כיצד להגן על מערכות תקשורת על קווי חשמל (PLC): שתי טכנולוגיות שכדאי להכיר

מאת &lrm;קנטון וויליסטון

באדיבות &lrm;DigiKey's North American Editors

2023-08-09

המתכננים של תשתית אנרגיה חכמה, כגון רשתות חכמות, מונים חכמים ותאורת רחוב חכמה, זקוקים לתקשורת אמינה, יעילה, חסכונית ומאובטחת. בעוד שלטכנולוגיות אלחוט יש תפקיד, הפגיעות, עלויות ומגבלות הכיסוי שלהן מציבות אתגרים משמעותיים. טכנולוגיית תקשורת על קווי חשמל (PLC‏), המאפשרת העברת נתונים על קווי מתח קיימים, מציגה טכנולוגיית יסוד טובה לביסוס תקשורת קריטית.

למרות ש-PLC מוגדרת היטב ונמצאת בשימוש נרחב, יש כמה בעיות שהמתכננים צריכים להיות מודעים אליהן העלולות לשבש את התקשורת, כגון ניחות אותות, רעש וטרנזיינטי מתח. טיפול בבעיות אלו דורש פתרונות מעשיים ויעילים כדי להבטיח ביצועים מיטביים. שני פתרונות כאלה הם שנאי PLC ומגני מתח-יתר GMOV‏.

שנאי PLC ממוטבים עבור הפסדי תחיבה מינימליים בתוך יישומי פס-צר (NB). הם גם מפחיתים את הבידוד הגלווני וההפרעות האלקטרומגנטיות (EMI), ומשפרים את איכות ואמינות האותות. GMOV הוא רכיב הגנת מתח-יתר היברידי המשלב שפופרת פריקה בגז (GDT) עם ואריסטור תחמוצת מתכת (MOV‏). הוא מתוכנן להתגבר על המגבלות ובעיות התקלות של MOVs סטנדרטיים, הרגישים לדגרדציה ולבריחה תרמית בסביבות קשות ובלתי-מבוקרות.

מאמר זה סוקר בקצרה כיצד פועלת PLC ומדוע היא מתאימה לתשתית חכמה. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות של שנאי PLC ומגן GMOV של Bourns‏, מראה כיצד הם פועלים, ומציג כמה גורמים שיש להביא בחשבון בעת בחירתם ויישומם.

פעולה, יישומים ואתגרים של PLC‏

במערכת PLC, הנתונים שיש לשדר מאופננים על גבי אות נושא ומוזרקים לתוך קו החשמל. הפרטים משתנים מאוד בין יישומים, אך ה-IEEE 1901.2 הוא תקן כלל-עולמי עבור רשתות חשמל. הוא מגדיר תקשורת NB‏ בתדר נמוך (≤ 500 קילו-הרץ (kHz)) של עד 500 קילו-ביט לשנייה (Kbits/s), והוא מתאים עבור יישומים כמו רשתות חכמות, מונים חכמים ותאורת רחוב חכמה.

בעוד שטכנולוגיית PLC הוכיחה את עצמה כפתרון שימושי עבור מתכנני תשתית אנרגיה חכמה, היא לא חפה מאתגרים. מכשולי התכנים כוללים ניחות אותות, רעש וטרנזיינטי מתח, וכל אלה יכולים לפגוע משמעותית באיכות התקשורת ובאמינותה. ובאופן ספציפי:

ניחות אותות מהווה בעיה מכיוון שאותות PLC משתמשים בקווים שתוכננו עבור הספקת חשמל ולא עבור נתונים. לקווים אלה יש מאפייני אימפדנס העלולים לגרום ניחות משמעותי, במיוחד למרחקים ארוכים. הנפילה הנגרמת בעוצמת האות יכולה להפחית את הטווח האפקטיבי ועלולה להוביל לאיבוד נתונים או שגיאות.
רעש יכול לנבוע ממקורות שונים, כגון מכשירים אלקטרוניים המחוברים לרשת החשמל, שינויים בספקי-הכוח ו-EMI חיצוני. אופי התדר הגבוה יחסית של אותות נתוני PLC הופך אותם לרגישים במיוחד למקורות רעש אלה בתוך רשת חשמל לא-מסוככת.
טרנזיינטי מתח יכולים להתרחש עקב פגיעות ברק או מיתוג של עומסים אינדוקטיביים. טרנזיינטים כאלה עלולים לגרום למתחים גבוהים בקווי הספקת-הכוח, ולגרום נזק למודמי ה-PLC.

כאשר מתמודדים עם האתגרים העומדים בפני מערכות PLC, למתכננים יש שתי טכנולוגיות מפתח שהם יכולים ליישם: שנאי PLC ומגני GMOV. שני הרכיבים ממלאים תפקידים מכריעים באבטחת האמינות, הביצועים והבטיחות של מערכות PLC.

סקירת תכן: שנאי PLC ו-GMOV במעגל הצימוד

כדי להמחיש את הבעיות ששנאי PLC ו-GMOV יכולים להתמודד איתם, נבחן את מעגל הצימוד המוצג באיור 1. מעגל זה חייב לבודד את מודם ה-PLC‏ (_Module‏Z‏) מקו מתח הרשת (_Line‏Z‏) ובמקביל לספק נתיב לאותות הנתונים. תוך כדי כך, מעגל הצימוד חייב לטפל הן בתקשורת בתדר גבוה בהספק נמוך והן ב-AC בתדר נמוך בהספק גבוה.

תמונה של מעגל צימוד מפושט עם הגנת נחשולים איור 1: מוצג כאן מעגל צימוד פשוט עם הגנת נחשולי מתח המבודד את מודם ה-PLC‏ (_Module‏Z‏) מקו רשת החשמל (_Line‏Z‏) תוך שהוא מספק נתיב לאותות הנתונים. (מקור התמונה: Bourns‏)

שנאי ה-PLC‏ (T1‏) מספק בידוד גלווני בין מודם ה-PLC לבין קווי החשמל, ועוזר להפריד את ה-PLC מרשת ה-AC. מאפיין עיקרי של שנאים אלה הוא הפסדי התחיבה המינימליים שלהם, המפחיתים את עיוותי וניחות האותות. לדוגמה, איור 2 מציג את הביצועים של שנאי PLC מסדרת PFB‏ של Bourns, הממוטבים עבור יישומי NB מתחת ל-500 קילו-הרץ. יתרה מכך, היכולת של שנאי PLC לשכך EMI עוזרת להפחית רעש ותורמת לתקשורת אמינה ויעילה יותר.

איור 2: מוצג כאן גרף של הפסדי התחיבה לעומת התדר עבור שנאי PLC מסדרת PFB הממוטבים עבור יישומי NB מתחת ל-500 קילו-הרץ. (מקור התמונה: Bourns‏)

באיור 1, שוב, טרנזיינטי מתח מטופלים על ידי מגן GMOV (איור 3). התקן חדשני זה הוא רכיב הגנת מתח-יתר היברידי המשלב את ההיענות המהירה של MOV עם יכולת הטיפול בזרמי נחשול גבוהים של ה-GDT. שילוב זה מספק הגנה חסונה מפני טרנזיינטי מתח הנגרמים על ידי פגיעות ברק או אירועי מיתוג העלולים להזיק למעגלים אלקטרוניים במערכות PLC.

ב-GMOV, רכיבי MOV ו-GDT מוצמדים קיבולית בתצורה טורית. בתנאי תדר נמוך, הגבלת המתח של רכיב ה-GMOV שווה לסכום הגבלת המתח של רכיבי ה-MOV וה-GDT.

תמונה של GMOV המשלב את ההיענות המהירה של MOV עם יכולת הטיפול בזרמי נחשול גבוהים של ה-GDT איור 3‏: ה-GMOV המשלב את ההיענות המהירה של MOV עם יכולת הטיפול בזרמי נחשול גבוהים של ה-GDT. (מקור התמונה: Bourns‏)

שלא כמו MOVs סטנדרטיים, המועדים לדגרדציה ולבריחה תרמית, מגן GMOV מתוכנן לעמוד בסביבות קשות ולא-מבוקרות. רכיב ה-MOV מהדק מתחים חריגים לרמות בטוחות, בעוד שה-GDT פועל כאל-כשל במהלך תנאי נחשול קיצוניים. פונקציה זו מונעת מאנרגיה חריגה להגיע ל-MOV, ובכך מאריכה את חייו ומפחיתה את הסבירות לכשל במערכת.

שיקולי תכנון עבור שנאי PLC ומגני GMOV

תכנון מעגל צימוד קווים עבור מערכת PLC דורש התייחסות מדוקדקת של הרכיבים העיקריים והאינטראקציות ביניהם. הנה כמה מהבעיות שיש להביא בחשבון בתכנון.

דרישות מערכת PLC‏: לפני שמתחילים בתהליך התכנון, יש צורך בהבנה ברורה של הדרישות של מערכת PLC. זה כולל את קצב הנתונים הנדרש, טווח הפעולה, סוג קווי החשמל שבהם היא תפעל ותנאי הסביבה שאליהם היא תהיה חשופה.

בטיחות ותאימות: בטיחות חשובה במיוחד עבור תכנים שאליהם יש גישה למשתמשים או לעובדי תחזוקה. בהתאם ליישום, התכן עשוי לדרוש תאימות ל-EN 62368-1 (ציוד IT ואודיו-ויזואלי) או EN 61885 (רשתות תקשורת ואוטומציה של רשתות החשמל).

בהיבט של התקשורת, התכנים חייבים לרוב לעמוד בתקן האירופי EN 50065-1‏ CENELEC‏ המגדיר את רמות האותות המקסימליות כמו גם את פסי תדר הנושא המותרים.

בחירת שנאי PLC: בדקו שהשנאי עומד בדרישות התדר, מתח ואימפדנס הפעולה. לדוגמה, סדרת PFB של Bourns שהוזכרה קודם לכן ממוטבת עבור יישומי NB-PLC‏, ולכן מתאימה עבור פעולה לטווחים ארוכים. עם תמיכה בתחומי מתח נמוך ובינוני, סדרת PFB יכולה לשמש עבור מערכי פנים וחוץ כאחד.

הקפידו לבחור שנאי עם יחס ליפופים המאפשר לאימפדנס מודם PLC תיאום עם אימפדנס קווי החשמל. פעמים רבות, לא ניתן לשנות את אימפדנס המודם, ולכן יש לבחור בקפידה את השנאי כדי להשיג תיאום אימפדנסים עבור העברת אותות יעילה.

כמו כן, יש להביא בחשבון את סביבת היישום. לדוגמה, סדרת PFB זמינה הן בצורה רגילה והן בצורה מוארכת. הדגם הסטנדרטי PFBR45-ST13150S מתוכנן לשימוש בתוך מארזים מאובטחים, בעוד שהדגם המוארך PFB45-SP13150S מוסיף מאפייני בטיחות עבור שימוש באזורים שבהם לעובדי תחזוקה או למשתמשים עשויה להיות גישה. הבידוד המחזק של דגם אחרון זה מגן מפני התחשמלות ומבודד את משתמש הקצה ממתחי כניסה מסוכנים. איור 4 ממחיש את המאפיינים העיקריים של שני הדגמים.

מק"ט Bourns‏	השראות הראשוני ב-kHz‏ 100/V‏ 1‏		השראות זליגה ב-kHz‏ 100/V‏ 1‏ (כל פיני השניוני מקוצרים)		יחס השנאה		DCR‏ מקס'		קיבוליות בין-ליפופים ב-kHz‏ 50‏		Hi-Pot‏ 1 שנייה / mA‏ 1‏
PFBR45-ST13150S	(4‏-1‏)	mH‏ 1‏, %‏35‏±, %‏30‏-	(4‏-1‏)	μH‏ 1.5 טיפוסי (μH‏ 2‏ מקס')	(5‏-7‏):(4‏-1‏)	2:1‏ %‏3‏±	(4‏-1‏)	mΩ‏ 215‏	(8‏ ,7‏ ,6‏ ,5‏-4‏ ,1‏)	pF‏ 30‏ מקס'	(8‏-1‏) עם (7‏ ,6‏) מקוצרים	_AC‏V ‏2,000
					(5‏-7‏):(4‏-1‏)	2:1‏ %‏3‏±	(6‏-8‏):(4‏-1)	2:1‏ %‏3‏±
					(5‏-7‏)	mΩ‏ 115‏	(6‏-8‏)	mΩ‏ 105‏
PFBR45-SP13150S	(6‏-9‏)	mH‏ 1.15‏, %‏3‏±	(6‏-9‏)	μH‏ 1.3‏ מקס'	(4‏-1‏):(6‏-9‏)	2:1‏ %‏3‏±	(6‏-9‏)	mΩ‏ 500‏	(5‏ ,4‏ ,2‏ ,1‏-6‏ ,9‏)	pF‏ 30‏ מקס'	(1‏-9‏) עם (4‏ ,2‏) מקוצרים	_AC‏V‏ 4,500
PFBR45-SP13150S	(6‏-9‏)	mH‏ 1.15‏, %‏3‏±	(6‏-9‏)	μH‏ 1.3‏ מקס'	(5‏-2‏):(6‏-9‏)	2:1‏ %‏3‏±	(5‏-1‏) עם (4‏ ,2‏) מקוצרים	mΩ‏ 350‏	(5‏ ,4‏ ,2‏ ,1‏-6‏ ,9‏)	pF‏ 30‏ מקס'	(5‏-1‏)	_AC‏V‏ 625‏

איור 4. לשנאי PLC‏ PFB45-SP13150S המוארך יש מאפייני בטיחות חסונים יותר בהשוואה ל-PFBR45-ST13150S. (מקור התמונה: Bourns‏)

בחירת מגן GMOV: בעת בחירת מגן מתאים הביאו בחשבון עם אילו סוגי נחשולי הספק וטרנזיינטי מתח עלולה המערכת להתמודד. לדוגמה, Bourns‏ מציעה מגני GMOV בגודל 14 מילימטר (מ"מ) כמו GMOV-14D301K התומכים בזרמי נחשול של 6 קילו-אמפר (kA), כמו גם גרסות של 20 מ"מ כמו GMOV-20D151K התומכות בזרמי נחשול של kA‏ 10‏. יש לציין שגם גרסות 14 מ"מ וגם גרסות 20 מ"מ תואמות ל-MOV סטנדרטיים בגודל ובחתימת-השטח. איור 5 מספק את הרשימה המלאה של התצורות הזמינות עבור התקנים אלה.


מק"ט Bourns‏	פעולה				הגנה
	מתח פעולה רצופה (MCOV) מקסימלי		זליגה מקסימלית ב-MCOV‏	קיבוליות מקסימלית	I_nom UL 1449/4th.	max‏_I‏	נחשול גל טבעתי‏ IEEE 62.41	קטגוריית זרם רמת הגנה IEC 61051-1‏		זמן מעבר הידוק	אנרגיה
	_RMS‏V‏	_DC‏V‏	_RMS‏A‏	MHz‏ 1‏	.Ops‏ 15‏	.Op‏ 1‏	A‏ 200‏	מקס'	טיפוסי	זמן מעבר הידוק	μs‏ 8/20‏
	V‏	V‏	μA‏	pF‏	A	A	.Ops‏	_FP‏V‏	_C‏V‏	s‏μ‏	J‏
GMOV-14D450K	45	56	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	900	150	0.3	24
GMOV-14D500K	50	65	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	800	150	0.3	27
GMOV-14D650K	65	85	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	800	185	0.3	33
GMOV-14D950K	95	125	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	800	270	0.3	53
GMOV-14D111K	115	150	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	800	320	0.3	60
GMOV-14D131K	130	170	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	800	360	0.3	70
GMOV-14D141K	140	180	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	950	380	0.3	78
GMOV-14D151	150	200	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	950	420	0.3	84
GMOV-14D171K	175	225	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	950	470	0.3	99
GMOV-14D231K	230	300	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	1,300	620	0.3	130
GMOV-14D251K	250	320	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	1,300	675	0.3	140
GMOV-14D271K	275	350	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	1,300	730	0.3	155
GMOV-14D301K	300	385	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	1,300	800	0.3	175
GMOV-14D321K	320	145	<1‏	4	3,000	6,000	250‏±	1,300	875	0.3	180
GMOV-20D450K	45	56	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	950	150	0.3	49
GMOV-20D500K	50	65	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	900	150	0.3	56
GMOV-20D650K	65	85	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	900	185	0.3	70
GMOV-20D950K	95	125	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	900	270	0.3	106
GMOV-20D111K	115	150	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	950	320	0.3	130
GMOV-20D131K	130	170	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	950	360	0.3	140
GMOV-20D141K	140	180	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	950	380	0.3	155
GMOV-20D151K	150	200	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	950	420	0.3	168
GMOV-20D171K	175	225	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	950	470	0.3	190
GMOV-20D231K	230	300	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	1,300	620	0.3	255
GMOV-20D251K	250	320	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	1,300	675	0.3	275
GMOV-20D271K	275	350	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	1,300	730	0.3	305
GMOV-20D301K	300	385	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	1,300	800	0.3
GMOV-20D321K	320	415	<1‏	4	5000	10,000	250‏±	1,300	875	0.3	360

איור 5: מגני GMOV מגיעים בגרסות של 14 ו-20 מ"מ, כאשר האחרונים תומכים בזרמי נחשול גבוהים יותר. (מקור התמונה: Bourns‏)

חשוב גם לזכור את הקיבוליות וזרם הזליגה. קיבוליות גבוהה עלולה להפריע להעברת הנתונים במערכות PLC. הקיבוליות הנמוכה של מגן GMOV של Bourns של פחות מ-2 פיקו-פאראד (pF) ממזערת את עיוותי האותות כך שהיא אינה משפיעה משמעותית על העברת הנתונים על קווי החשמל.

למגני GMOV של Bourns יש גם זרם זליגה של פחות מ-1 מיקרואמפר (µA). למרות שזליגה עשויה להיראות כמו עניין של מה בכך, היא מצטברת ביישומים בסדר-גודל של עיר. לדוגמה, ביישום תאורת רחוב עם זרם זליגה של 10 מיקרואמפר ומכפיל של מיליון פנסי רחוב באזור עירוני טיפוסי, הפסדי האנרגיה עקב זרם זליגה הופכים להיות משמעותיים.

סיכום

הופעתה של תשתית אנרגיה חכמה - המאופיינת ברשתות חכמות, מונים חכמים ותאורת רחוב חכמה - הביאה לקדמת הבמה את הצורך במערכות תקשורת אמינות, חסכוניות ויעילות. כפי שהוצג, PLC הוא אופציה מתאימה, במיוחד כאשר היא נתמכת על ידי שנאי PLC ומגני GMOV מיוחדים כדי להבטיח את איכות ואמינות האותות, וכדי להגן מפני טרנזיינטים או נחשולי מתח, תוך מזעור זרם הזליגה.

מיאון אחריות: דעות, אמונות ונקודות מבט המובעות על ידי מחברים שונים ו/או משתתפי פורום באתר אינטרנט זה לא בהכרח משקפות את הדעות, האמונות ונקודות המבט של חברת DigiKey או את המדיניות הרשמית של חברת DigiKey.