Vítejte, dnes je
čtvrtek
25.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Průmyslová sběrnicová komunikace a přenosové systémy jsou obvykle základem vedení signálu na velkou vzdálenost. Návrháři takových systémů však musí mít neustále na paměti poměrně velký rozdíl zemního potenciálu (tzv. GPD – Ground Potential Differences), který se mezi jednotlivými body systému může uplatňovat. V takových případech je nutné spolehnout se buď na lokální rozvod společné země, jako cestu pro návrat signálu, nebo všechny vzdálené body propojit jednoduše k sobě a s nežádoucím vyzařováním zemních smyček se prostě smířit. Bohužel, oba tyto případy mohou mít nežádoucí vliv i na integritu přenášeného signálu, což ve svém důsledku může znamenat nejen výpadky celého systému, ale v horším případě dokonce zničení výstupních stykových obvodů vysílače a jiných připojených zařízení.
Článek si klade za cíl přiblížit nejčastější místa vzniku GPD v obvodech elektrické instalace a konstruktérům ukázat, jak a kde nežádoucí zemní smyčky nejčastěji vznikají. Součástí článku je rovněž přiblížení techniky izolace, která by vedla k získání správných parametrů a spolehlivé přenosové soustavy.
Propojení mezi společnou lokální DC zemí řídicích obvodů aplikace a potenciálem referenční země se obvykle zajišťuje hlavním napájecím zdrojem, který vstupní síťové napětí převádí na nízké DC napětí. Na obr. 1 je uvedeno zjednodušené blokové schéma levného spínaného zdroje typu SMPS, který je nejčastějším typem ve všech počítačových systémech, laserových tiskárnách a dalších zařízeních. Potenciál DC země je přímo ve zdroji galvanicky spojen s ochranným vodičem (PE) sítě a kovovým šasi zařízení. Tím je potenciál výstupního napětí jasně dán a veškerý provoz se vztahuje k napětí PE vodiče.
Obr. 1 Zjednodušené blokové schéma SMPS zdroje
V rozlehlých kancelářských a průmyslových budovách se obvykle provozuje velké množství nelineární zátěže, jako jsou počítače, laserové tiskárny, bezkontaktní spínače, zářivky, záložní napájecí zdroje či regulátory motorů. Ve srovnání s lineární zátěží, jakou jsou například žárovky, jejichž fázový proud má po celou dobu provozu sinusový průběh, narušuje nelineární zátěž průběh fázových proudů a v celé síti produkuje velké množství harmonických kmitočtů (viz obr. 2).
Obr. 2 Zkreslený průběh fázového proudu a jeho frekvenční složky
Je vidět, že především třetí a pátá harmonická základní frekvence 60 Hz má zásadní podíl na obsahu harmonických složek proudu. Vektorový součet všech frekvenčních složek (včetně základních 60 Hz) dává maximální hodnotu, která však svou amplitudou přesahuje amplitudu výchozího proudu, a to až o více než 100 %.
Všechny střední vodiče se v hlavním rozvaděči slučují do jediného neutrálního vodiče s velkým průměrem, který se rozvodem vrací zpět k transformátoru (obr. 5). V případě lineární zátěže se všechny tyto neutrální proudy vícefázového systému vzájemně do jisté míry neutralizují a z celkového počtu jich vlivem nerovnováhy zbude pouze zlomek (obr. 3).
Obr. 3 Vícefázový proud s lineární zátěží
Ovšem v případě nelineární zátěže se jednotlivé proudy sčítají a celkový nulový proud se skládá hlavně z hodnot třetích harmonických (obr. 4). Výsledkem toho je velký zpětný proud, který vlivem odporu vedení elektrické instalace vyvolává výrazně vyšší úbytek napětí, než jak je tomu v případě lineární zátěže.
Obr. 4 Celkový nulový proud se skládá převážně ze třetích harmonických
Většina elektrických rozvodů je dnes vedených v zemní soustavě TN-C nebo TN-CS, jak je znázorněno na obr. 5. „TN“ označuje neutrální vedení do země (francouzsky terre), zajištěné přímo u transformátoru. Písmeno „C“ označuje kombinaci PE a nulového vodiče do jediného, společného vodiče s označením „PEN“. Tento vodič dále prochází celým systémem až do bodu distribuce (tj. subpanelu), který se nachází v blízkosti zátěže. Zde se opět rozděluje na samostatný PE a střední vodič, které se spolu vedou až k samotné zátěži.
 má GPD obvykle vyšší než sestava TN-CS (b).jpg)
Obr. 5 Sestava TN-C (a) má GPD obvykle vyšší než sestava TN-CS (b)
Soustava TN-C je dnes samozřejmě již poměrně zastaralá, ovšem stále je o ni zájem především z důvodu úspory dalšího PE vodiče, a tedy nižší ceny. TN-C má ovšem poměrně velkou nevýhodu.
Vzhledem k tomu, že k rozdělení na PE a nulový vodič nedochází v těsné blízkosti zátěže, je vlivem úbytku napětí na odporu vedení RL−N potenciál na PE rozdílný. Speciálně se jedná o situaci v případě nelineární zátěže, kde jde o poměrně velké nulové proudy. Z toho vyplývá, že soustava TN-C má velký potenciál ke vzniku nežádoucích GPD, a to v případě vzdálených zátěží v hodnotě až několika desítek voltů.
Soustava TN-CS snižuje hodnotu GPD tím, že již z rozvaděče vede samostatný PE vodič. Kromě toho hvězdicové uspořádání podporuje neutralitu celého systému a vodič PE je v systému dvakrát spojen se zemí, čímž se snižuje vyrovnání tohoto bodu a působí proti jinak poměrně velkému úbytku napětí na PEN vodiči na odporu RLS.
Podle označení NEC (United States National Electrical Code) by měl být při běžném provozu vodič PE zcela bez proudu. Většina nelineární zátěže však do tohoto vodiče malý únik proudu produkuje (do mA). Přesto, že se jedná o velmi malou hodnotu proudu, v rámci velké soustavy, do které je zapojeno i několik set obvodů, se můžeme snadno dostat až na hodnoty jednotek ampér.
Svodové proudy jsou ve srovnání s nulovými proudy obvykle mnohem nižší, přesto se samozřejmě i ty, vlivem odporu vodiče PE, aktivně podílejí na rozdílu potenciálu mezi zemí jednotlivých prvků systému. Jedná se však o GPD v rozsahu max. jednotek mV, takže mnohem méně než u soustavy TN-C.
Je však nutné si zopakovat, že hodnota GPD není problémem jediného systému elektronického obvodu. GPD je problémem návrhu komunikační linky mezi dvěma a více vzdálenými obvody (např. sběrnice, stanice transceiveru), kdy je každý z nich napájen z jiného zdroje.
Při každém návrhu rozvodu datové linky je nutné, aby konstruktér uvažoval hodnotu existující GPD. Napětí Vn se v podobě rušení přičítá k výstupu vysílače a v přijímači ovlivňuje souhlasný rozsah vstupních obvodů, které se musí spolehnout na místní uzemnění. Propojené země pak pracují jako cesta pro návrat signálu a uzavření proudové smyčky mezi zdrojem a cílem signálu (viz obr. 6a). Uvedená situace platí i v případě „super“ RS-485 transceiverů, jako jsou například obvody rodiny SN65HVD2x od společnosti Texas Instruments, jejichž vstupní rozsah souhlasného napětí se pohybuje v rozmezí od −20 V do +25 V.
Ovšem zcela mimo možnost kontroly návrháře jsou různé úpravy elektroinstalace (či jen pravidelné údržby). Takové změny mohou hodnotu GPD zvýšit až do té míry, že se vstup přijímače dostane na hranu svého rozsahu a začne produkovat sporadický signál, případně se dostane až trvale mimo rozsah. Takže dnes navržená a perfektně fungující sběrnice nemusí v budoucnu vlivem změn v rozvodné soustavě vůbec fungovat.
V praxi se nedoporučuje ani řešení odstranění GPD přímým propojením komunikujících jednotek samostatným zemním vodičem (obr. 6b). Je třeba mít na paměti, že elektroinstalace tvoří komplexní síť rezistorů, skládající se z několika vzájemně provázaných cest a uzemňovacích odporů. Jde o důsledek vícefázového systému různé délky a různých cest zemních vodičů (obr. 7).
Obr. 6 Příklady uspořádání
Obr. 7 Ukázka provázanosti odporů v cestě společné země
Přímé spojení mezi vzdálenými body systému proto pouze doplní uvedenou síť proudové cesty o další odpor. Počáteční GPD se v tom případě snažíme kompenzovat či eliminovat tím, že podpoříme uzavření velkých proudových smyček společným vodičem s nízkou impedancí. Protékající proud z datových signálů vytváří šumové napětí, které ovlivňuje signál datového přenosu (common- mode). To s sebou nese opět riziko vzniku velmi nespolehlivého systému přenosu dat.
V případě standardu RS-485 se pro přímé propojení vzdálených bodů doporučuje rozdělení země a její oddělení od společného potenciálu pomocí vložených rezistorů (obr. 6c). Tímto krokem můžeme snížit proud zemní smyčkou, ovšem i nadále existuje celá řada prvků, které signál mohou ovlivnit někde v průběhu jeho cesty. Takže ani tímto přístupem nezískáme robustní datové spojení. Skutečně robustní RS-485 datové spojení, použitelné na dlouhé vzdálenosti a odolné vůči GPD v řádech stovek až tisíců voltů, získáme pouze s galvanickým oddělením signálu a napájecích zdrojů komunikujících jednotek (obr. 8).
Obr. 8 Příklad datové linky RS-485 se zachováním referenční země
Samozřejmě je v tom případě nutné mluvit o úplné izolaci v podobě izolovaného DC/DC měniče a oddělovače signálu, jako jsou například digitální kapacitní izolátory. Jedině tak lze zabránit vzniku proudové smyčky a toku nežádoucího proudu mezi vzdáleným systémem se zemním potenciálem GPD v hodnotě až několika tisíc voltů.
Ovšem ani úplná izolace není dobrým řešením ve chvíli, kdy jednotky nejsou konstruované se společným potenciálem. V tu chvíli mají vůči zemi plovoucí hodnotu a jakákoliv indukce proudu nebo napětí, například od blízkého úderu blesku či nepřímou vazbou z okolního zarušeného prostředí, může statickou hodnotu napětí sběrnice dostat až na nebezpečnou úroveň. Jedinou výhodou je, že tento potenciál je pouze vůči hlavní zemi, takže nemá možnost zničit součástky propojených jednotek a nemůže ovlivnit přenášená data, která jsou vztažená vůči společnému referenčnímu potenciálu. V okamžiku, kdy se například pomocí konektoru snažíme k systému připojit další komunikační jednotku (a vysoký potenciál nebyl odstraněn), může vzniklý výboj zapříčinit zničení nejen budiče, ale i součástky, nacházející se poblíž konektoru. Tomuto stavu lze předejít galvanickým propojením sběrnice se společnou zemí, které musí být realizováno v jediném bodě. Často se k tomuto účelu používá jeden neizolovaný přijímač/vysílač, který pro celý sběrnicový systém vytváří hodnotu referenční země.
Zatímco obr. 8 ukazuje detailní spojení dvou vzdálených uzlů systému, na obr. 9 je uveden příklad izolované soustavy pro přenos dat k více přijímačům. Kromě základní jednotky jsou všechny přijímače sběrnice izolované. Neizolovaný transceiver na levé straně schématu vytváří jednotnou referenční zem pro celou sestavu.
Obr. 9 Blokové schéma izolované sběrnice
Návrh delší datové sběrnice vyžaduje použití nejen izolovaných napájecích zdrojů, ale i oddělení datových signálů sběrnice. V opačném případě mohou být přenášená data, jejich integrita i samotné vyzařování ovlivněny účinky GPD a zemní smyčkou.
Ačkoliv některé hodnoty, které byly uvedeny v tomto článku, jsou platné pro sběrnici RS-485, naprosto stejná situace platí i v jiných případech, jako jsou například jednosměrně komunikující linky RS-232 apod.
