некоторые вопросы использования газоразрядных приборов для защиты линий Ethernet
Газоразрядные приборы широко используются для защиты электронных устройств от импульсов повышенного напряжения различной природы. Этому способствует сочетание свойств:
- крайне низкая проводимость в нерабочем состоянии;
- высокая импульсная мощность;
- низкая вносимая емкость;
- низкое дифференциальное сопротивление рабочего участка вольт-амперной характеристики.
Вместе с тем общеизвестны и недостатки этих приборов:
- запаздывание срабатывания при высоких скоростях нарастания входного напряжения;
- высокая крутизна фронта напряжения при переходе в рабочее состояние.
В качестве иллюстрации этого факта можно привести осциллограмму напряжения при срабатывании устройства защиты, опубликованную в каталоге фирмы KRONE AG 95/96 года, раздел "Protection System".
Рис. 1. Осциллограмма напряжения на газорязрядном приборе фирмы KRONE.
На протяжении нескольких десятилетий газоразрядные приборы защищали аппаратуру связи. Поэтому, когда компьютерные сети развились настолько, что потребовалось объединение компьютеров за пределами одного здания, вполне естественно было обратиться к проверенному техническому решению. Однако использование этих приборов в сетях Ethernet должно учитывать два обстоятельства, которые отличают Ethernet от сетей проводной связи, а именно:
1. Рабочее и предельно допустимое напряжение оборудования передачи данных ниже в 10 раз.
2. Верхняя граница рабочих частот выше в 10000 раз.
В этих условиях недостатки газоразрядных приборов, терпимые в других приложениях, становятся критически важными. Поэтому прямой перенос отработанных решений без их корректировки с учетом специфики Ethernet невозможен.
Попробуем разобраться в процессах, происходящих в цепи, имеющей в своем составе типичный газоразрядный прибор NS2R-90, выпускаемый фирмой Nenshi Communications Equipment Co.Ltd.Схема экcперимента приведена на рис.2. Для регистрации процессов использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS 450B (500 MHz,2 GS/s).
Осциллограммы напряжения в точке 1 (рис.3) практически полностью повторяет данные фирмы KRONE за небольшим исключением. Высокая разрешающая способность регистрирующего оборудования позволила зафиксировать значительный отрицательный выброс на фронте срабатывания разрядника.
Рис. 2. Схема измерений.
Процесс формирования проводящего канала из ионизированного газа в искровом промежутке разрядника сопровождается накоплением объемного заряда между электродами. В момент замыкания разрядного промежутка искровым каналом напряжение на этом "конденсаторе" оказывается приложенным к измерительной цепи. Мгновенной нейтрализации этого заряда препятствует низкая емкость разрядника (менее 1,5 pF) и паразитная индуктивность выводов.
Рис. 3. Осциллограмма напряжения в точке 1.Делитель 1:1000.Действительный масштаб по напряжению 1000 В/дел. Справа представлена та же осциллограмма, растянутая по оси времени в 200 раз.
Почему на осциллограмме каталога фирмы KRONE этот факт отсутствует? Можно предположить, что поскольку устройства, описываемые в каталоге, предназначены для низкочастотных приложений, то и для регистрации процессов использовалась соответствующая аппаратура. Косвенно об этом свидетельствует крутизна фронта напряжения на приводимой осциллограмме, которая определяется исключительно переходной характеристикой усилителя вертикального отклонения осциллографа. На рисунке она имеет явный наклон, что может свидетельствовать о возможностях аппаратуры. В нашем случае длительность зарегистрированного фронта составила <1 ns,что так же является пределом разрешающей способности прибора. Скорее всего, применив более высокочастотную аппаратуру, мы зафиксировали бы еще меньшие значения для длительности фронта.
При распространении импульса с такой длительностью фронта определяющими становятся паразитные параметры элементов. В частности, для оборудования Ethernet определяющим фактором становится проходная емкость трансформатора, которая составляет 10-20 pF.
Рис. 4. Типовая схема входных цепей оборудования Ethernet.
Входные цепи практически любого оборудования Ethernet можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 5),состоящей из RC цепи, где C =10 pF -проходная емкость интерфейсного трансформатора, а R =50 ом - согласующий резистор на входе микросхемы. Несложно рассчитать возникающие напряжения, но предложенная модель не учитывает много прочих паразитных параметров, поэтому значительно надежнее зарегистрировать прохождение импульса непосредственно в оборудовании.
Рис. 5.
Рис. 6.Осциллограмма напряжения в точке 2.Делитель 1:1000.Действительный масштаб по напряжению 100 В/дел.
Амплитуда импульса, зарегистрированного на входе микросхемы, составляет +200 В. Важно заметить, что импульс является синфазным и не взаимодействует со схемами подавления дифференциальной помехи, применяемыми в устройствах защиты, какими бы быстродействующими они не были. Какой выход из этой ситуации?
1. Использовать вместо газоразрядных приборов другие компоненты, например полупроводниковые стабилитроны или варисторы. При их применении необходимо решить схемотехнические вопросы нейтрализации высокой емкости этих приборов и низкой (по сравнению с газоразрядными приборами) максимально допустимой мощности.
2. Использовать схемотехнические решения, обеспечивающие нейтрализацию крутых фронтов напряжения при переходе газоразрядного прибора в проводящее состояние.
Автор неизвестен
- крайне низкая проводимость в нерабочем состоянии;
- высокая импульсная мощность;
- низкая вносимая емкость;
- низкое дифференциальное сопротивление рабочего участка вольт-амперной характеристики.
Вместе с тем общеизвестны и недостатки этих приборов:
- запаздывание срабатывания при высоких скоростях нарастания входного напряжения;
- высокая крутизна фронта напряжения при переходе в рабочее состояние.
В качестве иллюстрации этого факта можно привести осциллограмму напряжения при срабатывании устройства защиты, опубликованную в каталоге фирмы KRONE AG 95/96 года, раздел "Protection System".
Рис. 1. Осциллограмма напряжения на газорязрядном приборе фирмы KRONE.
На протяжении нескольких десятилетий газоразрядные приборы защищали аппаратуру связи. Поэтому, когда компьютерные сети развились настолько, что потребовалось объединение компьютеров за пределами одного здания, вполне естественно было обратиться к проверенному техническому решению. Однако использование этих приборов в сетях Ethernet должно учитывать два обстоятельства, которые отличают Ethernet от сетей проводной связи, а именно:
1. Рабочее и предельно допустимое напряжение оборудования передачи данных ниже в 10 раз.
2. Верхняя граница рабочих частот выше в 10000 раз.
В этих условиях недостатки газоразрядных приборов, терпимые в других приложениях, становятся критически важными. Поэтому прямой перенос отработанных решений без их корректировки с учетом специфики Ethernet невозможен.
Попробуем разобраться в процессах, происходящих в цепи, имеющей в своем составе типичный газоразрядный прибор NS2R-90, выпускаемый фирмой Nenshi Communications Equipment Co.Ltd.Схема экcперимента приведена на рис.2. Для регистрации процессов использовался цифровой осциллограф Tektronix TDS 450B (500 MHz,2 GS/s).
Осциллограммы напряжения в точке 1 (рис.3) практически полностью повторяет данные фирмы KRONE за небольшим исключением. Высокая разрешающая способность регистрирующего оборудования позволила зафиксировать значительный отрицательный выброс на фронте срабатывания разрядника.
Рис. 2. Схема измерений.
Процесс формирования проводящего канала из ионизированного газа в искровом промежутке разрядника сопровождается накоплением объемного заряда между электродами. В момент замыкания разрядного промежутка искровым каналом напряжение на этом "конденсаторе" оказывается приложенным к измерительной цепи. Мгновенной нейтрализации этого заряда препятствует низкая емкость разрядника (менее 1,5 pF) и паразитная индуктивность выводов.
Рис. 3. Осциллограмма напряжения в точке 1.Делитель 1:1000.Действительный масштаб по напряжению 1000 В/дел. Справа представлена та же осциллограмма, растянутая по оси времени в 200 раз.
Почему на осциллограмме каталога фирмы KRONE этот факт отсутствует? Можно предположить, что поскольку устройства, описываемые в каталоге, предназначены для низкочастотных приложений, то и для регистрации процессов использовалась соответствующая аппаратура. Косвенно об этом свидетельствует крутизна фронта напряжения на приводимой осциллограмме, которая определяется исключительно переходной характеристикой усилителя вертикального отклонения осциллографа. На рисунке она имеет явный наклон, что может свидетельствовать о возможностях аппаратуры. В нашем случае длительность зарегистрированного фронта составила <1 ns,что так же является пределом разрешающей способности прибора. Скорее всего, применив более высокочастотную аппаратуру, мы зафиксировали бы еще меньшие значения для длительности фронта.
При распространении импульса с такой длительностью фронта определяющими становятся паразитные параметры элементов. В частности, для оборудования Ethernet определяющим фактором становится проходная емкость трансформатора, которая составляет 10-20 pF.
Рис. 4. Типовая схема входных цепей оборудования Ethernet.
Входные цепи практически любого оборудования Ethernet можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 5),состоящей из RC цепи, где C =10 pF -проходная емкость интерфейсного трансформатора, а R =50 ом - согласующий резистор на входе микросхемы. Несложно рассчитать возникающие напряжения, но предложенная модель не учитывает много прочих паразитных параметров, поэтому значительно надежнее зарегистрировать прохождение импульса непосредственно в оборудовании.
Рис. 5.
Рис. 6.Осциллограмма напряжения в точке 2.Делитель 1:1000.Действительный масштаб по напряжению 100 В/дел.
Амплитуда импульса, зарегистрированного на входе микросхемы, составляет +200 В. Важно заметить, что импульс является синфазным и не взаимодействует со схемами подавления дифференциальной помехи, применяемыми в устройствах защиты, какими бы быстродействующими они не были. Какой выход из этой ситуации?
1. Использовать вместо газоразрядных приборов другие компоненты, например полупроводниковые стабилитроны или варисторы. При их применении необходимо решить схемотехнические вопросы нейтрализации высокой емкости этих приборов и низкой (по сравнению с газоразрядными приборами) максимально допустимой мощности.
2. Использовать схемотехнические решения, обеспечивающие нейтрализацию крутых фронтов напряжения при переходе газоразрядного прибора в проводящее состояние.
Автор неизвестен
Сетевые решения. Статья была опубликована в номере 05 за 2008 год в рубрике технологии
