Cum să protejați rețelele Ethernet împotriva evenimentelor de supratensiune

Pe măsură ce Ethernet devine pilonul de bază al comunicațiilor industriale, vulnerabilitatea infrastructurii sale la supratensiuni, cum ar fi trăsnetele, reprezintă o provocare critică. Astfel de incidente pot induce bucle de masă și tensiuni cuplate magnetic, ceea ce poate paraliza sistemele tehnologice operaționale.

Pentru a menține integritatea și funcționalitatea sistemului de dispozitive conectate la Ethernet, dezvoltatorii au nevoie de o soluție robustă pentru a proteja componentele electronice sensibile de transferurile de energie distructive.

Acest articol descrie pe scurt modul în care supratensiunile afectează sistemele electronice. Apoi, prezintă dispozitivele de protecție de la Analog Devices și arată cum să le utilizați pentru a atenua efectele evenimentelor de supratensiune.

Impactul evenimentelor de supratensiune asupra sistemelor electronice

Evenimentele de supratensiune pot apărea din cauza mai multor factori, fulgerele fiind cel mai dramatic și distructiv dintre acestea. Chiar și la câțiva kilometri distanță, un fulger poate induce bucle de masă și tensiuni cuplate magnetic în sistemele electronice. Această supratensiune tranzitorie poate deteriora componentele electronice sensibile și poate întrerupe operațiunile critice.

Impactul evenimentelor de supratensiune asupra sistemelor electronice se extinde dincolo de disfuncționalitățile temporare. Aceste transferuri de energie ridicată pot provoca deteriorări ireversibile ale circuitelor, necesitând reparații costisitoare și oprirea sistemului. În rețelele Ethernet, supratensiunile pot deteriora hardware-ul de rețea și dispozitivele conectate, ducând la pierderea de date, la reducerea performanțelor sistemului și chiar la defectarea completă a acestuia.

Susceptibilitatea infrastructurii Ethernet la evenimente de supratensiune este cauzată de întinderea sa și de natura sa interconectată. Deoarece cablurile Ethernet traversează distanțe lungi, acestea captează perturbații electromagnetice din mediul înconjurător, inclusiv tensiuni și curenți induși de un eveniment de supratensiune, ajungând la dispozitive aparent izolate de punctul în care are loc supratensiunea (Figura 1a).

Figura 1: O instalație Ethernet neprotejată este susceptibilă la evenimente de supratensiune care trec prin electronicele sensibile (a), dar utilizarea unor metode proiectate de protecție împotriva supratensiunilor, cum ar fi planurile de protecție, poate permite o cale sigură pentru curenții de supratensiune (b). (Sursă imagine: Analog Devices)

Dezvoltatorii trebuie să implementeze măsuri solide de protecție împotriva supratensiunilor pentru a proteja componentele electronice sensibile împotriva acestor transferuri de energie ridicată, asigurând integritatea și funcționalitatea sistemului. Aceasta implică protejarea punctelor critice din rețea cu dispozitive de protecție împotriva supratensiunilor capabile să devieze excesul de energie de la componentele sensibile, fie prin împământare, fie prin disiparea acestuia în condiții de siguranță cu ajutorul unor tehnici precum planurile de protecție (Figura 1b).

Pentru a contribui la integrarea protecției împotriva supratensiunilor în dispozitivele lor conectate, dezvoltatorii se bazează pe metode avansate de proiectare, cum ar fi fixarea tensiunii cu ajutorul unui supresor de tensiune tranzitorie (TVS), abordări de izolare, filtrare de înaltă frecvență și alte tehnici. În același timp, o protecție reușită împotriva supratensiunilor necesită combinarea acestor tehnici cu componente specializate, inclusiv dispozitive Ethernet cu strat fizic (PHY), controlere și echipamente de alimentare concepute pentru a gestiona tensiunile induse de supratensiuni.

Un set de soluții de la Analog Devices este special conceput pentru a sprijini metodele de proiectare a protecției la supratensiune, îndeplinind în același timp cerințele specializate pentru o funcționalitate robustă în dispozitivele conectate la Ethernet.

Construirea protecției împotriva supratensiunilor în rețelele Ethernet

Pentru organizațiile care trec de la comunicațiile tradiționale la conectivitatea bazată pe Ethernet, apariția standardului Ethernet 10BASE-T1L pentru stratul fizic oferă legătura critică necesară pentru conectarea dispozitivelor periferice în locații îndepărtate și periculoase din fabrică, utilizând standardul IEEE 802.3cg pentru cablu single-pair Ethernet (SPE) de 10 megabiți pe secundă (Mbps). Proiectat pentru a respecta aceste standarde, ADIN1100 de la Analog Devices este un emițător-receptor cu un singur port, cu consum redus de energie, care acceptă conectivitatea Ethernet la distanțe de până la 1.700 de metri (m). Consumând numai 39 de miliwați (mW), ADIN1100 combină o arhitectură funcțională cuprinzătoare cu o interfață hardware concepută pentru simplificarea conectării unui procesor gazdă la o rețea Ethernet (Figura 2).

Figura 2: ADIN1100 oferă un PHY 10BASE-T1L complet, simplificând tranziția sistemelor industriale la rețelele Ethernet. (Sursă imagine: Analog Devices)

Proiectarea cu protecție la supratensiune a dispozitivului ADIN1100 cu monitorizarea integrată a sursei de alimentare și circuitul de resetare la pornire (POR) contribuie la robustețea sistemului, asigurând o funcționare stabilă chiar și în condiții volatile. Cu ajutorul plăcii de evaluare EVAL-ADIN1100-EBZ de la Analog Devices, dezvoltatorii pot evalua rapid performanța ADIN1100 și pot explora mecanisme suplimentare de protecție împotriva supratensiunilor.

Pe lângă indicatoarele de stare cu leduri, butoanele și conexiunile de interfață, placa de evaluare oferă puncte de testare, o mică zonă de prototipare pentru examinarea abordărilor alternative de conectare a cablurilor și transformatoare de izolare opționale sau inductoare de cuplare a puterii (Figura 3).

Figura 3: EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 simplifică evaluarea performanțelor ADIN1100 și experimentarea cu mecanismele de proiectare a protecției împotriva supratensiunilor. (Sursă imagine: Analog Devices)

Controler de dispozitive alimentate prin Ethernet industrial

Proiectat pentru aplicații industriale SPE, LTC9111 de la Analog Devices este un controler de dispozitive alimentate prin single-pair power over Ethernet (SPoE), conform IEEE 802.3cg, cu o gamă largă de funcționare de la 2,3 la 60 de volți. Dispozitivul acceptă protocolul de clasificare a comunicațiilor seriale (SCCP) în sistemele în care dispozitivul alimentat (PD) și echipamentul de alimentare (PSE) partajează informații despre clasele de putere necesare.

Cu compatibilitatea sa pentru IEEE 802.3cg, LTC9111 este construit pentru a reduce efectul evenimentelor de supratensiune, dar dezvoltatorii care utilizează dispozitivul în aplicații sensibile la supratensiune pot include o tehnică „voltage clamp” (la tensiune fixată), cum ar fi o diodă TVS. Un TVS combinat cu ADIN1100 oferă o soluție eficientă pentru implementarea soluțiilor SPoE care pot funcționa pe distanțe extinse (Figura 4).

Figura 4: Combinat cu ADIN1100, LTC9111 simplifică proiectele SPoE, necesitând doar câteva componente suplimentare pentru a completa partea de dispozitiv alimentat a unei conexiuni Ethernet industriale. (Sursă imagine: Analog Devices)

Controler SPoE PSE

Pentru partea de alimentare a unei aplicații conforme cu 802.3cg, LTC4296-1 este un controler PSE SPoE cu cinci porturi, proiectat pentru interoperabilitate cu PD-urile 802.3cg în sisteme de 24 sau 54 de volți. Cu o gamă de tensiuni de intrare de la 6 până la 60 de volți, dispozitivul acceptă un set extins de capacități de protecție, inclusiv utilizarea MOSFET-urilor externe cu canal N, limitarea analogică a curentului (ACL) de întoarcere, disjunctoare electronice reglabile de sursă și de retur și multe altele. Pentru protecție suplimentară împotriva supratensiunilor, dezvoltatorii pot adăuga o diodă TVS, cum ar fi Littelfuse SMAJ58A, pentru a atenua vârfurile curentului de alimentare (Figura 5).

Figura 5: Venind în completarea controlerului PD LTC9111, controlerul SPoE cu cinci porturi LTC4296-1 simplifică proiectarea părții PSE a unei conexiuni Ethernet industriale. (Sursă imagine: Analog Devices)

Utilizând kitul de evaluare EVAL-SPoE-KIT-AZ de la Analog Devices, dezvoltatorii pot obține rapid experiență cu controlerul PSE. Kitul permite proiectanților să studieze o aplicație SPoE completă conformă cu IEEE 802.3. Acesta este prevăzut cu plăci de bază bazate pe LTC4296-1 și LTC9111, fiecare dintre acestea găzduind scuturi plug-in bazate pe ADIN1100 care se conectează printr-un cablu SPE (Figura 6).

Figura 6: Kitul de evaluare EVAL-SPoE-KIT-AZ oferă un set complet de plăci hardware și cabluri pentru a evalua o aplicație SPoE bazată pe controlerele LTC4296-1 PSE și LTC9111 PD și pe un dispozitiv ADIN1100 10BASE-T1L Ethernet PHY. (Sursă imagine: Analog Devices)

Deși controlerul PSE LTC4296-1, controlerul PD LTC9111 și dispozitivul PHY Ethernet 10BASE-T1L ADIN1100 permit implementarea rapidă a soluțiilor SPoE conforme cu IEEE 802.3cg, o altă soluție Analog Devices răspunde nevoii de controlere cu clemă activă.

Controler PWM cu clemă activă

Proiectate pentru a spori eficiența surselor de alimentare în aplicațiile PoE PD, dispozitivele din seria MAX5974 de la Analog Devices sunt controlere cu clemă activă, cu spectru extins, cu modulație în lățime a impulsurilor (PWM) în modul de curent. Dispozitivele din seria MAX5974 sunt oferite cu mai multe variante. De exemplu, MAX5974D este proiectat pentru a susține reglarea ieșirii folosind feedbackul optocuploarelor tradiționale. În schimb, MAX5974B este proiectat pentru a susține reglarea ieșirii fără un optocuplor, permițând în același timp ca ieșirea inductorului cuplat să derive de la intrarea de alimentare a convertorului (IN) (Figura 7).

Figura 7: MAX5974B de la Analog Devices simplifică proiectarea convertoarelor cu clemă activă prin eliminarea optocuploarelor în feedback și derivarea tensiunii de intrare a convertorului (IN) de la ieșirea inductorului cuplat. (Sursă imagine: Analog Devices)

Clema cu ciclu de funcționare maxim și cu buclă deschisă, integrată în dispozitivele MAX5974, garantează că tensiunea maximă de fixare rămâne independentă de tensiunea de linie în condiții tranzitorii. Capacitatea de limitare a curentului dispozitivului la fiecare ciclu ajută la protejarea suplimentară a componentelor electronice sensibile. Atunci când dispozitivul detectează că limita de vârf a curentului a fost atinsă și menținută peste o durată de prag, acesta oprește temporar ieșirea de comandă a porții comutatorului principal (NDRV) și ieșirea de comandă a porții comutatorului de clemă activă (AUXDRV), permițând curentului de suprasarcină să se disipeze înainte de a încerca o pornire treptată.

Aplicarea unei abordări ample pentru protecția la supratensiune

Aceste produse permit o abordare amplă a protecției împotriva supratensiunilor în rețelele Ethernet. ADIN1100 asigură o rază lungă de acțiune și o funcționare cu consum redus de energie, fiind o bază robustă pentru rețea. Controlerele LTC9111 și LTC4296 lucrează în tandem pentru a gestiona furnizarea de energie și pentru a proteja împotriva supratensiunilor atât la nivelul PD, cât și la nivelul PSE. MAX5974 completează această configurație asigurând o conversie eficientă a puterii și reducând potențialul de risipă de energie în timpul evenimentelor de supratensiune.

Prin implementarea coordonată a acestor produse, dezvoltatorii pot îmbunătăți semnificativ capacitățile de protecție împotriva supratensiunilor ale rețelelor Ethernet. Această abordare integrată protejează hardware-ul și asigură comunicarea neîntreruptă și continuitatea operațională.

Concluzie

Ethernet oferă avantaje semnificative pentru comunicațiile industriale, dar cablurile lungi lasă electronicele sensibile vulnerabile la supratensiuni. Prin utilizarea unui set de dispozitive și resurse de dezvoltare de la Analog Devices, dezvoltatorii pot implementa rapid conectivitatea Ethernet capabilă să reziste la efectele evenimentelor de supratensiune.