"في تطبيقات الصناعة والطاقة الكهربائية والأتمتة والأجهزة الفعلية ، يعد معيار ناقل RS-485 أحد معايير تصميم الحافلات ذات الطبقة المادية المستخدمة على نطاق واسع. نظرًا لأنه سيعمل في بيئات كهرومغناطيسية قاسية ، من أجل ضمان إمكانية تثبيت منافذ البيانات هذه في النهاية للعمل بشكل صحيح في البيئة ، يجب أن تمتثل للوائح التوافق الكهرومغناطيسي ذات الصلة (EMC). من المبدأ إلى القياس الفعلي ، سنقدم لك تحليلًا مفصلاً لحماية منفذ RS485.
"
في تطبيقات الصناعة والطاقة الكهربائية والأتمتة والأجهزة الفعلية ، يعد معيار ناقل RS-485 أحد معايير تصميم الحافلات ذات الطبقة المادية المستخدمة على نطاق واسع. نظرًا لأنه سيعمل في بيئات كهرومغناطيسية قاسية ، من أجل ضمان إمكانية تثبيت منافذ البيانات هذه في النهاية للعمل بشكل صحيح في البيئة ، يجب أن تمتثل للوائح التوافق الكهرومغناطيسي ذات الصلة (EMC). من المبدأ إلى القياس الفعلي ، سنقدم لك تحليلًا مفصلاً لحماية منفذ RS485.
في تصميم EMC لمنفذ RS-485 ، نحتاج إلى التركيز على ثلاثة عوامل: التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) ، والتيار الكهربائي السريع العابر (EFT) والاندفاع (Surge). تحدد مواصفات اللجنة الكهرتقنية الدولية (IEC) مجموعة من متطلبات مناعة التوافق الكهرومغناطيسي. تتضمن هذه المجموعة من المواصفات الأنواع الثلاثة التالية منالجهد االكهربى العابرين التي يحتاجها المصممون للتأكد من أن خطوط اتصال البيانات لا تتضرر من قبل هؤلاء العابرين.
الأنواع الثلاثة هي:
IEC 61000-4-2 التفريغ الكهروستاتيكي (ESD)
IEC 61000-4-4 العابر الكهربائية السريعة (EFT)
IEC 61000-4-5 تصاعد المناعة (زيادة)
التفريغ الكهربائي
يشير التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) إلى الانتقال المفاجئ للشحنة الكهروستاتيكية بين جسمين مشحونين بإمكانيات مختلفة بسبب التلامس الوثيق أو التوصيل للمجال الكهربائي. ما يميزه هو وجود تيار أكبر في وقت أقصر. الغرض الرئيسي من اختبار IEC 61000-4-2 هو تحديد مناعة النظام من أحداث ESD الخارجية للنظام أثناء عملية العمل. تحدد المواصفة القياسية IEC 61000-4-2 مستويات اختبار الجهد في ظل ظروف بيئية مختلفة ، والتي تنقسم إلى 4 مستويات. الدرجة 1 خفيفة ، الدرجة 4 شديدة. الفئتان 1 و 2 مناسبة للمنتجات المثبتة في بيئات خاضعة للرقابة مع مواد مضادة للكهرباء الساكنة. المستويان 3 و 4 مخصصان للمنتجات المثبتة في بيئات أكثر شدة حيث تكون أحداث ESD ذات الفولتية العالية أكثر شيوعًا.
الشكل 1: منحنى خاصية ESD
الشكل 2: مستويات اختبار ESD وفئات التثبيت IEC 61000-4-2
عابر سريع كهربائي (رشقات نارية)
تختبر العابر الكهربائية السريعة (EFT) اقتران أعداد كبيرة من النبضات العابرة السريعة للغاية بخطوط الإشارة ، والاضطرابات العابرة المرتبطة بالأنظمة ودوائر التحويل الخارجية التي يمكن أن تقترن بالسعة بمنافذ الاتصال. تشمل عمليات إنهاء التحويل الإلكتروني المرحل وارتداد الاتصال بالتبديل ، أو العابرين بسبب تبديل الحمل الاستقرائي أو السعوي ، وكلها شائعة في البيئات الصناعية. اختبار التحويل الإلكتروني المعرف في EC 61000-4-4 هو لمحاكاة التداخل الناتج عن هذه الأحداث.
الشكل 3: منحنى خاصية تحويل الأموال الإلكتروني
تحدد المواصفة القياسية IEC 61000-4-4 مستويات اختبار الجهد في ظل ظروف بيئية مختلفة ، والتي تنقسم إلى 4 مستويات. في نفس الوقت ، يتم تحديد جهد الاختبار ومعدل تكرار النبض المقابل لمستويات الاختبار المختلفة.
• المستوى 1 يشير إلى بيئة محمية بشكل جيد
• تشير الفئة 2 إلى بيئة محمية
• تشير الفئة 3 إلى بيئة صناعية نموذجية
• فئة 4 للبيئات الصناعية القاسية
الشكل 4: مستويات اختبار EFT IEC 61000-4-4
موجة
تحدث الارتفاعات المفاجئة عادةً بسبب ظروف الجهد الزائد الناتجة عن عمليات التحويل أو ضربات الصواعق. يمكن أن يكون سبب التبديل العابر هو تبديل نظام الطاقة ، أو تغييرات الحمل في نظام توزيع الطاقة ، أو أخطاء النظام المختلفة. يمكن أن تحدث عابرات البرق بسبب ضربات البرق القريبة مما يؤدي إلى حقن تيارات كبيرة وجهد كهربائي في الدارة الكهربائية. تحدد المواصفة القياسية IEC 61000-4-5 أشكال الموجات وطرق الاختبار ومستويات الاختبار لتقييم مناعة الأجهزة الكهربائية و إلكتروني عندما تكون عرضة لظواهر الطفرة هذه.
الشكل 5: منحنى خاصية الاندفاع
يمكن أن يكون مستوى الطاقة في الطفرة من ثلاثة إلى أربعة أوامر من حيث الحجم لمستوى طاقة نبضات ESD أو EFT. لذلك ، يمكن اعتبار الارتفاعات المفاجئة فئة خطيرة في مواصفات EMC العابرة. نظرًا لأوجه التشابه بين ESD و EFT ، فإن تصميمات حماية الدائرة المقابلة متشابهة أيضًا ، ولكن نظرًا للطاقة العالية للطفرة ، يجب التعامل معها بشكل مختلف.
قال أنجوس تشاو ، نائب مدير إدارة الدعم الفني بشركة Excelpoint Shijian: "تهدف عملية تطوير دوائر حماية EMC إلى تلبية المتطلبات المقابلة للأنواع الثلاثة المذكورة أعلاه لمواصفات المناعة العابرة وفقًا لسيناريوهات التطبيق الفعلي ، مع ضمان التكلفة. . فوائد. هذا العمل الذي يبدو معقدًا له في الواقع مبادئه وإجراءاته الخاصة التي يجب اتباعها ".
المتطلبات القياسية المقابلة لحل EMC بمنفذ RS-485 هي في الواقع الأهداف التي يجب تحقيقها من خلال تصميم دائرة الحماية. من أجل تحقيق هذا الهدف ، لديها مبادئ التصميم الخاصة بها:
هناك طريقتان رئيسيتان لتوفير الحماية ضد العابرين: يتم استخدام حماية التيار الزائد للحد من تيار الذروة ؛ يتم استخدام حماية الجهد الزائد للحد من ذروة الجهد. يتضمن تصميم مخطط الحماية النموذجي الحماية الأولية والحماية الثانوية. تعمل الحماية الأولية على تحويل معظم الطاقة العابرة بعيدًا عن النظام وعادة ما تكون موجودة في الواجهة بين النظام والبيئة حيث تقوم بتحويل المؤقت إلى الأرض ، وبالتالي إزالة معظم الطاقة. الغرض من الحماية الثانوية هو حماية المتنوع مكونات للنظام من أي جهد وتيارات عابرة تسمح بها الحماية الأولية. عادة ما تكون الحماية الثانوية أكثر تركيزًا على مكونات محددة للنظام المحمي. تم تحسينه لضمان الحماية ضد هذه العبور المتبقي مع السماح لهذه الأجزاء الحساسة من النظام بالعمل بشكل صحيح. قال أنجوس تشاو ، نائب مدير قسم الدعم الفني في Excelpoint Shijian: "يجب أن تضمن هاتان الطريقتان أن التصميم الرئيسي والتصميم الثانوي يمكن أن يتعاونا مع إدخال / إخراج النظام معًا لتقليل الضغط على الدائرة المحمية. في نفس الوقت في التصميم ، بشكل عام ، سيكون هناك عنصر تنسيق بين جهاز الحماية الأساسي وجهاز الحماية الثانوي ، مثل المقاوم أو جهاز حماية غير خطي من التيار الزائد ، لضمان التنسيق. "
الشكل 1: بنية حل حماية EMC التقليدية
وفقًا لمتطلبات المواصفات المذكورة أعلاه ومبادئ التصميم ، نقدم ثلاثة مستويات مختلفة من حلول حماية التوافق الكهرومغناطيسي أدناه ، وقد اجتازت جميعها اختبار توافق التوافق الكهرومغناطيسي المستقل من جهة خارجية. تشمل المكونات المستخدمة في المخطط ما يلي:
ADM3485EARZ 3.3 فولت RS-485 جهاز الإرسال والاستقبال (ADI)
ضاغط الجهد العابر لـ TVS CDSOT23-SM712 (بورنز)
وحدة الحظر العابر TBU-CA065-200-WH (بورنز)
TIST Thyristor Surge Protector TISP4240M3BJR-S (بورنز)
أنبوب تفريغ الغاز GDT 2038-15-SM-RPLF (بورنز)
خيار واحد
تحتوي عابرات التحويل الإلكتروني (EFT) و (ESD) على مستويات طاقة متشابهة ، في حين أن أشكال الموجة المفاجئة لها مستويات طاقة أعلى بثلاثة إلى أربعة أوامر. يمكن تحقيق الحماية ضد ESD و EFT بطريقة مماثلة ، في حين أن حلول الحماية للارتفاعات المفاجئة الأخرى أكثر تعقيدًا. يوفر هذا الحل المستوى 4 من ESD و EFT والمستوى 2 من الحماية من زيادة التيار.
يستخدم هذا الحل صفيف Bourns 'CDSOT23-SM712 TVS ، والذي يتضمن اثنين من صمامات TVS ثنائية الاتجاه. TVSs هي أجهزة قائمة على السيليكون. في ظل ظروف التشغيل العادية ، تتمتع TVS بمقاومة عالية للأرض ؛ من الناحية المثالية هي دائرة مفتوحة. تتمثل طريقة الحماية في تثبيت الجهد الزائد الناتج عن الانتقال إلى حد الجهد. يتم تحقيق ذلك من خلال انهيار الانهيار الجليدي للمقاومة المنخفضة لتقاطع PN. عندما يتم إنشاء جهد عابر أكبر من جهد الانهيار في TVS ، فإن TVS ستثبت الانتقال إلى مستوى محدد مسبقًا أقل من جهد الانهيار لجهاز الحماية ، ببساطة
من المهم التأكد من أن جهد الانهيار في TVS خارج نطاق التشغيل العادي للمسمار المحمي. الميزة الفريدة لـ CDSOT23-SM712 هي أنه يحتوي على جهد انهيار غير متماثل يبلغ 13.3 فولت و C7.5 فولت ، والذي يتطابق مع نطاق الوضع العام لجهاز الإرسال والاستقبال من 12 فولت إلى C7 V لشريحة RS-485 ADM3485E ، وبالتالي توفير الحماية مع الحد من الأرض لتقليل الضغط الزائد على جهاز الإرسال والاستقبال RS-485.
الشكل 2: منحنى خصائص TVS CDSOT23-SM712
الشكل 3: مخطط الحماية على أساس مجموعة TVS
الخيار الثاني
إذا تم زيادة مستوى الحماية من زيادة التيار ، فستصبح دائرة الحماية أكثر تعقيدًا. في المخطط الثاني ، نقوم بزيادة مستوى الحماية من زيادة التيار إلى المستوى الرابع.
في هذا المخطط ، يتم توفير الحماية الثانوية بواسطة TVS (CDSOT23-SM712) ، ويتم توفير الحماية الرئيسية بواسطة TISP (TISP4240M3BJR-S). تحقق بواسطة جهاز الحماية الحالي TBU (TBU-CA065-200-WH).
الشكل 4: المنحنى المميز لـ TBU
عند تطبيق طاقة عابرة على دائرة الحماية ، سيتعطل TVS ، مما يحمي الجهاز من خلال توفير مسار مقاومة منخفضة للأرض. نظرًا للجهد العالي والتيار ، يجب أيضًا حماية أجهزة التلفاز عن طريق الحد من مرور التيار عبرها. يمكن القيام بذلك باستخدام TBU ، وهو عنصر حماية نشط عالي السرعة للتيار الزائد يمنع التيار بدلاً من تحويله إلى الأرض. كعنصر متسلسل ، فإنه يستجيب للتيار عبر الجهاز بدلاً من الجهد عبر الواجهة. TBU عبارة عن جهاز حماية عالي السرعة للتيار الزائد مع حد تيار محدد مسبقًا وقدرة تحمل الجهد العالي. عندما يحدث تيار زائد ويتعطل TVS بسبب حدث عابر ، سيرتفع التيار في وحدة TBU إلى مستوى الحد الحالي الذي حدده الجهاز. عند هذه النقطة ، تقوم وحدة TBU بفصل الدائرة المحمية عن التيار الزائد في أقل من 1 ميكرومتر ، وخلال الفترة المتبقية ، تظل وحدة TBU في حالة الحجب المحمية مع تيار قليل جدًا من خلال الدائرة المحمية
الشكل 5: الاختلافات بين TBU و PTC (Fuse)
مثل جميع تقنيات حماية التيار الزائد ، فإن TBU لديها جهد انهيار ، لذلك يجب أن يقوم جهاز الحماية الرئيسي بضبط الجهد وإعادة توجيه الطاقة العابرة إلى الأرض. يتم تحقيق ذلك عادةً باستخدام تقنيات مثل أنابيب تفريغ الغاز أو أنابيب تفريغ الحالة الصلبة (الثايرستور) TISPs. يعمل TISP كجهاز حماية رئيسي ، وعندما يتم تجاوز جهد الحماية المحدد مسبقًا ، فإنه يوفر مسارًا عابرًا ومفتوحًا بمقاومة منخفضة للأرض ، مما يؤدي إلى تحويل معظم الطاقة العابرة بعيدًا عن النظام وأجهزة الحماية الأخرى.
تحد خاصية التيار غير الخطي لـ TISP من الجهد الزائد عن طريق تحويل التيار المتولد. بصفته ثايرستور ، يتميز TISP بخاصية التيار المتقطع للجهد ، والتي تنتج عن تبديل العمل بين منطقة الجهد العالي ومنطقة الجهد المنخفض. قبل أن يتحول جهاز TISP إلى حالة الجهد المنخفض ، يكون له مسار أرضي منخفض المقاومة لتحويل الطاقة العابرة ، وتتسبب منطقة انهيار الانهيار الجليدي في إجراء التثبيت.
الشكل 6: منحنى مميز لـ TISP
أثناء عملية الحد من الجهد الزائد ، تتعرض الدائرة المحمية لفترة وجيزة للجهد العالي ، لذلك يكون جهاز TISP في منطقة الانهيار قبل التبديل إلى حالة فتح حماية الجهد المنخفض. ستحمي وحدة TBU الدوائر الخلفية من التلف بسبب التيارات العالية الناتجة عن هذا الجهد العالي. عندما ينخفض التيار المحول عن قيمة حرجة ، يقوم جهاز TISP بإعادة التعيين تلقائيًا لاستئناف تشغيل النظام العادي.
تعمل العناصر الثلاثة المذكورة أعلاه معًا لتوفير حماية على مستوى النظام للنظام ضد الجهد العالي وعابرات التيار العالي جنبًا إلى جنب مع إدخال / إخراج النظام.
الشكل 7: تعمل TVS و TBU و TISP معًا لتوفير مزيد من الحماية
الحل الثالث
إذا احتاج مخطط الحماية إلى التعامل مع زيادة عابرة 6 كيلو فولت ، فستكون هناك حاجة إلى بعض التعديلات على المخطط. يعمل النظام الجديد بشكل مشابه لنظام الحماية الثاني ؛ لكن هذه الدائرة تستخدم أنبوب تفريغ الغاز (GDT) بدلاً من TISP لحماية TBU ، وبالتالي حماية جهاز الحماية الثانوي TVS. بالمقارنة مع TISP ، تتبنى GDT مبدأ تفريغ الغاز ، والذي يمكن أن يوفر الحماية ضد زيادة الجهد الزائد والجهد الزائد. التيار المقدر لـ TISP هو 220 أمبير ، والتيار المقدر لـ GDT هو 5 كيلو أمبير (محسوبًا بواسطة موصل الوحدة).
الشكل 8: منحنى مميز لـ GDT
تُستخدم GDTs بشكل أساسي كأجهزة حماية أولية ، مما يوفر مسار مقاومة منخفضًا للأرض للحماية من عابرات الجهد الزائد. عندما يصل الجهد العابر إلى جهد شرارة GDT ، سوف ينتقل GDT من حالة إيقاف المقاومة العالية إلى وضع الانحناء. في وضع القوس ، يعمل GDT كدائرة قصيرة افتراضية ، مما يوفر مسارًا عابرًا لتصريف تيار الدائرة المفتوحة إلى الأرض ، مما يؤدي إلى تحويل التيارات الصاعدة العابرة بعيدًا عن الجهاز المحمي.
الشكل 9: استخدام TVS و TBU و GDT للعمل معًا يمكن أن يتحمل زيادة الجهد والجهد الزائد
وخلص أنجوس تشاو ، نائب مدير قسم الدعم الفني بشركة Excelpoint Shijian ، إلى أن حل EMC لمنفذ RS-485 له روتينه الخاص ، وليس من الصعب عمل تصميم متوافق بعد فهم المواصفات التي يجب أن تتبعها الحماية ، والإلمام بخصائص أجهزة حماية الدائرة.
الشكل 10: مقارنة بين مستويات الحماية لحلول EMC لثلاثة منافذ RS485
قدمت شركة Shijian أيضًا حلين كلاسيكيين وعمليين لحماية المنافذ RS-485 ، والتي يمكن أن تجتاز اختبار أمان IEC6100-4-2 ESD ، IEC61000-4-4 EFT ، IEC61000-4-5 Surge EMS اختبار السلامة فوق المستوى 4.
الحل 1: اعتماد حل معماري GDT TBU TVS ثلاثي الأقطاب
الحل 2: اعتماد حل معماري GDT TBU TVS ثلاثي الأقطاب
عرض المزيد : وحدات IGBT | شاشات الكريستال السائل | مكونات إلكترونية