Грозозащита оборудования.

Оригинал статьи находится по адресу http://www.nag.ru/goodies/book/2ch4-4.html
Книга http://www.nag.ru/goodies/book/

Можно сказать, что три предыдущих параграфа были большим и важным вступлением к главному - защите магистрального и конечного оборудования от поражения атмосферными электрическими разрядами.

Ведь надежное заземление - не самоцель. Это главное и совершенно необходимое условие для сохранения оборудования и коммуникаций. Без заземления нет смысла разговаривать о грозозащите вообще - это просто не имеет смысла.

Активное оборудование Ethernet

Подойдем к проблеме "с обратной стороны". А точнее - рассмотрим классическую сетевую карту (схему можно взять тут).

Рис. 4.10. Сетевая карта.

Один из самых распространенная вариантов, Realtek 8029, $5-7 в любом компьютерном магазине. Устройство хабов и свитчей в смысле грозозащиты похоже на сетевую карту, поэтому рассматривать их отдельно не имеет особого смысла.

Рассмотрим (в свете грозоустойчивости) части этого адаптера.

1. Память ЕЕПРОМ. Выходит из строя очень редко, для ремонта можно перепаять из ненужной аналогичной карточки (если таковая имеется).
2. Кроватка под boot-rom. Не ломается.
3. Центральный чип. Если проблема в нем - карточку (как и любой современный коммутатор) можно сразу списать в утиль. Чинить в принципе можно, но экономически не выгодно.
4. Кварцевый генератор. Иногда "стрясается", это можно определить по звуку, если потрясти карточку (не сильно!).
5. Преобразователь напряжения из 5 в 9 Вольт. Нужен для питания трансивера 8. В карточки "только ТР" не ставится.
6 и 7. Трансформаторная сборка для витой пары и коаксиала соответственно. При желании, схему можно взять тут. Служит для согласования, и гальванической развязки. Вывести из строя можно только очень сильной наводкой или прямым попаданием молнии.
Однако, этот элемент очень важный - в любом случае именно через него поражающий разряд проникает внутрь устройства.
8. Трансивер. Работает на коаксиальный кабель. Самый уязвимый элемент сетевой карты, известны случаи выхода его из строя при наводке без подключенного кабеля (т.е. на голый разъем). Схема тут. Если вы делаете сеть на коаксиале, сразу ставьте кроватки для его быстрой замены. И запасайтесь этими микросхемами.
9. Разрядник. Развязывает экран коаксиала и "землю" шины компьютера. Никакой грозозащиты, вопреки расхожему мнению, из себя не представляет.
10 и 11. Разъемы витой пары и коаксиального кабеля. Выходят из строя очень редко.

При рассмотрении разводки платы отчетливо видно, что проводники от коаксиального разъема идут прямо на микросхему трансивера (8). И центральная жила, и оплетка. А ведь это даже не симметричная линия. Наводка в экране намного больше, чем в жиле. Понятно, что может случиться, если несколько сотен (или несколько тысяч) Вольт попадут на микросхему. В этом случае не спасет даже самое хорошее заземление, ведь рассчитан трансивер на амплитуду сигнала в 3 (ТРИ) Вольта.

Защита, конечно, помогает и в этом случае. Но уж слишком колоссальна сила наводки. Мне встречались APC ProtectNet с практически выгоревшей печатной платой. Элементы - в уголь. Защищаемое устройство - со сгоревшими дорожками. Терминаторы, приварившиеся к Т-коннектору...

Значительно лучше обстоят дела с витой парой.
Во-первых, это симметричная линия. Как было показано в предыдущих главах, в идеальном случае между проводниками витой пары наводка должна полностью отсутствовать. Увы, в реальности это не совсем так (повив неидеален).
Во-вторых, на рисунке легко заметить, что дорожки от разъема идут напрямик к трансформатору (6). Сам по себе трансформатор вывести из строя намного сложнее, чем трансивер.

Статистика защиты

Но в любом случае, есть обидная истина - 100% защиты от гроз не дает даже оптоволокно. Имеет смысл только статистический подход к проблемам защиты оборудования. В большой сети что-то все равно сгорит. Задача - минимизация потерь.

Мне пришлось "пережить" 3 грозовых лета с более-менее большими сетями (и еще несколько лет наблюдать ситуацию в чужих сетях). Вот краткие эмпирические выводы из этого:

Используемая технология	Вероятность выживания в течении сезона
"Тонкий коаксиал", RG-58	5%
"Тонкий коаксиал", RG-58, с грамотным заземлением	20%
"Тонкий коаксиал", RG-58, с заземлением и защитой типа ProtectNet от АРС	40%
Витая пара, 10baseT	50%
Экранированная витая пара, 10baseT, с заземлением экрана	70%
Экранированная витая пара, 10baseT, с защитой типа ProtectNet от АРС	80%
Экранированная витая пара, 10baseT, с заземлением экрана и защитой типа ProtectNet от АРС	90-95%

Думаю, никто не удивится, что первая большая сеть Екатеринбурга, построенная на коаксиале, оказалась последней. Сгоревшие за несколько минут 11 репитеров "закрыли" этот путь надолго. Это при всех удобствах RG-58 (дальнобойность, стойкость у погодным условиям, шинная топология, дешевизна).

Репитеры, конечно, тогда починили (но не все). И сеть еще поработала. Но таких новых линий уже никто не делал.
И через 2 года лето унесло жизнь 6 хабам из 120 установленных. Еще около 20 частично "подгорели". И это при том условии, что "весна, как обычно, наступила неожиданно".

В связи с бесперспективностью защиты коаксиальных линий передачи данных (по крайней мере в рамках серийного оборудования Ethernet), дальнейшее изложение будет посвящено защите оборудования, использующего симметричные линии (витую пару).

На сегодня в применении грозозащит превалирует два подхода:

• Ставим на жилу витой пары неонку или разрядник из прибора с работы (свалки), авось пронесет.
• Используем схему АРС (только упрощенную), потому что буржуи давно так делают. Полученное устройство неплохо защищает, а лучше сделать будет слишком дорого.

Вообще, оба подхода имеют право на существования, и себя оправдывают. Но в условиях массового промышленного применения "защита на 95%" явное слабое звено.

Процессы, происходящие при наводке

Попробуем понять, что происходит в грозу. При этом нет смысла рисовать сложные схемы растекания наводки, и понимать механизмы распространения электромагнитных волн во влажном городском воздухе.

Рис. 4.11. Явления при наводке на витую пару.

Результат будет все равно один. Через первичную обмотку трансформатора активного устройства будет течь ток (Iж), и вместе с тем эта же обмотка получит напряжение (Uп). Других заметных физических результатов не сможет добиться ни одна наводка.

Поражение активного устройство может пройти следующими способами:

Рис. 4.12. Поражение устройства наводкой на витую пару.

Во-первых, это пробой на землю сетевой карты или коммутатора (Inп).
В этом случае напряжение Uп должно "пробить" трансформаторную сборку (которая выдерживает порядка 1,5 кВ), затем "вскрыть" несколько конденсаторов на плате, центральный чип устройства или (и) оставить следы разряда на печатной плате.

Встречаются ли такие повреждения на практике? Безусловно - около 3-5% случаев с использованием простых мер грозозащиты имеют именно такую клиническую картину. А без использования защитных средств - до трети устройств выходят из строя подобным образом.

Во-вторых, "просачивание" высокочастотной составляющей наводки через емкость трансформаторной сборки.

Скорее всего, это главный поражающий фактор. При этом трансформаторная сборка вполне может оставаться целой, невредимой, как и все элементы обвязки. Устройство будет выглядеть "совсем" как живое. Только не работать. Совсем как в анекдоте про автомобили и ремни безопасности.

Проверка простая - на выгоревший таким образом хаб перепаивается центральный чип - и он начинает нормально работать (многократно проверено).

В-третьих, наводка на вторичную обмотку трансформаторной сборки.
Никакой защиты от этого в диапазоне частот Ethernet нет. Т.е. если на вход придет 20-30 Вольт с частотой 10 МГц, то наведенный ток вызовет напряжение 20-30 Вольт на вторичной обмотке, и далее в чипе активного устройства. Для последнего это верная смерть.

Вывод. Простые схемы (обычно клоны АРС) достаточно надежно спасают от пробоя на землю, но почти не помогают от индуктивной или емкостной наводки на вторичную обмотку трансформаторной сборки.

Вернемся к классической схеме грозозащиты, снятой с АРС:

Рис. 4.13. Схема грозозащиты APC. Описание диода 1n4006, ограничителя напряжения 1.5ke7М5А. Описание последних элементов (Q1-Q5) так и не удалось найти, но по смыслу они прекрасно заменяются разрядником или даже искровым промежутком.

Принцип действия: При нормальной работе диоды запираются за счет встречно включенного ограничителя напряжения (и энергии полезного сигнала). При превышении порога срабатывания ограничителя на нем превращается в тепло выпрямленный на диодах сигнал. При повышении напряжения относительно земли более 500 В (в самодельных версиях от 70 Вольт), срабатывает разрядник, или что его заменяет.

В принципе, все просто и надежно. Но, как было показано выше, есть и минусы.

1. Несмотря на все меры, устройства продолжают выгорать от наведенного на вторичную обмотку высокочастотного сигнала;
2. Несмотря на то, что в самодельных защитах используются разрядники, защита не спасает от мощных импульсов после разрушения части диодов, так как не имеет предохранителей;
3. Современные сети так или иначе переходят на 100 Мб магистрали. При этом расходование энергии сигнала на запирание диодов становится непозволительной (в техническом плане) роскошью.

Как можно бороться наводкой на вторичную обмотку?

Представим, что на вход подан сигнал с амплитудой 5000 Вольт. Как поведет себя ограничитель напряжения? Время его реакции около 200 нс (5 МГц). Реально он, конечно, сработает - но пропустив заметную энергию высокочастотного импульса.

Газовый разрядник еще хуже. Его время срабатывания 1-5 мкс... Лучшие образцы - до 200-500 нс. Поэтому целесообразно применять его в качестве первичной защиты для "сброса" наводок большой мощности, либо для создания потенциальной "развязки" от "земли" (для исключения влияния последней на работу защиты).

Какие есть методы борьбы с явлением? Только резко уменьшить время срабатывания защитных элементов. Например, использованием быстродействующего варистора фирмы EPCOS. Время срабатывания - менее 0,5 нс. Блестящий результат, обеспечивающий применение в грозозащитах по типовой схеме:

Рис. 4.14. Схема грозозащиты с варистором. Минусы - стоимость (10 рублей варистор, а их нужно 4), и сравнительно низкая мощность (могут сгореть даже с дополнительным ограничителем напряжения или разрядником). Как не мала на первый взгляд стоимость в 40 рублей - реально это заметно удорожит итоговую стоимость изделия.

Следующий вариант несколько нетривиален. Диоды стандартной схемы АРС можно запереть дополнительным напряжением, и им же держать открытым ограничитель напряжения (на микротоке). В результате, имеем низкую емкость (диоды заперты), и малое время срабатывания при грозовой наводке, так как ограничитель напряжения уже открыт.

Остается застраховаться от разрушения диодов (или варисторов) при сверхмощных наводках плавкими предохранителями. Логика тут простая. Диоды должны сначала сгореть "в гайку", а уже потом рассыпаться. Пока они не рассыпались - линия в общем защищена. И до этого момента должны успеть сработать плавкие предохранители.

Конечно, простые плавкие предохранители имеют недостаток - перегорают безвозвратно. Самовосстанавливающиеся элементы дороги (около 10 рублей) и сильно гасят полезный сигнал. Поэтому нельзя выбрать слишком маломощные вставки. Но известно, что на практике диоды горят редко - поэтому с данным недостатком проще мириться.

Последний вариант грозозащиты - конструкция, содержащая приемо-передатчик (по сути, упрощенный 2-х портовый хаб, возможно не содержащий цифровой части). Такая защита способна спасать оборудование в самых тяжелых ситуациях, однако - ценой сравнительно высокой стоимости.

При современных ценах на коммутаторы и оптику ее масштабное использование едва ли целесообразно.

Еще одну особенность необходимо отметить отдельно. Широко распространен метод защиты конечного клиента методом "отключения". Т.е. в грозу абонент должен сам позаботиться о себе, и вытащить разъем из сетевой карты. Метод вполне надежный и логичный, но...

Что происходит при этом с проводом? Один из его концов становится разомкнутым. Т.е. исчезает то спасительное самовыравнивание потенциалов проводников витой пары. Сетевая карта, конечно, остается целой. А вот порт на хабе выгорает с большей вероятностью. Экономически представляется вполне целесообразным установить у всех клиентов грозозащиты. И клиенту проще, и порты целее.

Вариант с простыми "закоротками" (вынул кабель из карточки - закоротил специальным разъемом) годится только для небольших и дисциплинированных сетей. Коммерческим клиентам всего и не объяснишь...

Итоги

Вот основные моменты, повышающие шансы выживания сети. Если, конечно, у вас не оптика. :-)

• Использование экранированной витой пары.
• Заземление (зануление) экрана.
• Установка грозозащит как со стороны оборудования провайдера, так и со стороны абонента.
• Использовать решения, наименее зависящие от пограничных свойств элементов.
• Желательно хотя бы раз в несколько лет обновлять грозозащиты...
• Использование кольцевых топологий для минимизации времени простоя.

Немного про экономику. Казалось бы, при современных ценах на хабы (от $25), вполне достаточно просто статистически вывести потери на приемлемый уровень. Даже если сгорит 20% - это не так страшно. Для большой сети в 100 хабов (это 300-500 человек) потеря за сезон 500 баксов несущественна. Что там, 1-2 бакса на человека.

Но реально, не так существенны потери от сгоревшего оборудования. Велики потери от простоя абонентов. И именно из-за них приходится выводить статистику на качественно другой уровень. Применять защиты, оптоволокно. Постоянный ремонт, плюс недовольство "почему так долго" обходится в такие деньги, что потери на сгоревших хабах становятся просто малозначимыми.

Поэтому, все же, будущее за оптоволокном, по крайней мере на магистралях. Но и про "медь" еще долго не забыть. Ведь подвержены наводкам и линии внутри домов, особенно если они идут по чердаку. Даже оптоволоконно-витопарный конвертер (FO-TP) нуждается в этом случае в защите. :-)