Защита линий данных

Последнее время я опять начал принимать заказы на разработку электроники. И прям потоком пошла разная промка, железные дороги и всякие там СКУД системы. А у этих ребят сети грязные, постоянно то молния прилетит, то искрит что-то неподалеку, то токи рядом гуляют ояебу, в общем полный комплект счастья. А поскольку я преимущественно занимаюсь системами управления всем этим хозяйством, то защита нежных линий данных, к датчикам, интерфейсам встает в полный рост. Даже если у нас на входе все развязано оптопарами, то все равно даже оптопару надо защищать. Т.к. если она сгорит устройство выйдет из строя.

Итак, стратегия защиты линии строится на трех принципах.

  1. Отвести перенапряжение в землю.
  2. Рассеять перенапряжение на живучий элемент.
  3. Отрезать цепь на время перенапряжения.

▌Отвод в землю
Тут речь идет о том, чтобы поставить некий элемент, который бы в обычных условиях не проявлял себя никак, а вот при появлении превышения резко пробивался и практически накоротко замыкал линию на землю до тех пор, пока враг не сольется. Как только слив засчитан все возвращается на круги своя.

Тут используются два вида устройств. Тиристорные элементы и газоразрядные трубки.

Тиристоры, в данном случае обычно динисторы, хотя бывают и исключения, до определенного порога не пропускают ток вообще (ну кроме неизбежного тока утечки, но он так мал, что это почти не считается), а после достижения напряжения пробоя их полупроводниковая структура пробивается и самозащелкивается, обеспечивая очень низкое сопротивление, практически кз, на уровне распахнутого настежь транзистора. И удерживается в таком состоянии пока ток через нее не станет меньше тока удержания. Обычно ток удержания это десяток-другой миллиампер. Типичная характеристика такой системы, на примере спец штуковины TISP8250D от Bourns выглядит так:

VBO — то самое напряжение пробоя. После которого график резко перепрыгивает на свою верхнюю часть, а ток устремляется в небеса. И пока он не снизится ниже IH так и будет изображать из себя почти КЗ.

В данном случае это однополярный тиристор и у него есть управляющий вход. Если его оставить висеть, то напряжения пробоя будет 340 вольт. Но можно поставить стабилитрончик на меньшее напряжение и тогда он будет плясать от него.

Есть и биполярные устройства (в том числе и трехфазные сборки), вроде TISP4xxxH3BJ

Разумется, при такой стратегии — отвод в землю, даже не смотря на то, что сопротивление в открытом состоянии мало, данный элемент защиты не способен слить большую энергию. Тупо взорвется, как транзистор пробитый. Так что если у вас прилетела фаза в цепи IO, эта вещь проживет недолго. Она больше от наводок.

Есть более мощная версия замыкателя — газоразрядные трубки. Например, B88069X0180

Суть у них примерно такая же. Когда у нас напряжение не превышено, то они изображают обрыв. А стоит напряжение вырасти, так внутри начинается ударная ионизация, тлеющий разряд и сопротивление разрядника резко падает. Не до нуля конечно, но значительно. А чтобы разряд потух ток должен снизиться ниже тока удержания.

Из плюсов, по сравнению с тиристорными, при сравнительных габаритах у них намного больше энергоемкость. Т.е. они выживают там, где триаки просто взрывает. А также выше предельные напряжения переключения. У газоразрядных трубок очень маленькая собственная емкость, там считанные пикофарады, что важно для высокоскоростных линий. Минусы тоже есть — габариты, цена, обычно идут в выводном исполнении, т.е. растет стоимость монтажа. Ну и скорость срабатывания у них ниже чем у триаков. Еще они часто радиоактивные, особенно низковольтные. Т.е. в них кладут маленький источник радиации, чтобы он заранее ионизировал газ внутри.

Из-за свойств замыкателей — не отпускать пока идет ток, их нельзя использовать без каких-либо предохранителей или систем защиты. Которые бы отключали ток после сработки. Т.к, например, если их повесить на защиту линии низковольтного питания, то после пробоя его помехой извне, питание вполне обеспечит ток через разрядник или тиристор в 100-300мА, от чего тот будет замкнут. А вот если поставить предохранитель или систему которая будет ненадолго отключать питание, то удерживающий ток будет обрываться и система продолжит свою работу как ни в чем ни бывало.

▌Беру удар на себя!
Вторая стратегия это рассеивание перенапряжения на какой-либо массивный элемент который к этому готов. Основные представители этого рода это варисторы и TVS диоды. В отличии от разрядников и тиристорных замыкателей они не замыкаются накоротко и им не требуется прекращение тока, чтобы «выключиться». Снизилось напряжение они перестали пропускать.

Варисторы — это резисторы сопротивление которых зависит от напряжения. До определенного предела оно ОЧЕНЬ велико, а после напряжения пробоя начинает снижаться. Но не лавинно, как у газоразрядника или тиристора. А линейно. Выше напряжение — ниже сопротивление. Что приводит к тому, что напряжение на самом варисторе устанавливается примерно на одном уровне, чуть выше его номинала. Еще у варисторов есть такой параметр как коэффициент защиты. Его считают как отношение напряжения при токе 1мА и токе в 100А, и обычно он около 1.4-1.6, т.е. рост напряжения в 1.6 раз вызывает рост тока в 100000 раз!

Номинальное напряжение варисторов обычно указывают для тока в 1мА, т.е. если варистор на 600 вольт, то на этом напряжении будет ток через него 1мА, практически на начале резкого роста. Т.е. небольшой рост напряжения вызовет резкое падение сопротивления и рост тока.

Плюсы варистора в том, что у него очень большая энергоемкость. В отличии от диодов, где есть тонкий pn переход, который и берет на себя весь тепловой удар, у варистора рабочая зона весь его объем. Т.к. там стабилизирующий эффект возникает на стыках гранул оксида цинка, по всему объему.

Главный же минусы — большие габариты, часто требуется выводной монтаж. Зависимость напряжения стабилизации от температуры. Низкая точность стабилизации напряжения. Допуск составляет десятки процентов. Варисторы подвержены деградации при частых сработках. Т.е. каждый пробой для них не проходит бесследно.

Также от переменного напряжения у них со временем растет ток утечки. Рост тока утечки провоцирует нагрев, что еще больше увеличивает ток утечки, происходит тепловой разгон варистора и он дохнет.
У варисторов большая емкость, что критично для высокоскоростных цепей. А также медленное быстродействие, по сравнению с TVS диодами.

TVS диод это, по сути, мощный стабилитрон. Бывает двунаправленный (два встречно), а бывает односторонний, т.е. в одну сторону он работает как диод, а в другую пробивается и удерживает напряжение, на своих выводах.

График у него как у стабилитрона какого.

Плюсы TVS диодов в том, что он обладает малой емкостью и высокой скоростью срабатывания, намного быстрей чем варистор. У них нет такой зависимости от температуры, а точность стабилизирующего напряжения намного выше.

В минусах — меньшая энергоемкость. Там где варистор даже не вспотеет, TVS диод выпустит волшебный дым.

Я в основном применяю TVS в SMD исполнении. Что нибудь вида SMBJ*** или SMAJ**, А или В это размер, а- поменьше, но и более хилый, В покрупней. Есть еще С и D типоразмеры, но это совсем монстры. А в качестве звездочек напряжение стабилизации.

▌Руби канат!
В первых двух пунктах, просто по методу работы, ясно что это поможет от залетного импульса. Но если прилетело что-то всерьез, то надо быстро и решительно отрезать линию. До выяснения ситуации. А для разрядников и тиристоров это в принципе необходимо. Иначе они могут сами и не подняться. Нет, если у нас речь идет о сигнальной линии, где и 100мА не будет, то скорей всего тока удержания не хватит. Но если мы защищаем линию низковольтного питания, то рвать нужно быстро и решительно. Вот только чем?

Вариантов тут несколько. Например, можно отслеживать контроллером ток. И если он зашкаливает, то вырубать немедленно, просто транзистором. А можно поставить предохранитель. В самом простом случае обычный плавкий. Он медленный, срабатывает только когда совсем трындец, но практически не влияет на саму цепь. И, как правило, сгорает до того как обуглится варистор или TVS :)

Еще есть самовосстанавливающиеся предохранители. У них прямая зависимость сопротивления от температуры. Причем она нелинейная. Начиная с определенной температуры сопротивление начинает резко возрастать, это приводит к еще большему нагреву и еще большему росту сопротивления. И так до обрыва цепи. Потом он чуток остывает и включает цепь снова, и снова обрывается.

Проблема таких предохранителей в том, что они подвержены деградации. Ни одно срабатывание не проходит для них бесследно. Сработал — и следующая сработка будет чуток раньше, т.к. греться он будет больше. Еще раз сработал — еще раньше. И так до тех пор, пока пред перестанет держать номинальную нагрузку вообще. Скорость срабатывания у них тоже медленная, а еще зависит от температуры окружающей среды. На морозе он долго прогревается и срабатывает крайне лениво.

Есть еще такая вещь как Transient Blocking Unit, например TBU-CA085-500-WH-Q это такой электронный предохранитель. Внутри стоит транзистор и микросхема, ловящая перегрузку по току. Как только она случается транзитстор мгновенно рвется, микросхема питается током утечки и ждет пока устройство не выключат вообще. После чего запускается как ни в чем ни бывало. Скорость срабатывания 1мкс. Очень быстро и очень точно.


Штука не дешевая, стоит 3 евро за штуку. Но работает просто шикарно.

Покажу теперь парочку примеров применения.

Например, есть дифференциальная линия, вроде RS485, улетающая куда то вдаль метров на пятьсот:

На входе ставится разрядник, с центральным отводом. Или два отдельных разрядника на землю. Но такой компактней. Он возьмет на себя самое большое перенапряжение. А поскольку разрядник заводится медленно, то начало импульса долетит до супрессоров. Чтобы им было немного полегче ставится парочка балластных резисторов в несколько ом. Желательно хотя бы на пол ватта. Если совсем жалко, то хотя бы дорожку подлинней накиньте. Все что пролетит дальше отрежут супрессоры.

Или, вот, обычный сухой контакт. Фонарь оптореле который зажигается замыканием на землю. Сам светодиод штука довольно грубая, но я все равно ставлю в последовательно какой-нибудь диод общего назначения, потому как обратное напряжение пробоя у светодиода этого вольт 5-6, а если в супрессор хорошо прилетит, то повышение напряжения там может быть и выше. Плюс в питание может влететь, что вообще нехорошо. А так в диод упрется все и ок. Если линия длинная, ну бывает такая дичь :) то можно и разрядник поставить.

Защиту линии питания удаленного датчика можно сделать, например, так. Супрессор и разрядник не даст прилететь злу в питание нашей схемы, а предохранитель служит двоякой цели. Во первых, он защищает от КЗ на линии. Во вторых его задача «разомкнуть» разрядник если тот сработает. Помеха запустит разряд, шунтируется в землю, но вот питание линии даст ток удержания и задача преда его прервать. Вообще разрядник я в таких случаях ставлю редко. Обычно хватает варистора и супрессора.

Спасибо!!! Вы потрясающие! Всего за месяц мы собрали нужную сумму в 500000 на хоккейную коробку для детского дома Аистенок. Из которых 125000+ было от вас, читателей EasyElectronics!!! Были даже переводы на 25000+ и просто поток платежей на 251 рубль. Это невероятно круто!!! Сейчас идет заключение договора и подготовка к строительству!

А я встрял на три года, как минимум, ежемесячной пахоты над статьями :)))))))))))) Спасибо вам за такой мощный пинок!!!

20 thoughts on “Защита линий данных”

          1. Не, с JLCPCB к счастью всё в порядке. Да, был период, когда платежные системы на сайте вообще были отключены, но они в обход запилили магазин на Алиэкспресс. Сейчас большинство платежей на сайте проходит, но иногда бывают проблемы, к сожалению. На этот случай оплата на Али до сих пор существует. Я ниже ссылку на мануал по оплате дал, но она модерацию не прошла, видимо. :) Могу точно сказать, никуда они уходить не собирались, а наоборот сделали всё возможное, чтобы хоть как-то с нами сотрудничать. Я просто с ними общаюсь постоянно, и в курсе происходящего. :)

            1. У них же даже доставка в Россию отпала. В списке нет. Или это только если напрямую? А через Али доставка Аликом делается?

              1. Почему отпала-то? Там наоборот при оформлении только одна доставка для нас и осталась: 2.Shipping Method FCA (Duty, customs and GST collected at the time of delivery) Special Direct Line 12-30 business days. А при заказе через Али да, доставка их силами выполняется. И адрес доставки оттуда же берется.

    1. От их качества зависит. У меня в ряде устройств стояли массивные шняги от боурнса. Так им вообще все похрену было. Срабатывали по многу многу раз. Ни единого нарекания.

  1. В обзоре как-то совсем не прозвучало, что «разрядники», и подобные элементы, являются активными устройствами и преобразуют тип помехи. А именно, они из низкочастотной помех генерирую высокочастотную. Для того-же разрядника время включения существенная, но не особо длительное время, что вызывает очень короткий импульс, которого уже ‘не трогают’ всякие «заземления», и он распространяется гораздо проще и дальше низкочастотной помехи, переходя из диф. в синфазную составляющую и обратно. Стабилитроны, варисторы &etc не замыкают напряжение и (см. выше) дефект не создают. Причем, из-за не самого низкого диф. сопротивления варисторы попутно выполняют функции демпфера ВЧ колебаний, обязательно идущий вслед за помехой (из-за естественных «реактивностей» в и вокруг схемы). Я к тому, что навешивание защитных элементов может дать прямо противоположный результат.

  2. Добрый день. Купил на Авито Pinboard 2. Искал на сайте можно ли прошивать с его помощью прямо из AvrStudio 4.19.
    Нигде не нашел. Возможно ли пополнить документацию этими сведениями? Понимаю что не в тему. Извините.

    1. Вообще вы правы. Сухой контакт это про контактную группу реле. Которая полностью пассивна. Но, сколько себя помню, сленговым обозначением таким чаще называют не сам контакт, а то что на него будет работать. Видимо это упростилось из некой словесно смысловой конструкции вида «вход идущий на сухой контакт».

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.