Zvýšení odolnosti binárních vstupů vůči rušení
20. 12. 2019 | Ing. Jiří Ullsperger, MBA | HDL Automation s.r.o. | www.hdl-automation.cz
Snad každý elektromontér se setkal se situací, kdy potřebuje připojit k modulu binárních vstupů vzdálený kontakt, jenže v budově už je položen jakýsi kabel, ne ten správný stíněný, který je obvykle vyžadován k připojení kontaktu. Ano, následující téma se týká elektronických modulů na jejichž vstup lze připojit kontakt, nejčastěji tzv. bezpotenciálový kontakt.
Využití bývá velmi různorodé. Může jít např. o čtení stavu hladiny, o kontakt plynových kotlů, které indikuje určitý stav kotle atd. Kontakty jako vstupy se vyskytnou i v systémech tzv. inteligentní elektroinstalace, kde často zajišťují možnost ovládat systém z klasických kontaktních ovladačů nebo jde o koncové spínače stavu oken a dveří. Všechny zmíněné případy spojuje nárok na účinně odrušené připojení kontaktu ke vstupu elektronického modulu, což vede k požadavku kabelu spíše krátkého, mimo souběh se silovými kabely a pokud možno stíněného. Není vyloučeno, že v příznivých podmínkách na vzdálenosti i více metrů bude připojení fungovat správně i po kabelu bez stínění. Pokud ne, nastává otázka, jak dosáhnout připojení nerušeného, což obvykle vyústí v nutnost položit další, tentokrát správný kabel se stíněním.
Nabízí se však alternativní řešení spočívající ve zvýšení odolnosti samotného vstupu proti rušení tak, aby bylo možné použít stávající, byť zarušený kabel. Řešení spočívá ve snížení impedance vstupu. Čím vyšší je impedance, tím nižší proudová spotřeba vstupu, ovšem vyšší citlivost na případná rušivá napětí indukovaná do přívodního kabelu. Nižší impedance způsobí utlumení parazitních napětí indukovaných do vedení. Praktické provedení ukážeme na připojení kontaktu k modulu bezpotenciálových vstupů MS24.232 řady Buspro značky HDL. Uvedený modul je součástí řady přístrojů Buspro pro automatizaci budov, jinak tzv. chytrých domů a používá se konkrétně ke čtení stavu dveřních nebo okenních koncových spínačů, vypínačů, kontaktů relé.
Vstupní impedance vstupů modulu MS24.232 je 1 000 Ω. Cílem je snížit impedanci přibližně třikrát, což je v zapojení na obr. 1 provedeno přidáním rezistorů R1 a R2. Samo připojení R2 mezi svorky GND a vstup IN impedanci vstupu účinně sníží, ovšem bez současného připojení R1 by došlo ke snížení napětí na vstupu IN proti zemi, což by jednotka chybně vyhodnotila jako sepnutí kontaktu. Tomu zabraňuje R1, který pokles napětí kompenzuje. R1 a R2 tak spolu tvoří napěťový dělič, přičemž hodnotu R1 je třeba zvolit tak, aby napětí v bodu spojení mezi R1 a R2 se rovnalo napětí, které naměříme na svorce IN proti GND naprázdno. To zajistí, že doplněné rezistory nijak neovlivní ani nepoškodí elektroniku vstupu IN (v uvedeném případě jednotky MS24.232 jsou hodnoty rezistorů R1= 1 600 Ω a R2= 430 Ω/0,5 W).
Uvedeme způsob výpočtu, který umožní zvolit jinou hodnotu impedance pro vyšší nebo nižší zarušení kabelu, případně jiné parametry vstupu. Ilustrační výpočet je proveden pro již uvedený příklad jednotky HDL-MS24.232.
1. Zjistit impedanci vstupu. Jednoduchá a pro daný účel dostatečná metoda spočívá ve změření napětí vstupu naprázdno proti GND a proudu vstupu proti GND nakrátko, obojí běžným multimetrem. Naměřené hodnoty jsou Ui0=5 V, IinK=5 mA. Vstupní impedance tedy: Rin≈ Xin=5 V/5 mA = 1 kΩ.
2. Podle míry zarušení kabelu a signálu v něm zvolíme násobek snížení impedance, např. 3×, tedy 333 Ω. Výraznější snížení povede ke kvalitnějšímu odrušení, ovšem rovněž ke zvýšenému odběru energie přídavnými rezistory.
3. Podmínka, aby výsledná impedance byla 333 Ω, viz bod 2:
Pozn.: Rezistory R1 a R2 se chovají jako by byly zapojeny paralelně, protože R1 je připojený na Ucc (viz obr.1) a impedanci napájecího zdroje (tj. impedanci mezi svorkami Uss a GND) lze považovat za nulovou.
Obr. 1. Zapojení přídavných rezistorů ke snížení impedance
4. Podmínka, aby dělič napětí R1 a R2 poskytoval 5 V:
5. Vyřešením soustavy rovnic a) a b) vyjde R1 = 1600 Ω a R2 = 420 Ω. V normalizované řadě rezistorů vyhovují nejlépe hodnoty 1k6 a 430 Ω.
6. Určení ztrátového výkonu rezistorů:
Je zřejmé, že více zatížený bude R1 (při stejném proudu je na něm vyšší úbytek napětí) a to ve stavu sepnutí kontaktu, kdy se na něm objeví plných 24 V. Kontrolu tedy provedeme podle něj.
Ztrátový výkon
Dostačovat tedy bude řada rezistorů se ztrátou 0,5 W. Praktické provedení na obr. 2.
Obr. 2. Modul HDL-MS24.232 obsahuje 24 vstupů pro bezpotenciálové kontakty; na příkladu jsou dva vzdálené kontakty připojeny kabelem CYKY-J, který nemá stínění, proto je vstup IN24 ošetřen přídavnými rezistory
Závěrem je třeba zdůraznit, že uvedený postup je řešením z nouze, nicméně funkčním. Výhoda je zřejmá, ušetří pracný a někdy nemožný zásah do kabeláže. Nevýhodou je zvýšená spotřeba energie, z 25 mW (v případě modulu MS24.232) na vícenásobek. To u jednoho nebo menšího počtu vstupů nevadí, při větším počtu možná ano. Například v případě 20 vstupů takto ošetřených vyjde přídavná spotřeba elektroniky cca 7 W. Při montáži v rozváděči je třeba věnovat péči správnému připojení a umístění přídavných rezistorů tak, aby nemohlo dojít k nežádoucímu doteku mezi jejich přívody a jinými potenciály, a to zejména potenciály nízkého napětí které se v rozváděči obvykle vyskytují také. Pečlivé označení vodičů je v tomto případě o to důležitější, že kabel nízkého napětí je použit k připojení zařízení napětí malého. Obecně je třeba dodržet podmínky normy ČSN EN 61439-3 Rozváděče nízkého napětí, Rozvodnice určené k provozování laiky.
O výrobcích HDL Buspro více na https://b2b.hdl-automation.cz/cz a https://www.hdl-automation.cz/.