Schutz von Ethernet-Netzwerken vor Überlastereignissen

Da Ethernet immer mehr zum Rückgrat der industriellen Kommunikation wird, stellt die Anfälligkeit seiner Infrastruktur für Überlastungsereignisse, wie z. B. Blitzeinschläge, eine kritische Herausforderung dar. Solche Vorfälle können zu Erdschleifen und magnetisch gekoppelten Spannungen führen, die die Betriebstechnik lahm legen können.

Um die Systemintegrität und Funktionalität von mit dem Ethernet verbundenen Geräten aufrechtzuerhalten, wird eine robuste Lösung benötigt, um empfindliche Elektronik vor zerstörerischen Energieübertragungen zu schützen.

Dieser Artikel beschreibt kurz, wie sich Überspannungen auf elektronische Systeme auswirken. Anschließend werden Schutzkomponenten von Analog Devices vorgestellt und es wird gezeigt, wie sie zur Abschwächung von Überspannungsereignissen eingesetzt werden können.

Wie sich Überspannungsereignisse auf elektronische Systeme auswirken

Überspannungsereignisse können durch verschiedene Faktoren ausgelöst werden, wobei Blitze die dramatischsten und zerstörerischsten sind. Selbst in mehreren Kilometern Entfernung kann ein Blitzeinschlag Erdschleifen und magnetisch gekoppelte Spannungen in elektronischen Systemen induzieren. Diese transiente Überspannung kann empfindliche Elektronik beschädigen und kritische Abläufe stören.

Die Auswirkungen von Überspannungsereignissen auf elektronische Systeme gehen über vorübergehende Fehlfunktionen hinaus. Diese energiereichen Übertragungen können irreversible Schäden an den Schaltkreisen verursachen, was zu kostspieligen Reparaturen und Systemausfallzeiten führt. In Ethernet-Netzwerken können Überspannungsereignisse die Netzwerkhardware und die angeschlossenen Geräte beschädigen, was zu Datenverlusten, verminderter Systemleistung und sogar zu kompletten Systemausfällen führen kann.

Die Anfälligkeit der Ethernet-Infrastruktur für Überspannungsereignisse ergibt sich aus ihrer großen Reichweite und ihrer Vernetzungsstruktur. Da Ethernet-Kabel über große Entfernungen verlegt werden, nehmen sie elektromagnetische Störungen aus der Umgebung auf, einschließlich induzierter Spannungen und Ströme aus einem Überspannungsereignis, und erreichen Geräte, die scheinbar vom Ort der Überspannung isoliert sind (Abbildung 1a).

Abbildung 1: Eine ungeschützte Ethernet-Installation ist anfällig für Überspannungsereignisse, die durch empfindliche elektronische Geräte fließen (a), aber die Verwendung von Überspannungsschutzmethoden wie Schutzebenen kann einen sicheren Pfad für Überspannungsströme ermöglichen (b). (Bildquelle: Analog Devices)

Es müssen robuste Überspannungsschutzmaßnahmen implementiert werden, um empfindliche Elektronik vor diesen hohen Energieübertragungen zu schützen und so die Systemintegrität und -funktionalität zu gewährleisten. Dazu müssen kritische Punkte im Netz mit Überspannungsschutzkomponenten geschützt werden, die in der Lage sind, die überschüssige Energie von empfindlichen Bauteilen abzuleiten, entweder durch Erdung oder durch sichere Ableitung mit Hilfe von Techniken wie Schutzebenen (Abbildung 1b).

Um angeschlossenen Geräte vor Überspannungen zu schützen, wird auf fortschrittliche Designmethoden, wie z. B. Spannungsklemmung mit einem Überspannungsbegrenzer (TVS), Isolationsansätze, Hochfrequenzfilterung und andere Techniken gesetzt. Gleichzeitig erfordert ein erfolgreicher Überspannungsschutz die Kombination dieser Techniken mit speziellen Komponenten, einschließlich Ethernet-Physical-Layer-Komponenten (PHY), Controllern und Stromversorgungskomponenten, die für die Bewältigung der durch Überspannungsereignisse verursachten Belastungen ausgelegt sind.

Eine Reihe von Lösungen von Analog Devices wurde speziell zur Unterstützung von Überspannungsschutz-Designmethoden entwickelt und erfüllt gleichzeitig die speziellen Anforderungen an eine robuste Funktionalität in Geräten mit Ethernet-Anschluss.

Einbau von Überspannungsschutz in Ethernet-Netzwerke

Für Unternehmen, die von der herkömmlichen Kommunikation auf Ethernet-basierte Vernetzung umstellen, bietet die Einführung des 10BASE-T1L-Ethernet-Standards auf der physikalischen Ebene die kritische Verbindung, die benötigt wird, um Edge-Geräte an abgelegenen und gefährlichen Orten innerhalb der Fabrik mit dem IEEE 802.3cg-Standard für 10-Megabit-pro-Sekunde (Mbit/s) Single-Pair-Ethernet-Kabel (SPE) zu verbinden. Der ADIN1100 von Analog Devices wurde zur Unterstützung dieser Standards entwickelt und ist ein stromsparender Single-Port-Transceiver, der Ethernet-Vernetzung über Entfernungen von bis zu 1700 Metern (m) unterstützt. Der ADIN1100 verbraucht nur 39 Milliwatt (mW) und kombiniert eine umfassende Funktionsarchitektur mit einer Hardware-Schnittstelle, die den Anschluss eines Host-Prozessors an ein Ethernet-Netzwerk vereinfacht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der ADIN1100 bietet einen vollständigen 10BASE-T1L PHY, der den Übergang von Industriesystemen zu Ethernet-Netzwerken vereinfacht. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Überspannungsschutz des ADIN1100 mit integrierter Stromversorgungsüberwachung und Power-on-Reset-Schaltung (POR) trägt zur Robustheit des Systems bei und gewährleistet einen stabilen Betrieb auch unter unbeständigen Bedingungen. Mit dem Evaluierungsboard EVAL-ADIN1100-EBZ von Analog Devices kann die Performance des ADIN1100 schnell beurteilt werden und zusätzliche Überspannungsschutzmechanismen untersucht werden.

Neben LED-Statusanzeigen, Tasten und Schnittstellenanschlüssen bietet die Evaluierungsplatine Testpunkte, einen kleinen Prototyping-Bereich zur Untersuchung alternativer Kabelverbindungen und optionale Isolationstransformatoren oder Leistungskopplungsinduktivitäten (Abbildung 3).

Abbildung 3: Das EVAL-ADIN1100-EBZ ADIN1100 vereinfacht die Evaluierung der Performance des ADIN1100 und das Experimentieren mit Überspannungsschutzmechanismen. (Bildquelle: Analog Devices)

Industrielle Ethernet-basierte Gerätesteuerung

Der für industrielle SPE-Anwendungen konzipierte LTC9111 von Analog Devices ist ein IEEE802.3cg-kompatibler Single-Pair-Power-over-Ethernet(SPoE)-Gerätecontroller mit einem weiten Betriebsbereich von 2,3 bis 60 Volt. Das Gerät unterstützt das serielle Kommunikationsklassifizierungsprotokoll (SCCP) in Systemen, in denen das stromversorgte Gerät (PD) und das stromversorgende Gerät (PSE) Informationen über die erforderlichen Leistungsklassen austauschen.

Der LTC9111 unterstützt IEEE 802.3cg und ist so konstruiert, dass er die Auswirkungen von Überspannungsereignissen reduziert; beim Einsatz des Bausteins in überspannungsempfindlichen Anwendungen, kann jedoch eine Spannungsbegrenzungsdiode (z.B. eine TVS-Diode) integriert werden. Eine TVS-Diode in Kombination mit dem ADIN1100 bietet eine effektive Lösung für die Implementierung von SPoE-Lösungen, die über größere Entfernungen betrieben werden können (Abbildung 4).

Abbildung 4: In Kombination mit dem ADIN1100 vereinfacht der LTC9111 SPoE-Designs, da nur wenige zusätzliche Komponenten erforderlich sind, um die Stromversorgungsseite einer Industrial-Ethernet-Verbindung zu vervollständigen. (Bildquelle: Analog Devices)

SPoE-PSE-Controller

Für die Stromversorgungsseite einer 802.3cg-konformen Anwendung ist der LTC4296-1 ein SPoE-PSE-Controller mit fünf Anschlüssen, der für die Interoperabilität mit 802.3cg-PDs in 24- oder 54-Volt-Systemen ausgelegt ist. Der Baustein verfügt über einen Eingangsspannungsbereich von 6 bis 60 Volt und unterstützt eine Vielzahl von Schutzfunktionen, darunter die Verwendung externer n-Kanal-MOSFETs, eine analoge Strombegrenzung (ACL) mit Foldback-Funktion, einstellbare elektronische Unterbrecher für Source und Return und vieles mehr. Für einen zusätzlichen Überspannungsschutz kann eine TVS-Diode, wie z. B. die SMAJ58A von Littelfuse hinzugefügt werden, um Versorgungsspitzen abzuschwächen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Als Ergänzung zum PD-Controller LTC9111 vereinfacht der SPoE-Controller LTC4296-1 mit fünf Ports das Design der PSE-Seite einer Industrial-Ethernet-Verbindung. (Bildquelle: Analog Devices)

Mit dem Evaluierungskit EVAL-SPoE-KIT-AZ von Analog Devices können schnell Erfahrungen mit PSE-Controllern gesammelt werden. Mit dem Kit kann eine komplette IEEE802.3-konforme SPoE-Anwendung entwickelt werden. Es wird mit LTC4296-1- und LTC9111-basierten Hauptplatinen geliefert, die jeweils ADIN1100-basierte Plugin-Shields enthalten, die über ein SPE-Kabel angeschlossen werden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Das Evaluierungskit EVAL-SPoE-KIT-AZ enthält einen kompletten Satz von Boards und Kabeln zur Evaluierung einer SPoE-Anwendung, die auf den Controllern LTC4296-1 PSE und LTC9111 PD sowie einem ADIN1100 10BASE-T1L-Ethernet-PHY basiert. (Bildquelle: Analog Devices)

Der PSE-Controller LTC4296-1, der PD-Controller LTC9111 und der 10BASE-T1L-Ethernet-PHY-Baustein ADIN1100 ermöglichen die schnelle Implementierung von IEEE-802.3cg-kompatiblen SPoE-Lösungen; eine weitere Lösung von Analog Devices befasst sich mit dem Bedarf an aktiv geklemmten Reglern.

Aktiv-geklemmter PWM-Regler

Bei den Bausteinen der Serie MAX5974 von Analog Devices handelt es sich um aktiv geklemmte stromgeregelte Spreizspektrum-Pulsweitenmodulations(PWM)-Regler, die die Effizienz von Versorgungsquellen in PoE-PD-Anwendungen verbessern sollen. Die Bausteine der Serie MAX5974 werden in mehreren Varianten angeboten. Der MAX5974D ist beispielsweise für die Ausgangsregelung mit herkömmlicher Optokoppler-Rückkopplung ausgelegt. Im Gegensatz dazu ist der MAX5974B so konzipiert, dass er eine Ausgangsregelung ohne Optokoppler unterstützt, während der gekoppelte Drosselausgang den Versorgungseingang (IN) des Wandlers ableiten kann (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der MAX5974B von Analog Devices vereinfacht das Design von aktiv-geklemmten Wandlern, indem er Optokoppler in der Rückkopplung eliminiert und die Eingangsspannung (IN) des Wandlers vom Ausgang der gekoppelten Spule ableitet. (Bildquelle: Analog Devices)

Die in den MAX5974-Bausteinen integrierte Feedforward-Klemme mit maximaler Einschaltdauer stellt sicher, dass die maximale Klemmenspannung während transienter Bedingungen unabhängig von der Netzspannung bleibt. Die Fähigkeit der Komponente zur zyklusweisen Strombegrenzung trägt zum weiteren Schutz empfindlicher Elektronik bei. Wenn der Baustein feststellt, dass der Spitzenstromgrenzwert erreicht wurde und über eine bestimmte Dauer anhält, schaltet er den Gate-Drive-Ausgang des Hauptschalters (NDRV) und den Gate-Drive-Ausgang des aktiven Klemmenschalters (AUXDRV) vorübergehend ab, so dass der Überlaststrom abgebaut werden kann, bevor ein Sanftanlauf versucht wird.

Anwendung eines umfassenden Ansatzes für den Überspannungsschutz

Diese Produkte ermöglichen einen umfassenden Ansatz für den Überspannungsschutz in Ethernet-Netzwerken. Der ADIN1100 gewährleistet eine große Reichweite und einen geringen Stromverbrauch und dient als robuste Grundlage für das Netzwerk. Die Controller LTC9111 und LTC4296 arbeiten zusammen, um die Stromversorgung zu steuern und vor Überspannungen sowohl auf PD- als auch auf PSE-Ebene zu schützen. Der MAX5974 ergänzt diesen Aufbau, indem er eine effiziente Leistungswandlung gewährleistet und die potenzielle Energieverschwendung bei Überspannungsereignissen reduziert.

Durch den koordinierten Einsatz dieser Produkte kann der Überspannungsschutz von Ethernet-Netzwerken erheblich verbessert werden. Dieser integrierte Ansatz schützt die Hardware und gewährleistet eine ununterbrochene Kommunikation und Betriebskontinuität.

Fazit

Ethernet bietet erhebliche Vorteile für die industrielle Kommunikation, aber lange Kabelwege machen empfindliche elektronische Geräte anfällig für Überlastschäden. Mit einer Reihe von Komponenten und Entwicklungsressourcen von Analog Devices können schnell Ethernet-Verbindungen implementiert werden, die den Auswirkungen von Überlastereignissen standhalten.