Hladina 12 V je v tomto kontextu výchozí volbou pro malé ostrovní systémky solárního napájení.
Hladina 12V má jednu speciální oblast použití: lékařskou elektroniku.
...a vybrané související / sousední oblasti.
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:
|
|
|
|
|
Hladina 12 V je v tomto kontextu výchozí volbou pro malé ostrovní systémky solárního napájení. Hladina 12V má jednu speciální oblast použití: lékařskou elektroniku. |
|
|
|
|
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.
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:
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 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.
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).
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.
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.
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.
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.
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):
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.
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:
Spíše v rovině obecných obvodových principů a ponouknutí k bastlu jsem sepsal související článek v angličtině o možných řešeních ochrany proti DC inrushi.
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).
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.
Pro rozlišení "zdroje" a "spotřebiče" existují normou stanovené zkratky: PSE = Power Sourcing Equipment a PD = Powered Device.
Použitím kabeláže CAT5/6/7 je 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.
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.
Pokud pořídíte switch vybavený PoE "výstupy" = na některých
ethernetových portech umí fungovat jako "PSE", tak je na zvážení,
zda nechat na switchi, jak si potřebných 48 Voltů interně vyrobí,
nebo naopak pořídit switch, který "cca 48V" vyžaduje jako externí
napájecí hladinu. (Některé switche mají dokonce oddělený napájecí
vstup exkluzivně pro funkci PoE PSE.)
Totiž úhrnná spotřeba několika PoE PD zařízení snadno násobně přesáhne
vlastní spotřebu switche. A pokud zvolíte variantu, kdy switch
obsahuje napájecí měnič pro PoE (ať už zvyšující nebo snižující),
znamená to jednak, že switch musí rozptýlit ztrátové teplo měniče
(počítejte účinnost v lepším případě okolo 90%), jednak měnič sám
představuje slabé místo z hlediska dlouhodobé spolehlivosti / životnosti.
"Hloupý" switch, který vyžaduje 48-55V z externího zdroje,
tedy může znamenat z hlediska dlouhodobé údržby lepší variantu.
Spousta zdrojů na DIN lištu má trimr pro přesné nastavení výstupního
napětí a jdou poštelovat ze jmenovitých 48V právě někam k 55-57 V.
Také lze použít staniční nabíječ s baterkou apod.
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.
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). Následně je možno použít
přiměřeně menší kondík pro VF odrušení mezi primárem
a sekundárem.
Právě zesílenou izolaci mezi vinutími používají zdroje
jmenovitě určené pro použití v medicíně (medical grade)
- jako praktický příklad uveďme vestavbové měniče MeanWell
MPM-30 series nebo "adaptéry do zásuvky" MeanWell GEM series
(GEM06I05, GEM30I05, GEM40I05 apod. - rozsáhlá rodina).
Např. distributor TME má v
produktové kategorii AC/DC měničů
filtrovatelný atribut "Použití" (je třeba si ho přidat,
standardně není odkrytý), kde lze zvolit "lékařské aplikace".
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 :-)
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:
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)