Prenaponska zaštita na telefonskoj liniji, za modem i računar (2004.)

Tokom leta, kada su česte oluje sa grmljavinom, masovno dolazi do otkaza telefonskih uređaja, posebno u područjima van grada, gde su na telefonskoj mreži uobičajene veoma duge deonice izvedene (vazdušno) kablovima sa malim brojem provodnika, a namerni ili slučajni odvodi ka potencijalu zemlje – vrlo su retki. Pri udaru munje na stotinak metara od mesta upotrebe, deo energije može naći put do telefonske opreme tako efikasno da eksplozija lukom pregrejanog jonizovanog vazduha otvori telefonski aparat zatvoren sa četiri zavrtnja, ili ormarić sa regletom pomeri iz zida. Manji udari, najčešće izazvani indukcijom, mnogo su češći i lokalni serviseri leti imaju pune ruke posla krpeći izgorele tanke vodove na štampanim pločicama i menjajući 2N5401, MPSA92, optokaplere, rid-releje i sve drugo što je u elektronskim telefonima bliže liniji. Računarski modemi još su osetljiviji: imaju gusto pakovanu elektroniku i relativno blisku vezu sa uzemljenjem, preko napajanja računara. Osim toga, prevelik napon iz telefonske instalacije kroz modem može uništiti praktično ceo PC; neke statistike pokazuju da se ovim putem izazove preko 50% sve štete koju atmosferska električna pražnjenja uzrokuju na informatičkoj opremi. Prosečna munja generiše strujni impuls koji može da potraje par milisekundi, sa vrhom od 25-50 hiljada ampera i vrlo strmom prednjom ivicom (nekoliko mikrosekundi); ona u elektromagnetnom polju stvara pravi cunami koji se u svakom bliskom provodniku pretvara u ozbiljan naponski udarni talas. Osim toga, i kada izgleda kao jedno kratko pražnjenje – munja može sadržati niz od više uzastopnih impulsa različitog oblika i intenziteta.

z_slika1

U pogledu razlike potencijala u odnosu na zemlju, telefonski PC modemi trebalo bi da izdrže impuls od 1KV između linije i uzemljenja; međutim, indukcija od bliske munje vrlo lako izazove naponski vrh od nekoliko kilovolti između linije (oba provodnika) i zemlje. To je glavna opasnost; razorniji može biti samo direktan dodir sa putanjom pražnjenja. Takođe su moguće i situacije kada se prevelik napon pojavi između dva provodnika telefonske instalacije, između kojih tokom normalnog rada ne bi trebalo da bude vrhova preko 170-180V.

z_slika2

Na slikama se vide načelne varijante spoljnih zaštitnih kola koja sprečavaju da opasan napon dospe do telefona ili modema; glavni upotrebljeni delovi jesu gasni odvodnici prenapona, varistori i snažne poluprovodničke komponente za ograničenje napona. Oznake se odnose se na deklarisane probojne napone – DC sparkover napon za gasne odvodnike, odnosno DC za varistore, ne efektivna AC(rms) vrednost.

Gasni odvodnici mogu da sprovedu/podnesu najveće struje (5000, 20000 ili više ampera na vrhu strujnog impulsa od dvadesetak mikrosekundi), ali su relativno spori i promaći će im, u najboljem slučaju – polovina prve mikrosekunde razornog udara, odnosno nekoliko celih mikrosekundi. To su zapravo mali cilindri napunjeni razređenim inertnim gasovima, sa dve ili tri elektrode na određenom rastojanju; kada napon između njih pređe neku vrednost, razvije se električni luk i sva struja njime poteče uz vrlo mali otpor, 5-15 milioma. Na prvoj slici, odvodnici prenapona povezani ka uzemljenju iz dobrih bezbednosnih razloga imaju nešto viši probojni napon; 470V je minimum. Jednaka naponska barijera neophodna je između linije i zemlje i onda kada se u istoj ulozi upotrebljavaju druge vrste komponenti, pre svega zbog mogućnosti dodira sa provodnikom električne mreže, kao i drugih problema u električnoj instalaciji čije se zaštitno uzemljenje koristi. Ne treba se uvek povesti za šemama i specifikacijama sa Interneta i iz drugih stranih izvora koje su pravljene za američke korisnike i podrazumevaju javnu električnu mrežu na 110V i/ili dodatne različite elemente zaštite, pa je i preporučena barijera prema uzemljenju srazmerno manja. Vrhovi mrežnog napona u Evropi ne bi trebalo da prelaze 350V, ali mora se ostaviti izvesna rezerva i uračunati još dozvoljena tolerancija od 20% između nazivnog i stvarnog probojnog napona upotrebljenih gasnih odvodnika. Odstupanje od ovog kriterijuma zahteva pouzdanu prekostrujnu zaštitu (koja nije suvišna ni u prvom slučaju) u vidu strujnih osigurača dimenzioniranih vrlo pažljivo, tako da odmah prekinu kolo u slučaju da, na primer, dođe do dodira voda 220V i provodnika telefonske mreže; ako je ona primenjena, između vodova linije i uzemljenja mogu se upotrebiti komponente sa nižim probojnim naponima, 230-300V, čime se obezbeđuje mnogo efikasnije i brže ograničenje napona. Umesto dva ili tri gasna odvodnika sa po dve elektrode, još bolje je upotrebiti jedan tropolni; tada je sigurno da će oba provodnika na pojavu prenapona uvek istovremeno biti lukom spojena na uzemljenje, što značajno doprinosi pouzdanosti. Komponente prenaponske zaštite spojene direktno između dva voda linije treba da imaju napon uključenja (probojni napon) dovoljno visok – tako da ne provode vrhove naizmeničnog signala zvona.

Samo dejstvom gasnih odvodnika za nominalno 470V, uz njihovu standardnu brzinu reakcije, naponski udarni talas bio bi prekinut-skrenut pre nego što strma prednja ivica dosegne 800-900V. Za odvodnike od 230V, napon ograničenja bio bi do 500V. Svojim ranim reagovanjem, dodatne komponente još će značajno smanjiti napon ograničenja.

z_slika3

Iza gasnih odvodnika prenapona (ili umesto njih), metal-oksidni varistori (MOV, VDR, ZNR) obavljaju istu funkciju, mada imaju drukčiji mehanizam dejstva. Prednost im je što su brži, reaguju obično za 10-50ns. Dobro je da budu dimenzionirani za dovoljno velike struje. Varistori su, međutim, manje izdržljivi i efikasni od gasnih odvodnika uporedivih fizičkih dimenzija, a imaju i priličnu kapacitivnost koja je kod različitih tipova srazmerna veličini i obrnuto srazmerna nazivnom naponu; kapacitivnost je u principu nepoželjna, mada – u toj meri – na običnoj telefonskoj liniji neće predstavljati problem. (Još može biti od koristi neplanirani podpropusni filter koji će ova kapacitivnost formirati sa serijskim otporima.) Dobro je da se zadrži simetričnost, odnosno – da između uzemljenja i svakog od dva provodnika pojedinačno kapacitivnost bude jednaka. Za razliku od gasnih odvodnika, napon na izvodima varistora ne pada ispod nazivnog ni kada počne da provodi, slično kao kod zener-diode. I neke druge poluprovodničke komponente za prenaponsku zaštitu u ovom se pogledu slično ponašaju (clamping dejstvo), a ima i onih koje – kao gasni odvodnici – provedu uz minimalan otpor (crowbarring).

z_slika4

Poluprovodnici omogućavaju relativno male struje odvođenja (100-1000A za impuls 8/20us), ali mogu da imaju vreme reakcije od jedne nanosekunde, pa pouzdaniji komercijalni zaštitni uređaji sadrže i njih u obliku snažnih dvosmernih zener-dioda, lavinskih dioda (avalanche diode, skraćeno SAD) ili namenskih dvosmernih tiristorskih odvodnika prenapona primenjenih pojedinačno (TISP4xxx), odnosno integrisanih po dva na čipu za zaštitu od common-mode prenapona (TISP3xxx, Bourns). TISPovi počinju dejstvo Zenerovim efektom, a kada napon poraste za još 20-40% – provedu potpuno, tako da između njihovih izvoda ostane samo nekoliko volti. Kada jačina struje opadne, vraćaju se u neprovodno stanje. Dve karakteristične naponske vrednosti precizno su definisane za svaki tip: niža – na kojoj počinje ograničavanje, i viša – pri kojoj se potpuno otvore, nazvana probojni napon ili breakover voltage (Vbo), sadržana u brojčanom delu oznake.

Nezapaljive (najbolje – PTC) otpornosti od 5-10 oma (1W-5W) obavezne su jer smanjuju jačinu struje u kolu, odnosno količinu energije koja će proći do sledeće linije odbrane; možda je još važnije to što obezbeđuju pravilnu spregu (tačnije rečeno – rasprezanje) parova uzastopnih zaštitnih komponenti. Bez koordinacije različitih vremena i napona reagovanja, opterećenje se ne bi pravilno podelilo, odnosno – neke upotrebljene komponente preuzele bi svu struju i visok rizik uništenja, a neke ne bi imale nikakvu funkciju. U pojedinim rešenjima na ovim mestima mogu se naći induktivnosti. Gde ima uslova, postavlja se višestepena odbrana, odnosno – primarni zaštitni modul (sa gasnim odvodnicima prenapona i/ili varistorima) na mestu gde parica ulazi u kuću, ŠTO BLIŽE zaštitnom uzemljenju električne instalacije, a sekundarni (varistori i poluprovodnici) – u prostoriji kod opreme koja se štiti, metar od nje, opet najbliže tački povezivanja sa propisnim uzemljenjem. I između modula mora postojati koordinacija, omogućena snažnim otpornicima između primarnog i sekundarnog, ili izborom sekundarnog sa nešto višim probojnim naponom.

z_slika5

Prekostrujna zaštita telefonske linije može se sastojati od dva topiva osigurača (po jedan u svakom provodniku ispred prenaponske zaštite) od 0,5 do 1,25A, koji treba da budu malo veći po spoljnim dimenzijama – da električni luk ne bi mogao lako premostiti prekid nastao topljenjem vlakna. Oni su prespori da bi pomogli pri prvom udaru, ali zaštitiće opremu i kablove od relativno produženog ili ponavljanog preopterećenja, mogućeg požara, posebno u uslovima otkaza nekog dela u zaštitnom uređaju, dodira sa vodom 220V itd.

Svi proizvođači na svojim Internet-prezentacijama nude potpune podatke o svojim komponentama, uključujući disipacije, vremena reakcije itd. Pri poređenju treba paziti da se u obzir uzimaju uporedive stvari: na primer, poređenje struja odvođenja dveju komponenti ima smisla samo ako se oba podatka odnose na probne impulse istog oblika i trajanja. Postoji nekoliko opšte prihvaćenih preporuka za metodologiju testiranja i svaki datasheet sadrži podatke za standardne tipove impulsa, kao što je 8/20 (na slici). U principu, zaštita telefonske linije koja na zadovoljavajući način pokriva veliku većinu mogućih kritičnih situacija trebalo bi bez problema da odvede impuls prikazanog oblika sa vrhom od 5-10 hiljada ampera, da podnese disipaciju 500 J (u toku jedne milisekunde) bez otkaza i da ima brzinu reakcije do 5ns, što bi trebalo da znači da su za visoku pouzdanost poluprovodnici obavezni. Međutim, i moduli koje sadrže samo gasne odvodnike i/ili varistore pružaju meru sigurnosti relativno dovoljnu ili prihvatljivu za mnoge korisnike, pa su dostupni i uređaji, recimo – od 1000A i 100ns; kupci se odlučuju u skladu sa svojom procenom stvarne opasnosti i drugih merila.

slika_6

 

Pravilno primenjena zaštita neće imati bilo kakav praktičan uticaj na normalan protok podataka (56 Kb/s) ili govora kroz liniju. Ukupno kapacitivno opterećenje (po konceptima sa slika) može iznositi od 300-400pF do 3nF, najviše zahvaljujući varistorima. BZW50/xxxB ili slične diode imaju po 700-1000pF, gasni odvodnici samo 1-2 pF, tiristorski odvodnici – nekoliko desetina pikofarada. (Zato bi na komunikacionim linijama sa bržim protokom podataka prednost imali gasni i tiristorski odvodnici prenapona.) Dodata redna otpornost ostaće praktično neprimetna za koristan signal.

Zaštitno uzemljenje na koje se sklop povezuje – ISTO ono na koje je spojeno kućište računara – MORA biti propisno; dobro uzemljenje je ključna komponenta zaštite. Veza sa njim MORA biti izvedena što kraćim, pravijim i debljim provodnikom; ako je modul u prostoriji, ova će se veza ostvariti u utičnici iz koje se napaja računar. (I sve veze do ključnih komponenti unutar modula treba da budu što kraće i deblje, da imaju što manji otpor i induktivnost.) Stavljanje prenaponskog osiguranja samo između vodova telefonske linije, bez veze sa uzemljenjem, nije dovoljno – posebno za modem, jer su diferencijalni naponi manji problem od indukcija u oba provodnika istovremeno, koje stvaraju ogroman zajednički napon u odnosu na zemlju. Sa druge strane, međutim, ako uzemljenje nije kvalitetno, improvizovano povezivanje po datom konceptu – na neuzemljeno ili loše uzemljeno kućište (ili slično) umesto na propisno uzemljenje – može biti KRAJNJE OPASNO!

Neophodno je povremeno proveriti stanje ispravnosti delova primenjenih zaštitnih kola – da li su neoštećeni posle određenog perioda u upotrebi, odnosno posle izvesnog broja pretpostavljenih reakcija. Gasni odvodnici i varistori imaju radni vek tokom koga njihova svojstva postepeno degradiraju, a čija dužina zavisi od učestanosti i intenziteta naponskih udara kojima su izloženi; varistori su posebno podložni. U zavisnosti od energije prenaponskog udarnog talasa, mogu otkazati i posle samo jednog ili dva ekstremno stresna reagovanja na granici nominalnih mera njihove izdržljivosti – ili mogu trajati godinama. Gasni odvodnici ponekad mogu početi da provode i pri naponu manjem od deklarisanog probojnog ako se izlože izuzetno jakim visokofrekventnim promenama elektromagnetnog polja, na primer – u neposrednoj blizini snažnog radio-predajnika.

Ovde su data samo opšta osnovna svojstva i principi primene pojedinih elektronskih komponenti u postizanju izvesnog stepena zaštite; autor se unapred odriče svake odgovornosti za kvalitet i stepen bezbednosti konkretnih rešenja koja bi iz datih podataka mogla biti izvedena. Postoje mesta sa vrlo različitim nivoima rizika, razne kombinacije su moguće, mnogi moduli dostupni gotovi, a svako rešenje mora biti u skladu sa procenjenim stepenom stvarne opasnosti, vrstom opreme koja se štiti, itd. (Naravno, dobro je da prenaponska zaštita postoji i na električnoj instalaciji, uzemljena u istoj tački.) Važno je istaći da nijedna zaštita ne pruža stoprocentnu sigurnost: munja uvek može biti bliža i jača, predajući veću energiju nego što upotrebljene komponente mogu odvesti, ali pažljivim dizajnom i izradom moguće je postići razumno dobar stepen bezbednosti. Ipak: ako se ima vremena i mogućnosti, ako neprekidan rad nije apsolutno neophodan, za vreme jake lokalne električne oluje – posebno van gradskog područja, najsigurnije je telefonske uređaje fizički potpuno odspojiti od vodova telefonske instalacije, i to ne prekidačem, već odvajanjem i odlaganjem konektora dalje od zidne utičnice.

 

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google photo

You are commenting using your Google account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s