Jak wybrać odpowiednie ograniczniki przepięć?

Aby wybrać odpowiedni system ochrony przeciwprzepięciowej, konieczna jest znajomości wielu czynników mających wpływ na poziom zagrożenia:

• Miejsce instalacji urządzeń, które mają być chronione - wewnątrz czy na zewnątrz budynku, konstrukcja metalowa
• Rozległość, struktura, długość i rodzaj okablowania, droga prowadzenia przewodów
• Rodzaje interfejsów, rodzaje sygnałów, napięcie zasilania i obciążenia znamionowe

Każdy z ochronników posiada szereg parametrów, które określają jego przydatność do zastosowania w danej instalacji. Znając poziom zagrożenia i właściwości sygnałów urządzeń które są zabezpieczane, należy dobrać urządzenie ochronne o napięciu reakcji niewiele wyższym od napięć, jakie mogą pojawić się w czasie pracy. Istotna również jest konstrukcja urządzenia ochronnego, ilość stopni ochronnych, rodzaje komponentów i zastosowanej technologii. Należy wnikliwie porównywać parametry, które mogą również znacznie różnić się w zależności od kształtu impulsu udarowego, który został użyty przy ich testowaniu - w zależności od podanego kształtu impulsu, wartości mogą bardzo się różnić.

1. Dobór parametrów napięciowych

Ogranicznik posiada nominalne i maksymalne parametry napięciowe które decydują, do jakich źródeł sygnałów mogą być zastosowane. Użycie ograniczników z parametrami napięcia dużo wyższymi niż właściwe sygnały, spowoduje przepuszczenie do niego zbyt wysokiego napięcia udarowego i ryzyko uszkodzenia chronionego urządzenia. Zastosowanie ogranicznika z parametrami napięciowymi równymi lub poniżej właściwych sygnałów, może powodować zadziałanie ogranicznika i zakłócanie pracy chronionego urządzenia.

Un (linia-linia) - napięcie nominalne linia-linia, dla którego skonstruowany jest ogranicznik przepięć. Jest to napięcie, jakie normalnie może być przesyłane przez ogranicznik, nie powodując zadziałania ogranicznika i nie utrudniając pracy chronionego urządzenia.

Uc (linia-linia) - napięcie maksymalne pracy trwałej linia-linia. Napięcie przesyłane przez ogranicznik może się wahać, co jest wynikiem zmian w zasilaniu, transmisji danych lub obciążenia magistrali. Przekroczenie napięcia maksymalnego pracy trwałej powoduje reakcję ogranicznika.

Uc (linia-ziemia) - napięcie maksymalne linia-ziemia. Jest to maksymalny potencjał względem ziemi, jaki może pojawić się na chronionym przewodzie - po jego przekroczeniu następuje zadziałanie ogranicznika. Pojawia się on w momencie przeskoku iskrowego i powoduje odprowadzenie ładunku udarowego do ziemi, co zapobiega przepłynięciu przez chronione urządzenie wysokiego napięcia oraz prądu.

Up (linia-linia) - napięcie poziomu ochrony linia-linia. Jest maksymalne napięcie, do jakiego ogranicznik zmniejszy napięcie udarowe podczas pojawienia się przepięcia. Parametr podawany jest dla maksymalnego prądu udarowego, które jest w stanie przenieść ogranicznik bez jego uszkodzenia dla danego kształtu impulsu.

Up (linia-ziemia) - napięcie poziomu ochrony linia-ziemia. Jest maksymalne napięcie względem ziemi, do jakiego ogranicznik zmniejszy napięcie udarowe podczas pojawienia się przepięcia. Parametr podawany jest dla maksymalnego prądu udarowego, które jest w stanie przenieść ogranicznik bez jego uszkodzenia dla danego kształtu impulsu.

Przy doborze ogranicznika pod kątem napięć, należy zauważyć, że wartość napięcia przemiennego podawana jest jako napięcie skuteczne. W rzeczywistości chwilowe wartości szczytowe są dużo wyższe - na przykład napięcie 230VAC w rzeczywistości posiada wartości szczytowe 325Vp-p, należy również wziąć pod uwagę dopuszczalną tolerancję wzrostu tego napięcia. Podobna sytuacja jest również w przypadku linii transmisyjnych, których napięcia szczytowe mogą być zmierzone wyłącznie za pomocą specjalnych mierników lub oscyloskopu. Uwzględniając tolerancję tych napięć, najlepiej skonsultować dobór ochronnika z producentem urządzenia lub zastosować ochronniki dedykowane do określonych rodzajów prądu (stały, zmienny) oraz magistral cyfrowych i sygnałów analogowych.

2. Dobór parametrów prądowych

Parametry prądowe określają wytrzymałość ogranicznika przepięć na wartość przepływającego prądu udarowego, więc są najbardziej kluczowe pod kątem skuteczności ochronnej. Klasy urządzeń ochronnych zostały opisane w normach PN-EN 61643-21:2004, jednak nie uwzględniają one wielu nowoczesnych rozwiązań stworzonych w ostatnich latach, które posiadają bardzo wysoką skuteczność ochrony oraz wielu korzyści wynikających dla szybkich transmisji cyfrowych. Przykładem są stosowane przez firmę Ewimar komponenty MOSFET, umożliwiające stosowanie niektórych komponentów o małej mocy i małej tłumienności.

IN / IN-MAX - nominalny i maksymalny (chwilowy) prąd szeregowy. Jest to prąd jaki może być przesyłany przez ogranicznik przepięć podczas normalnej pracy. Ogranicznik kombinowany ze względu na konieczność odsprzęgania poszczególnych stopni posiada wbudowane komponenty, które posiadają ograniczoną wytrzymałość prądową. Przekroczenie prądu znamionowego może uszkodzić ogranicznik przez przerwanie obwodu wejściowego od wyjściowego.

In (linia-linia) - znamionowy prąd udarowy, jaki może być zneutralizowany przez ogranicznik w wyniku zamknięcia potencjałów pomiędzy poszczególnymi żyłami przewodu. Bardzo ważny parametr, który informuje o poziomie ochrony obwodów, w których przekroczenie napięcia jest najczęstszą przyczyną uszkodzeń elektronicznych. Przyczyną tego napięcia jest seria przeskoków iskrowych lecz najczęściej jest to zaindukowanie się silnego impulsu elektromagnetycznego, pochodzące od odległych wyładowań.

In (linia-ziemia) - znamionowy prąd udarowy, jaki może być zneutralizowany przez ogranicznik w wyniku powstania silnych przeskoków iskrowych, szukających ujścia w kierunku ziemi. Pojawiają się one na urządzeniach zainstalowanych na zewnątrz i są wywołane przez przeskoki iskrowe. Mogą się również pojawić na urządzeniach wewnętrznych, jeżeli ich okablowanie znajduje się w pobliżu innych niezabezpieczonych konstrukcji lub instalacji wychodzących na zewnątrz.

Aby właściwie porównać parametry prądowe poszczególnych ochronników, należy robić to przy zachowaniu tego samego kształtu impulsu (przykłady: 8/20µs, 10/350µs, 10/1000µs). Te same wartości przy różnych kształtach impulsu mogą oznaczać wielokrotnie mniejszą lub większą skuteczność.

3. Rezystancja szeregowa

Zazwyczaj każdy kombinowany ogranicznik przepięć ją posiada, zależy ona od konstrukcji ogranicznika i rodzaju użytych komponentów. Rezystancja szeregowa wprowadza stratę mocy podczas przepływu prądu -im niższe napięcie i większy prąd, ty większa moc strat. Rezystancja szeregowa powiązana jest z parametrem znamionowego prądu szeregowego (IN / IN-MAX). W przypadku szybkich transmisji danych cyfrowych, rezystancja szeregowa powoduje wydłużenie czasu propagacji impulsu prostokątnego, jednak problem bywa widoczny dopiero przy częstotliwości rzędu GHz.

4. Tłumienność

Parametr często podawany w postaci maksymalnej częstotliwości, tłumionej nie więcej niż 3dB. Stanowi to jednak wykładnik pojemności obwodów ochronnych i wielu innych źródeł związanych z jakością i ułożeniem komponentów, rodzajem i jakością złączy a przede wszystkich starannym zaprojektowaniem obwodów drukowanych. Tłumienność jest bardzo ważna dla sygnałów wysokiej częstotliwości zarówno analogowych jak i cyfrowych, powoduje ona zmniejszenie się poziomu pierwotnego sygnału, co powoduje błędy transmisji lub odczytu pomiarów. Im wyższa częstotliwość sygnałów i niższe napięcie Un, tym urządzenie ochronne będzie wykazywać większą tłumienność.

4. Przesłuchy

W systemach wielokanałowych jest to kluczowy parametr, który decyduje o poprawności działania całego systemu. Sygnały analogowe ze względu na łagodne zbocza, nie generują dużej ilości zakłóceń, które są źródłem przesłuchów pomiędzy poszczególnymi kanałami. Zupełnie inny poziom problemu pojawia się w przypadku wielokanałowych transmisji cyfrowych, zwłaszcza pracujących w trybie synchronicznym. Ostro opadające zbocza są przyczyną olbrzymiej ilości harmonicznych, które interferując wprowadzają w wiele zakłóceń do sąsiednich kanałów, zasilania oraz do innych interfejsów. Przykładem takiej transmisji jest sieć Gigabit Ethernet 1000Base-T oraz 1000Base-TX, gdzie występuje 4 różnicowe tory transmisyjne na jeden przewód, których w serwerowni może zbiegać się bardzo wiele.  Ogranicznik przepięć do takich instalacji musi posiadać bardzo wysokie parametry, które nie są ujęte w normie EN 61643-21:2004, lecz są istotne ze względu na rozległość i gęstość okablowania. Poniższy rysunek przedstawia ilość wzajemnych oddziaływań w liniach sieci 100Mbit oraz Gigabit Ethernet, które w jak najmniejszym stopniu powinny powstawać w ograniczniku przepięć.

Zachowanie niskiego poziomu przesłuchów w ogranicznikach to skomplikowany proces, obejmujący wybór właściwych  komponentów, wybór odpowiedniej jakości złącz, właściwa technika projektowania obwodów oraz kontrola ich wytwarzania.

Najlepszym sposobem weryfikacji ochronników dla sieci LAN, jest wykonanie testów porównawczych  za pomocą specjalistycznych mierników. Poniższy rysunek przedstawia test ogranicznika przepięć firmy Ewimar i produktu konkurencyjnego.

Skrócony wynik testu zabezpieczenia firmy Ewimar

Skrócony wynik testu zabezpieczenia konkurencyjnej firmy

Wszelka treść zawarta w artykułach wraz ze zdjęciami stanowi własność firmy Ewimar Sp. z o.o. i jest chroniona prawnie. Zakaz kopiowania i udostępniania we fragmentach lub w całości, zakaz wykorzystywania w publikacjach i prezentacjach publicznych.