Zasilanie poprzez kabel sieciowy nie jest takie proste

Projektanci sieci Foundation Fieldbus mogą przeczytać w specyfikacji technicznej, że do realizacji zasilania urządzeń peryferyjnych przez kabel (skrętkę) w tym standardzie wymagany jest specjalny zasilacz przystosowany do tego celu. Z pewnością wiele osób zastanawia się, skąd wzięły się takie regulacje i czy zamiast specjalnej jednostki nie można użyć zwykłego zasilacza do zastosowań w przemyśle?

Specyfika zasilacza specjalizowanego

Zasilacz przeznaczony do sieci Fieldbus charakteryzuje się zrównoważoną wartością impedancji pomiędzy wszystkimi trzema zaciskami wyjściowymi, zapewniającą pełną symetrię jego pracy. W normalnych zasilaczach impedancja pomiędzy plusem napięcia wyjściowego a masą (obudową) zasilacza nie musi być równa impedancji pomiędzy minusem a obudową (rys. 1). Taka symetria nie jest priorytetem konstrukcyjnym, gdyż nie jest do niczego potrzebna, a uzyskać ją jest niełatwo i wymaga to specjalnych zabiegów.

Oprócz przekształtnika (przetwornicy) napięcia w zasilaczu jest wiele obwodów pomocniczych i zabezpieczających. Na wejściu znajduje się też filtr przeciwzakłóceniowy, który połączony jest z obudową zasilacza. Elementy te zaburzają symetrię impedancji wyjściowej, gdyż symetria musi dotyczyć nie tylko rezystancji wyjściowej, ale również pojemności wyjściowej składającej się na impedancję. Wymagania symetrii impedancji pomiędzy zaciskami wyjściowymi są pochodną konstrukcji sieci bazującej na dwużyłowym ekranowanym kablu oraz faktu, że urządzenia peryferyjne są zasilane za pomocą tego samego przewodu, którym przesyłane są dane.

Kabel sieciowy (skrętka) do zastosowań w przemyśle jest wyposażony w metalowy ekran zapobiegający przenikaniu zakłóceń i umożliwiający transmisję danych na dalekie odległości, znacznie przekraczające typowe 100m spotykane w produktach konsumenckich bazujących na Ethernecie. Ekran ten dołącza się do masy (obudowy) zasilacza, przez co sygnały transmitowane dwoma żyłami kabla, w tym również zasilanie, są symetrycznie rozłożone pod względem elektrycznym w stosunku do ekranu.

W tym momencie staje się jasne, że dołączenie do symetrycznej z natury sieci Fieldbus przypadkowego, niesymetrycznego zasilacza rozsymetryzuje ją. W efekcie mogą pojawić się problemy z uzyskaniem szybkiej transmisji na dalekich odległościach, gdyż symetria wszystkich sieci bazujących na okablowaniu skrętką jest podporządkowana minimalizacji zakłóceń. Pasożytnicze sygnały indukujące się w przewodach sieciowych odejmują się od siebie dzięki różnicowej transmisji sygnału.

Dla symetrycznego toru transmisji (kabla) poziom indukowanych zakłóceń w przewodzie idącym "tam" jest taki sam jak w "z powrotem" i tym samym zakłócenia kompensują się do zera. Rozsymetryzowanie sieci powoduje, że kompensacja zakłóceń w ten sposób jest niepełna, i na wejściu odbiornika pojawia się sygnał niepożądany nakładający się na transmitowane dane. Pojawiają się też przesłuchy będące skutkiem tego, że poziom napięć w parze przewodów skrętki nie będzie taki sam. Skutkiem jest oczywiście wzrost liczby błędów transmisji.

Dopasowanie falowe

Oprócz symetrii impedancji w zasilaczu prawidłowa realizacja zasilania urządzeń wymaga dopasowania falowego impedancji po stronie zasilacza i w urządzeniu na końcu sieci. Dołączenie bezpośrednie do kabla typowego 24-woltowego zasilacza, nawet doskonale symetrycznego, do przewodu sieciowego, uniemożliwiłoby transmisję danych. Specyfika zasilania przez kabel sieciowy wymaga nałożenia (zsumowania) napięcia zasilającego z sygnałem wysokiej częstotliwości, który jest zmodulowanym nośnikiem dla przesyłanych danych.

Takie zsumowanie musi być wykonane w sposób zapewniający izolację sygnału transmisji danych od stałego napięcia pochodzącego z zasilacza. Wysoka szybkość transmisji powoduje, że zakres częstotliwości sygnału w.cz. (tego z danymi) sięga od zera do kilkudziesięciu megaherców. Szerokie pasmo wymaga zapewnienia dopasowania falowego po obu stronach kabla, gdyż inaczej pojawią się oscylacje i odbicia sygnału uniemożliwiające transmisję.

Brak dopasowania falowego niesie ze sobą takie same skutki jak niesymetria, gdyż silnie ogranicza wydajność sieci oraz sprawia, że staje się ona podatna na wiele losowych czynników: ułożenie kabla, sygnały zakłócające np. z telefonów komórkowych, długość przewodu i podobne zjawiska niepożądane wynikające z pojawienia się w torze transmisyjnym fali stojącej, z węzłami i strzałkami napięcia. Separacja zasilacza od transmitowanych danych jest też konieczna dla zapewnienia jego poprawnej pracy.

Szybkozmienny sygnał w.cz. docierający do układów regulacyjnych w  zasilaczu jest w stanie zakłócić jego pracę, w tym jakość stabilizacji. Dlatego napięcie wyjściowe z zasilacza dołącza się do sieci za pośrednictwem układu separująco-dopasowującego (rys. 2). Składa się on z cewki indukcyjnej, która przewodzi dobrze prąd stały, ale stanowi przerwę dla sygnałów zmiennych związanych z transmitowanymi danymi oraz rezystora o oporności 50Ω, zapewniającego dopasowanie falowe. Pojedynczy układ niesymetryczny często zastępowany jest konstrukcją podwójną, która jest bardziej uniwersalna.

Taki układ rozdziela w sieci sygnał zasilania od danych i pozwala na dopasowanie niskiej oporności wewnętrznej zasilacza do wymaganej impedancji falowej kabla wynoszącej 50Ω. Musi on być stosowany zarówno po stronie nadawczej, a więc przy zasilaczu, jak i w każdym odbiorniku dołączonym do sieci. Oczywiście w praktycznych realizacjach coraz rzadziej element separujący składa się z cewki i rezystora; z uwagi na wymiary dławika i moc traconą w rezystorze elementy te są zastępowane przez żyrator (aktywną indukcyjność) i dopasowanie tranzystorowe.

Niemniej idea funkcjonalna jest za każdym razem taka sama. W przypadku, gdy sieć komunikacyjna ma złożoną strukturę, zawiera wiele gałęzi, podsieci, można wykorzystać jeden zasilacz wyposażony w wielokrotny obwód separujący pokazany na rysunku 3. Rozdziela on zasilanie do dwóch strumieni danych.