"In tatsächlichen Industrie-, Stromversorgungs-, Automatisierungs- und Instrumentierungsanwendungen ist der RS-485-Busstandard einer der am weitesten verbreiteten Busdesignstandards für die physikalische Schicht. Da es in rauen elektromagnetischen Umgebungen funktioniert, müssen diese Datenanschlüsse, um sicherzustellen, dass sie in der endgültigen Umgebung installiert werden können, ordnungsgemäß funktionieren, den einschlägigen Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) entsprechen. Vom Prinzip bis zur eigentlichen Messung bieten wir Ihnen eine detaillierte Analyse des Portschutzes von RS485.
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In tatsächlichen Industrie-, Stromversorgungs-, Automatisierungs- und Instrumentierungsanwendungen ist der RS-485-Busstandard einer der am weitesten verbreiteten Busdesignstandards für die physikalische Schicht. Da es in rauen elektromagnetischen Umgebungen funktioniert, müssen diese Datenanschlüsse, um sicherzustellen, dass sie in der endgültigen Umgebung installiert werden können, ordnungsgemäß funktionieren, den einschlägigen Vorschriften zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) entsprechen. Vom Prinzip bis zur eigentlichen Messung bieten wir Ihnen eine detaillierte Analyse des Portschutzes von RS485.
Beim EMV-Design des RS-485-Ports müssen wir uns auf drei Faktoren konzentrieren: elektrostatische Entladung (ESD), elektrische schnelle Transienten (EFT) und Überspannungen (Surge). Die Spezifikationen der International Electrotechnical Commission (IEC) definieren eine Reihe von EMV-Immunitätsanforderungen. Diese Spezifikation umfasst die folgenden drei Arten von Hoch-Spannung Transienten, die Designer benötigen, um sicherzustellen, dass Datenkommunikationsleitungen durch diese Transienten nicht beschädigt werden.
Die drei Arten sind:
IEC 61000-4-2 Elektrostatische Entladung (ESD)
IEC 61000-4-4 Elektrische schnelle Transienten (EFT)
Störfestigkeit gegen Überspannungen (Surge) nach IEC 61000-4-5
elektrostatische Entladung
Unter elektrostatischer Entladung (ESD) versteht man die plötzliche Übertragung elektrostatischer Ladung zwischen zwei geladenen Objekten mit unterschiedlichem Potenzial aufgrund engen Kontakts oder der Leitung eines elektrischen Feldes. Sein Merkmal ist, dass in kürzerer Zeit ein größerer Strom fließt. Der Hauptzweck des IEC 61000-4-2-Tests besteht darin, die Immunität des Systems gegenüber externen ESD-Ereignissen des Systems während des Arbeitsprozesses zu bestimmen. IEC 61000-4-2 legt die Spannungsprüfstufen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen fest, die in 4 Stufen unterteilt sind. Grad 1 leicht, Grad 4 schwer. Die Klassen 1 und 2 eignen sich für Produkte, die in kontrollierten Umgebungen mit antistatischen Materialien installiert werden. Die Stufen 3 und 4 gelten für Produkte, die in anspruchsvolleren Umgebungen installiert werden, in denen ESD-Ereignisse mit höheren Spannungen häufiger auftreten.
Abbildung 1: ESD-Kennlinie
Abbildung 2: ESD-Teststufen und Installationskategorien gemäß IEC 61000-4-2
Elektrische schnelle Transienten (Bursts)
Elektrische schnelle Transienten (EFT) testen die Einkopplung einer großen Anzahl extrem schneller transienter Impulse auf Signalleitungen sowie die transienten Störungen, die mit Systemen und externen Schaltkreisen verbunden sind, die kapazitiv an Kommunikationsanschlüsse gekoppelt werden können. Zu den EFT-Aufwicklungen gehören Relais und Schaltkontaktprellen oder Transienten aufgrund induktiver oder kapazitiver Lastschaltung, die alle in industriellen Umgebungen häufig vorkommen. Der in EC 61000-4-4 definierte EFT-Test dient dazu, die durch diese Ereignisse erzeugten Störungen zu simulieren.
Abbildung 3: EFT-Kennlinie
IEC 61000-4-4 legt die Spannungsprüfstufen unter verschiedenen Umgebungsbedingungen fest, die in 4 Stufen unterteilt sind. Gleichzeitig werden die Prüfspannung und die Impulswiederholungsrate entsprechend den unterschiedlichen Prüfstufen angegeben.
• Stufe 1 weist auf eine gut geschützte Umgebung hin
• Klasse 2 weist auf eine geschützte Umgebung hin
• Klasse 3 weist auf eine typische Industrieumgebung hin
• Klasse 4 für raue Industrieumgebungen
Abbildung 4: EFT-Teststufen nach IEC 61000-4-4
Überspannungsschutz
Überspannungen werden in der Regel durch Überspannungen verursacht, die durch Schaltvorgänge oder Blitzeinschläge verursacht werden. Schalttransienten können durch Netzumschaltungen, Laständerungen im Stromverteilungssystem oder verschiedene Systemfehler verursacht werden. Blitztransienten können durch Blitzeinschläge in der Nähe verursacht werden, wodurch große Ströme und Spannungen in das Gebäude eingespeist werden Schaltung. IEC 61000-4-5 definiert Wellenformen, Testmethoden und Testniveaus zur Bewertung der Immunität von elektrischen und elektrischen Geräten elektronisch Geräte, wenn sie diesen Überspannungserscheinungen ausgesetzt sind.
Abbildung 5: Überspannungskennlinie
Das Energieniveau des Stoßes kann drei bis vier Größenordnungen des Energieniveaus eines ESD- oder EFT-Impulses betragen. Daher können Überspannungen als schwerwiegende Kategorie in der EMV-Spezifikation für transiente Störungen betrachtet werden. Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen ESD und EFT sind auch die entsprechenden Schaltungsschutzkonstruktionen ähnlich, müssen jedoch aufgrund der hohen Energie der Überspannung anders gehandhabt werden.
Angus Zhao, stellvertretender Leiter der technischen Supportabteilung der Excelpoint Shijian Company, sagte: „Der Prozess der Entwicklung von EMV-Schutzschaltungen besteht darin, die entsprechenden Anforderungen der oben genannten drei Arten von Spezifikationen für transiente Immunität gemäß den tatsächlichen Anwendungsszenarien zu erfüllen und gleichzeitig die Kosten sicherzustellen.“ . Vorteile. Diese scheinbar komplizierte Arbeit hat tatsächlich ihre eigenen Prinzipien und Routinen, denen man folgen muss.“
Die entsprechenden Standardanforderungen der RS-485-Port-EMV-Lösung sind tatsächlich die Ziele, die durch das Schutzschaltungsdesign erreicht werden sollen. Um ein solches Ziel zu erreichen, gibt es eigene Gestaltungsprinzipien:
Es gibt zwei Hauptmethoden zum Schutz vor Transienten: Der Überstromschutz dient zur Begrenzung des Spitzenstroms. Überspannungsschutz dient zur Begrenzung von Spitzenspannungen. Ein typischer Schutzschemaentwurf umfasst Primärschutz und Sekundärschutz. Der Primärschutz leitet den Großteil der transienten Energie vom System ab und befindet sich normalerweise an der Schnittstelle zwischen dem System und der Umgebung, wo er die transiente Energie zur Erde umleitet und so den Großteil der Energie abführt. Der Zweck des Sekundärschutzes besteht darin, die verschiedenen zu schützen Komponenten des Systems vor transienten Spannungen und Strömen, die der Primärschutz zulässt. Der sekundäre Schutz konzentriert sich in der Regel eher auf bestimmte Komponenten des zu schützenden Systems. Es ist so optimiert, dass es den Schutz vor diesen Resttransienten gewährleistet und gleichzeitig die ordnungsgemäße Funktion dieser empfindlichen Teile des Systems gewährleistet. Angus Zhao, stellvertretender Direktor der technischen Supportabteilung von Excelpoint Shijian, sagte: „Diese beiden Methoden müssen sicherstellen, dass das Hauptdesign und das sekundäre Design mit dem Systemeingang/-ausgang zusammenarbeiten können, um die Belastung des geschützten Schaltkreises zu minimieren.“ Gleichzeitig wird es im Entwurf im Allgemeinen ein Koordinierungselement zwischen dem primären Schutzgerät und dem sekundären Schutzgerät geben, wie z Widerstand oder ein nichtlineares Überstromschutzgerät, um die Koordination sicherzustellen.“
Abbildung 1: Traditionelle Architektur einer EMV-Schutzlösung
In Übereinstimmung mit den oben genannten Spezifikationsanforderungen und Designprinzipien bieten wir unten drei verschiedene Ebenen von EMV-Schutzlösungen an, die alle den unabhängigen EMV-Kompatibilitätstest eines Drittanbieters bestanden haben. Zu den im Schema verwendeten Komponenten gehören:
ADM3485EARZ 3.3 V RS-485-Transceiver (ADI)
TVS-Transientenspannungsunterdrücker CDSOT23-SM712 (Bourns)
TBU Transient Blockout Unit TBU-CA065-200-WH (Bourns)
TIST Thyristor-Überspannungsschutz TISP4240M3BJR-S (Bourns)
GDT-Gasentladungsröhre 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Option Eins
EFT- und ESD-Transienten haben ähnliche Energieniveaus, während Stoßwellenformen drei bis vier Größenordnungen höhere Energieniveaus aufweisen. Der Schutz vor ESD und EFT kann auf ähnliche Weise erreicht werden, während Schutzlösungen für andere Überspannungen komplexer sind. Diese Lösung bietet ESD- und EFT-Schutz der Stufe 4 und Überspannungsschutz der Stufe 2.
Diese Lösung nutzt das TVS-Array CDSOT23-SM712 von Bourns, das zwei bidirektionale TVS-Dioden enthält. TVSs sind Geräte auf Siliziumbasis. Unter normalen Betriebsbedingungen weist TVS eine hohe Impedanz gegenüber Erde auf; Im Idealfall handelt es sich um einen offenen Stromkreis. Die Schutzmethode besteht darin, die durch den Übergang verursachte Überspannung auf die Spannungsgrenze zu beschränken. Dies wird durch den niederohmigen Lawinendurchbruch des PN-Übergangs erreicht. Wenn eine transiente Spannung erzeugt wird, die größer als die Durchbruchspannung des TVS ist, klemmt das TVS die transiente Spannung einfach auf einen vorgegebenen Wert, der kleiner als die Durchbruchspannung des Schutzgeräts ist
Es ist wichtig sicherzustellen, dass die Durchbruchspannung des TVS außerhalb des normalen Betriebsbereichs des geschützten Pins liegt. Das Besondere am CDSOT23-SM712 ist, dass er über eine asymmetrische Durchbruchspannung von 13.3 V und C7.5 V verfügt, was dem Gleichtaktbereich des Transceivers von 12 V bis C7 V des RS-485-Chips ADM3485E entspricht Bietet Schutz und begrenzt gleichzeitig die Erdung, um die Überspannungsbelastung des RS-485-Transceivers zu reduzieren.
Abbildung 2: CDSOT23-SM712 TVS-Kennlinie
Abbildung 3: Schutzschema basierend auf TVS-Array
Variante II
Soll der Überspannungsschutz erhöht werden, wird die Schutzschaltung komplizierter. Im zweiten Schema erhöhen wir den Überspannungsschutz auf Stufe vier.
In diesem Schema wird der sekundäre Schutz durch TVS (CDSOT23-SM712) und der Hauptschutz durch TISP (TISP4240M3BJR-S) bereitgestellt. Realisiert durch Stromschutzgerät TBU (TBU-CA065-200-WH).
Abbildung 4: Charakteristische Kurve von TBU
Wenn der Schutzschaltung transiente Energie zugeführt wird, fällt das TVS aus und schützt das Gerät, indem es einen Pfad mit niedriger Impedanz zur Erde bereitstellt. Aufgrund der hohen Spannung und des hohen Stroms muss das TVS auch durch eine Begrenzung des durchfließenden Stroms geschützt werden. Dies kann mithilfe einer TBU erfolgen, einem aktiven Hochgeschwindigkeits-Überstromschutzelement, das den Strom blockiert, anstatt ihn zur Erde zu leiten. Als Reihenelement reagiert es auf den Strom durch das Gerät und nicht auf die Spannung an der Schnittstelle. TBU ist ein Hochgeschwindigkeits-Überstromschutzgerät mit voreingestellter Strombegrenzung und hoher Spannungsfestigkeit. Wenn ein Überstrom auftritt und das TVS aufgrund eines vorübergehenden Ereignisses ausfällt, steigt der Strom in der TBU auf den vom Gerät eingestellten Stromgrenzwert. Zu diesem Zeitpunkt trennt die TBU den geschützten Stromkreis in weniger als 1 μs vom Überspannungsschutz. Während des restlichen Übergangs bleibt die TBU im geschützten Sperrzustand, wobei nur sehr wenig Strom durch den geschützten Stromkreis fließt
Abbildung 5: Unterschiede zwischen TBU und PTC (Sicherung)
Wie alle Überstromschutztechniken verfügt die TBU über eine Durchbruchspannung, sodass das Hauptschutzgerät die Spannung begrenzen und die Übergangsenergie zur Erde umleiten muss. Dies wird üblicherweise durch Technologien wie Gasentladungsröhren oder Festkörperentladungsröhren (Thyristoren) TISPs erreicht. Der TISP fungiert als Hauptschutzgerät und stellt bei Überschreiten seiner vordefinierten Schutzspannung einen transienten, offenen, niederimpedanten Pfad zur Erde bereit, der den Großteil der transienten Energie vom System und anderen Schutzgeräten ableitet.
Die nichtlineare Spannungs-Strom-Kennlinie von TISP begrenzt Überspannungen durch Umleitung des erzeugten Stroms. Als Thyristor weist TISP eine diskontinuierliche Spannungs-Strom-Kennlinie auf, die durch den Schaltvorgang zwischen dem Hochspannungsbereich und dem Niederspannungsbereich verursacht wird. Bevor das TISP-Gerät in einen Niederspannungszustand wechselt, verfügt es über einen Erdungspfad mit niedriger Impedanz, um die Übergangsenergie abzuleiten, und der Lawinendurchbruchsbereich bewirkt die Klemmwirkung.
Abbildung 6: Charakteristische Kurve von TISP
Während des Überspannungsbegrenzungsprozesses wird der geschützte Stromkreis kurzzeitig einer Hochspannung ausgesetzt, sodass sich das TISP-Gerät im Durchbruchsbereich befindet, bevor es in den offenen Zustand des Niederspannungsschutzes wechselt. Die TBU schützt die Backend-Schaltkreise vor Schäden durch die hohen Ströme, die durch diese hohe Spannung verursacht werden. Wenn der umgeleitete Strom unter einen kritischen Wert fällt, wird das TISP-Gerät automatisch zurückgesetzt, um den normalen Systembetrieb wieder aufzunehmen.
Alle drei oben genannten Elemente arbeiten zusammen, um in Verbindung mit dem Systemeingang/-ausgang einen Schutz auf Systemebene gegen Hochspannungs- und Hochstromtransienten zu gewährleisten.
Abbildung 7: TVS, TBU und TISP arbeiten zusammen, um mehr Schutz zu bieten
dritte Lösung
Wenn das Schutzsystem einen 6-kV-Überspannungsstoß bewältigen muss, sind einige Anpassungen des Systems erforderlich. Das neue System funktioniert ähnlich wie Schutzsystem zwei; Diese Schaltung verwendet jedoch eine Gasentladungsröhre (GDT) anstelle einer TISP, um die TBU zu schützen und dadurch das sekundäre Schutzgerät TVS zu schützen. Im Vergleich zu TISP nutzt GDT das Prinzip der Gasentladung, das Schutz vor größerer Überspannungs- und Überstrombelastung bieten kann. Der Nennstrom von TISP beträgt 220 A und der Nennstrom von GDT beträgt 5 kA (berechnet nach Einheitsleiter).
Abbildung 8: Charakteristische Kurve von GDT
GDTs werden hauptsächlich als Primärschutzgeräte verwendet und bieten einen niederohmigen Pfad zur Erde zum Schutz vor Überspannungstransienten. Wenn die Übergangsspannung die GDT-Funkenüberschlagsspannung erreicht, schaltet der GDT vom Hochimpedanz-Aus-Zustand in den Lichtbogenmodus um. Im Lichtbogenmodus fungiert der GDT als virtueller Kurzschluss und stellt einen vorübergehenden Leerlaufstromableitungspfad zur Erde bereit, der vorübergehende Stoßströme vom geschützten Gerät wegleitet.
Abbildung 9: Die Zusammenarbeit von TVS, TBU und GDT kann einer größeren Überspannungs- und Überstrombelastung standhalten
Angus Zhao, stellvertretender Direktor der Abteilung für technischen Support der Excelpoint Shijian Company, kam zu dem Schluss: Die EMC-Lösung für den RS-485-Port hat ihre eigene Routine, und es ist nicht schwierig, ein konformes Design zu erstellen, nachdem man die Spezifikationen verstanden hat, denen der Schutz folgen muss. und mit den Eigenschaften von Stromkreisschutzgeräten vertraut sein.
Abbildung 10: Vergleich der Schutzniveaus von EMV-Lösungen für drei RS485-Ports
Shijian Company stellte außerdem zwei klassische und praktische RS-485-Port-Schutzlösungen vor, die die Sicherheitstests IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT und IEC61000-4-5 Surge EMS über Stufe 4 bestehen können.
Lösung 1: Einführung einer 3-poligen GDT-TBU-TVS-Architekturlösung
Lösung 2: Einführung einer 2-poligen GDT-TBU-TVS-Architekturlösung
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