A Jeltovábbí­tás Zavarvédelmi Kérdései

A villamos berendezések valamennyien elektromágneses zavarforrások és egyben zavaroknak kitett eszközök. A jelenségre gyûjtõ néven elektromágneses kompatibilitásként szoktak hivatkozni (EMC). Az épületautomatikában számos - igen különbözõ - teljesí­tményszintû villamos berendezés mûködik együtt. Szerzõ: Baán László

A Jeltovábbí­tás Zavarvédelmi KérdéseiA villamos berendezések valamennyien elektromágneses zavarforrások és egyben zavaroknak kitett eszközök. A jelenségre gyûjtõ néven elektromágneses kompatibilitásként szoktak hivatkozni (EMC). Az épületautomatikában számos - igen különbözõ - teljesí­tményszintû villamos berendezés mûködik együtt. Ehhez még hozzá kell vennünk az adott épület használata közben kialakuló zavarviszonyokat is, valamint az esetenként, nem üzemszerûen fellépõ (de azért jól ismert) jelenségeket (zárlatok, villám stb.). Mivel napjainkban a berendezések jelentõs része (a telefonközponttól a folyadékhûtõkig) mikroprocesszoros vezérlõkkel vannak felszerelve, amelyeknek a mûködési frekvenciája a MHz-es tartományba esik, valamint a különbözõ frekvenciaváltók, szünetmentes áramforrások, kapcsoló üzemû tápegységek stb. által keltett nagy energiájú zavarjelek szintén ebbe a tartományba esnek, nem közömbös az, hogy hogyan fog viselkedni egy rendszer nagyfrekvenciás szempontból miután elkészül, és milyenek lesznek a valós zavarviszonyok.

A továbbí­tott jelekre az átvitel során számos veszély leselkedik. A cél az, hogy a szabályozó berendezés (DDC) bemenetére érkezõ vagy onnan kiinduló jelnek az a paramétere, amelyik az információt hordozza, sértetlen maradjon. Ezt természetesen csak egy elõre specifikált pontosságon belül várhatjuk el. Másik fontos követelmény az, hogy a szélsõséges túlfeszültségek, túláramok hatását mérsékeljük. Ilyenkor már nem az a cél, hogy fenntartsuk az üzemet, “csak” az, hogy a szélsõséges állapotok megszûnése után tovább mûködhessen a rendszer, vagy ha már ez sem biztosí­tható, akkor legalább a hiba tovaterjedését kell megakadályozni. Ezekben az esetekben (helyes szerelést és tervezést feltételezve) elsõsorban a készülékek konstrukcióján múlik mi is fog történni. Sajnos a DDC és egyéb elektronikus készülékek elõállí­tási költségeinek csökkentésére az egyik legegyszerûbb módszer a zavarszûrõk, különféle védelmek, galvanikus leválasztó fokozatok elhagyása. Ezek hiányában viszont egy-egy rendkí­vüli eseményt jelentõs, - nem garanciális - javí­tás követhet.

Zavarforrások

Mielõtt rátérnénk arra, hogy milyen jeleket is szeretnénk továbbí­tani, meg fogjuk vizsgálni azokat a pontokat, ahol idegen eredetû energia bejuthat a jelzésátviteli áramköreinkbe. Itt kell azonban megjegyezni, hogy az épületben mûködõ egyéb berendezések szempontjából éppen az épületautomatika jelei lehetnek a zavarjelek, ezért törekedni kell arra is, hogy a kisugárzott zavarszintet minimalizáljuk. Különösen fontos lehet ez érzékeny erõsí­tõkkel dolgozó berendezések közelében, pl. hangtechnikai, kórháztechnikai eszközök mellett.

Az 1. ábra azt mutatja be, amikor a kábelünkkel párhuzamosan lefektetett kábelbõl kapacití­v csatolás útján jut át energia. Ebben az esetben az átjutó zavarszint a zavaró és a zavart áramkör közötti feszültséggel arányos. Hatása leginkább a kikapcsolások alkalmával jelentkezõ induktí­v 
feszültséglökések alkalmával jelentkezik.

A 2. ábra az induktí­v csatolás esetét mutatja be. Itt az átcsatolt energia a zavaró áramkörben folyó áramerõsséggel arányos. Ez pl. indí­tási vagy zárlati áram kialakulása alatt lehet különösen jelentõs. A két vizsgált áramkör közötti távolság növelésével az induktí­v és kapacití­v csatolásokból eredõ hatásokat drasztikusan csökkenteni lehet. Ezért van igen nagy jelentõsége az épületekben kialakí­tott (erõátviteli kábelektõl meghatározott távolságra vezetett) gyengeáramú nyomvonalaknak.

A 3. ábrán látható eset talán a legnehezebben tetten érhetõ. Valamennyien találkozhattunk már ezzel a jelenséggel, amikor pl. a rádiótelefon közelében egyes elektronikus berendezések furcsán kezdtek viselkedni, de ilyen zavaró elektromágneses teret kelthet akár egy mágneskapcsoló is. Ebben az esetben a zavaró jel sugárzás útján jut be az áramkörünkbe. Mivel gyakorlatilag minden vezeték egyben antennaként viselkedik, ezért ki van téve ennek a jelenségnek. Az érzékeny elektronikus áramköröket pl. árnyékoló lemezekkel védik ellene. Ezt megtehetjük a jelzésátviteli vonalakkal is: árnyékolt kábel használatával. Az árnyékolás védelmet nyújthat több zavartí­pus ellen is, ha a használatával kapcsolatban betartunk néhány szabályt. A kábel árnyékolása maga is vezetõ, ráadásul körbeveszi a jelvezetékeket. Ezért gondoskodni kell róla, hogy ne folyhasson benne áram, mert akkor egy igen jó hatásfokú zavaró áramkörhöz jutunk! Hogyan történhet meg ez? Úgy, hogy pl. a kábel árnyékolás mindkét végét hozzákötik az (érintésvédelmi célból létrehozott) EPH rendszerhez (4. ábra), azt gondolva, hogy annak minden pontja mindig egy potenciálon van, pedig az is egy véges ellenállással rendelkezõ vezetõ. Ráadásul többnyire ez az épület legnagyobb hálózata, amely össze is gyûjti számunkra a nagyobb frekvenciás zavarjeleket.
A mérõ, vezérlõ és adatátviteli áramkörök behálózzák az egész épületet. Ezeknek (hacsak nem szimmetrikus áramkörrõl van szó) az egyik vezetõje mérési vagy logikai föld pont. általános szabály az, hogy a földelési hálózatokat “csillag” struktúrában kell kiképezni (5. ábra), azaz nem keletkezhetnek hurkok, mert a zavarforrások ezekben a hurkokban képesek áramot indukálni, és ez a kábelek ohmos ellenállása miatt a bemeneti pontokon meghamisí­thatja a feszültségszinteket. Szélsõséges esetben akár tönkre is teheti a végberendezéseket.

Analóg jelátvitel

Az analóg szabályozók korában szinte csak ezzel az átviteli móddal találkozhattunk, de jelentõsége napjainkban sem csökkent, mivel számos terepi készülékkel a kapcsolatunk csak analóg úton lehetséges, (pl. a klasszikus nyomás és hõmérséklet távadók). A jelzések átvitelére számos szabványos jelszintet specifikáltak, (pl. 2..10V, 4..20mA) ahol az elsõ szám a minimális, mí­g a második a maximális értelmezett jelszintet jelenti. A két érték között helyezkedik el az üzemi tartomány. A minél zavar mentesebb mûködést két úton érhetjük el: 
1, gondoskodunk róla, hogy minél kisebb idegen forrásból származó energia kerüljön be a jelzésátviteli áramkörbe. 
2, a lehetõ legnagyobb jelszinttel visszük át a hasznos jelet, azaz biztosí­tjuk, hogy a hasznos jel mindig jóval a “zavarszint felett” legyen.
Mivel lassan változó jelekrõl van szó, igen hatékony szûréssel lehet védekezni a már bejutott zavarok ellen (pl. az 50Hz-es hálózati “brumm” elnyomása sem okoz különösebb nehézséget). Egyetlen komoly akadályt kell leküzdeni, és ez a vezeték ohmos ellenállása. Emiatt nagyobb távolságok áthidalása esetén nagyobb keresztmetszetû vezetéket alkalmaznak.

Digitális jelátvitel

A digitális átvitel különbözõ formáit (ld. a sorozat elõzõ cikkét) elterjedten alkalmazzák.
Ezek elõnyei közé tartozik, hogy ki lehet alakí­tani busz rendszereket, ahol egy vonalra több készülék csatlakoztatható valamint ugyanazon a vonalon a készülékek számos jelzést, adatot képesek átvinni, jelentõsen csökkentve ezzel a kábelezési költségeket és a hibalehetõségek számát. Viszont e vonalak kiesése több hibát okoz egyszerre (pl. egy adatátviteli vonali zárlat megbéní­tja az összes, e vonalra kapcsolt DDC berendezés kommunikációját.) Lehetõség van ugyan arra, hogy az adatátvitel során a keletkezett hibákat kijaví­tsa a DDC rendszer, de ennek feltétele, hogy az átvitel valamilyen hibaaránnyal azért mûködjön. Ezért nagyon fontos, hogy a zavaroktól, túlfeszültségtõl jól védve legyen az adatátviteli út. Az sem elhanyagolható szempont, hogy a választott kábel mechanikai kialakí­tásának is igazodni kell a telepí­tési hely támasztotta követelményekhez, mivel egy ilyen hálózatot hosszú éveken át biztonságosan kell tudni üzemeltetni. Különösen figyelni kell a kötési helyek kiválasztása, kivitelére.

Alapvetõen minden jeltovábbí­tást - í­gy a digitálisat is - leghelyesebb analóg jelzésátvitelnek tekinteni oly módon, hogy figyelembe vesszük a szükséges sávszélességet is. Ez azt jelenti, hogy meg kell vizsgálni, mi az a legnagyobb frekvenciájú jelkomponens, amelyet még át kell tudni vinni az adatátviteli hálózaton. Ha pl. egy digitális berendezés 9600bit/s sebességgel kommunikál, akkor a hálózatnak legrosszabb esetben is át kell tudnia vinni a 4800Hz frekvenciájú jelet, méghozzá legfeljebb olyan állapotban, hogy a vételi oldalon még biztonságosan vehetõ legyen a jel. A példánkban szereplõ berendezés tehát legalább egy jó minõségû telefon áramkör paramétereit igényli.

Egyre magasabb adatátviteli sebességek választásával mind inkább elõtérbe kerülnek a kábelnek azok a jellemzõi, amelyek az alacsony frekvenciás tartományban (pl. 50Hz-en) vagy egyenáramú jel továbbí­tása esetén elhanyagolhatóak voltak. Ilyen pl. a kábel kapacitása, induktivitása. Néhányszor tí­z kHz-es tartomány felett már ezek a járulékos veszteségek a meghatározóak és olyan mértékûek lesznek, hogy a jeltovábbí­tás már csak speciális kábeleken történhet. Azokkal is csak az adott tí­pusnak megfelelõ frekvencia tartományban (és sebességgel). A kábelek kiválasztásánál fontos jellemzõ még a névleges hullámimpedancia (Z0), melynek meg kell egyezni a készülék által megkí­vánt értékkel. Ez általában 50..600?, egyszerû eszközökkel (pl. ohm-mérõvel) ez az érték sajnos nem határozható meg, katalógus adat. Jellemzõ adat a csillapí­tás. Ez a veszteségekbõl adódik, és a kábel hosszával nõ. Ez az egyik legjelentõsebb korlátja a kiépí­thetõ hálózatok méretének. (A csillapí­tást szenvedett jelnek egy meghatározott minimális szintet el kell érni a vételi ponton, a sikeres adatátvitel érdekében). Mivel a veszteségek a sebesség növelésével nõnek, ezért egyes rendszereknél találkozhatunk olyan adatokkal is, amelyek azt mutatják meg, hogy a hálózat maximum hány méter hosszú lehet adott sebesség (és csatlakoztatott készülékszám) mellett (pl. CAN BUS).

Milyen kábelt válasszunk?

Analóg jelek továbbí­tására zavarveszélyes környezetben árnyékolt kábelt alkalmazunk. Soha ne tegyünk mérési áramkörrel közös kábelbe mûködtetõ, erõátviteli vagy nagyobb jelszintû jelzõ áramkört. Az adatátviteli célra való kábelek rendszerint (a túl kis vezeték keresztmetszet miatt) nem alkalmasak analóg jelek átvitelére. Van a készülékeknek egy speciális csoportja, amelyek az adatátviteli kábelen keresztül kapják a mûködtetõ energiát is. Itt a készülék gyártójának elõí­rásait alaposan meg kell vizsgálni, mert az elõí­rhat speciális kábeltí­pust is...
Legfontosabb adatátviteli kábelek a sodrott érpáras kivitelûek, melyeket szimmetrikus vonalaknál használunk (pl. RS-485). A számí­tástechnikai célra gyártott (“UTP”) adatátviteli kábelek képességei megfelelnek az épületautomatika céljaira. Ha különösen jó zavarvédelmet kell biztosí­tani, akkor sodrott érpáras árnyékolt kábelt is alkalmazhatunk (“STP”). Amennyiben nem szimmetrikus meghajtást használó (pl. RS-232) digitális adatátviteli vonalat kell létesí­tenünk lehetõleg árnyékolt kábelt alkalmazzunk. értelem szerûen ez ne sodrott érpáras kábel legyen, mivel az egyes jelvezetékeknek itt nincsen szimmetrikus “párja”, ezért a páronkénti összesodrás csak ront a helyzeten. Az áramhurkos adatátvitelnél alkalmazhatunk sodrott érpárat. Célszerû olyan kábelt választani, amelyben a felhasznált vezetékek mellett maradnak szabad erek is, a késõbbi bõví­tés, javí­tás céljára. A teljesség kedvéért emlí­tjük meg, hogy egyes adatátviteli hálózatok valamint a videojelet (is) továbbí­tó rendszerek használnak (egyébként igen jó zavarvédelmet biztosí­tó) koaxiális kábelt. Ezeknél a hullámimpedancia egyeztetése különösen fontos.

A fenti rövid összefoglalóból is láthatjuk, hogy a megfelelõ minõségû jelátviteli rendszer megteremtésére nem egyszerû feladat, de számos eszköz kí­nálkozik a megoldásra, már csak élnünk kell ezekkel.

Szerzõ:Baán László