Схема грозозащиты для витой пары с poe
Обновлено: 05.07.2024
Технология PoE стала ответом на проблемы, возникшие при организации энергоснабжения компонентов информационных сетей: VoIP телефоны, точки беспроводного доступа, видеокамеры, сетевые маршрутизаторы, компоненты систем контроля доступа, наружные радиостанции со встроенными антеннами и т.д. Расположение устройств является неудобным или невыгодным с точки зрения монтажа силовых линий, тем не менее, на устройство необходимо подать постоянное напряжение, каждый канал питания должен соответствовать характеристикам потребителя по мощности, величине напряжения, максимальному и минимальному току. Кроме того, необходима защита от перегрузок, коротких замыканий, обрыва линии.
Проблему можно решить лобовой атакой – протянуть везде линии 220 В, и возле каждого устройства установить розетку с индивидуальным блоком питания, но такой метод совершенно нерационален, поэтому был выбран другой путь.
Идея РоЕ
На практике перечисленные выше устройства и устройства более высокого уровня (коммутаторы, контроллеры, компьютеры и т.п.) соединяются Ethernet-кабелем для передачи информации и сигналов управления. Для напряжения 220 В он не предназначен, но постоянное напряжение для питания электронных устройств по нему подать можно. Идея РоЕ как раз в этом и заключается, — в подаче постоянного напряжения питания по тому же самому Ethernet кабелю. Причем, для реализации совсем необязательно наличие свободных пар в кабеле.
Постоянное напряжение можно обеспечить по сигнальным линиям, поскольку есть способ разделить питание и сигналы. Для этого используются высокочастотные трансформаторы. В источнике постоянное напряжение прикладывается к их вторичной обмотке и отправляется в кабель. В потребителе постоянное напряжение снимается с первичной обмотки, а информационная часть, представляющая, по сути, переменное напряжение снимается со вторичной обмотки. Постоянный ток ничего в этой обмотке индуцировать не может, что и дает возможность разделить информацию и питание.
Лучшим вариантом является передача питания по двум витым информационным парам. В этом случае между проводами одной пары постоянного тока нет, что делает такую схему привлекательной. Напряжение подается на центральные точки вторичных обмоток трансформаторов источника, а снятие напряжения идет с центральных точек первичных обмоток приемника (см.рис.1). В такой схеме сводится на минимум взаимное влияние каждой из составляющих тока в линиях передачи.
Какие возможности обещает реализация этой идеи? Попробуем их перечислить:
- линия данных подводится к каждому устройству. Есть возможность подать питание индивидуально с учетом характеристик.
- появляется возможность управления режимом питания и диагностики. Т.е. фактически каждое устройство получит свой индивидуальный интеллектуальный источник питания без лишних линий на 220В.
- источники можно интегрировать в компоненты более высокого уровня (коммутаторы, контроллеры, компьютеры).
В результате мы получаем новую философию энергоснабжения – питание через сеть. Это и есть РоЕ.
Чем приходится платить за преимущества? Цена невелика, — устройства должны поддерживать технологию РоЕ.
Стандарты и технология РоЕ
Главную роль в создании технологии РоЕ сыграла стандартизация. Все слаботочные сети уже давно строятся из стандартных компонентов. В частности, по стандартам сетей Ethernet для проводных линий связи между устройствами используется унифицированный кабель с витыми парами проводников.
В устаревших вариантах это был кабель с двумя парами, в более современных сетях применяется 4-х парный кабель (категория 3 или 5). Кабель универсальный с фиксированной расцветкой проводников в парах. В Ethernet унифицирован не только кабель, но и разъемы, соответственно стандартизирована и разводка проводников по контактам разъемов (распиновка).
Все это дало возможность создать стандартные системы питания с использованием стандартных сетевых компонентов.
В настоящее время наиболее широкое распространение получили схемы РоЕ, соответствующие стандартам IEEE802.3af и IEEE802.3at («РоЕ плюс»). Прежде чем перейти к протоколам подключения и описанию типовых представителей этой технологии, рассмотрим схемы подключения питания.
Первое: в физических сегментах кабелях «витая пара» (т.е. длиной порядка 100 м), соединяющих между собой сетевое оборудование Fast/Gigabit Ethernet практически отсутствуют поперечные помехи.
Второе: во многих устройствах защиты Ethernet, представленных на рынке, есть защита от поперечных помех (которых на практике нет), и часто это выдается за техническое преимущество.
Последнее утверждение не требует доказательств – достаточно внимательно посмотреть на схемы и почитать описания устройств защиты, поэтому коротко обосную первое.
Помехи в кабелях Ethernet «витая пара»
Помехи в кабелях разделяются на два вида: поперечные или дифференциальные (между проводами кабеля); п родольные или синфазные (между проводом и землей, обычно уровень продольной помехи в проводах примерно одинаков по фазе и амплитуде).
Вспомним основные особенности кабелей «витая пара» Cat5e:
- низкая омическая асимметрия жил в паре (не более 2%);
- низкая емкостная асимметрия пар по отношению к земле для неэкранированных кабелей и по отношению к экрану для экранированных кабелей;
- высокая помехоустойчивость и низкие взаимные влияния, достигнутые скруткой жил в парах с различными шагами, скруткой пар между собой и другими конструктивными решениями.
Добавим к этому, что длина физического сегмента обычно не превышает 100-120 метров и приходим к совершенно определенным выводам:
Поперечные помехи в кабеле настолько незначительны, что при рассмотрении вопросов защиты от импульсных помех можно считать, что их нет.
А вот продольные (синфазные) импульсные помехи при ударах молнии в кабелях Ethernet не редкость, а в некоторых случаях они могут быть достаточно велики, особенно если кабель проложен по металлоконструкции, по которой протекает ток молнии (например, мачте связи).
Особенности схемотехники
Посмотрим на типовую схему порта Fast Ethernet. Микросхема Ethernet PHY реализующая функции физического уровня (и обычно еще и канального) подключена к двум парам линии через трансформаторы. Приемник PoE подключается к средним точкам линейных обмоток трансформаторов для обеспечения питания поверх данных (метод А) и/или к свободным парам (метод В).
Построение схемы для 1000Base-T отличается тем, что микросхема PHY подключена через обмотки трансформаторов к четырем парам, а приемник PoE подключается только к средним точкам линейных обмоток трансформаторов. В том случае, если порт не принимает (PD), а передает PoE (PSE), схема приема заменяется на схему передачи питания, но с точки зрения стойкости к электромагнитным помехам принципиального различия между этими случаями нет.
Типовая схема (упрощенная) порта 100Base-TX с приемником PoE Типовая схема (упрощенная) порта 100Base-TX с приемником PoEКак мы уже выяснили, поперечные помехи в кабеле, подключенном к порту Ethernet, очень малы, причем между проводниками одной пары они меньше, чем между проводниками двух разных пар. Теперь, предположим, что небольшая дифференциальная помеха в паре все-таки есть, посмотрим на схему и рассмотрим два варианта воздействия на схему приемника PoE:
а) Проводники пары подключены к обмотке трансформатора. Для приемника PoE будет гораздо более неприятна помеха между парами, по которым подаются (+) и (-), чем между проводами одной пары.
б) При передаче PoE по свободным парам проводники в этих парах просто закорочены.
Воздействие поперечных помех на PHY и обвязку не рассматриваем, так гальваническая развязка делает и без того слабые импульсные помехи практически безвредными.
Устройства грозозащиты: полупроводниковый ограничитель между проводами пары.
Во многих устройствах, представленных на рынке (я имею в виду не только Российский, а рынок в целом) между проводами одной пары установлены быстродействующие защитные диоды или полупроводниковые разрядники.(будем рассматривать этот случай в «чистом виде», возможны, как говорится, варианты – когда схема с применением полупроводников позволяет сэкономить на разрядниках, и добиться нормальной работы).
Установленные между проводами пар быстродействующие полупроводниковые элементы обеспечивают эффективную защиту от поперечных помех, которые:
а) практически отсутствуют
б) меньше помех между проводами разных пар (которых тоже, можно сказать, практически нет).
Время срабатывания / Response Time.
Response Time переводится на русский как время отклика, ответа, срабатывания, реагирования. Применительно к устройствам защиты это значит "время срабатывания". Иногда в описаниях или datasheet указывается два значения времени срабатывания / Response Time: для цепи провод-земля и для цепи провод-провод в паре. Но чаще одно – для цепи провод-провод, где установлен полупроводник. Обычно указывается значение 5 нс.
Так как помех между проводами одной пары нет, то и скорость срабатывания защиты от них никакого значения не имеет. Поправлюсь, не имеет технического значения, но может иметь практическое – когда время срабатывания / response time указано в закупочной документации или техтребованиях тендера.
Чтобы проверить эти выводы есть несколько путей:
- использовать матппарат, можно выбрать одну из существующих моделей или создать свою – как минимум, в порядке цифр ошибки быть не должно;
- провести испытания в лаборатории;
- проверить на практике.
Отвлекся от темы, sorry. Можете просто пропустить, и не воспринимайте слишком серьезно.
Как говорит нам классик философии науки (Имре Лакатос) теория научна и правильна, если она подтверждается эмпирическим исследованием т.е. практикой. Томас Кун пишет, что «в той мере, в какой исследователь занят нормальной наукой, он решает головоломки, а не занимается проверкой парадигм», а получение достоверного результата важнее проверки теоретических моделей. (лет 30 назад книга "Структура научных революций" Т.Куна произвела на меня большое впечатление).
Согласно Т.Куну критерии приемлемости теории следующие: 1. Непротиворечивость 2. Согласие с замечаниями 3. Простота 4. Широта охвата 5. Концептуальная интеграция 6. Продуктивность
Используемая COMMENG концепция защиты от электромагнитных помех оборудования Ethernet (как часть защиты и ЭМС системы обработки и передачи информации в целом). этим критериям, на мой взгляд соответствует. Я ее изложил в статье «Электромагнитная защита портов оборудование Ethernet c интерфейсами 100/1000Bаse-T» Все три части можно скачать одним файлом.
Практическое подтверждение.
Мы производим устройства защиты Ethernet уже почти 20 лет – для самых разных потребителей, применений, условий эксплуатации. Результаты применения говорят за себя. ОПИСАНИЯ ЗДЕСЬ
Те же схемы мы используем и в своем активном оборудовании инжекторе PoE и репитере Fast Ethernet.
Репитер Commeng RPT-100B-TX часто работает в условиях сильных помех от ударов молнии (установка на мачты связи), и к нему подключается не один физический сегмент кабеля, как е IP-камере или точке БШПД, а два. Репитер не только питается PoE, но и транслирует его в следующий сегмент сети. В схеме репитера отсутствуют элементы защиты, установленные после трансформатора, наша типовая схема защиты в месте подключения линии обеспечивает надежную работу в условиях наводок от молнии.
Видеонаблюдение рассчитано на длительную работу в любых условиях, но факторы риска выхода оборудования из строя все же существуют.
Одной из причин отказа может быть недостаточная защищенность от токовых перегрузок, создаваемых внешними воздействиями. Не так давно в эту категорию входили только атмосферные явления (молнии, грозы), сегодня это могут быть и техногенные причины, вызываемые наводками паразитных токов от промышленных объектов.
Статическое электричество, накапливаемое на элементах видеонаблюдения, также может быть причиной выхода из строя. Особенно этим «грешат» пластики и подвижные части оборудования, вызывающие трение.
Еще одна причина – это скачки напряжения при коммутационных переключениях. То есть включение блока питания или подключение патч-корда в разъем вполне может вызвать скачок напряжения, способный навредить электронике.
На фотографии видно, что воздействие произошло со стороны разъемов подключения витой пары. Кстати, как мастер по ремонту различной электроники, могу сказать, что неисправности после ударов молнии и воздействия статического электричества очень плохо поддаются диагностике. Связано это, прежде всего, с очень кратковременным воздействием на оборудование, и зачастую таких повреждений, как на фото,не видно. Просто скачок настолько мал по времени, что визуально можно не выявить никаких повреждений, а вот внутри электронных компонентов – полная «каша». Они даже бывают вроде рабочими, но параметры изменены настолько, что их нормальное функционирование просто невозможно.
Заземление
Сразу можно сказать, что хорошая грозозащита без качественного заземления невозможна. Для того чтобы установка видеонаблюдения велась по всем правилам, нужно позаботиться о хороших заземляющих контурах. Конечно, если видеонаблюдение расположено только в помещениях, то этот момент можно и опустить. Но, скорее всего, в здании есть уже заземленная техника,и можно воспользоваться готовым вариантом, не организуя собственный заземлитель и токоотвод. Подробнее о видеонаблюдение для частного дома по ссылке .
Уличное расположение видеокамер требует наличия заземления – это аксиома. При его отсутствии приборы грозозащиты просто некуда будет подключать: оно необходимо для стока атмосферного или статического электричества. Контур заземления у опоры, на которой расположена видеокамера, может выглядеть так:
Сами молниеотводы, конечно, желательны, но использовать их стоит там, где это действительно необходимо. Например, в местности с близким расположением водоемов или если рядом находятся массивные металлоконструкции, которые являются концентраторами.
Одно важное замечание: от самого молниеотвода до заземляющего контура должен быть проложен проводник без изгибов, смоток и петель. Только таким образом достигается максимальная эффективность ухода в землю мощного электрического разряда. Петли и кольцевые смотки играют роль сопротивления току и сами являются источниками электромагнитных излучений; также при ударе молнии они нередко загораются и расплавляются.
Приборы грозозащиты
Из рисунка выше видно, что приборы грозозащиты должны быть установлены на обоих концах линий связи и питания. То есть если воздействие внешних напряжений обращено на шлейфы, то элементы грозозащиты должны защищать слаботочную электронику с обеих сторон. Но их, конечно же, лучше всего расположить как можно ближе к видеокамерам, коммутаторам или видеорегистраторам. Это нужно для того, чтобы сократить незащищенные участки соединительных линий.
Установка грозозащиты непосредственно около видеокамер в коммутационной коробке Установка грозозащиты непосредственно около видеокамер в коммутационной коробкеНа фото видны платы защиты по питанию в верхних углах, а в нижних – устройства для защиты витой пары SP004.
Тоже самое оборудование располагается и в коробках в непосредственной близости от коммутаторов и регистратора.
Устройства грозозащиты могут быть выполнены в разном форм-факторе, предназначаться для различных напряжений питанияи разнообразных интерфейсов видеокамер и сопровождающего их оборудования.
Например, вариант для разъемов SUB-D идеально подходит для защиты интерфейсов V-24,RS485: они используются в промышленном оборудовании и в том числе – для интеграции видеонаблюдения в другие охранные системы.
Принцип работы грозозащиты
Конечно, не всем интересно, как это работает: работает и ладно! Но знать основные принципы и не купить «кота в мешке» интересно многим. Грозозащита строится на следующих электронных элементах:
- варисторы – разновидность резисторов, которые уменьшают свое сопротивление при резком скачке напряжения
- супрессоры – стабилизаторы, которые открываются при повышении напряжения;
- газонаполненные разрядники – инертный газ внутри баллончиков уменьшает сопротивление;
- плавкие предохранители – теряют способность проводить ток при скачках напряжения.
Из этого списка самые невостребованные – устройства, которые основываются на работе плавкого предохранителя. У них очень большое время срабатывания и прибор успевает сгореть до того, как тонкий проводник перегорит. Но и это еще не все: при высоковольтном разряде ничего не стоит пробить также небольшой воздушный диэлектрик и все равно спалить туже видеокамеру.
Самый действенный метод – это когда разряд уходит в землю: такой принцип обеспечивают варисторы, супрессоры и газонаполненные разрядники. Они ставятся между сигнальными жилами и землей. При их пробое происходит, так скажем, «замыкание» питающей или сигнальной линии на заземление, предотвращая тем самым распространение импульса высокого напряжения дальше места этого замыкания.
У них не только более низкий порог срабатывания, но и принцип, обратный предохранителю. То есть предохранитель разрывает цепь, а, например,варистор, наоборот, замыкает.
Все устройства с таким принципом работы называются УЗИП (устройство защиты от импульсных перенапряжений). Они делятся на три категории по предназначению класса защиты:
- Категория В – обеспечивают защиту при прямом попадании молнии.
- Категория С – монтируются в силовые щиты или используются для обеспечения безопасности распределяющих сетей.
- Категория Д – слаботочные устройства, которые обеспечивают защиту приборов.
В заключение можно сказать, что затраты при монтаже систем видеонаблюдения, учитывая установку качественной грозозащиты, не идут ни в какое сравнение с тем, что, возможно, будет нуждаться в замене при выгорании из-за попадания высокого напряжения в инфраструктуру сети.
Грозозащиты не всегда могут спасти от удара молноей! Тем не менее, вот такая фотография должна быть по душе сетестроителю.
Что дает защита? Если взглянуть на схему, то все достаточно просто. Коротко, защита сначала уравнивает на диодах разницу потенциалов всех проводов в кабеле, превращая ее в тепло на ограничителе напряжения. Затем, при существенном повышении напряжения относительно земли, сбрасывает его через разрядник.
Спасает, конечно, не наверняка, но заметно. Забавно смотреть в грозу, как пингуются удаленные хосты. Молния, гром.. Пинг пропал (причем только на хостах в районе удара). Проходит несколько десятков секунд - пинг обычно (но, к сожалению, не всегда) восстанавливается.
Описание диода 1n4006, ограничителя напряжения 1.5ke7М5А. Последнее элементы (Q1-Q5) так и не удалось найти, но по смыслу они прекрасно заменяются разрядником или даже искровым промежутком.
А вот и небольшое дополнение к статье:
Сгоревшие вдребезги элементы (кусочки видны на левой части корпуса) показаны красными стрелками. На принципиальной схеме они обозначены как Q1-Q5. Называются полупроводниковым псевдоискровым разрядниками, на напряжение 250 Вольт.
Почему АРС устанавливает именно их? Ответ простой - стоимость. 2 цента при покупке большой партии - сильный аргумент. Экономят, буржуи. Ну а комментарии по надежности получившегося в результате устройства, думаю, излишни. Только провод заземления хорош, да корпус. Увы, проку от них не больше, чем от кучки глянцевых бумажек со знаками соответствия всем мыслимым требованиям.
Супрессору то же досталось. Мерять его сопротивление не стоит - смысла нет мучать прибором порыжевший в гайку полупроводник..
Разумеется, эта защита не спасла порт хаба. Он то же сгорел. Более того, продавец защиты отказывается ее менять по гарантии, несмотря на все сертификаты. В общем, нет повести печальнее на свете..
Кстати, грозозащита АРС для коаксиала выглядит, если снять компаунд, практически так же (только диодов меньше). А сгорает еще быстрее. Жалко, выкинул год назад сгоревший до голого текстолита экземпляр.
Читайте также: