Un fulmine non deve colpire direttamente il tuo schermo per distruggerlo. Un fulmine che cade a 500 metri di distanza invia un picco di corrente attraverso la rete elettrica che frigge ogni scheda ricevente nel cabinet. Un fulmine vicino induce picchi di tensione nei cavi del segnale che corrompono la scheda trasmittente. I temporali non portano solo pioggia, portano caos elettromagnetico che trasforma un'installazione LED esterna in un mucchio di pixel morti se nessuno l'ha pianificato. Gli schermi che sopravvivono alla stagione delle tempeste sono quelli in cui la protezione da sovratensione è stata trattata come un requisito di progettazione fondamentale, non come un ripensamento.
La maggior parte delle persone confonde le sovratensioni da fulmine con i picchi di tensione che vedono quando si accendono carichi pesanti. Quei picchi durano microsecondi e trasportano poche centinaia di volt. Una sovratensione da fulmine dura millisecondi e può trasportare decine di migliaia di volt. La differenza di energia non è lineare, è esponenziale. Un normale protettore da sovratensione con una capacità di 2.000 volt non farà assolutamente nulla contro un fulmine da 30.000 volt. Si vaporizzerà. Poi la sovratensione passerà alla tua attrezzatura.
Colpo diretto è ovvio. Il fulmine colpisce la struttura dello schermo o il palo di montaggio e invia corrente direttamente attraverso il cabinet. Questo è raro ma catastrofico. Lo schermo è perso.
Colpo indiretto è molto più comune. Un fulmine colpisce il terreno, un edificio vicino o un palo della luce. La corrente viaggia attraverso la terra ed entra nella tua installazione attraverso il cavo di alimentazione, il cavo del segnale o persino la struttura di montaggio stessa. La corrente non si cura del tuo grado di protezione IP. Trova il percorso di minor resistenza, e quel percorso di solito passa dritto attraverso il tuo alimentatore e nelle schede riceventi.
Sovratensione indotta è l'assassino silenzioso. Un fulmine entro un chilometro crea un campo elettromagnetico variabile. Quel campo induce tensione in qualsiasi conduttore nelle vicinanze: i tuoi cavi del segnale, le tue connessioni Ethernet, i tuoi transceiver in fibra ottica. Le sovratensioni indotte sono più piccole dei colpi diretti o indiretti, ma si verificano costantemente durante un temporale. Degradano lentamente i componenti. Una scheda ricevente che subisce 50 sovratensioni indotte in una stagione di tempeste inizierà a mostrare guasti intermittenti sei mesi dopo.
L'alimentatore è la prima vittima. Gli alimentatori switching hanno varistori a ossido metallico o diodi TVS sul lato di ingresso. Questi limitano i picchi di tensione. Ma sono classificati per un livello di energia specifico, tipicamente da 1.000 a 2.000 joule. Una sovratensione da fulmine trasporta da 10.000 a 100.000 joule. L'MOV esplode. Il diodo TVS va in corto. L'uscita dell'alimentatore va a zero o sale al doppio della sua tensione nominale. In entrambi i casi, le schede riceventi a valle vedono qualcosa per cui non sono mai state progettate.
Le schede riceventi muoiono dopo. L'FPGA su una scheda ricevente ha ossidi di gate che si rompono a circa 20 volt sopra il nominale. Una sovratensione che spinge 48 volt su una linea da 3,3 volt distrugge istantaneamente l'FPGA. La scheda non si guasta in modo graduale. Semplicemente si ferma. E quando si ferma, ogni modulo LED a valle si spegne.
La scheda trasmittente è più robusta ma non immune. La sua interfaccia Ethernet e le porte di ingresso video sono vulnerabili alle sovratensioni indotte sui cavi del segnale. Una scheda trasmittente fritta significa che nessun contenuto raggiunge alcuna scheda ricevente. L'intero schermo diventa nero.
Un singolo protettore da sovratensione all'ingresso di rete non è sufficiente. È il minimo indispensabile, e anche quello è spesso installato in modo errato. La vera protezione richiede un approccio a strati che gestisca separatamente i colpi diretti, i colpi indiretti e le sovratensioni indotte.
Il protettore da sovratensione di rete deve essere installato nel punto in cui l'alimentazione entra nel cabinet, non nel quadro elettrico dell'edificio, non nella scatola di distribuzione, ma nel blocco terminali del cabinet. Ogni metro di cavo tra il protettore e l'apparecchiatura è un'antenna che capta ulteriore energia di sovratensione.
Utilizzare un circuito di protezione a tre stadi. Il primo stadio è una scarica a gas che gestisce l'enorme energia di un colpo diretto o quasi diretto. Le scariche a gas possono assorbire decine di migliaia di joule. Sono lente a reagire ma gestiscono i colpi più forti. Il secondo stadio è un array di MOV che limita la tensione a un livello sicuro per l'alimentatore. Il terzo stadio è un array di diodi TVS che pulisce il picco rimanente a un livello che l'alimentatore può tollerare.
La scarica a gas deve avere una capacità di almeno 40 kiloampere. L'array di MOV deve avere una capacità di almeno 20 kiloampere. Lo stadio TVS deve rispondere in meno di un nanosecondo. Se uno stadio manca, la catena di protezione ha una lacuna che una sovratensione troverà.
Sostituire l'intero gruppo protettore dopo ogni temporale significativo. Gli MOV si degradano ad ogni evento di sovratensione. Un protettore che ha assorbito tre o quattro sovratensioni potrebbe sembrare a posto ma ha perso la maggior parte della sua capacità di limitazione. È un segnaposto, non un protettore.
Tutti proteggono la rete elettrica. Quasi nessuno protegge le linee di segnale. Il cavo Ethernet che trasporta il contenuto dalla scheda trasmittente al sistema di controllo, il collegamento in fibra ottica tra le schede trasmittente e ricevente, i cavi seriali per la configurazione, tutte queste sono antenne durante un temporale.
Per le connessioni Ethernet, installare un protettore da sovratensione schermato su entrambe le estremità del cavo. Il protettore deve essere classificato per i livelli di sovratensione PoE IEEE 802.3at se il cavo trasporta alimentazione tramite Ethernet. Il cavo Ethernet non schermato agisce come un parafulmine. Lo schermo deve essere messo a terra su entrambe le estremità tramite un percorso a bassa impedenza.
Per i collegamenti in fibra ottica, la fibra stessa è immune alle sovratensioni elettromagnetiche. Ma i moduli transceiver ad entrambe le estremità non lo sono. Installare un protettore da sovratensione sull'alimentazione di ciascun transceiver. Il cavo in fibra non necessita di protezione, ma l'elettronica ad entrambe le estremità sì.
Per i cavi di configurazione seriale, utilizzare un'interfaccia RS-232 o RS-485 isolata con soppressione integrata delle sovratensioni. La barriera di isolamento deve essere classificata per almeno 2.500 volt RMS. Questo impedisce a una sovratensione sul cavo di raggiungere la porta UART della scheda ricevente.
La protezione da sovratensione senza una corretta messa a terra è decorazione. L'energia della sovratensione deve andare da qualche parte. Se il percorso di terra ha un'alta impedenza, l'energia trova un altro percorso, attraverso la tua attrezzatura.
La messa a terra del cabinet deve essere collegata alla barra di terra principale dell'edificio con un conduttore di rame di almeno 16 millimetri quadrati di sezione. La connessione deve essere imbullonata, non a morsetto. Le connessioni imbullonate hanno un'impedenza inferiore e non si allentano nel tempo. Le connessioni a morsetto si corrodono e aumentano l'impedenza entro poche stagioni di tempeste.
La resistenza del picchetto di terra deve essere inferiore a quattro ohm. Testarla ogni anno con un misuratore di resistenza di terra. Se la resistenza è salita sopra i quattro ohm, aggiungere un secondo picchetto conficcato a tre metri di distanza e collegato al primo con una striscia di rame. Due picchetti in parallelo dimezzano la resistenza.
Non condividere il percorso di terra con altri sistemi. Se lo schermo LED condivide la terra con l'ascensore o il sistema HVAC dell'edificio, una sovratensione su un sistema può viaggiare attraverso la terra condivisa e entrare nel tuo schermo. Percorso di terra dedicato. Nessuna condivisione.
L'architettura gestisce le sovratensioni più grandi. La protezione a livello di cabinet gestisce l'energia residua che filtra oltre il primo muro.
Ogni alimentatore dovrebbe avere protezione da sovratensione, sottotensione e sovracorrente integrate. Ma la protezione integrata è classificata per eventi transitori normali, non per fulmini. Non fare affidamento su di essa come difesa primaria. È una rete di sicurezza, non uno scudo.
L'alimentatore deve anche avere un soft-start. Un alimentatore freddo che assorbe corrente di spunto durante un evento di sovratensione può creare un picco di tensione secondario sul bus. Il soft-start aumenta gradualmente l'uscita in due o tre secondi, il che mantiene la corrente di spunto sotto controllo anche quando la tensione di ingresso è instabile.
Utilizzare alimentatori con uscite isolate. Gli alimentatori non isolati trasmettono energia di sovratensione dall'ingresso all'uscita tramite accoppiamento trasformatore. Gli alimentatori isolati interrompono quel percorso. Il trasformatore fornisce isolamento galvanico tra la rete e l'uscita DC. Una sovratensione sul lato di ingresso non raggiunge le schede riceventi sul lato di uscita.
Ogni scheda ricevente ha pin di ingresso di alimentazione e pin di ingresso del segnale. Entrambi necessitano di filtraggio locale.
Sull'ingresso di alimentazione, aggiungere un filtro pi greco, un condensatore, un induttore, un altro condensatore, proprio sul connettore di alimentazione della scheda. Questo filtra i componenti di sovratensione ad alta frequenza che il protettore di rete potrebbe trascurare. L'induttore deve essere classificato per l'intera corrente assorbita dalla scheda. Una piccola perla di ferrite non è sufficiente. Deve essere un vero induttore di potenza con una corrente di saturazione superiore al massimo assorbimento della scheda.
Sull'ingresso del segnale, aggiungere un array di diodi TVS su ogni linea dati. I diodi limitano qualsiasi sovratensione sui pin del segnale a un livello sicuro. Devono rispondere in meno di un nanosecondo. Diodi più lenti lasciano passare la sovratensione prima che si attivino.
La scheda di distribuzione dell'alimentazione e la scheda di distribuzione del segnale all'interno del cabinet devono essere fisicamente separate. Non far passare cavi del segnale parallelamente ai cavi di alimentazione all'interno del cabinet. Se devono incrociarsi, incrociarsi a 90 gradi. Percorsi paralleli creano accoppiamento induttivo che trasferisce energia di sovratensione dal dominio di alimentazione al dominio del segnale.
Utilizzare isolamento ottico per tutti i percorsi del segnale tra la scheda trasmittente e le schede riceventi. I collegamenti in fibra ottica forniscono un isolamento galvanico completo. Anche un singolo collegamento in fibra tra i due domini interrompe completamente il percorso di sovratensione.
La protezione hardware gestisce la maggior parte degli eventi. Il protocollo operativo gestisce il resto.
Quando viene emesso un avviso di temporale, spegnere lo schermo in un ordine specifico. Primo, ridurre la luminosità a zero. Questo rimuove il carico dagli alimentatori ed elimina il calore che generano. Secondo, spegnere la scheda trasmittente. Terzo, spegnere le schede riceventi. Ultimo, scollegare la rete elettrica dal breaker del cabinet.
Non spegnere semplicemente la rete elettrica. Se si interrompe l'alimentazione mentre la scheda trasmittente sta ancora trasmettendo, le schede riceventi perdono la sincronizzazione bruscamente. Quando l'alimentazione ritorna, potrebbero non risincronizzarsi correttamente, causando artefatti di visualizzazione o zone vuote. Uno spegnimento controllato mantiene tutto in uno stato noto.
Questo sembra ovvio. Non lo è. Le persone aprono i cabinet durante una tempesta per controllare le apparecchiature. Toccano i cavi. Spostano i connettori. Una persona all'interno di un cabinet durante un fulmine diventa parte del percorso di terra. La corrente passa attraverso di essa verso terra. Non stare nel cabinet. Non stare vicino al cabinet. Non toccare alcun cavo collegato allo schermo finché la tempesta non è passata e il potenziale di terra si è equalizzato.
Dopo che la tempesta è passata, attendere almeno 30 minuti prima di accendere qualsiasi cosa. Questo consente alla carica residua sui protettori da sovratensione di dissiparsi e al potenziale di terra di stabilizzarsi.
Accendere in ordine inverso rispetto allo spegnimento. Prima il breaker di rete. Attendere 10 secondi. Poi le schede riceventi. Attendere 30 secondi affinché si inizializzino e si sincronizzino. Poi la scheda trasmittente. Infine, caricare il contenuto. Monitorare ogni scheda ricevente per il blocco del segnale. Qualsiasi scheda che non si blocca entro 60 secondi ha probabilmente subito danni. Rimuoverla e ispezionare il PCB prima di reinstallare un ricambio.
Eseguire un test completo di luminosità per 15 minuti. Monitorare la temperatura interna di ogni alimentatore e di ogni scheda ricevente. Un componente che è sopravvissuto alla sovratensione potrebbe avere danni latenti che si manifestano come calore anomalo sotto carico. Individuarlo ora, non durante un evento dal vivo la prossima settimana.
La protezione da sovratensione si degrada. Non dura per sempre. Un programma di manutenzione la mantiene efficace.
Ispezione visiva di ogni protettore da sovratensione. Cercare scolorimenti, rigonfiamenti o alloggiamenti crepati. Un MOV che ha assorbito una sovratensione importante mostrerà danni fisici. Sostituirlo immediatamente. Non testarlo e riutilizzarlo. Un MOV usato ha una tensione di limitazione sconosciuta e una vita residua sconosciuta.
Controllare la resistenza della connessione di terra. Un bullone di terra allentato aumenta l'impedenza. Un'alta impedenza significa che l'energia della sovratensione passa attraverso la tua attrezzatura invece che a terra. Riserrare ogni bullone di terra secondo le specifiche.
Testare ogni protettore da sovratensione con un tester di sovratensione. Il tester invia una sovratensione calibrata attraverso il protettore e misura la tensione di limitazione. Se la tensione di limitazione si è discostata di oltre il 10% dal valore nominale, sostituire il protettore.
Testare la resistenza del picchetto di terra. Se è salita sopra i quattro ohm, aggiungere un secondo picchetto o trattare il terreno con bentonite per migliorare la conduttività.
Ispezionare ogni pressacavo, connettore e morsettiera per la corrosione. La corrosione aumenta l'impedenza. L'aumento dell'impedenza riduce l'efficacia della protezione. Pulire ogni contatto con alcool isopropilico e una spazzola in fibra. Riapplicare grasso dielettrico a ogni pin del connettore.
Sostituire ogni protettore da sovratensione di rete indipendentemente dalle condizioni. Si degradano ad ogni evento di sovratensione, anche quelli piccoli. Un protettore che sembra a posto dopo un anno di stagione delle tempeste potrebbe aver perso dal 30 al 40% della sua capacità di limitazione. Il costo di un nuovo protettore è trascurabile rispetto al costo della sostituzione di schede riceventi fritte.
Eseguire un test completo di accensione del sistema a livelli di luminosità crescenti. Registrare la tensione di uscita di ogni alimentatore, il consumo di corrente di ogni gruppo di alimentazione e la temperatura di ogni scheda ricevente. Qualsiasi deviazione dalla linea di base indica un componente che si sta indebolendo. Sostituirlo prima della prossima stagione delle tempeste.
