Je třeba si uvědomit, že v tom případě potřebujete každopádně samostatný=předřadný injektor i splitter pro tento nestandardní systém. Alespoň teoreticky. Prakticky je pravda, že košer PoE koncová zařízení, pokud podporují režim=zapojení A i B, mívají typicky zabudovaný a trvale připojený splitter pro oba režimy, jehož základní součástí (za výhybkami) je dvojice Graetzových můstků, s paralelně zapojenými výstupy (plus nějaký ten vyhlazovací kondík). Tzn. takové koncové zařízení by mělo přirozeně fungovat i proti injektoru, který využívá v rozporu s normou všechny čtyři páry pro přenos napájení.

Levné pasivní PoE injektory neobsahují žádnou nadproudovou ochranu. U takových injektorů stojí za zvážení externí pojistka (např. trubičková tavná v pouzdérku na DIN lištu), zejm. pokud jsou injektory napájeny z nějakého silnějšího zdroje, od kterého hrozí při zkratu v kabeláži kouřové efekty (požár).
Existují vícenásobné pasivní injektorové moduly (modulární patch panely), které obsahují alespoň společnou tavnou pojistku.

Snaha protlačit skrz PoE maximum výkonu je obecně úsilí zaměřené nesprávným směrem. PoE je vynikající pro koncové krabičky se spotřebou v jednotkách Wattů. Pokud potřebujete víc než 10 Wattů, je každopádně na místě samostatný silový kabel pro napájení.

Rušení od spínaných měničů

Že spínané měniče vyzařují jistou dávku rušení, to je vcelku známá věc. Kromě základní frekvence PWM a jejích harmonických bývá další výraznou složkou rušení zázněj/zákmit vznikající na při sepnutí či rozepnutí spínacích tranzistorů a usměrňovacích diod. (Tento zákmit mívá určitou charakteristickou frekvenci, danou parazitními LC parametry spínacího tranzistoru a okolních součástek a plošných spojů.)
Základní spínací frekvence PWM bývá konstantní (méně často závisí na zátěži), ve vyšších desítkách kHz až v nízkých jednotkách MHz. Zmíněné parazitní zákmity na hranách jsou v jednotkách až desítkách MHz. Ještě o něco složitější může být rušení produkované zdrojem, který má více větví nebo více stupňů v kaskádě (např. pokud je vybaven PFC, které ovšem bývá synchronní s hlavním stupněm).
Celkově lze říci, že vyzařované spektrum není ostré, jedná se spíše o směs mnoha rušivých frekvencí, na spektrálním analyzátoru to vypadá jako notně ošoupaný smeták, lze pozorovat některá neostrá maxima (viz výše).

Základní cesty rušení bývají ve zdrojích přiměřeně ošetřené pomocí odrušovacích filtrů: jedná se samozřejmě především o diferenciální cestu vstupem a výstupem. Nutno podotknout, že díky nízké impedanci hlavních sekundárních kondenzátorů bývá diferenciálně pozorované zvlnění výstupu relativně mizivé i bez dodatečné filtrace. Dá se říci, že větší amplitudu než samotné usměrněné pulzy (resp. jejich zbytky) bude mít reziduální kolísání regulační smyčky, zejména pod proměnlivou zátěží. Na výstupu proto najdeme v lepším případě prostý LC filtr prvního řádu (tlumivka je zapojena v "živém" vodiči, sekundární zem je propojena přímo).
Dá se debatovat o tom, že míru VF rušení na výstupu nelze posuzovat podle zvlnění pozorovatelného osciloskopem, že mnohem lepší obrázek ukáže citlivý spektrální analyzátor... nebo že část rušení uniká bezdrátově. Nakonec záleží hlavně na tom, zda přístroj splňuje příslušné EMC normy pro dané prostředí.

Na tomto místě bych rád upozornil na jeden konkrétní druh rušení, který člověka dokáže notně potrápit při určitém zapojení zemí (viz následující kapitola). Tento problém se vyskytuje konkrétně u měničů s plnohodnotným VF transformátorem, tj. s galvanickým oddělením mezi primárem a sekundárem. Mezi primárem a sekundárem, přes izolačním mezeru, totiž existuje parazitní kapacitní vazba. Jak spínač na primární straně budí VF pulzy primární vinutí, váže se malý zlomeček energie elektrostaticky = kapacitně do vinutí sekundárního.

Výrobci měničů mají sklon, zamezit této vazbě (která by způsobovala bezdrátové vyzařování) pomocí malého keramického kondíku, který pro vysoké frekvence zkratuje studený konec primáru proti studenému konci sekundáru. Čímž se sice zkratuje parazitní VF vazba v trafu, ale zase na výstupu přibyde měkký zbytek usměrněného napětí primární sítě (půlvlny 230 V st.).

"Jak moc měkký je měkký", to je dáno kapacitou zmíněné keramiky mezi primárem a sekundárem - je zřejmé, že půjde o kompromis, zda pustit na výstup parazitní VF smetí, nebo ducha 50 Hz. Dalšími možnostmi, jak toto řešit, jsou zesílená izolace mezi vinutími, případně stínící vinutí (vrstva fólie přerušená tak, aby netvořila závit nakrátko, a uzemněná na ochrannou zem).
Výše popsaná vazba mezi primárem a sekundárem vede u méně kvalitních měničů k tomu, že z volně plovoucí sekundární sekce vytéká sekundární pracovní zemí ven ze zdroje malý rušivý proud (směs VF a 50 Hz), při zkratu do ochranné země třeba kolem 1 mA, který naprázdno může vykazovat poměrně vysoké napětí. Pokud necháte sekundár volně plovat (SELV), můžete zjistit, že Vás "šimrají" signálové země.
Pokud plovoucí pracovní/signálovou společnou zem "namátkou někde" uzemníte, tak sice přestane kopat vysokým napětím, ale budete se pro změnu potýkat s rušením ve slaboproudých signálových spojích - protože rušivý proud si bude hledat cestu signálovými referenčními zeměmi. Pokud o problému víte, patrně se ho pokusíte zbavit tím, že sekundární zem zdroje přímo na jeho svorkách zkratujete na místní zem ochrannou. Což Vám jednak degraduje SELV na PELV (což může mít další provozně-bezpečnostní důsledky), jednak můžete narazit na to, že větší počet takto uzemněných měničů umí v součtu shazovat proudový chránič.

Řešit takový problém v rozsáhlejším systému několika napájecích zdrojů, počítačů a dalších přístrojů se společnou pracovní/signálovou zemí může být "velká zábava". Poměrně rychle můžete dojít k závěru, že "krajně nemoderní" železné trafo s Graetzem a kondíkem je vlastně úžasný vynález :-)

Závěrem této kapitolky se podívejme na dva případy, kde rušení od spínaného zdroje může zamíchat kartami.

V prvním případě mějme dvě krabičky, které navenek komunikují po symetrickém vedení, např. RS485. Krabička vlevo má spínaný zdroj typu SELV (výstupní zem není propojená na zem ochrannou), ta vpravo je třeba typu PELV (ale mohla by být klidně taky SELV).
Všimněte si, že mezi komunikujícími krabičkami není propojená referenční zem portů RS485.

Pointou tohoto scénáře je, že linkový přijímač má na vstupu vysokou impedanci, takže bez propojené referenční země vidí na vstupu soufázově prakticky plný rozkmit rušivého napětí. Což může snadno dostat přijímač mimo dovolený napěťový rozsah diferenciálního vstupu, takže tento vstup přestane vyhodnocovat diferenciální jedničky a nuly.
V menší míře je na tento problém citlivá např. i proudová smyčka. Záleží na poměru úrovní a impedancí rušivého a užitečného signálu, a na zpracovatelném rozsahu napětí na vstupu přijímače. V případě RS485 částečně pomohou předpěťové děliče na signálových vodičích (fail-safe).
U digitální komunikace stačí dosáhnout určité úrovně odstupu signál/rušení, aby přenos byl bezchybný.

Druhý příklad demonstruje problém při unipolárním přenosu (živý vodič proti zemi, zde koaxiálním vedením), který je typický pro analogové audio a video.

Všimněte si, že referenční země jsou sice propojené, takže napěťově obě krabičky proti sobě výrazně "neplavou", ovšem propojení zemí skrz zemní vodič signálového vedení způsobí, že rušivý proud bude vyvolávat na zemním vodiči určitý napěťový úbytek, který se na straně přijímače přičte k užitečnému signálu. (Ponechme zde stranou možnou indukční a kapacitní vazbu.)
Do jisté míry zde pomůže, natáhnout silnější zem, ale není to dokonalé řešení. Zejména u analogového přenosu je divák/posluchač (díky širokému dynamickému rozsahu lidských smyslů) schopen vnímat i relativně nízké úrovně rušení, zejména v tichých pasážích, kde nedochází k maskování...

Zmíněné dvě situace nemají jediné správné řešení, k problému se lze postavit různými způsoby... nicméně asi první nápad by měl být: přenos symetrickým párem a propojit referenční země. Referenční zem zajistí, že diferenciální vstup přijímače bude dostávat signál v mezích svého pracovního rozsahu (napětí) a dál už se bavíme o potlačení soufázového rušení na symetrickém vstupu (vzniká úbytkem na referenční zemi), což je fér :-)

Galvanická izolace - PELV / SELV

Při napájení bezpečným malým napětím je mnohdy užitečné rozlišit, zda napájecí větev a její pracovní zem mají nějaký pevný vztah k místní ochranné zemi, nebo zda volně plovou (jsou od ochranné země izolovány).
Větev malého bezpečného napětí je obvykle vytvořena transformátorem nebo vysokofrekvenčním "spínaným" měničem. A pokud sekundární strana není vyloženě galvanicky izolována (tzn. volně neplove), obvykle je s ochrannou zemí spojena mínusová svorka výstupu (případně společná pracovní zem u zdroje s více výstupními větvemi).

Význam zkratek SELV/PELV (a nejslabší FELV) zhruba ozřejmí obrázek (další podrobnosti obsahuje odkazovaný zdroj):

Zdroj = Encyclopedia Magnetica

Odhlédněme zde od "únavných bezpečnostních podrobností", jako že kategorie SELV a PELV požadují určitý stupeň vzájemné izolace obou vinutí (bezpečnostní izolační transformátor) a uzemnění železného jádra trafa (a stínícího "vinutí"?) na ochrannou zem. Soustřeďme se na rozdíl, který je především relevantní pro zádrhele v pracovním a signálovém zemnění v rozsáhlejších napájených soustavách:
tzn. zda je nebo není "mínus napájení spojený s ochrannou zemí" - na zdroji, nebo na některém z napájených přístrojů. A pokud takové propojení obou zemí někde existuje, tak jaké to má důsledky v případě různých poruch nebo úbytků na pracovních zemích.

Propojení ochranné a pracovní země (PELV) v jednom bodě asi není problém. Pokud jsou tyto země spojené ve více bodech, např. na zdroji a také na spotřebičích, bude ochrannou zemí protékat zpětný proud (ochranná zem převezme část zátěže země pracovní). Protékající proud se rozdělí v poměru podle odporů obou tras - tzn. podle průřezu vodičů, podle přechodových odporů apod. Pan Kirchhof se usmívá a přikyvuje. Samo o sobě to asi není velký problém. Spíš je pak otázkou, zda rozvádět dvě různě barevné země s teoreticky shodným potenciálem - z bezpečnostního hlediska to může mít i tak dobrý smysl, a také z hlediska "jmenovitě jasné definice" země pracovní vs. ochranné.

Pokud pomineme rozdíly PELV versus SELV, je tu ještě vzájemný vztah zemí signálových-referenčních vs. napájecích pracovních. Legrace může nastat, pokud se zemní smyčky uzavřou skrz referenční země signálových rozhraní, případně pokud úbytky na zemích dosáhnou (alespoň při impulzních přechodových jevech v napájení) takových hodnot, že to začne narušovat digitální komunikaci na neizolovaných signálových rozhraních (sériové linky všeho druhu apod.).

Větší legrace pak nastane, pokud někdo šikovně prohodí fázi a nulák (nebo třeba jenom +/- na malém bezpečném napětí) a proud si najde cestu zpátky vrabčím hnízdem různých zemí - v horším případě skrz země signálové. To pak hoří kabely, transceivery, motherboardy - prostě nejslabší úsek v zemní cestě, který se může vyskytnout poměrně kdekoli, ovšem velmi často na plošném spoji, nejlépe někde v hloubi desky.
Twistový Ethernet je založen na několika geniálních nápadech, a jedním z nejdůležitějších je určitě povinné signálové trafo v každém portu, s izolační pevností dostatečnou na to, aby "nízké napětí" 240V v žádném případě nepředstavovalo problém.

Ideální by samozřejmě bylo, pokud by všechny napájené přístroje měly napájecí vstup oddělený od ochranné země a pokud by všechny další porty (signalizační/komunikační) byly galvanicky izolované od sebe navzájem i od obou zemí, ochranné a napájecí. V nepřímé úměře k ceně mívají reálné přístroje oproti tomuto ideálu vždy nějaké nedostatky.

Obecně velmi dobrou galvanickou izolaci komunikačních portů i napájení mají např. switche a legacy komunikační krabičky od firmy Westermo. Podle toho vypadá cena.

Taiwanské fanless počítače a panelové počítače obecně příliš neoplývají galvanickou izolací vnějších rozhraní (napájení, COM, USB, video) - protože izolace je drahá a prostorově náročná, případně technicky vyloženě obtížná (USB2, video). Dost často je k vidění snaha, budit zdání izolace "únikem do SELV" = komplet všechny vnitřnosti počítače jsou pospojeny navzájem, ale izolovány od vnější schránky. Takže napájecí pracovní zem (nulák) je spojena s interní společnou signálovou zemí, ale toto vše je odděleno od vnější kostry (která může a nemusí být vyvedena na označenou PE svorku - de facto, bez ohledu na naše normy.) Napájecí (-) je spojené s pinem 5 v sériových portech (konektor DB9) nebo s napájecí zemí v USB, ale už třeba stínící kryty DB9 a USB jsou spojeny s vnější kostrou, tzn. v konektoru DB9 je pin 5 oddělený od stínícího krytu :-)


Ideový náčrtek - obsahuje některé prvky, zmíněné v následujícím textu.
Nikdy nejsou přítomny všechny tyto "speciality" zároveň.

Tato primitivní SELV izolace je k vidění jenom v některých průmyslových počítačích. Kancelářský hardware má zásadně obě/všechny země propojené: napájecí, ochrannou a všechny signálové. Jsou propojeny ve zdroji a například také motherboard má montážní díry pro uchycení do skříně prokovené a připojené na zemní vrstvu v plošném spoji, takže pokud jsou ve skříni použity kovové distanční sloupky, je motherboard uzemněn na kostru skříně v mnoha bodech. Stejně tak záslepky PCI slotů na zadním čele skříně bývají uzemněny každá na svou periferní kartu, odkud zase vede mnoho zemních kontaktů PCI slotem na motherboard. Tento "kancelářský" styl propojení zemí je typický také pro průmyslové ATX servery a PICMG sestavy.

Fanless počítače a panelové počítače se stejnosměrným napájecím vstupem nemívají na vstupu plnohodnotný měnič s primárem odděleným od sekundáru trafem. Na vstupu bývá jenom prostý snižující blokující měnič s akumulační tlumivkou.
Nejspíš hlavně kvůli ceně - a asi i kvůli rozměrům.
A právě proto bývá napájecí pracovní zem (stejnosměrný nulák) natvrdo propojená s vnitřní společnou signálovou zemí počítače.

Podobnou záludnost vykazují dvojité napájecí vstupy malých průmyslových ethernetových switchů. Na mnoha modelech switchů na DIN lištu se stejnosměrným napájením vidíte dva páry napájecích svorek: vstup 1 a vstup 2, od každého + a -. Uvnitř ovšem prakticky nikdy nejsou dva měniče, až na vzácné výjimky je měnič pouze jediný, typicky opět snižující s akumulační tlumivkou. Zmíněné dva napájecí vstupy jsou sloučeny pomocí dvojice Graetzových můstků, jejichž výstupy jsou spojené paralelně (následuje primární kondík snižujícího měniče). U ethernetových switchů vcelku není problém, že nejsou vnitřnosti izolovány od napájecí země - protože veškeré vnější komunikační porty bývají twistový nebo optický Ethernet a izolaci mají od přírody. (Pozor případně na sériovou konzolu.) U dvou vstupů sloučených dvojitým Gratzem si všimněte, že značení vnějších napájecích svorek + a - je zjevně nesmyslné... ale je to nesmysl spíš kosmetický. Horší je potenciálně záludné chování napájecích vstupů, pokud nemáte zaručeno, že jejich země jsou shodné. Představte si takový switch, s povoleným rozsahem napájení 12-48 V ss (krát dva vstupy), kterému dáte dvě větve napájení po 24 V ss. Pokud se jedná o dvě plně nezávislé SELV větve, dvojitý Graetz ve switchi (=spotřebiči) jim nastaví poměrně těsné "mantinely" vzájemného plování. Pokud se jedná o PELV větve, bude tahat převážně či výhradně větev s vyšším napětím (VA charakteristika diody není skoková) a zpětný proud se bude dělit mezi obě větve pracovních zemí (viz opět pan Kirchhof). Pokud by se stalo, že se pracovní země obou nap.větví nějak tvrdě rozejdou, tak se na dvojitém Graetzu usměrní napětí, které odpovídá jmenovitému napětí ss větve plus rozdíl zemí!
Představte si např. dvě PELV větve, každá napájená z jiné NN PEN větve, plus volný šroubek na nulovacím můstku... Výsledné součtové napětí se objeví na interní primární straně snižujícího měniče - a dál záleží, nakolik je tato dimenzovaná (kondíky, FETy, PWM kontrolér).

U konkrétního modelu ethernetového switche, shodou okolností s "dvojitým Graetzem" na vstupu, narazil jeden náš zákazník na zajímavý zádrhel: při nějakém přehmatu v zapojení zemí vyletěly pojistky u několika kusů tohoto switche. Ale právě pouze u konkrétního modelu switche.

Vstupy napájení jsou u tohoto modelu opřené několika jiskřišti o vnější ochrannou zem. Jiskřiště má otvírací napětí asi 75V jmenovitých. Kromě toho má každý ze dvou vstupů diferenciálně zapojený obousměrný transil. Na výstupu "dvojitého Graetze" už další svodič není, ale použité elyty jistě také omezenou napěťovou pevnost.
Vzhledem k tomu, že uvnitř nic neshořelo, elyty za Graetzem zůstaly v pořádku, bylo přepětí patrně svedeno jiskřišti do ochrnanné země.
Problémem je zde obecná dichotomie / paradox galvanické izolace vs. přepěťové ochrany: pokud má ochrana galvanickou izolací plnit svou funkci bezezbytku "jako by se nechumelilo", nelze ji kombinovat se svodičem o jmenovitém napětí menším, než je předpokládané maximální poruchové napětí, které chceme ještě ignorovat. Zde za nás rozhodnutí učinil výrobce, a v dané aplikaci zvolené řešení nevyhovovalo požadavkům.


Pro ilustraci: takto vypadá jiskřiště, když do něj pustíte skrz srážecí odpor pár mA.

Další variace a zádrhele:

Zmíněný "únik do SELV" resp. tř.II (oddělené vnitřnosti v počítači s kovovou vnější schránkou) se někdy výrobci úplně nepodaří. V jednom konkrétním modelu počítače byla na plošném spoji motherboardu zjevně oddělovací mezera důsledně po celém obvodu, počítač měl pro napájení trojitou svorkovnici (+/-/PE), přitom ale svorky - a PE byly trvale propojené. Při bližším zkoumání jsem našel u jednoho konektoru (tuším nějaký DB9) konstrukční letovací nohu spojenou s vnější kostrou (PE) a zároveň zaletovanou do plošky na motherboardu, která byla uzemněná na signálovou zem. Zjevně designový přehmat.

Další místo, kde může v "koncepci laciného SELV" dojít k nechtěnému a nevědomému propojení signálových zemí na vnější kostru, je okolo disků. Fanless počítače mívají pozice pro 2.5" notebookové disky. Držák disku bývá kovový a spojený s kostrou (PE) počítače. Zároveň ale točivé disky mívají svou kostru (šasi z litého hliníku) spojené se signálovou a napájecí zemí. Výsledek je jasný.
Některá 2.5" SSDčka kupodivu mívají obě země oddělené (nebo je skelet plastový) - pak ke spojení zemí nedojde.
Některé fanless počítače mají držák disku upevněný na gumových "silentblocích" - výrobce to obvykle prezentuje jako ochranu proti vibracím, ale ve skutečnosti se možná jedná především o elektrickou izolaci :-)
Podobný problém (neúmyslná degradace SELV na PELV) může nastat u periferií, které se připojují zvenčí: klávesnice, myši, cokoli kancelářského na sériových portech nebo USB. Viz třeba USB flashky...
Propojit země může taky připojený monitor (VGA, DVI, HDMI, DP) nebo KVM switch (vedle přepínání videa navíc simuluje klávesnici a myš na USB nebo PS/2).

Kromě SELV oddělení vnitřností se v některých případech zajímavě chovají také vstupy napájení ve vztahu k vnitřní společné zemi. Jak již výše zmíněno, na vstupu bývá neizolovaný snižující měnič - ale detaily zapojení samotného vstupu se liší. Příklady různých zlepšováků a neortodoxních uspořádání:


Užitečnost uvedených "zlepšováků" je zjevně velmi různá a lze se pouze dohadovat ohledně jejich původu a motivace: zda se jedná o zakázková řešení, vzniklá dle požadavků konkrétní velké zakázky, nebo bylo třeba přizpůsobit se nějaké čínské obecné či oborově specifické normě, nebo jde o iniciativu designéra desky? Těžko říct. Pro nás v Evropě na vzdáleném konci odběratelského řetězce je ve výsledku "co model, to unikát" a chování napájecího vstupu (a taky SELV/PELV) nebývá v dokumentaci vůbec zmíněno.

Máme prakticky ověřeno, že USB a další slaboproudé signály (klávesnice, myš, VGA) nejsou příliš použitelné třeba i jenom "z místnosti do místnosti" - a to kvůli vícenásobnému lokálnímu propojení referenčních signálových zemí na místní zem ochrannou, která se dále sbíhá do hvězdy či stromu v budově. Vzniká tak logicky zemní smyčka. Máme prakticky vypozorováno, že i v nevelké budově může rozdíl potenciálů resp. rušení v různých větvích ochranné země zcela zabránit použití USB a dalších neizolovaných signálů - napříč mezi různými větvemi ochranné země. Není to chyba v rozvodu PE (nedotažené šroubky apod.) a nejde s tím nic moc dělat - prostě delší vedení PE má větší odpor a potažmo úbytky, spínané měniče rády "prosakují" rušení do ochranné země (viz výše) a vedle toho velká zemní smyčka představuje kvalitní anténu. Jako použitelné kompromisní řešení vychází galvanické oddělení vytipovaných problémových spojů. (Jako velice nouzová pomůcka s omezenou účinností vycházelo, natáhnout si v těsné blízkosti postiženého signálového vedení ještě svoji vlastní silnou zem, a zapojit ji jako lokální "příčku" mezi kostrami koncových zařízení.)

Sečteno/podtrženo, ďábel se skrývá v detailech.
Prakticky pokud se chce člověk vyhnout překvapením, měl by si nejlíp sám oměřit skutečné chování zemí a napájecích vstupů u jednotlivých zařízení, zamyslet se nad zvenčí připojovaným periferiemi (klávesnice, myš, flaška, sériová konzola), zároveň řešit napájecí a signálové země komplexně pro celou topologii zařízení se společnou zemí (napájecí a signálovou vs. ochrannou).
Vzhledem k úbytkům na pracovních zemích je z hlediska rušení komunikace apod. jistě ideální, používat důsledně na všech datových/komunikačních rozhraních galvanickou izolaci, což je ale nepraktické - je to drahé a značně to omezuje výběr použitelných zařízení, případně to vyžaduje dodatečné izolační krabičky. Tato úvaha se samozřejmě netýká Ethernetu, který má galvanickou izolaci v základní výbavě.

Pokud v praxi nastane situace, kdy naprojektovaný a nakoupený fanless počítač nakonec nemá očekávanou "SELV izolaci", jako nouzové řešení se nabízí vnější "montážní" izolace - upevněním do skříně pomocí izolačních distančních sloupků, gumových silentbloků apod. Toto samozřejmě připadá v úvahu pouze v případě, že takto dodatečně izolovaný počítač není běžně přístupný obsluze a neměl by hrozit nebezpečný dotyk. Pokud je zavřený v rozvaděči, údržbu lze varovat výstražnou cedulí... Je to opravdu jenom ohavné nouzové řešení pro případy, kdy jsou jiné důvody, proč použít tento konkrétní model počítače (sada rozhraní apod.).


gumové silentbloky zn.Rubena - proklikem odkaz do e-shopu výrobce


Sepsal: František Ryšánek (rysanek [AT] fccps [dot] cz)