Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: nghiên cứu và mô phỏng thiết bị chống sét lan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên mạng máy tính và đường dây điện thoại cho giáo dục đào tạo chuyên nghiệp

• Tác giả: Đỗ Bình Dương
• Người hướng dẫn: TS. Quyền Huy Ánh
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Thiết Bị Mạng Và Nhà Máy Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Mô Phỏng Thiết Bị Chống Sét Lan Truyền Trên Mạng Máy Tính Và Đường Dây Điện Thoại
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Bị Chống Sét Lan Truyền

Thiết bị chống sét lan truyền là các thiết bị bảo vệ quan trọng nhằm ngăn chặn hiện tượng sét và các xung điện áp quá độ lan truyền trên mạng máy tính và đường dây điện thoại. Hiện nay, các thiết bị truyền dữ liệu đã trở nên rất nhạy cảm với các xung điện áp và quá độ. Các IC chip ngày càng nhỏ và có điện áp hoạt động thấp nên dễ bị hỏng hóc bởi các xung điện áp chỉ khoảng 20V. Mô phỏng thiết bị chống sét giúp hiểu rõ cơ chế hoạt động và hiệu quả bảo vệ của các thiết bị này. Các nghiên cứu của IEEE cho thấy các quá độ cảm ứng do sét trong hệ thống điện thoại thường khoảng vài kV với xung dòng ít khi vượt quá 1kA. Sét là nguồn gây quá độ thường gặp nhất trong các hệ thống máy tính và viễn thông hiện đại.

1.1. Khái Niệm Sét Lan Truyền

Sét lan truyền xảy ra khi năng lượng sét khổng lồ tạo ra các quá độ ở các hệ thống lân cận. Dòng sét có thể chạy trong các dây dẫn do sét đánh hay đi vào cáp ngầm qua các dòng điện tần trong đất. Vì đường dây điện thoại thường dùng chung trụ, chung tuyến hay chung cọc nối đất với đường dây AC nên thường xuyên xuất hiện các dòng điện cảm ứng trên dây Tip và Ring.

1.2. Nguồn Gây Quá Độ Điện Áp

Các quá độ điện áp có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau: cảm ứng do sét, cảm ứng do đường dây AC, phóng điện tĩnh điện ESD. Mô phỏng các loại quá độ này giúp thiết kế hệ thống bảo vệ hiệu quả. Mặc dù thời gian tác động là rất ngắn nhưng chúng có năng lượng rất lớn, đủ để phá hủy các thiết bị điện tử nhạy cảm.

II. Phân Loại Quá Độ Trên Đường Dây Điện Thoại

Các quá độ điện áp hay dòng điện thường xảy ra trên đường dây điện thoại ở hai dạng chính. Quá độ longitudinal là quá độ giữa dây Tip, Ring với đất, trong khi quá độ metallic xảy ra giữa dây Tip và Ring. Hiểu rõ sự khác biệt giữa hai loại quá độ này là nền tảng quan trọng để thiết kế thiết bị chống sét lan hiệu quả. Cơ sở hạ tầng viễn thông, đặc biệt là hệ thống 2 dây thường đi ngoài trời rất dễ bị tác động bởi các nguồn nhiễu. Điện áp hàng trăm, hàng ngàn volt tạo ra do quá độ làm hỏng các thiết bị viễn thông hay các máy tính. Theo thống kê, một số ít xung sét có cường độ có thể vượt quá 200kA, các giá trị này thường được sử dụng khi nghiên cứu sét đánh trực tiếp.

2.1. Quá Độ Longitudinal

Quá độ longitudinal được định nghĩa là quá độ xảy ra giữa dây Tip-Ring với dây đất. Loại quá độ này thường có giá trị cao và công suất lớn do được truyền từ các dây dẫn bên ngoài. Các thiết bị bảo vệ cần có khả năng chịu đựng công suất lớn để ngăn chặn loại quá độ này.

2.2. Quá Độ Metallic

Quá độ metallic là quá độ xảy ra giữa dây Tip và dây Ring. Loại quá độ này thường có giá trị thấp hơn quá độ longitudinal nhưng vẫn có thể gây hỏng hóc các IC nhạy cảm. Mô phỏng quá độ metallic giúp thiết kế mạch bảo vệ thích hợp cho các thiết bị máy tính.

III. Các Loại Thiết Bị Bảo Vệ Chống Sét

Các thiết bị bảo vệ chống sét thường chia ra làm hai loại: bảo vệ quá áp và bảo vệ quá dòng. Các thiết bị bảo vệ quá áp thường dùng là GDT (Gas Discharge Tube), MOV (Metal Oxide Varistor), TVS zener và Thyristor. Các thiết bị bảo vệ quá dòng là cầu chì và PPTC (Polymeric PTC). Hiện nay, Thyristor và PPTC là các phần tử bán dẫn bảo vệ tin cậy nhất trong các thiết bị điện tử viễn thông. Các bộ bảo vệ thường chia làm 2 loại: bảo vệ thứ cấp và bảo vệ sơ cấp. Các bộ bảo vệ sơ cấp có khả năng chịu công suất lớn hơn nhiều so với các bộ bảo vệ sơ cấp tuy nhiên chúng có ngưỡng tác động kém chính xác hơn.

3.1. Gas Discharge Tube GDT

GDT (Gas Discharge Tube) là các ống phóng khí thường có dạng 2 cực và 3 cực. Các điện cực được giữ ở khoảng cách gần nhau và đặt trong ống có đầy khí. Khi có điện áp cao đặt vào giữa các điện cực vượt quá giá trị định mức thì khí bên trong bị ion hóa. GDT có thời gian đáp ứng khá chậm nhưng có thể giải thoát công suất lớn.

3.2. Metal Oxide Varistor MOV

MOV (Metal Oxide Varistor) là thiết bị bảo vệ quá áp phổ biến với đặc tính phi tuyến. Khi điện áp vượt quá ngưỡng, MOV có khả năng kìm giữ điện áp ở mức an toàn. MOV có ưu điểm là phản ứng nhanh, kích thước nhỏ và giá thành rẻ. Tuy nhiên, MOV dễ bị hao mòn theo thời gian và cần thay thế định kỳ.

IV. Phương Pháp Mô Phỏng Và Đánh Giá Hiệu Quả

Mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền là bước quan trọng để kiểm chứng hiệu quả bảo vệ trước khi triển khai thực tế. Phương pháp mô phỏng giúp dự báo hành vi của các thiết bị bảo vệ dưới tác động của các xung sét khác nhau. Các bộ bảo vệ sơ cấp thường lắp đặt ở tổng đài hoặc tại đầu vào của tòa nhà và thường là tài sản của công ty cung cấp dịch vụ. Các bộ bảo vệ thứ cấp thường lắp ở phía khách hàng thuê bao. Mô phỏng bảo vệ thứ cấp thường bao gồm cả bảo vệ quá dòng và quá áp. Qua mô phỏng, các kỹ sư có thể tối ưu hóa thiết kế mạch, chọn lựa linh kiện thích hợp và đảm bảo độ tin cậy cao cho hệ thống.

4.1. Các Phương Pháp Mô Phỏng Hiện Đại

Mô phỏng số sử dụng các phần mềm chuyên dụng để mô hình hóa các thiết bị bảo vệ. Các công cụ mô phỏng như SPICE, PSPICE giúp phân tích chi tiết hành vi mạch dưới tác động của các xung quá độ. Mô phỏng tính toán kết hợp các mô hình toán học chính xác của các phần tử bảo vệ để dự báo điện áp, dòng điện và năng lượng tiêu hao.

4.2. Tiêu Chuẩn Đánh Giá Hiệu Quả Bảo Vệ

Tiêu chuẩn đánh giá bao gồm khả năng kìm giữ điện áp, thời gian phản ứng, công suất chịu được và độ bền lâu dài. Các thiết bị chống sét lan truyền cần đạt được các tiêu chuẩn quốc tế như ITU-T K.20, K.21 để đảm bảo bảo vệ hiệu quả cho hệ thống viễn thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: MẠNG LAN 1.1 GIÔÙI THIEÄU Mạng LAN laø moät maïng maùy tính toác ñoä cao keát noái caùc maùy tính trong moät phaïm vi töông ñoái nhoû. Noù chuû yeáu duøng keát noái caùc maùy traïm, caùc maùy tính caù nhaân, caùc maùy in vaø moät soá thieát bò khaùc. Maïng LAN cho pheùp ngöôøi söû duïng maùy tính nhieàu thuaän tieän nhö truy caäp döõ lieäu chung vôùi caùc thieát bò vaø öùng duïng, trao ñoåi caùc taäp tin vaø truyeàn thoâng giöõa caùc ngöôøi duøng qua mail hoaëc caùc öùng duïng khaùc.2 CAÙC PHÖÔNG PHAÙP TRUYEÀN DÖÕ LIEÄU Truyeàn döõ lieäu trong maïng lan coù 3 phöông phaùp laø : - Unicast transmission: moät goùi döõ lieäu ñöôïc göûi töø nguoàn ñeán ñích trong moät maïng. Tröôùc tieân nuùt nguoàn ñònh vò cho goùi döõ lieäu baèng vieäc söû duïng ñòa chæ nuùt ñích.

Sau ñoù, goùi döõ lieäu ñöôïc göûi leân maïng vaø cuoái cuøng maïng chuyeån goùi döõ lieäu tôùi ñích. - Multicast transmission: bao goàm moät goùi döõ lieäu ñôn ñöôïc copy vaø göûi tôùi moät nhoùm con caùc nuùt treân maïng. Tröôùc tieân, nuùt nguoàn ñònh vò cho goùi döõ lieäu baèng nhieàu ñòa chæ. Sau ñoù, goùi döõ lieäu ñöôïc ñöa leân maïng ñeå sao cheùp vaø caùc baûn sao cheùp tôùi moãi nuùt trong maïng con.

- Broadcast transmission: Moät goùi döõ lieäu ñöôïc copy vaø göûi tôùi taát caû caùc nuùt treân maïng. Trong phöông phaùp truyeàn naøy nuùt nguoàn ñònh vò cho goùi döõ lieäu baèng ñòa chæ taát caû caùc nuùt trong maïng. Sau ñoù, goùi döõ lieäu ñöôïc ñöa leân maïng ñeå sao cheùp vaø caùc baûn sao cheùp tôùi taát caû caùc nuùt trong maïng. Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 7 Chöông1 Giôùi thieäu maïng LAN 1.3 CAÁU TRUÙC MAÏNG Caáu truùc cuûa maïng Lan ñöôïc xaùc ñònh theo caùch maø caùc thieát bò ñöôïc keát noái vôùi nhau trong maïng.

Hieän coù 4 daïng caáu truùc laø: bus, ring, start, tree. Caùc caáu truùc maïng naøy laø caùc caáu truùc logic, nhöng caùc thieát bò thöïc khoâng caàn phaûi coù keát noái vaät lyù nhö caùc caáu truùc naøy. Caáu truùc bus laø moät caáu truùc maïng Lan tuyeán tính trong ñoù vieäc truyeàn döõ lieäu töø caùc traïm maïng lan truyeàn tôùi taát caû caùc traïm khaùc vôùi chieàu daøi ñöôøng truyeàn trung bình.2 Caáu truùc maïng daïng bus Caáu truùc maïng daïng ring laø caáu truùc goàm moät chuoãi caùc thieát bò keát noái noái tieáp vôùi nhau baèng caùc lieân keát truyeàn ñôn höùôùng ñeå taïo thaønh moät voøng kín Hình 1.3 Caáu truùc maïng daïng ring Caáu truùc maïng daïng start laø moät caáu truùc maø ñieåm keát noái cuoái cuøng ñöôïc keát noái tôùi moät hub trung taâm, moät coâng taéc hay moät keát noái. Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 8 Chöông1 Giôùi thieäu maïng LAN Caáu truùc maïng daïng caây gaàn gioáng caáu truùc daïng bus, ngoaïi tröø caùc nhaùnh coù theå coù nhieàu nuùt.4 Caáu truùc maïng daïng caây 1.4 CAÙC THIEÁT BÒ TRONG MAÏNG LAN Caùc thieát bò trong maïng lan thöôøng dunøg laø caùc boä laëp(repeater), caùc hub, caùc boä môû roäng maïng lan (Lan extender), caùc chuyeån maïch vaø caùc router.

Trong phaïm vi ñeà taøi chæ giôùi thieäu veà repester vaø lan extender. Moät boä laëp repeater laø thieát bò thuoäc lôùp vaät lyù ñöôïc duøng ñeå keát noái trung gian caùc ñoaïn maïng laïi vôùi nhau khi môû roäng maïng. Caùc repeater nhaän tín hieäu töø caùc ñoaïn maïng vaø khueách ñaïi, truyeàn laïi caùc tín hieäu naøy tôùi caùc ñoaïn maïng khaùc. Caùc hoaït ñoäng naøy ngaên caûn tín hieäu bò suy giaûm do chieàu daøi caùp vaø soá löôïng lôùn caùc thieát bò keát noái.

Ngoaøi ra, taát caû caùc tín hieäu ñieän bao goàm caû caùc nhieãu ñieän cuõng nhö caùc loãi khaùc seõ ñöôïc laëp laïi vaø khueách ñaïi.5 Vai troø cuûa repeater Lan extender laø coâng taéc ña taàng truy xuaát töø xa (remote access) cho pheùp keát noái tôùi maùy chuû. Lan extender khoâng theå phaân ñoaïn caùc truyeàn thoâng hay taïo ra Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 9 Chöông1 Giôùi thieäu maïng LAN böùc töôøng löûa. Hình döôùi minh hoïa moät soá Lan extender keát noái tôùi maùy chuû qua WAN Hình 1.6 Caùc Lan extender keát noái tôùi host qua WAN Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 10 Chöông 2 Ñöôøng daây ñieän thoaïi Chương 2: ÑÖÔØNG DAÂY ÑIEÄN THOAÏI 2.1 GIỚI THIỆU Maùy ñieän thoaïi söû duïng doøng ñieän ñeå truyeàn taûi thoâng tin cuûa aâm thanh. Toång ñaøi göûi tôùi caùc maùy ñieän thoaïi moät doøng ñieän oån ñònh.

Khi noùi chuyeän thì doøng ñieän töø toång ñaøi seõ thay ñoåi. Söï thay ñoåi naøy lieân heä tröïc tieáp ñeán söï thay ñoåi cuûa aùp suaát khoâng khí do ngöôøi noùi taïi micro. Bôûi vì caùc maùy ñieän thoaïi chia seû chung moät doøng ñieän toång, do ñoù khi noùi chuyeän thì söï thay ñoåi cuûa doøng ñieän ôû maùy naøy cuõng laøm thay ñoåi doøng ñieän ôû maùy kia. Doøng ñieän maø caùc maùy ñieän thoaïi nhaän ñöôïc töø toång ñaøi laáy töø nguoàn 48V.

Ñieän aùp - 48Vdc ñöôïc göûi tôùi caùc maùy ñieän thoaïi qua caùc ñieän trôû vaø cuoän daây (giaù trò caùc ñieän trôû khoaûng töø 2k ñeán 4k maéc noái tieáp vôùi nguoàn Pin).1 Sô ñoà phaùc hoïa ñöôøng daây ñieän thoaïi Ñieän aùp 48V ñöôïc choïn söû duïng bôûi vì ñoù laø ñieän aùp vöøa ñuû ñeå daãn ñi nhieàu Km treân caùc daây ñieän thoaïi maø vaãn ôû möùc thaáp vöøa ñuû ñeå baûo ñaûm an toøan (theo quy ñònh cuûa nghaønh ñieän nhieàu nöôùc thì ñieän aùp döôùi 50V ñöôïc coi laø an toøan). Maët khaùc 48V cuõng coù theå deã daøng coù ñöôïc khi duøng caùc bình acqui axit chì (4 x12V). Caùc nguoàn aéc qui naøy ñöôïc söû duïng ôû caùc toång ñaøi ñeå ñaûm baûo chaéc chaén heä thoáng vaãn hoaït ñoäng khi coù söï coá töø ñöôøng daây caáp nguoàn AC, vaø ñöa ra moät ñieän aùp raát oån ñònh giuùp cho caùc maïch trong toång ñaøi hoaït ñoäng tin Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 11 Chöông 2 Ñöôøng daây ñieän thoaïi caäy. Ñieän aùp treân ñöôøng daây ñieän thoaïi ñöôïc choïn aâm ñeå laøm cho caùc phaûn öùng hoùa ñieän treân daây ñieän thoaïi bò öôùt seõ ít nguy haïi hôn.2 Nguyeân lyù giao tieáp ñöôøng daây ñieän thoaïi ñieån hình Khi maùy ñieän thoaïi ôû traïng thaùi chôø thì ñieän aùp daây Tip laø 0V vaø daây Ring khoaûng -48V so vôùi ñaát.

Khi nhaác maùy seõ xuaát hieän doøng ñieän vaø daây Tip trôû thaønh aâm vaø daây Ring trôû neân döông (ít aâm hôn). Traïng thaùi ñieån hình khi nhaác maùy laø Tip khoaûng 20V vaø Ring khoaûng -28V. Coù nghóa laø cheâch leäch khoaûng 8V giöõa 2 daây trong ñieàu kieän hoaït ñoäng bình thöôøng. Ñieän trôû DC cuûa maïch ñieän thoaïi khoaûng töø 200 ñeán 300 Ohm vaø doøng ñieän chaïy qua maùy töø 20-50mA.

Khi caùc daây coù ñieän theá aâm hôn so vôùi ñaát thì caùc ion kim loïai di chuyeån töø ñaát tôùi daây thay vì ñieän theá döông seõ laøm cho caùc ion kim loïai töø daây chaïy xuoáng ñaát vaø nhö vaäy seõ laøm giaûm söï baøo moøn. Moät soá nöôùc söû duïng ñieän aùp töø 36V tôùi 60V. Caùc toång ñaøi PBX coù theå duøng ñieän aùp thaáp 24V vaø ñieän theá döông thay vì ñieän theá aâm ñöôïc duøng trong caùc maïng ñieän thoaïi thoâng thöôøng vì ñieän theá döông thöôøng ñöôïc söû duïng trong nhieàu maïch ñieän töû do ñoù deã taïo ra vaø cöïc tính trong ñöôøng daây vieãn thoâng ñi trong moâi tröôøng toøa nhaø khoâng phaûi laø vaán ñeà quan troïng. Maùy ñieän thoaïi chæ coù 2 daây laø Tip vaø Ring chuùng mang caû 2 tín hieäu loa vaø micro.

Chöùc naêng naøy cho pheùp göûi vaø nhaän tín hieäu aâm thanh moät caùch ñoàng thôøi vaø heä thoáng ñöôïc thieát keá sao cho maïch caân baèng ôû caû 2 ñaàu vaø chia taùch tín hieäu aâm ñeán vaø ñi nhôø moät maïch tích hôïp trong maïch giao tieáp maïng cuûa maùy. Maïch giao tieáp maïng cuûa maùy ñieän thoaïi noái micro vaø loa tôùi ñöôøng daây ñieän thoaïi. Maïch naøy ñöôïc thieát keá sao cho noù chæ göûi doøng ñieän thay ñoåi tôùi maùy ñieän thoaïi khaùc qua taùc ñoäng cuûa loa. Doøng ñieän thay ñoåi naøy khoâng ñöôïc ñöa tôùi loa cuûa chính maùy ñoù.

Ñieàu naøy ñöôïc thöïc hieän nhôø vieäc phoái hôïp toång trôû toát Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 12 Chöông 2 Ñöôøng daây ñieän thoaïi 2.2 BAÊNG THOÂNG CUÛA ÑÖÔØNG DAÂY ÑIEÄN THOAÏI Ñöôøng daây ñieän thoaïi ôû Myõ vaø chaâu Aâu thöôøng coù daûi baêng taàn laø 3kHz. Moät ñöôøng daây ñieän thoaïi thoâng thöôøg coù taàn soá töø 400Hz ñeán 3. Đaùp öùng taàn soá ñöôïc giôùi haïn toái ña ôû 3.4 kHz laø bôûi vì giôùi haïn cuûa caùc phaàn töû trong heä thoáng ñieän thoaïi nhö : caùc tuï ñieän vaø bieán aùp, chuùng coù theå coù kích thöùôc nhoû hôn vaø moät lyù do nöõa maø khoâng duøng taàn soá thaáp hôn vì coù theå aûnh höôûng tôùi taàn soá nguoàn (50/60Hz vaø soùng haøi cuûa chuùng) laøm taùc ñoäng tôùi tín hieäu aâm thanh tai nghe.3 MAÏNG ÑIEÄN THOAÏI COÂNG COÄNG PSTN (PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK) Maïng ñieän thoaïi ñôn giaûn nhaát chæ goàm 2 maùy vaø moät nguoàn Pin cung caáp cho 2 maùy : Hình 2.3 Maïng ñieän thoaïi ñôn giaûn nhaát Ñoái vôùi maïng ñieän thoaïi naøy chæ duøng cho muïc ñích quaân söï hay caùc heä thoáng lieân keát ñaëc bieät Vieäc noái keát theâm nhieàu maùy ñieän thoaïi seõ taïo ta moät maïng löôùi ñieän thoaïi höõu ích hôn. Caùc ñieän thoaïi noái vôùi nhau qua moät toång ñaøi (Central Office : CO), toång ñaøi cung caáp caùc keát noái, chuyeån maïch, nguoàn….ñöôøng daây ñieän thoaïi noái moãi maùy ñieän thoaïi tôùi toång ñaøi ñöôïc goïi laø caùc thueâ bao (Subcriber hay loop, local).4 Maïng ñieän thoaïi cuïc boä (local) Tuy nhieân, maïng ñieän thoaïi cuïc boä naøy khoâng theå thöïc hieän caùc cuoäc goïi theo vuøng hay cuoäc goïi giöõa caùc toång ñaøi.

Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 13 Chöông 2 Ñöôøng daây ñieän thoaïi Ñeå thöïc hieän ñöôïc cuoäc goïi giöõa caùc toång ñaøi thì caàn phaûi coù ñöôøng truïc noái caùc toång ñaøi vôùi nhau.5 Ñöôøng truïc noái caùc toång ñaøi CO. Ñuôøng truïc noái keát caùc toång ñaøi khi môùi xuaát hieän chæ thöïc hieän ñöôïc moãi laàn moät cuoäc goïi. Sang theá kyû 20, ngöôøi ta môùi thöïc hieän ñöôïc khaû naêng ña hôïp mieàn taàn soá FDM (Frequency Domain Multiplexing) taïi CO cho pheùp ñöôøng daây coù theå mang 24 tín hieäu aâm cuøng luùc. FDM troän caùc tín hieäu aâm vaø sau ñoù chia baêng thoâng 96kHz ra thaønh 24 daûi taàn soá baèng nhau moãi daûi 4kHz, moãi daûi taàn soá naøy mang tín hieäu moät cuoäc goïi.

Ñeå thöïc hieän caùc cuoäc goïi ñöôøng daøi, ngöôøi ta keát noái theo sô ñoà: Hình 2.6 Sô ñoà noái keát caùc cuoäc goïi ñöôøng daøi Hoïc vieân : Ñoã Bình Döông Trang 14 Chöông 2 Ñöôøng daây ñieän thoaïi Tuy nhieân vôùi phöông phaùp truyeàn tín hieäu analog thì chaát löôïng cuoäc goïi seõ raát keùm khi truyeàn ñi xa vì chuùng thöôøng bò meùo daïng hoaëc maát tín hieäu do aûnh höôûng cuûa caùc nhieãu gaây ra. Caùc nguoàn nhieãu coù theå laø caùc ñoäng cô, maùy moùc coâng nghieäp, seùt, ñeøn phoùng ñieän … Hình 2.