Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Transmisja danych w inteligentnym domu cz.2 - Zakłócenia oraz izolacja galwaniczna

Ogólnie biorąc, systemy transmisji przewodowej są bardziej odporne na zewnętrzne zakłócenia niż systemy radiowe, ale też transmisja nie jest w pełni niezawodna.
Article Image
Wielu elektroników chciałoby samodzielnie zbudować elementy lub cały system inteligentnego domu. Jednym z kluczowych problemów okazuje się dobranie odpowiednich sposobów transmisji danych. Decyzje w tym zakresie decydują o finalnym sukcesie lub porażce. W cyklu artykułów omawiamy rozmaite aspekty tego bardzo ważnego zagadnienia.

Wyładowania atmosferyczne a urządzenia elektryczne

Niekiedy piorun uderza wprost w sieć energetyczną i wtedy w instalacji pojawiają się ogromne przepięcia, które niszczą wszelkie urządzenia elektroniczne w najbliższej okolicy. Także uderzenie pioruna nie wprost, tylko w pobliżu instalacji elektronicznej, oznacza pojawienie się i zanik ogromnych prądów, co we wszystkich pobliskich elementach przewodzących indukuje duże napięcia i wzbudza przepływ ogromnych prądów. Obwody niszczy wtedy nie tyle prąd głównego wyładowania, tylko właśnie potężne napięcia i prądy indukujące się w pobliżu, niczym w uzwojeniach transformatora.

W domowych instalacjach energetycznych 230V mogą być stosowane elementy ochrony odgromowej i przeciwprzepięciowej, które mają zapobiec uszkodzeniom. Powinny to być odpowiednio dobrane i umieszczone w odpowiednich miejscach instalacji iskierniki i warystory różnego typu/klasy: „na wejściu instalacji” typu 1+2 (dawnej klasy B, C) oraz przy urządzeniach typu 3 (klasy D). To obszerny odrębny temat, dotyczący ochrony przed uszkodzeniem obwodów sieci energetycznej 230V.

Ale zagrożone są też wszelkie wejścia/wyjścia, dołączone nie do sieci 230V, tylko do linii transmisyjnych, w których też indukowane są silne przepięcia. Co ważne, żadne zabezpieczenia nie ochronią przed uszkodzeniem przy uderzeniu pioruna blisko instalacji.

W przypadku indywidualnych rozwiązań powstaje pytanie, co z systemem po uszkodzeniu przez piorun?

Czy po kilku latach będzie można kupić uszkodzone podzespoły/moduły? Czy hobbysta-konstruktor wykona porządną dokumentację? Czy po latach sam twórca poradzi sobie z problemem w „szytym na miarę” systemie autorskim? A czy ktoś inny rozezna się w sytuacji i będzie mógł pomóc?

Warto pomyśleć o przyszłości! Być może optymalnym rozwiązaniem będzie nie tylko porządna dokumentacja, ale też realizacja modułów zapasowych.

Co mogą spowodować zakłócenia impulsowe w przewodach?

Ryzyko uszkodzenia to tylko jedno z zagrożeń. Silne, pojedyncze zakłócenia impulsowe w przewodach mogą też doprowadzić do zawieszenia pracy mikroprocesorów i całego systemu.

Dlatego projektując system, koniecznie trzeba uwzględnić możliwość jego zawieszenia. Czy będzie on miał mechanizmy automatycznego resetowania i wznawiania pracy, na podobieństwo watchdoga w mikrokontrolerze?

Po drugie, trzeba liczyć się z błędami transmisji, powodowanymi przez rozmaite zakłócenia impulsowe, najczęściej polegające na iskrzeniu styków, komutatorów, wyłączników. Jak system poradzi sobie, gdy podczas transmisji wystąpią błędy? Czy nie ulegnie zawieszeniu? Jeden kierunek obrony to odpowiednie oprogramowanie, drugi to...

Redukcja zakłóceń w transmisji przewodowej

W zasadzie należałoby omówić przenikanie zakłóceń przez pole magnetyczne, pole elektryczne i pole elektromagnetyczne. W przypadku uderzenia pioruna znaczenie mają wszystkie trzy te drogi. Jednak w „normalnych warunkach” zakłócenia „radiowe”, przenikające przez pole elektromagnetyczne, nie są groźne dla instalacji przewodowych.

Rys.1a Przewody linii transmisyjnej tworzą pętlę 1b Dwie żyły symetrycznie skręcone

Przez pole magnetyczne przenikają głównie zakłócenia o częstotliwości sieci energetycznej 50Hz. Działa to dokładnie tak jak transformator: jeden obwód wytwarza zmienne w czasie pole magnetyczne i zmiany tego pola powodują indukowanie się napięć i przepływ prądów we wszelkich pętlach – zwojach.

Zakłócenia „magnetyczne” zwykle mają małe napięcia, ale prądy mogą być duże.

Odwrotnie jest z zakłóceniami przedostającymi się przez pole elektryczne, czyli przez wszelkie pojemności. Wartości prądów zależą od szybkości zmiany napięcia oraz od wartości pojemności (i = C*du/dt). Pojemności „zakłóceniowe” zwykle są małe, rzędu pojedynczych pikofaradów (lub mniej). Generalnie „zakłócające prądy pojemnościowe” są malutkie, jednak w obwodach o dużej rezystancji wartości napięć zakłócających mogą być zaskakująco duże (U = I*R). Nie sposób omówić wszystkich szczegółów. Oto najważniejsze informacje w ogromnym skrócie.

Dwa przewody linii transmisyjnej tworzą pętlę, czyli zwój, w którym zewnętrzne pola magnetyczne mogą indukować szkodliwe napięcia, co jest zilustrowane na rysunku 1a. Aby wyeliminować tę wrażliwość, wystarczy dwie żyły symetrycznie skręcić według rysunku 1b. Regularna skrętka (teoretycznie) jest zupełnie niewrażliwa na zmiany pola magnetycznego.

Fot.2 Przewód współosiowy

Dobre właściwości w tym zakresie ma także przewód współosiowy – fotografia 2. Najgorsze właściwości mają pojedyncze przewody, gdzie obwód powrotny (obwód masy) może przebiegać przypadkowo, tworząc dużą pętlę – zwój, jak pokazuje rysunek 1a.

Inaczej jest z zakłóceniami „pojemnościowymi”, które powodują przepływ maleńkich prądów zmiennych „wszędzie” i te maleńkie prądy na występujących tam rezystancjach powodują występowanie napięć. Zastosowanie skrętki nie likwiduje zakłóceń „pojemnościowych”, ale jeśli taki tor jest symetryczny względem masy, to zakłócenia powstające w obu żyłach są jednakowe.

Rys.3 Nadajnik symetryczny i odbiornik danych z wejściem różnicowym

Na końcach linii wystarczy zastosować nadajnik symetryczny i odbiornik danych z wejściem różnicowym, które nie reaguje na (zakłócający) sygnał wspólny, a tylko na użyteczny sygnał różnicowy według idei z rysunku 3. I właśnie w niektórych systemach transmisji, np. RS-485, Ethernet i USB, linie i sygnały symetryczne pozwalają uzyskać zdecydowanie „lepsze osiągi” niż niesymetryczne.

Fot.4 Kable „komputerowe”

Uwaga! Ekranowanie przewodów nie chroni przez zakłóceniami „magnetycznymi”, natomiast może skutecznie zmniejszyć poziom zakłóceń „pojemnościowych”, pod warunkiem że ekran zostanie prawidłowo dołączony do masy (tylko na jednym końcu linii). Z jednej strony ekranowanie przewodów transmisyjnych jest korzystne, bo pozwala zmniejszyć zakłócenia, ale z drugiej strony zwiększa szkodliwe pojemności (mniej więcej dwukrotnie), co zmniejsza zasięg, a także zwiększa koszty.

W praktyce z reguły wystarczą popularne kable „komputerowe” UTP (fotografia 4), które dobrze sprawdzają się nie tylko w sieciach ethernetowych LAN, ale też są „niestandardowo” wykorzystywane w innych interfejsach.

„Komputerowy” kabel UTP zawiera cztery oddzielne skrętki, a skrętki te są dużo bardziej odporne na zakłócenia od również bardzo popularnych wielożyłowych przewodów do instalacji alarmowych (o symbolu YTDY), gdzie żyły nie tworzą skrętek, tylko są ułożone wewnątrz kabla przypadkowo (fotografia 5). Niemniej w wielu zastosowaniach, przy odległościach kilku, kilkunastu metrów wystarczą także takie „gorsze przewody alarmowe”.

Ogólnie biorąc, dziś w hobbystycznie realizowanych systemach inteligentnego domu najczęstszym wyborem jest najpopularniejsza, nieekranowana skrętka komputerowa UTP. W ogromnej większości przypadków nie ma potrzeby stosowania droższych, ekranowanych wersji STP, FTP, które wcale nie gwarantują braku zakłóceń, a jedynie w jakimś stopniu redukują ich poziom (i prawdopodobieństwo błędów transmisji).

Fot.5 Kabel YTDY - żyły są ułożone wewnątrz kabla przypadkowo

Obecnie kable koncentryczne nie są już stosowane do przesyłania danych, głównie ze względu na cenę (są wykorzystywane tylko jako kable antenowe). W mniej odpowiedzialnych obwodach można wykorzystać tanie kabelki „alarmowe” (YTDY).

Izolacja galwaniczna - co należy wiedzieć?

Kwestia ta ma kilka aspektów. Względy bezpieczeństwa wymagają skutecznego oddzielenia obwodów sieci 230V od obwodów niskonapięciowych. Tu nie może być żadnych kompromisów!

Każdy, kto wprowadza na rynek urządzenia elektroniczne, musi spełnić ustawowe wymagania ich dotyczące. Hobbysta realizujący system elektroniczny we własnym domu nie podlega wprawdzie pod takie przepisy, ale w przypadku, gdyby doszło do porażenia, utraty zdrowia i życia, niewątpliwie prokurator wnikliwie zbada sytuację, a zaniedbania w zakresie izolacji mogą mieć bardzo przykre konsekwencje karne. Dlatego zapewnienie odpowiedniej izolacji i separacji obwodów sieci 230V od obwodów sterujących jest sprawą kluczową!

Problem dotyczy obwodów zasilania z sieci 230V, ale to najłatwiej rozwiązać, stosując zasilacze fabryczne. W systemie inteligentnego domu problem dotyczy wszelkich obwodów wykonawczych 230V, czy to z przekaźnikami, czy z triakami. Problem bezpiecznej izolacji dotyczy też oddzielenia obwodów sieci 230V od obwodów niskonapięciowych i dołączonych do nich linii transmisji danych – tam efektem braku izolacji byłoby porażenie przy dotknięciu do linii transmisji danych! Istnieją też systemy przesyłające informacje cyfrowe przez przewody sieci energetycznej, gdzie izolacja obwodów sygnałowych od sieci ma kluczowe znaczenie.

Patrząc od strony technicznej, przy napięciu rzędu 250V przebiciu zapobiegną już odstępy mniejsze niż 1 milimetr. Tak, ale dla różnego rodzaju sprzętów elektronicznych przepisy określają znacznie ostrzejsze wymagania i odstępy izolacyjne nawet rzędu 8 milimetrów! To odrębny szeroki temat dla profesjonalistów.

W konstrukcjach amatorskich odstępy izolacyjne od sieci 230V, bez rozróżniania, czy w powietrzu, czy po izolacji (clearance, creepage), nie powinny być mniejsze niż 4mm, a w miarę możliwości powinny wynosić 7...8mm, podobnie jak w wielu urządzeniach fabrycznych. Dotyczy to także płytek drukowanych, gdzie ścieżki powinny być pokryte lakierem izolacyjnym.

Problem jest poważny i dotyczy nie tylko samodzielnie projektowanych płytek. Na przykład liczne tanie chińskie moduły z przekaźnikami, absolutnie nie spełniają wymagań odpowiedniej separacji styków od obwodów sterowania i nie mogą być użyte do przełączania w obwodach sieci 230V. Drugi aspekt izolacji galwanicznej nie ma związku z ryzykiem porażenia, tylko z różnymi błędami i zakłóceniami w obwodzie masy.

Separacje ze względu na zakłócenia

Osoby niezorientowane sądzą, że dowolny punkt obwodu masy ma ten sam potencjał (0V).

Owszem, powinien mieć! W praktyce z uwagi na przepływ w obwodzie masy różnych prądów stałych i zmiennych, w tym impulsów oraz związane z tym spadki napięć, między poszczególnymi punktami obwodu masy mogą występować znaczące różnice napięć rzędu wolta, a nawet większe! Na przykład w 33-metrowym kablu z żyłami o średnicy 0,5mm (czyli przekroju 0,2mm2) przepływ prądu 100mA spowoduje spadek napięcia 0,3V na każdej żyle, czyli też na obwodzie masy, co może spowodować kłopoty.

Problem może wystąpić w instalacjach z masą uziemioną, z uwagi na przypływy rozmaitych prądów, w tym 50Hz w obwodach uziemienia.

W bardziej rozległych instalacjach mogą też występować „zakłócenia stałoprądowe i wolnozmienne”. Przyczyną występowania w sieci przewodów niewielkich napięć stałych i przepływu prądów stałych mogą być te same zjawiska, które wykorzystujemy przy budowie baterii chemicznych: w poszczególnych częściach instalacji mogą tworzyć się ogniwa chemiczne, co często jest też związane z korozją. Jednak główną przyczyną różnic napięć w różnych punktach obwodu masy jest przepływ prądów zasilających.

W każdym razie w systemie inteligentnego domu potencjał obwodu masy w różnych punktach może być znacząco różny. Między innymi dlatego często konieczna jest rezygnacja ze skądinąd znakomitych i tanich czujników analogowych na rzecz cyfrowych, które są zdecydowanie mniej wrażliwe na problemy z masą. Ale w dłuższych łączach cyfrowych, w szczególności I2C i 1-Wire, ale także SPI i „serial”, zwłaszcza tych zasilanych niskim napięciem rzędu 3 woltów, różnice potencjałów w obwodzie masy mogą powodować błędy (zależne od wielkości takich różnic potencjałów). Układy testowane „na biurku” pracują znakomicie, a w docelowym systemie sprawiają kłopoty.

Nie sposób omówić szczegółów, ale często skutecznym remedium jest zastosowanie linii transmisyjnej z izolacją galwaniczną, co jest możliwe praktycznie dla wszystkich interfejsów (Ethernet ma to „w standardzie”).

I tu znów dotykamy bardzo obszernego zagadnienia. W skrócie: najczęściej w liniach transmisji danych stosowana jest izolacja galwaniczna z pomocą transoptorów oraz impulsowych transformatorków separacyjnych. Warto jednak pamiętać, że w pewnych sytuacjach można ją zrealizować za pomocą kondensatorów (wysokonapięciowych, o małej pojemności). Dziś coraz częściej korzystamy z gotowych, fabrycznych separatorów „galwanicznych”, nierzadko mających postać klasycznych układów scalonych.

Podsumowanie - transmisja przewodowa

Podane informacje nie wyczerpują tematu, a jedynie sygnalizują zagadnienia bardzo ważne, które mogą zadecydować o porażce lub sukcesie.

W ostatnich latach realizacja elementów i systemów inteligentnego domu stała się zaskakująco łatwa i względnie tania z uwagi na dostęp do niedrogich elementów i modułów oraz oprogramowania. Powstają różne rozwiązania, co jak najbardziej jest godne pochwały i uznania. Niestety, wielu mniej doświadczonych hobbystów nie uwzględnia wymienionych właśnie aspektów zagadnienia związanych z niezawodnością i odpornością na błędy i zakłócenia.

Amatorskie rozwiązania bywają błyskotliwe, ale podczas ich użytkowania pojawiają się przykre problemy i błędy, z którymi nie wiadomo, jak walczyć. Większości takich problemów można byłoby uniknąć, odpowiednio projektując system, w tym odpowiednio dobierając sposoby transmisji danych i stosując izolację galwaniczną. A do tego (poza praktycznym doświadczeniem nabywanym „w walce”) potrzebna jest wiedza o specyfice, zaletach i wadach poszczególnych interfejsów.

Dlatego poświęcimy im sporo uwagi. I jeszcze raz należy podkreślić, że w systemach inteligentnego domu łącza przewodowe generalnie przysparzają znacznie mniej problemów niż bezprzewodowe. W kolejnej części artykułu zaczniemy omawiać najprostsze przewodowe sposoby i standardy transmisji danych.

Tematyka materiału: zakłócenia, izolacja galwaniczna
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich sierpień 2019
Udostępnij
UK Logo