Se pide a los ingenieros que conecten todo en red por completo. El protocolo de red de elección es Ethernet o una de las innumerables variaciones. Algunos de estos desafíos pueden verse muy bien en el papel, pero sufren serios contratiempos cuando se realizan en el mundo moderno.
Resistencia a sobretensiones repentinas: protección Ethernet de líneas de datos expuestas
Se pide a los ingenieros que conecten todo en red por completo. El protocolo de red de elección es Ethernet o una de las innumerables variaciones. Algunos de estos desafíos pueden verse muy bien en el papel, pero sufren serios contratiempos cuando se realizan en el mundo moderno.
Los diseñadores originales de Ethernet no podían imaginar lo que hicimos con su “bebé”. Su propósito original era conectar diferentes computadoras entre sí. La tasa de transferencia de datos era de 10 megabits por segundo, lo suficientemente rápido para los procesadores de computadora que estaba usando en ese momento. Todas las computadoras estaban ubicadas en una habitación o centro de datos. La longitud del cable no puede exceder los 10 m. Las condiciones en esa sala de datos se controlaron para minimizar las amenazas de ESD, y una vez que las computadoras se conectaron, permanecieron conectadas físicamente durante mucho tiempo.
En la actualidad, utilizamos de forma rutinaria Gigabit Ethernet, o al menos 100Base-T, a lo largo de cientos de metros. Los edificios en los que trabajamos y vivimos tienen kilómetros de cables incrustados en las paredes y los techos. Utilice Power over Ethernet (PoE) para alimentar y comunicarse con dispositivos en azoteas, quioscos, postes de luz e incluso torres de radio. Si su jefe le dice que reemplace el enlace IEEE-488 de fábrica con Ethernet, es posible que su jefe no comprenda la robustez inherente del enlace IEEE-488 y la ingeniería requerida para mantener la nueva red Ethernet en funcionamiento en un entorno industrial. Necesitará un esquema de protección de circuitos de red que le proporcione años de servicio sin problemas, ¡y espero que no sea así!
Para ser justos, la mayoría de las ejecuciones de Ethernet no necesitan ninguna protección especial. El primer componente eléctrico detrás de la mayoría de los conectores Ethernet RJ-45 es un transformador de aislamiento que brinda cierto grado de protección. Esto, combinado con la protección ESD integrada en la mayoría de los circuitos integrados de transceptor Ethernet PHY, brinda una protección adecuada en la mayoría de los entornos domésticos y de oficina. El problema es el bajo porcentaje de puertos Ethernet expuestos a amenazas más graves. Los cables largos dentro de los edificios se convierten en largas antenas de cable que pueden acoplar la energía de los rayos cercanos a la red. Estas “antenas” se pueden instalar en quioscos al aire libre o cámaras de seguridad en la azotea o en la parte superior de un poste para recolectar la energía de los rayos de manera más eficiente.
Cuando surgieron por primera vez los problemas de confiabilidad, las empresas de protección de circuitos desarrollaron “dongles” protectores que brindaban protección adicional contra sobrevoltaje ESD. En ese momento, los dongles se enchufaban en conectores RJ-45 problemáticos, proporcionando su propio conector RJ-45 “protegido”. Estos se agregaron a enrutadores u otros equipos que estaban fallando y fueron efectivos hasta cierto punto.
A medida que aumentan las tasas de datos y emerge PoE, se necesitan soluciones personalizadas y el enfoque de dongle de “talla única” a menudo es insuficiente. PoE plantea aún más problemas porque el voltaje de CC presente puede activar la protección contra sobrevoltaje de los dongles diseñados específicamente para señales Ethernet de 2V. Las velocidades de datos Gigabit pueden causar errores de datos significativos debido a la carga capacitiva de los esquemas de protección diseñados para redes 10Base-T o 100Base-T.
A diferencia de 10Base-T, Gigabit Ethernet utiliza un esquema de codificación complejo (consulte la Figura 1) que requiere un canal altamente lineal para propagarse con éxito a largas distancias. Los diodos y tiristores de silicio exhiben una dependencia de capacitancia no lineal del voltaje aplicado.
Gigabit Ethernet también usa una frecuencia de reloj que es más de diez veces más rápida que 10-BaseT, lo que hace que la señal sea más susceptible a la capacitancia del cable y los dispositivos de protección utilizados.
La construcción de una red Ethernet robusta generalmente requiere un enfoque de “capas” (consulte la Figura 2) que consta de 1ra, 2da e incluso 3ra capa. Cada capa realiza una tarea específica.
Capa primaria:
Aplicaciones de plantas externas desarrolladas para telecomunicaciones, tubos de descarga de gas (GDT) como Epcos 871-T83-A90X, o tiristores de protección Littelfuse SDP3500Q38CB SIDACtor® (que requieren voltaje de polarización para linealizar la capacitancia) Técnicas prestadas desarrolladas para dispositivos de tecnología de silicio tales como: fáciles de obtener usando un voltaje de suministro PoE) puede proporcionar la capacidad de manejo de sobretensiones requerida con una carga capacitiva mínima. La capa primaria todavía pasa un voltaje demasiado alto, pero limita la duración de la sobretensión ya que la mayor parte de la energía se desvía a tierra. Para aplicaciones PoE, la tensión de ruptura del dispositivo de protección debe ser superior a la tensión de alimentación PoE. Además, el ingeniero de diseño debe asegurarse de que el sistema de protección principal se “desenganche” o “reinicie” mientras está conectado a la alimentación después de activar la protección. Esto a menudo requiere una fuente de alimentación PoE con dispositivos de protección y corriente de repliegue limitados con alta corriente de retención.
Capa secundaria:
El transformador de aislamiento no solo proporciona aislamiento de CC para el circuito integrado del transceptor PHY, sino que su pequeño núcleo magnético se satura fácilmente, lo que limita la cantidad de energía que se puede acoplar al circuito del transceptor. Sin embargo, el aislamiento entre los devanados debe poder soportar la tensión de paso de la capa primaria sin romperse. Tenga en cuenta que el GDT tiene un voltaje de ruptura de CC de 90 V, pero puede sobrepasar los 500 V en condiciones de sobretensión de rayos dv/dt rápidos. La capacitancia de entrebobinado también puede acoplar energía a través de la barrera de aislamiento, pero esto suele ser muy pequeño en comparación con la energía acoplada magnéticamente.
Tercera capa:
Los protectores primarios y secundarios eliminaron la alimentación PoE y limitaron el voltaje y la corriente máximos a niveles manejables por una amplia gama de tecnologías. Muchos de ellos toman prestada la tecnología de los dispositivos de protección ESD. Algunos ejemplos: