Ethernetová průmyslová síť je vystavena nepříznivým elektrickým vlivům a je nutné ji před těmito vlivy ochránit, aby se zabránilo omezení funkčnosti celého systému. Tento článek stručně popisuje, jak přepětí ovlivňují elektronické systémy a představuje ochranné prvky od Analog Devices, které lze používat ke zvýšení odolnosti vůči přepětí.

Jak přepětí ovlivňují elektronické systémy

Přepětí může nastat v důsledku několika faktorů, přičemž blesk je nejdramatičtější a nejničivější. Úder blesku i několik kilometrů daleko může vyvolat magneticky vázaná napětí v elektronických systémech. Tyto přechodná přepětí mohou poškodit citlivou elektroniku a narušit kritickou infrastrukturu sítě. Vysokoenergetické přenosy mohou způsobit nevratné poškození obvodů. Pak je nutné provést nákladné opravy a dochází ke zbytečným prostojům celého systému. V ethernetových sítích mohou přepětí poškodit síťový hardware i připojená zařízení, a to může vést ke ztrátě dat, snížení výkonu systému a dokonce i celkovému selhání systému. Náchylnost ethernetové infrastruktury na přepětí pramení z její rozsáhlé infrastruktury. Jak ethernetové kabely překračují velké vzdálenosti, zachycují elektromagnetické rušení z okolí (indukované napětí a proudy z přepětí (obrázek 1a)).

Obrázek 1: Nechráněná ethernetová instalace je citlivá na přepětí procházející citlivou elektronikou (a). Použitím ochranné roviny získáme ochranu vůči rázovým proudům (b). (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ochrana kritických bodů v síti přepěťovými ochrannými prvky schopnými odvést přebytečnou energii pryč od citlivých součástí, a to buď uzemněním nebo jejím bezpečným rozptýlením pomocí ochranné roviny (obrázek 1b). Přepěťovou ochranu lze realizovat také pomocí TVS diody, vytvořením izolační bariery nebo vysokofrekvenčním filtrováním. Abychom dosáhli uspokojivé ochrany je nutné použít kombinaci těchto technik.

Přepěťová ochrana ethernetových sítí

ADIN1100 od Analog Devices je navržen pro ethernetový standard 10BASE-T1L s rychlostmi až 10 Mbps na vzdálenost až 1700 metrů, a to se spotřebou 39 mW (obrázek 2).

Obrázek 2: ADIN1100 poskytuje kompletní fyzickou vrstvu ethernetu 10BASE-T1L PHY i pro průmyslové systémy. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

ADIN1100 s integrovaným monitorováním napájením a obvody Power-on reset (POR) přispívá k robustnosti systému a zajišťuje stabilní provoz i v nestabilních podmínkách. S vývojovou deskou EVAL-ADIN1100-EBZ lze rychle posoudit vlastnosti ADIN1100 a prozkoumat mechanismy přepěťové ochrany. Vývojová deska obsahuje stavové LED indikátory, tlačítka a testovací body a izolační transformátory nebo induktory pro připojení napájení (obrázek 3).

Obrázek 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 umožňuje experimentování s mechanismy ochrany proti přepětí. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ochrana průmyslového ethernetu

LTC9111 je transceiver s napájením přes Ethernet (SPoE) se širokým provozním rozsahem od 2,3 do 60 V, který je navržen pro průmyslové single-pair Ethernet (SPE) aplikace vyhovující IEEE 802.3cg. Transceiver podporuje protokol sériové komunikace (SCCP) v systémech, kde napájené zařízení (PD) a napájecí zařízení (PSE) sdílejí informace o požadovaných třídách výkonu. LTC9111 v kombinaci s ADIN1100 poskytuje efektivní řešení pro SPoE řešení na velké vzdálenosti (obrázek 4).

Obrázek 4: ADIN1100 v kombinaci s LTC9111 vyžaduje pouze několik dalších komponent k dokončení napájené strany průmyslového Ethernetového připojení. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

SPoE PSE driver

Pro stranu zdroje napájení je k dispozici pětiportový SPoE PSE driver LTC4296-1, který podporuje PD zařízení v 24 nebo 54 V systémech. Driver má rozsah vstupního napětí od 6 do 60 V a obsahuje rozsáhlou sadu ochranných funkcí, včetně možnosti použití externích N-kanálových MOSFETů, foldback analogového proudového limitu (ACL), nastavitelných zdrojových a zpětných elektronických jističů a dalších. Pro další ochranu proti přepětí lze přidat diodu TVS jako je například SMAJ58A od Littelfuse, aby se zmírnily napájecí špičky (obrázek 5).

Obrázek 5: Pětiportový LTC4296-1 doplňuje řadič LTC9111 PD a zjednodušuje návrh připojení průmyslového Ethernetu. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Pomocí vývojové sady EVAL-SPoE-KIT-AZ lze rychle získat zkušenosti s PSE regulátory. Sada umožňuje studovat kompletní aplikaci SPoE vyhovující standardu IEEE 802.3. Sada je dodávána se základními deskami s LTC4296-1 a LTC9111, z nichž každá obsahuje zásuvné desky s ADIN1100, které se připojují pomocí kabelu SPE (obrázek 6).

Obrázek 6: Vývojová sada EVAL-SPoE-KIT-AZ poskytuje kompletní sadu hardwarových desek a kabelů pro vyhodnocení aplikace SPoE založené na driverech LTC4296-1 PSE a LTC9111 PD a fyzické vrstvy PHY ADIN1100. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Ačkoli driver LTC4296-1 PSE a LTC9111 PD s ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY umožňují řešení SPoE kompatibilní s IEEE 802.3cg.

Aktivní PWM regulátor

Aktivní regulátor MAX5974 s rozprostřeným spektrem v proudovém režimu a s pulzně šířkovou modulací se používá ke zvýšení účinnosti zdrojů napájení v aplikacích PoE PD. MAX5974 jsou k dispozici v několika variantách. Například MAX5974D je navržen tak, aby podporoval regulaci výstupu pomocí tradiční zpětné vazby optočlenu. MAX5974B je navržen tak, aby podporoval regulaci výstupu bez optočlenu, přičemž odvozuje vstupní (IN) napětí z výstupu vázané tlumivky (obrázek 7).

Obrázek 7: MAX5974B od Analog Devices zjednodušuje konstrukci převodníku s aktivním upnutím tím, že eliminuje optočleny ve zpětné vazbě a odvozuje vstupní (IN) napětí převodníku z výstupu vázané tlumivky. (Zdroj obrázku: Analog Devices)

Schopnost zařízení omezovat proud cyklus po cyklu pomáhá chránit citlivou elektroniku. Pokud MAX5974 detekuje, že bylo dosaženo limitu špičkového proudu a že se udrží i po uplynutí prahové doby, dočasně vypne svůj výstup hlavního spínače gate-drive (NDRV) a aktivní výstup clamping gate-drive (AUXDRV), a to umožní rozptýlení proudu.

Kompletní řešení od Analog Devices

ADIN1100 zajišťuje provoz s dlouhým dosahem a nízkou spotřebou a slouží jako robustní základ sítě. Regulátory LTC9111 a LTC4296 pracují v tandemu při řízení dodávky energie a ochraně proti přepětí na úrovni PD i PSE. MAX5974 doplňuje toto nastavení tím, že zajišťuje efektivní přeměnu energie a zvyšuje ochranu během přepětí. Koordinovaná implementace těchto produktů výrazně vylepšuje přepěťovou ochranu ethernetových sítí.

Závěr

Ethernet nabízí významné výhody pro průmyslovou komunikaci, ale dlouhé kabely způsobují, že citlivá elektronika je zranitelná vůči přepětí. Pomocí produktů od Analog Devices získáme kompletní robustní řešení ochrany vůči přepětí v ethernetových sítí.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com