№6 / 2019 / статья 5

TBU от Bourns – уникальная защита для современной аппаратуры связи

Алексей Васильев (г. Москва)

Модули блокировки переходных процессов (TBU) включаются последовательно с нагрузкой после элемента первичной защиты и разъединяют цепь за время порядка 1 мкс. Компания Bourns выпускает широкую и постоянно обновляемую линейку таких устройств. Последние пополнения – серии для Ethernet-портов компьютеров, интерфейсов промышленной автоматики и систем управления аккумуляторными батареями. 

В современных условиях приходится часто сталкиваться с защитой телекоммуникационного оборудования от кратковременных всплесков тока и напряжения в линиях связи. С одной стороны, с ростом скорости передачи данных оборудование связи стало более «нежным». С другой – увеличилось количество импульсных помех, особенно со стороны электрических сетей. Прежние подходы зачастую становятся неэффективными, требуется защита, соответствующая новым реалиям. Чуть более десяти лет тому назад компания Bourns разработала такую защиту, применив новейшие достижения в области микроэлектроники и полупроводниковых коммутирующих приборов. Давайте познакомимся с тем, какой ассортимент защитных модулей стал доступен в результате развития данного направления.

Значительные броски тока и напряжения в телекоммуникационных линиях по происхождению можно разделить на следующие категории:

  • Удар молнии. Как правило, при проектировании линий связи делается все возможное, чтобы избежать прямого попадания молнии в воздушную линию или кабель. Тем не менее, когда место попадания молнии находится в непосредственной близости от линии связи, наводится мощный электромагнитный импульс. Пиковое напряжение может достигать 5 кВ, пиковый ток – 1 кА. Длительность действия молнии, как правило, не превышает 1,5 с, в среднем она составляет 0,2 с.
  • Влияние линий электропередач. Коммутационные процессы и аварийные ситуации приводят к наводкам в близко расположенных линиях связи. Пиковое напряжение не превышает 1 кВ, длительность импульса – не более 1 с.
  • Случайное пересечение проводов связи и электропитания. При такой ситуации напряжение в линии связи становится соответствующим напряжению в сети электропитания, в условиях нашей страны это 230 В. Ток обычно не превышает 25 А. Особенность данного типа аварий заключается в их длительности – пока не обесточат питание и не устранят пересечение проводов.
  • Увеличение потенциала на контакте заземления. Оно может возникать как в результате удара молнии, так и в результате аварий в электросетях. При ударе молнии действие, как правило, не превышает 1,5 с. Если речь идет о коротком замыкании провода питания на землю, защитный автомат должен обесточить установку за доли секунды. Поэтому в большинстве случаев такие перенапряжения длятся не более 1,5 с.

Традиционный подход к защите

Для защиты аппаратуры связи от перечисленных факторов рекомендуется применять газовые разрядники или варисторы. Область применения варисторов ограничена небольшими токами и напряжениями. Наиболее распространенный вариант – газовые разрядники. Время их срабатывания составляет около 1 мкс, еще порядка 10 мкс идут переходные процессы, после которых сопротивление разрядника стабилизируется на минимальном уровне. Для традиционной телефонии этого значения было вполне достаточно, более короткие импульсы практически не воспринимались аппаратурой. Но современные высокоскоростные системы передачи данных имеют на входе аппаратуры быстродействующие устройства, которые могут выйти из строя под действием импульсов порядка десятков наносекунд и дольше, возникающих из-за инерционности разрядника.

Рис. 1. Традиционная схема защиты аппаратуры связи

Рис. 1. Традиционная схема защиты аппаратуры связи

Проблема малого быстродействия разрядника решается сейчас путем использования принципа селективной защиты (рисунок 1). На входе ставится газовый разрядник. После него через резисторы подключаются быстродействующие электронные системы защиты: тиристоры, диоды и тому подобное. Резисторы имеют сопротивление от десятков до сотен Ом.

Необходимость установки резисторов связана с тремя факторами:

  • резистор с тиристором или диодами образуют делитель напряжения, снижающий напряжение при срабатывании защиты;
  • резисторы ограничивают ток через электронную защиту;
  • резисторы предотвращают ситуацию, когда разрядник не срабатывает из-за шунтирования его полупроводниковой системой защиты, которая сработала раньше.

В то же время резисторы вносят затухание в передаваемый сигнал, что снижает максимальную скорость передачи. Поэтому современные требования заставляют искать новые подходы к защите аппаратуры связи.

Принцип работы TBU

Принцип защиты аппаратуры связи от перенапряжений путем шунтирования входа при создании аварийной ситуации в свое время был принят как некий компромисс из-за отсутствия полупроводниковых коммутаторов с малым сопротивлением. Меж тем уже стало реальностью массовое производство недорогих MOSFET-транзисторов, которые в открытом состоянии имеют сопротивление порядка нескольких Ом. Это позволило перейти к принципу разъединения цепи при возникновении аварийной ситуации. Ничего нового в нем, на самом деле, нет – защита в электроэнергетике, как правило, основана на отключении нагрузки, а не на шунтировании ее. Но для этого применяются механические контакты, обладающие недопустимо низким для защиты техники связи быстродействием. На базе принципа разъединения цепи компанией Fultec Semiconductor были созданы устройства под названием TBU (Transient Blocking Unit – модуль блокировки переходных процессов). В 2008 году компания Bourns приобрела технологию и представила на рынке первые устройства TBU.

Функционально модуль TBU представляет собой быстродействующий токовый предохранитель, имеющий определенный порог срабатывания, указанный в документации как Itrigger. Увеличение проходящего через TBU тока до данного уровня вызывает его срабатывание. При этом TBU переходит в высокоимпедансное состояние, практически полностью разрывая цепь. Время реакции TBU на увеличение тока в цепи составляет около 10 нс, а полное ограничение тока и отключение защищаемой нагрузки не превышает 1 мкс. Временная диаграмма реакции TBU на токовую перегрузку изображена на рисунке 2.

Рис. 2. Временная диаграмма срабатывания TBU

Рис. 2. Временная диаграмма срабатывания TBU

 

Возврат TBU в исходное состояние происходит при уменьшении протекаемого тока до уровня I < Itrigger и уменьшении напряжении на TBU до уровня менее 20 В. При выполнении данных условий TBU замыкает цепь и позволяет защищаемому участку функционировать в штатном режиме.

Важно отметить, что ненормированный высокий ток, протекающий в цепи TBU, может быть вызван не только коротким замыканием или увеличением нагрузки. Ток в цепи TBU также может резко увеличиться из-за сверхвысокого входного перенапряжения в следствие импульса или помехи. На рисунке 3 рассмотрен простейший пример, на котором TBU обеспечивает защиту 100-омной нагрузки от воздействия входного импульса.

Рис. 3. Реакция TBU на входной импульс при нагрузке 100 Ом

Рис. 3. Реакция TBU на входной импульс при нагрузке 100 Ом

 

В данном случае входной импульс уровня 1200 В с фронтом нарастания 10 мкс вызовет резкое увеличение тока в цепи «TBU-нагрузка». При достижении тока в цепи уровня ~280 мА TBU сработает и разорвет цепь. Осциллограмма входного импульса и напряжения на TBU в момент срабатывания изображена на рисунке 4.

На осциллограмме видно, что напряжение на TBU не превышает  уровня 28 В, где 28 В =  280 мА (ток ограничения TBU) × 100 Ом (сопротивление нагрузки).

Рис. 4. Реакция TBU на входной импульс: красный цвет – напряжение входного импульса, синий – напряжение на TBU

Рис. 4. Реакция TBU на входной импульс: красный цвет – напряжение входного импульса, синий – напряжение на TBU

Наконец, рассмотрим, как сработает защита при пересечении с линией электропитания переменного тока с амплитудой 600 В. В моменты перехода входного напряжения сети через ноль происходит перезапуск TBU, что отражается на графике напряжения, изображенном на рисунке 5, в виде кратковременных всплесков с безопасной для аппаратуры амплитудой около 20 В.

Рис. 5. Срабатывание защиты при длительном действии переменного тока

Рис. 5. Срабатывание защиты при длительном действии переменного тока

Установка TBU

TBU устанавливается в цепь последовательно с нагрузкой после элемента первичной защиты (в качестве которого выступает разрядник, тиристор или варистор) без необходимости использовать дополнительные резисторы. За то время (порядка 1 мкс), когда газовый разрядник только начнет реагировать на аварийную ситуацию, TBU отработает отключение нагрузки, то есть, входа аппаратуры связи. При этом TBU не блокирует срабатывание первичной защиты.

Следует иметь в виду, что применение TBU не исключает необходимости в использовании первичной защиты, а именно – газоразрядника или варистора (также в качестве первичной защиты может быть установлен тиристор). TBU не может длительное время выдерживать большое напряжение на выводах и протекающий через него большой ток. После его срабатывания с небольшой задержкой включается первичная защита. Именно она принимает на себя большой ток и уменьшает напряжение до безопасного уровня.

Также следует иметь в виду, что, согласно ГОСТ 5238-81 «Установки проводной связи. Схемы защиты от опасных напряжений и токов, возникающих на линиях. Технические требования», для аппаратуры проводной связи, подключаемой как к воздушным, так и к кабельным линиям, применение газовых разрядников на входе обязательно.

Есть ли у TBU альтернативы?

Конструкция модулей TBU защищена патентом США, другие компании пока не имеют права выпускать аналогичную продукцию (рисунок 6). Но, наверное, такую конструкцию можно повторить на основе дискретных элементов?

Рис. 6. Модули Bourns TBU имеют компактные размеры порядка нескольких мм

Рис. 6. Модули Bourns TBU имеют компактные размеры порядка нескольких мм

Основное назначение модулей TBU – защита аппаратуры, передающей данные на высокой скорости. Спектр сигнала в линии может простираться до 3 ГГц, что соответствует длине волны около 10 см. При реализации устройства на дискретных элементах длина проводов, соединяющих элементы системы защиты, сопоставимы по порядку с этой величиной. В результате в передаваемый сигнал будут вноситься амплитудно-частотные и фазочастотные искажения, что может повлиять на него даже сильнее, чем затухание в резисторах. Модули TBU имеют размер стороны порядка нескольких мм, что более чем на порядок меньше длины волны, соответствующей верхней границе передаваемого сигнала. При таких размерах амплитудно-частотные и фазочастотные искажения практически исключены.

Классификация модулей TBU

По количеству каналов TBU делятся на одно- и двухканальные. В одноканальном TBU размыкание сети происходит только в одном проводе, а в двухканальном, соответственно, в двух проводах. Примером одноканальных TBU являются модули серии TBU-CA, а примером двухканальных – TBU-DF. Для большинства применений требуется обеспечить симметричность цепей защиты по обоим проводам, для таких случаев можно использовать либо один двухканальный TBU, либо два одноканальных. Таким образом, двухканальные TBU экономически выгоднее и компактнее в пересчете на один канал, но одноканальные TBU более универсальны.

Также существует деление TBU на однонаправленные (unidirectional, примером является серия TBU-DT) и двунаправленные (bidirectional, TBU-CA и TBU-DF), если в технических данных на TBU этот параметр не указан, он по умолчанию считается двунаправленным. Однонаправленные TBU срабатывают на ток, текущий только в одном направлении, а двунаправленные – на ток, текущий в одном из двух направлений. Однонаправленные TBU проще, дешевле и менее подвержены ложным срабатываниям, чем двунаправленные. Но их применение ограничено, в основном, Ethernet-портами компьютеров.

Обзор модулей TBU

Модули Bourns TBU по сфере применения изначально делятся на несколько серий:

  • серия P-G предназначена для голосовой телефонии;
  • P-U – для Ethernet;
  • P40 – для ADSL;
  • C – для общей защиты электроники.

По мере развития технологии появились серии TBU-CA, TBU-DF, и TBU-DT и прочие. Необходимость в появлении новых серий модулей TBU была связана как с новыми задачами в области электросвязи, так и с совершенствованием технологии производства модулей, что позволило выпускать продукцию, более точно соответствующую конкретным применениям. Развитие модулей Bourns TBU показано в таблице 1.

Таблица 1. Эволюция модулей TBU

Год запуска в производство Наименование Основные применения Статус на 2019 год
2008 P40 ADSL, HDMI, измерения Доступно
P-G DSL, кабельные модемы Доступно, клиентам рекомендовано переходить на TBU-PL
С VDSL, станции мобильной связи, измерения, Ethernet Снято с производства
2010 TBU-CA VDSL, станции мобильной связи, измерения, Ethernet Доступно
2013 TBU-DT Ethernet Доступно
TBU-PL DSL, кабельные модемы Недоступно
2018 TBU-DF RS-485 Доступно
TBU-DB-Q Системы управления аккумуляторными батареями Доступно

Первые серии модулей P40 и P-G в свое время решали актуальные задачи защиты ADSL-линий и HDMI-интерфейса, а также модемов для доступа в интернет через сети кабельного ТВ.

Отличительной особенностью серии TBU-CA стала максимальная универсальность. Поэтому она до сих пор выпускается, хотя была представлена в 2010 году. Эти защитные модули могут применяться в сферах от голосовой телефонии до высокоскоростных систем ADSL, включая средства измерений. В данную серию входят TBU с максимальным пиковым напряжением 250…850 В, ток ограничивается на уровне 50…500 мА в зависимости от модификации. Это дает гораздо больше вариантов выбора, чем предлагали предыдущие серии. Среднее значение сопротивления TBU при нормальном режиме работы, в зависимости от модификации, находится в пределах 2,6…21,4 Ом. Следует отметить, что, по сравнению с ранее выпускавшимися модулями TBU, в серии TBU-CA значение порогового уровня, при снижении напряжения относительно которого происходит перезапуск модуля, увеличено. Это позволяет быстрее возвращать систему к нормальному состоянию, а значит, уменьшает время перерывов в связи.

ADSL постепенно уходит в прошлое, ее место занимает доступ в интернет через оптоволокно от провайдера до здания с последующей разводкой Ethernet-кабелями внутри дома. Компания Bourns отозвалась на данную тенденцию и представила серию TBU-DT, которая ориентирована, в первую очередь, на применение в Ethernet-портах компьютеров.

И, наконец, новинки 2018 года. Серия TBU-DF ориентирована на системы промышленной автоматики, в частности – на интерфейс RS-485. Пиковые значения напряжения могут достигать, в зависимости от модификации, 550 или 850 В, а ограничение по току составляет 75, 450 или 750 мА. У данной серии среднее сопротивление в нормальном состоянии не нормируется, нормируются его минимальные и максимальные значения. В зависимости от модификации, верхний предел может составлять 13…38 Ом, а нижний – 5…23 Ом. Серия TBU-DB-Q, предназначенная для систем управления аккумуляторными батареями, отражает современную тенденцию перехода к электрическим транспортным средствам. Полезной она окажется и в системах бесперебойного питания в дата-центрах.

Параметры серий, актуальных на 2019 год, приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры актуальных серий модулей TBU от Bourns

Наименование Количество каналов Количество направлений Размеры, мм Импульсное напряжение (макс.), В Среднеквадра-
тичное значение напряжения (макс.), В
Ток срабатывания, мА Время срабатывания, мкс
TBU-CA 1 2 6,5×4 250; 400; 500; 650; 850 100; 200; 250; 300; 425 50; 100; 200; 300; 500 1
TBU-DB-Q 2 2 6,5×5,5 550 н/д 100 1
TBU-DF 2 2 6,5×5,5 550; 850 250; 425 50; 300; 500 1
TBU-DT 2 1 5×5 650; 850 300; 425 100; 200; 300; 500 1
TBU-PL 2 2 6,5×4 500; 600; 750; 850 300; 350; 400; 425 100; 200 1
P40 1 или 2 2 4×4 40 28 240 0,2
P-G 2 2 6×4 850 425 200 1

Заключение

Модули защиты TBU производства компании Bourns представляют собой надежное и при этом простое в применении решение по защите аппаратуры связи. В отличие от других аналогичных решений, они не вносят искажений в передаваемый сигнал и не ослабляют его. Большой ассортимент модулей позволяет подобрать оптимальный вариант для конкретного применения.

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:
Группы товаров:

О компании Bourns

Компания была основана супругами Marlan и Rosemary Bourns в 1947 году и начала свою деятельность в их маленьком гараже в Калифорнии, США. Изобретение одного из первых в мире миниатюрных потенциометров было стимулом к превращению их крошечного бизнеса в глобальную корпорацию, производящую целый спектр продуктов, которые влияют почти на каждый аспект современной электронной промышленности. В 1952 году Bourns запатентовал первый в мире подстроечный потенциометр под торговой маркой Trimpot®. ...читать далее