Телекоммуникациям нужна защита

Э. Базелян

Недавно ушедший от нас замечательный писатель Фазиль Искандер делил все написанное на две категории – литературу дома и литературу бездомья. К лучшим представителям первой он относил Пушкина и Толстого, второй – Лермонтова и Достоевского. Главным назначением литературы дома Искандер считал внедрение покоя и внутренней радости в человеческую душу. Возможно такое категорическое размежевание мировой литературы покажется верным далеко не всем, но связь внутреннего покоя с состоянием собственного дома сомнения не вызывает.

Многим из нас дом не просто дорог, он еще и дорогой в утилитарном смысле этого слова, потому что заполнен современной электронной техникой. Сегодня она стоит немалых денег. Средства защиты микроэлектроники не раз обсуждались в этом журнале. Для большинства пользователей этот вопрос особого сомнения не вызывает. И быстродействующий компьютер, и светодиодный телевизор, и качественный музыкальный центр безусловно нуждаются в защите. Еще острее стоит проблема для офисного и промышленного оборудования, связанного с разветвленной сетью длиной в сотни метров. Если же эта сеть включает внешние устройства, например, антенны, то ситуация становится особо напряженной.

Как правило, беспокойство вызывают источники питания электронной аппаратуры, непосредственно связанные с сетью 220 В. Устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) различного исполнения применяются здесь давно и успешно. Они не слишком дороги и удобны в эксплуатации, поскольку часто совмещены с адаптером, включающемся непосредственно в сетевую розетку. Жаль только, что защита источника питания микроэлектронного блока никак не гарантирует надежной работы электронного процессора либо какого-то иного внутреннего блока, собранного из микросхем с рабочим напряжением в несколько вольт. Совершенно необязательно, чтобы опасная для них электромагнитная наводка проникла через сеть 220 В. Возможен и иной путь – через высокочастотный кабель, связывающий входное электронное устройство с антенной, проводной сетью Интернета или внешним датчиком системы контроля, например, видеокамерой. Проводная связь такого рода, как правило, предназначена для транспортировки высокочастотного сигнала без искажений и деформации. Но наиболее сильные наводки от тока молнии отличаются исключительно малой длительностью, а потому высокочастотные каналы весьма пригодны для их доставки к дорогостоящим электронным блокам.

Время напомнить о многокомпонентных молниях. По результатам анализа прямых регистраций тока молнии, выполненного СИГРЭ в 2013 году, их доля близка к 85%. Последующие компоненты таких молний отличает наиболее короткий фронт, длительность которого может составить всего 0,25 мкс. Отсюда высокая скорость роста тока (вплоть до 200 кА/мкс), а следовательно, и большая ЭДС магнитной индукции. Хорошо подготовленный читатель может возразить, заметив, что скорость роста магнитного поля далеко не всегда равна скорости роста тока, поскольку любая электромагнитная волна движется в пространстве с конечной скоростью. К молнии это относится в полной мере. По результатам прямых регистраций известно, что волна ее тока возникает при контакте молниевого канала с поверхностью земли или с наземным сооружением и движется вверх к облаку со скоростью, равной (1/2 – 2/3) скорости света (в среднем около 150 м/мкс). В результате фронт напряженности магнитного поля увеличивается по сравнению с фронтом тока молнии тем в большей степени, чем дальше удалена от канала точка регистрации. Вместе с ним снижается крутизна фронта dH/dt, которой прямо пропорциональна ЭДС магнитной индукции.

Сказанное иллюстрируется результатами компьютерного расчета параметра dH/dt, приведенного на рис. 1. Предполагалось, что волна тока последующего компонента движется по каналу со скоростью, равной половине скорости света. Фронт импульса H(t) действительно сглаживается.

Рис. 1 – Динамика изменения во времени производной напряженности магнитного поля на различном удалении от канала молнии при движении волны тока последующего компонента со скоростью 150 м/мкс

Но даже при удалении на 100 м максимальная скорость роста магнитного поля наступает меньше, чем через 0,5 мкс, а полная длительность импульса укладывается в 1 мкс.

Рис. 2 – Динамика изменения во времени производной напряженности магнитного поля на различном удалении от канала молнии при движении волны тока последующего компонента по металлическому токоотводу со скоростью света

Деформация импульса напряженности магнитного поля выражена еще слабее, когда волна тока распространяется по металлическому токоотводу, где ее скорость равна скорости света (рис. 2). Здесь полная длительность импульса dH/dt укладывается в 0,5 мкс, равно как и длительность наводимой этим импульсом ЭДС магнитной индукции. Столь короткое электромагнитное воздействие безусловно затухнет в низкочастотной цепи источника питания, но через широкополосную цепь передачи высокочастотного сигнала оно почти без искажений достигнет микроэлектронного устройства.

Расчетные данные на рис. 1 и 2 позволяют достаточно просто оценить величину электромагнитной наводки. Для этого нужно рассчитать амплитудное значение параметра AH = (dH/dt)/IM и вычислить

для заданного тока молнии IM и площади контура S, размещенного на расстоянии r от вертикальной оси канала молнии – магнитная проницаемость вакуума).

Даже от весьма далекой молнии при r = 100 м наводка превысит 100 В в контуре площадью 1 м2 при расчетном токе последующего компонента 50 кА. Для современной микросхемы этого вполне достаточно.

Вот почему передовые фирмы приступили к разработке УЗИП, способных успешно функционировать в высокочастотных цепях. Требования к таким устройствам очень жесткие. Главное, их установка не должна снижать частотный диапазон защищаемого канала передачи информации. Сегодня речь идет как минимум о сотнях мегагерц. Например, УЗИП DEHNpatch DPA M CLE RJ45B 48 компании DEHN, предназначенное для защиты систем передачи данных и для промышленной связи с Интернетом, способно работать при частоте до 250 МГц. Совершенно понятно и его конструктивное исполнение (рис. 3) – с помощью стандартных разъемов (RJ45) оно легко вставляется в рассечку любой высокочастотной цепи передачи данных, например, Ethernet или Power over Ethernet.

Рис. 3
УЗИП DEHNpatch DPA M CLE RJ45B 48 производства компании DEHN

Второе требование касается обеспечения исключительно низкого уровня напряжения защиты. Требование это совершенно необходимое, поскольку речь идет о защите микросхем с рабочим напряжением 3-5 В. Здесь трудно удержаться от демонстрации УЗИП серии NET-Protector фирмы DEHN + SÖHNE (рис. 4). Модификация NET PRO 4TP, предназначенная к использованию в качестве универсального средства защиты телекоммуникаций, имеет четыре пары экранированных портов и может устанавливаться в стойках оконечных монтажных шкафов (рисунок 4 справа) в качестве соединительного поля или модуля дооснащения. Уровень напряжения защиты впечатляет. У одной из модификаций УЗИП этой серии он не превышает 13 В. К этому надо добавить немалую стойкость к импульсным воздействиям. Номинальный ток разряда (8/20 мкс) на один защищаемый порт равен 2,4 кА. Конечно, никто не будет устанавливать такие УЗИП в зоне защиты 0 или 0B, но способность выдерживать импульсные токи килоамперного уровня говорит о высокой надежности устройства – фактор немаловажный, когда речь идет о защите систем телекоммуникаций с десятками каналов.

Рис. 4
УЗИП серии NET-Protector производства DEHN + SÖHNE

Очень хотелось бы закончить эту статью еще одним обращением к электронной технике собственного дома, предложив дешевое универсальное средство для ее защиты. Пока такое не получается. Разработчики УЗИП в долгу перед индивидуальными потребителями своей продукции, хотя открывающийся в этом направлении рынок неограниченно широк. Дело за снижением стоимости и расширением частотного диапазона, который должен приблизиться к верхней границе эфирного телевидения. Очень трудно удержаться от дилетантского, но все-таки небесполезного совета. Воздействие близкого разряда молнии на электронную технику в индивидуальном доме – явление достаточно редкое и здесь вполне можно рассчитывать на УЗИП-смертника. Не страшно, если оно защитит домашнее оборудование ценой собственной жизни. Минутный перерыв в работе телевизора или компьютера жильцов дома не испугает, а большего времени на замену сгоревшего УЗИП не потребуется.