Nghiên cứu và mô phỏng thiết bị chống sét lan truyền trên mạng máy tính và đường dây điện thoại

LỜI CẢM ƠN

T
ôi xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS.
Quyền Huy Ánh, người Thầy đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những
tài liệu quan trọng, đònh hướng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình
tôi nghiên cứu để hoàn thành cuốn luận văn này.

Tôi cũng xin cảm ơn q Thầy Cô trong Bộ môn Điện – Điện Tử thuộc
Trung Tâm Việt Đức Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật đã động viên, góp ý
và tạo điều kiện tối đa cho tôi thực hiện luận văn này.

Trong suốt quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được những lời
hỏi thăm, sự động viên nhiệt tình của các anh chò học viên trong lớp Cao Học
khóa 1 ngành thiết bò mạng và nhà máy điện, các bạn đồng nghiệp và gia đình.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện để tôi có thể
hoàn thành tốt luận văn này.



Học viên thực hiện


Mục lục

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 1
MỤC LỤC


Trang


Mục lục

1



Chương
Mở đầu


I.
Đặt vấn đề
4

II
Giới thiệu các phần tử bảo vệ
5

III
Giới hạn đề tài
6
Chương 1
Mạng LAN

1.1
Giới thiệu
7

1.2
Các phương pháp truyền dữ liệu
7

1.3
Cấu trúc mạng LAN
8

1.4
Các thiết bò trong mạng LAN
9
Chương 2
Đường dây điện thoại


2.1
Giới thiệu
11

2.2
Băng thông của đường dây điện thoại
13

2.3

Mạng điện thoại công cộng PSTN
13
Chương 3
Phần tử bảo vệ GDT


3.1
Giới thiệu
18

3.1.1
Bảo vệ điện thoại/fax/modem
18

3.1.2
Bảo vệ đường dây tín hiệu
18

3.1.3
Các dạng mạch bảo vệ
19

3.2
Cấu trúc GDT
20

3.3
Các thông số kỹ thuật chính
22

3.4
Nguyên lý bảo vệ
23

3.5
Trạng thái đáp ứng
25
Chương 4
Điốt Zener – Zener TVS


4.1
Chất bán dẫn và cơ chế dẫn điện
27

4.1.1
Mạng tinh thể và liên kết hoá trò
27

4.1.2
Bán dẫn loại N và bán dẫn loại P
28

4.1.3
Mối nối P-N ở trạng thái cân bằng
29

4.2.4
Mối nối P-N khi có điện áp ngoài
30

4.2
Đặc tính V-I của điốt Zener
30

4.2.1
Đặc tính thuận một chiều
32

4.2.2
Đặc tính đánh thủng
33

4.3
Trở kháng Zener
33

4.4
Hệ số nhiệt độ
35

4.5
Công suất suy hao
35
Mục lục

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 2

4.6

Điện dung của Zener
36

4.7
Zener triệt xung áp lan truyền (Zener TVS)
37

4.7.1
Giới thiệu
37

4.7.2
Các thông số cơ bản
38

4.7.3
Đặc tính kẹp điện áp
38

4.7.4
Công suất xung đỉnh – ảnh hưởng của nhiệt độ
41

4.7.5
Dung kháng
43
Chương 5
Mô tả TSPD

5.1
Tổng quát về Thyristor
44

5.2
Cấu tạo và hoạt động
44

5.3
Các thông số chính
45

5.4
Hoạt động của TSPD
46

5.5
Cấu tạo của TSPD
46

5.6
Mô hình của TSPD dùng cho mô phỏng
47
Chương 6
Các tiêu chuẩn viễn thông


6.1
Tiêu chuẩn GR 1089
48

6.1.1
Các kiểm tra đối với thiết bò bảo vệ quá áp
48

6.1.2
Kiểm tra xung sét cấp thứ nhất
50

6.1.3
Kiểm tra xung sét cấp thứ 2
50

6.1.4
Kiểm tra bộ giới hạn dòng
50

6.2
Tiêu chuẩn ITU-T K20 và K21
51

6.3
Tiêu chuẩn TIA-968-A (FCC part 68)
52

6.3.1
Kiểm tra các quá áp
52

6.3.2

Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring (Metallic)
52

6.3.3
Xung áp giữa 2 dây Tip và Ring với đất
(Longitudinal)
53

6.4
Tiêu chuẩn UL60950
53
Chương 7
Bảo vệ và phối hợp các phần tử bảo vệ


7.1
Bảo vệ quá áp
55

7.2
Bảo vệ quá dòng
56

7.3
Bảo vệ sơ cấp
57

7.4
Bảo vệ thứ cấp
58

7.5
Phối hợp bảo vệ
58
Chương 8
Bảo vệ mạng Lan – Wan và đường dây điện thoại


8.1
Bảo vệ mạng Lan – Wan
64

8.1.1
Giới thiệu
64

8.1.2
Bảo vệ mạng 10Base-T
65

8.1.3
Bảo vệ mạng 100Base-T
66

8.2
Bảo vệ đường dây điện thoại
66

8.2.1
Tổng quát

66

8.2.2
Điện trở dây Tip và Ring
67
Mục lục

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 3

Chương 9

Mạch phát xung sét


9.1
Xung sét quy đònh theo tiêu chuẩn
69

9.1.1
Đònh nghóa đối với thử nghiệm bằng điện áp
xung sét
69

9.1.2
Đònh nghóa đối với thử nghiệm bằng dòng điện
xung sét
70

9.1.3

Dạng sóng xung tắt dần
70

9.2
Mô hình mạch phát xung sét
71
Chương 10
Kết quả mô phỏng


10.1
Các dạng xung sét chuẩn
75

10.1.1
Xung sét thử theo tiêu chuẩn K20 và K21
75

10.1.2
Xung sét thử theo tiêu chuẩn TIA-968
76

10.1.3
Xung sét thử theo tiêu chuẩn GR-1089
77

A
Bảo vệ thứ cấp đường dây điện thoại bằng
TSPD
78

10.2
Cách thức tiến hành mô phỏng
79

10.3
Kết quả mô phỏng theo sơ đồ bảo vệ số 1
80

10.4
Kết quả mô phỏng theo sơ đồ bảo vệ số 2
85

10.5
Kết quả mô phỏng theo sơ đồ bảo vệ số 3
88

10.6
Nhận xét kết quả bảo vệ bằng TSPD
89

B
Bảo vệ sơ cấp đường dây điện thoại bằng GDT
91

10.7
Các sơ đồ bảo vệ mạng Lan
93

10.7.1

Mạng Lan 10Base-T
93

10.7.2
Mạng Lan 100Base-T
94
Chương Kết luận và đề nghò
96
Tài liệu tham khảo

98



Chương mở đầu

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 4

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Ngày nay các thiết bò truyền dữ liệu nói chung đã trở nên rất dễ nhạy cảm
với các xung điện áp và các quá độ. Các IC, chip ngày càng nhỏ và có điện áp
hoạt động thấp nên chúng rất dễ bò hư hỏng bởi các xung điện áp. Một số có thể
bò hư hỏng với xung điện áp chỉ khoảng 20V. Có nhiều nguồn gây ra các xung
điện áp quá độ tác động vào đường truyền như cảm ứng do sét, cảm ứng do
đường dây AC, phóng điện tónh điện ESD. Mặc dù thời gian tác động là rất ngắn

nhưng chúng có năng lượng rất lớn. Cơ sở hạ tầng viễn thông, đặc biệt là hệ
thống 2 dây thường đi ngoài trời rất dễ bò tác động bởi các nguồn nhiễu trên, đặc
biệt là do sét và cảm ứng do sét. Năng lượng rất lớn của sét sẽ tạo ra các quá độ
ở các hệ thống lân cận. Những tình huống này truyền đi khi sét đánh tạo ra các
quá độ lan truyền rất nhanh trong hệ thống điện thoại hay mạng máy tính. Điện
áp hàng trăm, hàng ngàn vôn tạo ra do quá độ làm hư hỏng các thiết bò viễn
thông hay các máy tính. Theo thống kê thì một số ít xung sét có cường độ có thể
vượt quá 200kA, các giá trò này thường được sử dụng khi nghiên cứu sét đánh
trực tiếp. Các nghiên cứu của IEEE cho thấy các quá độ cảm ứng do sét trong hệ
thống điện thoại thường khoảng vài kV và xung dòng ít khi quá 1kA.
Các xung sét là nguồn gây quá độ thường gặp nhất trong các hệ thống
máy tính hay viễn thông. Dòng sét có thể chạy trong các dây dẫn do sét đánh
hay đi vào cáp ngầm qua các dòng điện tản trong đất. Bởi 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 có giá trò có thể đo được
trên dây Tip và Ring. Các quá độ điện áp hay dòng điện thường xảy ra trên
đường dây điện thoại ở hai dạng đó là: quá độ giữa dây Tip, Ring với đất
(longitudinal) và quá độ xảy ra giữa dây Tip và Ring (metallic).
Các bộ bảo vệ thường chia làm 2 loại là bảo vệ thứ cấp và bảo vệ sơ cấp.
Các bộ bảo vệ sơ cấp có khả năng chòu công suất lớn hơn nhiều so với các bộ
bảo vệ sơ cấp tuy nhiên chúng có ngưỡng tác động kém chính xác hơn. 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 dòch vụ, các bộ bảo vệ thứ cấp thường lắp ở phía
khách hàng thuê bao. Các bộ bảo vệ thứ cấp thường bao gồm cả bảo vệ quá
dòng và quá áp.




Chương mở đầu

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 5
II. GIỚI THIỆU CÁC PHẦN TỬ BẢO VỆ
Các thiết bò bảo vệ thường chia ra làm 2 lọai là bảo vệ quá áp và bảo
vệ quá dòng. Các thiết bò bảo vệ quá áp thường dùng là GDT (Gas
Discharge Tube), MOV (Metal Oxide Varistor), TVS zener và Thyristor.
Các thiết bò bảo vệ quá dòng là cầu chì và PPTC (Polymeric PTC). Hiện
nay, các Thyristor và PPTC là các phần tử bán dẫn bảo vệ tin cậy nhất
trong các thiết bò điện tử viễn thông. Dưới đây giới thiệu tóm tắt một số
đặc điểm về các phần tử bảo vệ này:

 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 trò đònh mức thì khí bên trong bò ion hóa và xuất hiện
dòng điện chạy qua các điện cực. trạng thái không dẫn (off) thì
điện trở của ống phóng khí rất cao, nhưng khi dẫn giá trò điện trở
này giảm xuống. Các GDT có thời gian đáp ứng khá chậm nhưng
có thể giải thoát một năng lượng xung khá lớn và có điện dung khá
nhỏ từ 1 đến 1,2pf. Tuy nhiên chúng thường bò hư hỏng sau vài
trăm lần tác động.
 MOV (Metal Oxide Varistor) là phần tử bảo vệ thông dụng, rẻ tiền,
bền và khả năng dẫn dòng năng lượng lớn mà không hư hỏng. Tuy
nhiên sau mỗi lần MOV tác động thì khả năng của chúng bò suy
giảm. Chúng có đáp ứng chậm hơn các phần tử bảo vệ bằng bán
dẫn.
 TVS diode (Transient Voltage Suppressor Diode) là các diode được
chế tạo đặc biệt dùng cho bảo vệ quá áp. Chúng có đặc tính là điện

áp hoạt động và điện áp kẹp thấp, thời gian đáp ứng khá nhanh khi
tác động.
 TSPD (Thyristor Surge Protective Device) là phần tử bảo vệ có cấu
tạo bán dẫn tin cậy nhất hiện nay. Chúng được dùng nhiều trong
các thiết bò điện tử viễn thông dùng cho các mục đích bảo vệ quá
áp. Chúng gồm có 2 cực có khả năng dẫn dòng xung lớn khi có quá
áp quá độ giữa hai cực.
 PPTC là phần tử dùng bảo vệ quá dòng trong mạch bằng việc tăng
giá trò điện trở khi xảy ra quá áp quá độ. Chúng có hai ưu điểm lớn
là: bảo vệ không gây quá nhiệt trên các điện trở đường dây và khi
tác động giới hạn dòng không gây hở mạch. Và khi hết quá độ giá
trò điện trở của chúng trở lại bình thường (self resetting)
 Cầu chì: khi xảy ra quá dòng thì cầu chì sẽ đứt và làm hở mạch để
bảo vệ thiết bò. Chúng rất dễ kiểm tra và thay thế khi bò đứt, chúng
Chương mở đầu

Học viên : Đỗ Bình Dương

Trang 6
là các phần tử ít nhạy cảm so với các linh kiện điện tử. Tuy nhiên
chúng có thời gian đáp ứng chậm hơn so với các phần tử bảo vệ bán
dẫn.

Trong hệ thống mạng điện thoại và máy tính thường dùng các phần tử bảo
vệ là GDT, TSPD, TVS diode, và PPTC hay cầu chì. Trong mạng điện thoại
điện áp bảo vệ của các thiết bò này thường từ 260V đến 350V. Mạng máy tính là
mạng truyền dữ liệu tốc độ cao nên cần chú ý đến điện dung của bản thân các
phần tử bảo vệ sinh ra có thể gây nhiễu và ảnh hưởng đến tốc độ truyền dữ liệu.
Để giảm điện dung của các phần tử bảo vệ bán dẫn người ta thường mắc thêm
các cặp diode song song và nối tiếp để giảm điện dung.

Khi sử dụng và thử nghiệm các phần tử bảo vệ này phải tuân theo các
tiêu chuẩn ITU-T K20, K21, Telcordia GR-1089, UL 60950 và TIA-968-A.

III GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Việc nghiên cứu và mô phỏng hành vi của các phần tử bảo vệ trên là hết
sức quan trọng. Tuy nhiên, do thời gian và trình độ có hạn nên phạm vi nghiên
cứu của đề tài chỉ thực hiện tìm hiểu về mặt lý thuyết các phần tử GDT, TVS
diode, TPSD , đặc điểm và biện pháp bảo vệ cho mạng máy tính và đường dây
điện thoại. Quá trình mô phỏng chỉ thực hiện khảo sát đáp ứng chống lại các
quá điện áp trên đường dây gây ra do xung sét lan truyền của các phần tử GDT
và TSPD bằng phần mềm Orcad/PSPICE.
Phần mô phỏng của đề tài thực hiện mô phỏng dựa trên các mô hình của
các phần tử GDT, TSPD và rút ra các nhận xét về đáp ứng của chúng đối với các
dạng xung sét chuẩn khác nhau. Các dạng xung sét chuẩn được tạo ra sử dụng
trong mô phỏng có các thông số theo các tiêu chuẩn đối với mạng máy tính và
viễn thông.
Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 7
Chương 1: MẠNG LAN
1.1 GIỚI THIỆU
Mạng LAN là một mạng máy tính tốc độ cao kết nối các máy tính trong
một phạm vi tương đối nhỏ. Nó chủ yếu dùng kết nối các máy trạm, các máy
tính cá nhân, các máy in và một số thiết bò khác. Mạng LAN cho phép người sử
dụng máy tính nhiều thuận tiện như truy cập dữ liệu chung với các thiết bò và
ứng dụng, trao đổi các tập tin và truyền thông giữa các người dùng qua mail
hoặc các ứng dụng khác.

Hình 1.1 mạng LAN

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN DỮ LIỆU
Truyền dữ liệu trong mạng lan có 3 phương pháp là :
- Unicast transmission: một gói dữ liệu được gửi từ nguồn đến đích trong
một mạng. Trước tiên nút nguồn đònh vò cho gói dữ liệu bằng việc sử
dụng đòa chỉ nút đích. Sau đó, gói dữ liệu được gửi lên mạng và cuối
cùng mạng chuyển gói dữ liệu tới đích.
- Multicast transmission: bao gồm một gói dữ liệu đơn được copy và gửi
tới một nhóm con các nút trên mạng. Trước tiên, nút nguồn đònh vò cho
gói dữ liệu bằng nhiều đòa chỉ. Sau đó, gói dữ liệu được đưa lên mạng
để sao chép và các bản sao chép tới mỗi nút trong mạng con.
- Broadcast transmission: Một gói dữ liệu được copy và gửi tới tất cả các
nút trên mạng. Trong phương pháp truyền này nút nguồn đònh vò cho
gói dữ liệu bằng đòa chỉ tất cả các nút trong mạng. Sau đó, gói dữ liệu
được đưa lên mạng để sao chép và các bản sao chép tới tất cả các nút
trong mạng.

Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 8
1.3 CẤU TRÚC MẠNG
C
ấu trúc của mạng Lan được xác đònh theo cách mà các thiết bò được kết
nối với nhau trong mạng. Hiện có 4 dạng cấu trúc là: bus, ring, start, tree. Các
cấu trúc mạng này là các cấu trúc logic, nhưng các thiết bò thực không cần phải
có kết nối vật lý như các cấu trúc này. Cấu trúc bus là một cấu trúc mạng Lan
tuyến tính trong đó việc truyền dữ liệu từ các trạm mạng lan truyền tới tất cả các
trạm khác với chiều dài đường truyền trung bình.

Hình 1.2 Cấu trúc mạng dạng bus


Cấu trúc mạng dạng ring là cấu trúc gồm một chuỗi các thiết bò kết nối nối tiếp
với nhau bằng các liên kết truyền đơn hứớng để tạo thành một vòng kín


















Cấu trúc mạng dạng start là một cấu trúc mà điểm kết nối cuối cùng được kết
nối tới một hub trung tâm, một công tắc hay một kết nối.

Hình 1.3 Cấu trúc mạng dạng ring
Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 9
Cấu trúc mạng dạng cây gần giống cấu trúc dạng bus, ngoại trừ các nhánh có
thể có nhiều nút.














1.4 CÁC THIẾT BỊ TRONG MẠNG LAN
Các thiết bò trong mạng lan thường dunøg là các bộ lặp(repeater), các hub,
các bộ mở rộng mạng lan (Lan extender), các chuyển mạch và các router.
Trong phạm vi đề tài chỉ giới thiệu về repester và lan extender.
Một bộ lặp repeater là thiết bò thuộc lớp vật lý được dùng để kết nối trung gian
các đoạn mạng lại với nhau khi mở rộng mạng. Các repeater nhận tín hiệu từ
các đoạn mạng và khuếch đại, truyền lại các tín hiệu này tới các đoạn mạng
khác. Các hoạt động này ngăn cản tín hiệu bò suy giảm do chiều dài cáp và số
lượng lớn các thiết bò kết nối. Ngoài ra, tất cả các tín hiệu điện bao gồm cả các

nhiễu điện cũng như các lỗi khác sẽ được lặp lại và khuếch đại.











Hình1.5 Vai trò của repeater

Lan extender là công tắc đa tầng truy xuất từ xa (remote access) cho phép kết
nối tới máy chủ. Lan extender không thể phân đoạn các truyền thông hay tạo ra


Hình 1.4 Cấu trúc mạng dạng cây
Chương1 Giới thiệu mạng LAN

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 10
bức tường lửa . Hình dưới minh họa một số Lan extender kết nối tới máy chủ qua
WAN

Hình 1.6 Các Lan extender kết nối tới host qua WAN

Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 11
Chương 2: ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI

2.1 GIỚI THIỆU

Máy điện thoại sử dụng dòng điện để truyền tải thông tin của âm thanh.
Tổng đài gửi tới các máy điện thoại một dòng điện ổn đònh. Khi nói chuyện thì
dòng điện từ tổng đài sẽ thay đổi. Sự thay đổi này liên hệ trực tiếp đến sự thay
đổi của áp suất không khí do người nói tại micro.
Bởi vì các máy điện thoại chia sẻ chung một dòng điện tổng, do đó khi nói
chuyện thì sự thay đổi của dòng điện ở máy này cũng làm thay đổi dòng điện ở

máy kia.
Dòng điện mà các máy điện thoại nhận được từ tổng đài lấy từ nguồn
48V. Điện áp - 48Vdc được gửi tới các máy điện thoại qua các điện trở và cuộn
dây (giá trò các điện trở khoảng từ 2k đến 4k mắc nối tiếp với nguồn Pin).
















Hình 2.1 Sơ đồ phác họa đường dây điện thoại


Điện áp 48V được chọn sử dụng bởi vì đó là điện áp vừa đủ để dẫn đi
nhiều Km trên các dây điện thoại mà vẫn ở mức thấp vừa đủ để bảo đảm an
tòan (theo quy đònh của nghành điện nhiều nước thì điện áp dưới 50V được coi là
an tòan). Mặt khác 48V cũng có thể dễ dàng có được khi dùng các bình acqui
axit chì (4 x12V). Các nguồn ắc qui này được sử dụng ở các tổng đài để đảm bảo
chắc chắn hệ thống vẫn hoạt động khi có sự cố từ đường dây cấp nguồn AC, và
đưa ra một điện áp rất ổn đònh giúp cho các mạch trong tổng đài hoạt động tin

Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 12
cậy. Điện áp trên đường dây điện thoại được chọn âm để làm cho các phản ứng
hóa điện trên dây điện thoại bò ướt sẽ ít nguy hại hơn.


Hình 2.2 Nguyên lý giao tiếp đường dây điện thoại điển hình

Khi máy điện thoại ở trạng thái chờ thì điện áp dây Tip là 0V và dây Ring
khoảng -48V so với đất. Khi nhấc máy sẽ xuất hiện dòng điện và dây Tip trở
thành âm và dây Ring trở nên dương (ít âm hơn). Trạng thái điển hình khi nhấc
máy là Tip khoảng 20V và Ring khoảng -28V. Có nghóa là chêch lệch khoảng
8V giữa 2 dây trong điều kiện hoạt động bình thường. Điện trở DC của mạch
điện thoại khoảng từ 200 đến 300 Ohm và dòng điện chạy qua máy từ 20-50mA.
Khi các dây có điện thế âm hơn so với đất thì các ion kim lọai di chuyển từ đất
tới dây thay vì điện thế dương sẽ làm cho các ion kim lọai từ dây chạy xuống
đất và như vậy sẽ làm giảm sự bào mòn.
Một số nước sử dụng điện áp từ 36V tới 60V. Các tổng đài PBX có thể dùng
điện áp thấp 24V và điện thế dương thay vì điện thế âm được dùng trong các
mạng điện thoại thông thường vì điện thế dương thường được sử dụng trong
nhiều mạch điện tử do đó dễ tạo ra và cực tính trong đường dây viễn thông đi
trong môi trường tòa nhà không phải là vấn đề quan trọng.
Máy điện thoại chỉ có 2 dây là Tip và Ring chúng mang cả 2 tín hiệu loa và
micro. Chức năng này cho phép gửi và nhận tín hiệu âm thanh một cách đồng
thời và hệ thống được thiết kế sao cho mạch cân bằng ở cả 2 đầu và chia tách tín
hiệu âm đến và đi nhờ một mạch tích hợp trong mạch giao tiếp mạng của máy.
Mạch giao tiếp mạng của máy điện thoại nối micro và loa tới đường dây điện

thoại. Mạch này được thiết kế sao cho nó chỉ gửi dòng điện thay đổi tới máy
điện thoại khác qua tác động của loa. Dòng điện thay đổi này không được đưa
tới loa của chính máy đó. Điều này được thực hiện nhờ việc phối hợp tổng trở tốt

Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 13

2.2 BĂNG THÔNG CỦA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN THOẠI
Đ
ường dây điện thoại ở Mỹ và châu u thường có dải băng tần là 3kHz.
Một đường dây điện thoại thông thườg có tần số từ 400Hz đến 3.4kHz. Đáp ứng
tần số được giới hạn tối đa ở 3.4 kHz là bởi vì giới hạn của các phần tử trong hệ
thống điện thoại như : các tụ điện và biến áp, chúng có thể có kích thứơc nhỏ
hơn và một lý do nữa mà không dùng tần số thấp hơn vì có thể ảnh hưởng tới tần
số nguồn (50/60Hz và sóng hài của chúng) làm tác động tới tín hiệu âm thanh tai
nghe.

2.3 MẠNG ĐIỆN THOẠI CÔNG CỘNG PSTN (PUBLIC SWITCHED
TELEPHONE NETWORK)
Mạng điện thoại đơn giản nhất chỉ gồm 2 máy và một nguồn Pin cung cấp
cho 2 máy :





Hình 2.3 Mạng điện thoại đơn giản nhất

Đối với mạng điện thoại này chỉ dùng cho mục đích quân sự hay các hệ thống
liên kết đặc biệt
Việc nối kết thêm nhiều máy điện thoại sẽ tạo ta một mạng lưới điện thoại hữu
ích hơn. Các điện thoại nối với nhau qua một tổng đài (Central Office : CO),
tổng đài cung cấp các kết nối, chuyển mạch, nguồn….đường dây điện thoại nối
mỗi máy điện thoại tới tổng đài được gọi là các thuê bao (Subcriber hay loop,
local).









Hình 2.4 Mạng điện thoại cục bộ (local)

Tuy nhiên, mạng điện thoại cục bộ này không thể thực hiện các cuộc gọi theo
vùng hay cuộc gọi giữa các tổng đài.


Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 14
Để thực hiện được cuộc gọi giữa các tổng đài thì cần phải có đường trục nối các
tổng đài với nhau.

Hình 2.5 Đường trục nối các tổng đài CO.

Đøng trục nối kết các tổng đài khi mới xuất hiện chỉ thực hiện được mỗi
lần một cuộc gọi. Sang thế kỷ 20, người ta mới thực hiện được khả năng đa hợp
miền tần số FDM (Frequency Domain Multiplexing) tại CO cho phép đường dây
có thể mang 24 tín hiệu âm cùng lúc. FDM trộn các tín hiệu âm và sau đó chia
băng thông 96kHz ra thành 24 dải tần số bằng nhau mỗi dải 4kHz, mỗi dải tần
số này mang tín hiệu một cuộc gọi.
Để thực hiện các cuộc gọi đường dài, người ta kết nối theo sơ đồ:

Hình 2.6 Sơ đồ nối kết các cuộc gọi đường dài



Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 15
Tuy nhiên với phương pháp truyền tín hiệu analog thì chất lượng cuộc gọi sẽ rất
kém khi truyền đi xa vì chúng thường bò méo dạng hoặc mất tín hiệu do ảnh
hưởng của các nhiễu gây ra. Các nguồn nhiễu có thể là các động cơ, máy móc
công nghiệp, sét, đèn phóng điện …

Hình 2.7 Các nguồn nhiễu

Đường dây điện thoại hấp thụ những nhiễu này và làm xấu tín hiệu cuộc gọi. Để
khuếch đại tín hiệu âm bò yếu, người ta dùng các bộ khuếch đại tín hiệu :













Hình 2.8 Khuếch đại tín hiệu

Các bộ khuếch đại tín hiệu đường dây (line amplifier) không những khuếch đại
tín hiệu mà còn khuếch đại luôn cả nhiễu. Với đường dây càng dài người ta phải
dùng càng nhiều bộ khuếch đại và rõ ràng đây không phải là giải pháp tốt.


Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 16
Để khắc phục những vần đề liên quan đến nhiễu và bộ khuếch đại, người ta đã
phát triển đường truyền tín hiệu số














Hình 2.9 Mạng truyền tín hiệu số

Hình trên mô tả một mạng truyền tín hiệu số đơn giản. Các tín hiệu số
gồm một chuỗi các xung, chúng là các tín hiệu rời rạc. Trong điều kiện lý tưởng
thì tại một thời điểm bất kỳ chỉ có thể có xung hoặc không có xung và không có
trạng thái lưng chừng. Tuy nhiên cũng như tín hiệu analog, các tín hiệu số cũng
chòu ảnh hưởng của các nhiễu, bò suy giảm, méo dạng. Tuy nhiên ở tín hiệu số
thì chúng có thể được hiệu chỉnh lại.

Hình 2.10 Bộ lặp số trên đường dây

Thay vì sử dụng các bộ khuếch đại khi nối kết đường dài thì ở truyền tín



Chương 2 Đường dây điện thoại

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 17

hiệu số người ta sử dụng các bộ lặp. Các bộ lặp không khuếch đại tín hiệu nhiễu
chúng chỉ tái tạo lại tín hiệu số. Khả năng tạo lại tín hiệu số ban đầu là điểm
khác biệt quan trọng nhất đối với truyền tín hiệu số với truyền tín hiệu analog.
Khả năng này cho phép truyền tín hiệu âm với khoảng cách rất lớn mà không
ảnh hưởng nhiều đến chất lượng cuộc gọi.













Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 18
Chương 3: Phần tử bảo vệ GDT
(GDT- GAS DISCHARGE TUBE)

3.1 GIỚI THIỆU
T
hiết bò cắt sét bằng khí hay còn gọi là ống phóng khí (GDT – Gas
Discharge Tube) cung cấp đủ các điều kiện bảo vệ bởi vì nó giới hạn quá điện
áp một cách nhanh chóng và an toàn tới cấp độ không xuất hiện mối nguy hại
nào.
Hiện nay, nhiều tỷ thiết bò cắt sét có ứng dụng ống phóng khí đang được sử dụng
trên toàn thế giới.
Việc ứng dụng ống phóng khí trong thiết bò cắt lọc sét nhằm bảo vệ tầng
đầu (Primary:sơ cấp) cho hệ thống thông tin liên lạc, cắt điện áp dư ở mọi đường
truyền dẫn từ khung phân phối chính trong tổng đài đến các trạm con. Tuy
nhiên, việc gia tăng số lượng dùng các loại máy Fax, Modems trong việc truyền
dẫn dữ liệu đã làm cho yêu cầu bảo vệ các phần tử điện tử nhạy cảm lắp trong
các thiết bò này tăng theo
Do đó, ống phóng khí được lắp ngay tại ngõ vào của hệ thống cấp nguồn,
kết hợp với biến trở và tại điểm kết nối đường dây thông tin.
Hiện nay, thiết bò cắt lọc sét trở nên cần thiết trong việc bảo vệ các trạm cơ
sở trong hệ thống thông tin với một số lượng rất lớn người kết nối, như mạng cáp
truyền hình (CATV), cùng với nhu cầu lớn về thiết bò cắt lọc sét cho các bộ lặp
(Repeaters) và hệ thống phân phối. Khái niệm hộp đen (Black-box) tích hợp đã
dẫn đến ý tưởng bảo vệ bằng việc kết hợp ống phóng khí, biến trở, điện trở
nhiệt PTC, Diode zener TVS và cuộn dây để hình thành giải pháp cho nhiều ứng
dụng.

Hình 3.1 GDT lọai 2 cực GDT lọai 3 cực


3.1.1 Bảo vệ điện thoại/fax/modem
Điện thoại, fax và modem là những thiết bò tăng nhanh về số lượng và mức
độ điện tử tinh vi phức tạp. Trong trường hợp quá điện áp, ống phóng khí bảo vệ
cả hai đường dây tổng đài bằng cách dẫn nhanh dòng điện sét xuống đất.



Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 19
3.1.2 Bảo vệ đường dây tín hiệu
Đường dây tín hiệu thường đi không tiếp đất. Một ống phóng khí hai cực
mắc cục bộ giữa hai cực của đường dây tín hiệu ngăn chặn việc tạo nên sự khác
biệt điện áp rộng tại ngõ vào của thiết bò để bảo vệ trước khi nó có thể gây bất
cứ nguy hiểm nào.
Ống phóng khí đặc biệt thích hợp để bảo vệ cho đường cáp đồng trục trong
mạng cáp truyền hình (CATV), cũng như nó không làm nhiễu hệ thống ngay cả ở
tần số cao nhờ nó có điện dung bản thân thấp từ 1pF đến 1,2pF. Ống phóng khí
được chứa trong khối bảo vệ đồng trục, trong đó ống phóng khí được kết nối

giữa dây dẫn trung tâm và vỏ bọc.
3.1.3 Các dạng mạch mạch bảo vệ
Theo mạch cơ bản minh họa cấu trúc tiêu chuẩn của cắt lọc sét dùng để
bảo vệ những cụm thông tin liên lạc. Giải pháp bảo vệ ba điểm chỉ bao gồm một
ống phóng khí trong khi giải pháp bảo vệ năm điểm hợp thành bộ giới hạn dòng
điện dùng điện trở nhiệt PTC.




















Để hiểu và có thể so sánh các dạng mạch bảo vệ cơ bản trong việc ứng
dụng ống phóng khí cho hệ thống cắt lọc sét của mạng thông tin liên lạc ta xem
xét hai kiểu bảo vệ sau :
Bảo vệ 3 điểm

Mạch bảo vệ ba điểm được nối giữa dây a/b và đất và hoạt động bằng việc
dẫn điện áp dư xuống đất. Ống phóng khí dạng hai cực được sử dụng.
Hình 3.2 Các dạng mạch bảo vệ dùng GDT


Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 20
Bảo vệ 5 điểm
Một mạch bảo vệ năm điểm bao gồm một bộ giới hạn dòng điện, thông
thường là một điện trở nhiệt PTC, cộng thêm một ống phóng khí.

3.2 Cấu Trúc Ống Phóng Khí
O
Áng phóng khí là một cải tiến rất tinh vi của khe hở phóng điện, thích hợp
cho bảo vệ mạng viễn thông. Loại thường sử dụng cho mạng viễn thông có
đường kính 3/8 inch và dày ¼ inch. Nó gồm có một vỏ thủy tinh hoặc sứ bên
ngoài và bên trong chứa đầy khí trơ áp suất thấp với hai điện cực ở hai bên. Hầu
hết ống phóng khí đều có chứa chất phát xạ để ổn đònh điện áp phóng điện. Mặt
khác, sự phóng điện rất nhạy cảm với ánh sáng môi trường xung quanh.

Do có kích thước nhỏ và khe hở khá rộng nên điện dung rất thấp (vài pF).
Khi không hoạt hóa thì trạng thái tổng trở ngắt hoặc điện trở cách điện rất lớn
(lớn hơn 10 G).

Với cùng một cấu trúc tương tự như ống phóng khí cơ bản đã trình bày ở
trên, một bước phát triển mới của ống phóng khí là nhằm tăng sự ổn đònh điện
áp phóng điện, giảm khoảng cách giữa các điện cực, giảm kích thước và tăng
tuổi thọ làm việc. Thực chất, tính chất điện của ống phóng khí tùy thuộc chính
vào nhiều thông số khác nhau như loại khí, áp suất khí, độ ẩm và mức độ ô
nhiễm.
Một hợp chất hoạt hóa được ứng dụng để tạo ra hiệu ứng electron bề mặt
của điện cực, khoảng cách giữa các điện cực phải ít hơn 1 mm, để tăng tốc việc
Hình 3.3 Mặt cắt ngang của ống phóng khí cơ bản
Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 21
phát điện tử và bảo đảm ổn đònh điện áp phóng điện bằng phẳng sau khi tái lập
dòng tải. Đặc điểm của ống phóng khí mới là có mối tương quan rất tốt giữa kích
thước, dung lượng xung phóng điện và tuổi thọ phục vụ trung bình.
Cấp bảo vệ có thể đạt được với một cắt sét vào lúc điện áp quá độ tăng
trưởng nhanh chóng (xấp xỉ 1V/s). Ống phóng khí phải đáp ứng nhanh chóng để
giới hạn quá điện áp ở mức thấp. Với lý do đó, một hiệu ứng trợ giúp cháy (phát
minh của hãng Siemens) được gắn vào mặt trong của cách điện hình trụ. Bằng
cách làm biến dạng trường, nhờ sự trợ giúp cháy này, kết quả là một sự ion hóa
đặc biệt nhanh chóng ở vùng phóng điện. Như vậy, sẽ làm khởi động nhanh quá
trình phóng điện, đặc điểm ống phóng điện mới là có đặc tính đáp ứng nhanh với
quá trình tái lập. Đặc tính quan trọng của ống phóng khí thế hệ mới là không
dựa trên sự kích thích, kích hoạt phóng xạ khi bò ảnh hưởng của điện áp tăng
cao.
Đặc tính điện của ống phóng khí có thể thay đổi theo những biến đổi của
hệ thống thông tin. Để đạt được điều này, bằng cách thay đổi loại khí, áp suất và
khoảng cách giữa các điện cực. Hơn nữa, lớp phủ phát – điều khiển cũng có thể
bò biến đổi.

Hình 3.4 Mặt cắt cấu trúc ống phóng khí có hỗ trợ quá trình cháy

Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 22
3.3 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH

- Điện áp phóng điện một chiều V
sdc

Giá trò này được xác đònh bằng cách sử dụng một điện áp với tốc độ tăng
trưởng dv/dt  100V/s
- Điện áp phóng điện một chiều danh đònh V
sdcN

Giá trò ước lượng dùng để thiết kế một ống phóng khí. Các đặc tính khởi
động và sai số cũng như giới hạn và giá trò thử nghiệm được qui vào V
sdcN
. Nó
mô tả những giá trò đặc biệt của điện áp phóng điện một chiều.

- Điện áp phóng điện một chiều qui về V
sdcN
%
Một cách tổng quát, sai số được ghi rõ như một giá trò phần trăm của V
sdcN
,
trong trường hợp đặc biệt nó cũng có thể được thể hiện với các giá trò tuyệt đối.
Hiện tượng vật lý trên được dựa trên cơ sở sự phóng điện trong chất khí.
- Điện áp phóng điện xung v
si

Những đặc tính điện áp phóng điện xung trạng thái động của ống phóng khí.
Giá trò khởi động trong tài liệu này xét đến điện áp với thời gian tăng trưởng
dv/dt = 1kV/s





Trong thực tế, một số thông số kỹ thuật chính cần được quan tâm, bao gồm:
điện áp phóng điện (một chiều và xung), điện áp dư cực đại, điện áp hồ quang và
dòng xung cực đại.
Điện áp phóng điện biến thiên chậm khoảng 5000V/s. Giá trò điện áp một
chiều trong phạm vi từ 75 đến 300V để cung cấp các yêu cầu bảo vệ cho hầu hết

các hệ thống viễn thông. Giá trò xung áp cực đại là mức mà thiết bò sẽ đánh lửa
và trở nên dẫn điện khi đặt vào nó điện áp có độ biến thiên tăng lên nhanh
Hình 3.5
Hình 3.6
Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 23
chóng (khoảng 100 V/

s). Giá trò xung áp cực đại từ 400 đến 600V phụ thuộc vào
loại thiết bò.
Dạng sóng điện áp điển hình của ống phóng khí đối với xung áp cao được
trình bày ở hình 3.6. Từ dạng sóng này có thể nhận thấy rằng tốc độ tăng áp là
100V/s và điện áp phóng điện là 520V.
Ống phóng khí đánh lửa rất nhanh nhưng điện áp đánh lửa tăng lên theo độ
dốc của đầu sóng trình bày như hình 3.6. Đường gần như thẳng đứng đặc trưng
cho thời gian tăng đột biến của xung. Thời gian đáp ứng lớn hơn 0.1s khi thời
gian tăng chậm và giảm xuống dưới 0.1s với tốc độ tăng áp 20kV/s. Tuy
nhiên, điện áp đánh lửa tăng hơn 1000V đối với ống phóng khí loại 250V (DC).
Điện áp phóng điện duy trì phải thấp hơn điện áp dư để dập tắt hồ quang
sau khi quá áp xảy ra. Điện áp dư vào khoảng 60% đến 70% điện áp phóng
điện.
Điện áp hồ quang là điện áp ngang qua thiết bò khi dẫn điện. Điện áp này
thường vào khoảng 3V đến 10V, nhưng sẽ vượt quá 30V với xung dòng cực đại.
Xung dòng cực đại đối với sóng 8/20s từ 10kA đến 20kA sử dụng cho thiết
bò viễn thông. Đối với xung lặp lại sóng 10/1000s thì giá trò dòng khoảng 100A,
phù hợp với mức độ lộ thiên trong mạng thuê bao điện thoại.
Ống phóng khí thường có tuổi thọ cao với điều kiện vận hành bình thường,
tuy nhiên, cũng có hư hỏng xảy ra. Các hư hỏng thường do dòng rò và điện áp

đánh lửa gây ra. Thử nghiệm cho thấy các ống phóng khí sử dụng từ 6 đến 8
năm có 15% đánh lửa ngoài điện áp qui đònh. Do điện áp đánh lửa tăng lên trong
quá trình sử dụng nên thiết bò bảo vệ thường sử dụng kết hợp một khe hở phóng
điện dự phòng mắc song song với ống phóng khí. Tuổi thọ sử dụng thường do
nhà sản xuất qui đònh khi gia tăng thêm 50% điện áp phóng điện và điện áp
đánh lửa. Các giới hạn khác như việc giảm điện trở rò rỉ nhỏ hơn 1mΩ.

3.4 NGUYÊN LÝ BẢO VỆ
Tổng quát, khi quá điện áp xuất hiện mà vượt quá độ bền điện của hệ
thống cách điện. Sự phóng điện này giới hạn điện áp đột biến và làm giảm
nhiễu trong thời gian rất ngắn. Bằng cách đốt cháy hồ quang với dòng điện có
dung lượng lớn ngăn chặn từ trước sự tăng trưởng quá điện áp nhờ có một hằng
số xấp xỉ, điện áp hồ quang thấp khoảng vài volt đến 10V. Nguyên lý giới hạn
quá điện áp tự nhhiên này dược sử dụng bởi ống phóng khí.







Chương 3 Phần tử bảo vệ GDT

Học viên : Đỗ Bình Dương
Trang 24

Hình 3.7 Dạng xung 8/20

s

Một cách đơn giản, ống phóng khí có thể so sánh với một công tắc đối xứng
công suất thấp. Điện trở có thể nhảy từ vài GigaOhm trong suốt quá trình vận
hành bình thường đến giá trò nhỏ hơn 1 Ohm sau khi phóng điện với lý do quá
điện áp. Ống phóng khí sẽ tự động trở lại trạng thái tổng trở cao lúc ban đầu sau
khi các ảnh hưởng đã qua đi.
Hình dưới trình bày điện áp tác động của thiết bò cắt sét và dòng điện tác
động khi giới hạn một quá điện áp dạng sin.




Dạng xung chuẩn
8/20

s
- t
r
: Thời gian tăng

trưởng -

s
- t
d
: Thời gian suy
giảm ½ giá trò -

s
- 0
1
: Điểm khởi động
- I
p
: Dòng đỉnh


Hình 3.8 Giới hạn của quá điện áp sin bởi thiết bò cắt sét
a) Điện áp phóng qua thiết bò cắt sét với thời gian
b) Dòng điện xuyên qua thiết bò cắt sét với thời gian
c) Đường đặc tuyến V/I của thiết bò cắt sét

V
s
điện áp đánh thủng
V
gl
điện áp cháy
V
a

điện áp hồ quang
V
e
điện áp hồi phục
G tầm chế độ cháy
A tầm chế độ hồ quang