"En aplicaciones reales industriales, de energía eléctrica, automatización e instrumentación, el estándar de bus RS-485 es uno de los estándares de diseño de bus de capa física más utilizados. Dado que funcionará en entornos electromagnéticos hostiles, para garantizar que estos puertos de datos puedan instalarse en el entorno final Para funcionar correctamente en el entorno, deben cumplir con las normas de compatibilidad electromagnética (EMC) pertinentes. Desde el principio hasta la medición real, le brindaremos un análisis detallado de la protección del puerto de RS485.
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En aplicaciones reales industriales, de energía eléctrica, automatización e instrumentación, el estándar de bus RS-485 es uno de los estándares de diseño de bus de capa física más utilizados. Dado que funcionará en entornos electromagnéticos hostiles, para garantizar que estos puertos de datos puedan instalarse en el entorno final Para funcionar correctamente en el entorno, deben cumplir con las normas de compatibilidad electromagnética (EMC) pertinentes. Desde el principio hasta la medición real, le brindaremos un análisis detallado de la protección del puerto de RS485.
En el diseño EMC del puerto RS-485, debemos centrarnos en tres factores: descarga electrostática (ESD), transitorio eléctrico rápido (EFT) y sobretensión (Surge). Las especificaciones de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) definen un conjunto de requisitos de inmunidad EMC. Este conjunto de especificaciones incluye los siguientes tres tipos de altavoltaje transitorios que los diseñadores necesitan para asegurarse de que las líneas de comunicación de datos no se dañen por estos transitorios.
Los tres tipos son:
Descarga electrostática (ESD) IEC 61000-4-2
Transitorios eléctricos rápidos (EFT) IEC 61000-4-4
Inmunidad a sobretensiones IEC 61000-4-5 (sobretensiones)
descarga electrostática
La descarga electrostática (ESD) se refiere a la transmisión repentina de carga electrostática entre dos objetos cargados con diferentes potenciales debido al contacto cercano o la conducción de un campo eléctrico. Su característica es que hay una corriente más grande en un tiempo más corto. El propósito principal de la prueba IEC 61000-4-2 es determinar la inmunidad del sistema a eventos ESD externos del sistema durante el proceso de trabajo. IEC 61000-4-2 especifica los niveles de prueba de voltaje bajo diferentes condiciones ambientales, que se dividen en 4 niveles. Grado 1 leve, grado 4 severo. Las clases 1 y 2 son adecuadas para productos instalados en ambientes controlados con materiales antiestáticos. Los niveles 3 y 4 son para productos instalados en entornos más severos donde los eventos ESD con voltajes más altos son más comunes.
Figura 1: Curva característica ESD
Figura 2: Niveles de prueba y categorías de instalación de IEC 61000-4-2 ESD
Transitorios eléctricos rápidos (ráfagas)
Los transitorios eléctricos rápidos (EFT) prueban el acoplamiento de un gran número de pulsos transitorios extremadamente rápidos en las líneas de señal, las perturbaciones transitorias asociadas con los sistemas y los circuitos de conmutación externos que se pueden acoplar capacitivamente a los puertos de comunicación. Las liquidaciones de EFT incluyen Relé y rebote de contacto del interruptor, o transitorios debido a la conmutación de carga inductiva o capacitiva, todos los cuales son comunes en entornos industriales. La prueba EFT definida en EC 61000-4-4 es para simular la interferencia generada por estos eventos.
Figura 3: Curva característica de EFT
IEC 61000-4-4 especifica los niveles de prueba de voltaje bajo diferentes condiciones ambientales, que se dividen en 4 niveles. Al mismo tiempo, se especifican el voltaje de prueba y la tasa de repetición de pulsos correspondientes a diferentes niveles de prueba.
• El nivel 1 indica un entorno bien protegido
• Clase 2 indica un entorno protegido
• Clase 3 indica un entorno industrial típico
• Clase 4 para entornos industriales hostiles
Figura 4: Niveles de prueba IEC 61000-4-4 EFT
Sobretensión
Las sobretensiones generalmente son causadas por condiciones de sobretensión causadas por operaciones de conmutación o por rayos. Los transitorios de conmutación pueden ser causados por la conmutación del sistema de energía, cambios de carga en el sistema de distribución de energía o varias fallas del sistema. Los transitorios de rayos pueden ser causados por rayos cercanos que provocan la inyección de grandes corrientes y voltajes en el circuito. IEC 61000-4-5 define formas de onda, métodos de prueba y niveles de prueba para evaluar la inmunidad de los Electronic equipos cuando sean susceptibles a estos fenómenos de sobretensión.
Figura 5: Curva característica de sobretensión
El nivel de energía de la oleada puede ser de tres a cuatro órdenes de magnitud del nivel de energía de un pulso ESD o EFT. Por lo tanto, las sobretensiones pueden considerarse una categoría grave en la especificación transitoria de EMC. Debido a las similitudes entre ESD y EFT, los diseños de protección de circuitos correspondientes también son similares, pero debido a la alta energía de la sobretensión, debe manejarse de manera diferente.
Angus Zhao, Director Adjunto del Departamento de Soporte Técnico de Excelpoint Shijian Company, dijo: "El proceso de desarrollo de circuitos de protección EMC es cumplir con los requisitos correspondientes de los tres tipos anteriores de especificaciones de inmunidad transitoria de acuerdo con los escenarios de aplicación reales, mientras se asegura el costo . Beneficios. Este trabajo aparentemente complicado en realidad tiene sus propios principios y rutinas a seguir”.
Los requisitos estándar correspondientes de la solución EMC del puerto RS-485 son en realidad los objetivos que debe alcanzar el diseño del circuito de protección. Para lograr tal objetivo, tiene sus propios principios de diseño:
Hay dos formas principales de brindar protección contra transitorios: la protección contra sobrecorriente se usa para limitar la corriente máxima; La protección contra sobretensión se utiliza para limitar la tensión máxima. Un diseño de esquema de protección típico incluye protección primaria y protección secundaria. La protección primaria desvía la mayor parte de la energía transitoria lejos del sistema y generalmente se ubica en la interfaz entre el sistema y el entorno donde desvía la energía transitoria a tierra, eliminando así la mayor parte de la energía. El propósito de la protección secundaria es proteger los diversos componentes del sistema de las tensiones y corrientes transitorias que permite la protección primaria. La protección secundaria suele centrarse más en componentes específicos del sistema que se protege. Está optimizado para garantizar la protección contra estos transitorios residuales al mismo tiempo que permite que estas partes sensibles del sistema funcionen correctamente. Angus Zhao, subdirector del Departamento de Soporte Técnico de Excelpoint Shijian, dijo: “Estos dos métodos deben garantizar que el diseño principal y el diseño secundario puedan cooperar con la entrada/salida del sistema para minimizar la tensión en el circuito protegido. Al mismo tiempo en el diseño, por lo general, existirá un elemento de coordinación entre el dispositivo de protección primario y el dispositivo de protección secundario, como por ejemplo un Resistencia o un dispositivo de protección contra sobrecorriente no lineal, para asegurar la coordinación”.
Figura 1: Arquitectura tradicional de la solución de protección de EMC
De acuerdo con los requisitos de especificación y los principios de diseño anteriores, proporcionamos tres niveles diferentes de soluciones de protección EMC a continuación, todos los cuales han superado la prueba de compatibilidad EMC independiente de terceros. Los componentes utilizados en el esquema incluyen:
ADM3485EARZ Transceptor RS-3.3 de 485 V (ADI)
Supresor de voltaje transitorio TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Unidad de bloqueo transitorio TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
Protector contra sobretensiones tiristor TIST TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Tubo de descarga de gas GDT 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Opción uno
Los transitorios de EFT y ESD tienen niveles de energía similares, mientras que las formas de onda de sobretensión tienen niveles de energía de tres a cuatro órdenes de magnitud más altos. La protección contra ESD y EFT se puede lograr de manera similar, mientras que las soluciones de protección para otras sobretensiones son más complejas. Esta solución proporciona protección contra sobretensiones de Nivel 4 ESD y EFT y Nivel 2.
Esta solución utiliza la matriz TVS CDSOT23-SM712 de Bourns, que incluye dos diodos TVS bidireccionales. Los TVS son dispositivos basados en silicio. En condiciones normales de funcionamiento, TVS tiene una alta impedancia a tierra; idealmente es un circuito abierto. El método de protección consiste en sujetar la sobretensión causada por el transitorio al límite de tensión. Esto se logra a través de la ruptura de avalancha de baja impedancia de la unión PN. Cuando se genera un voltaje transitorio mayor que el voltaje de ruptura del TVS, el TVS sujetará el transitorio a un nivel predeterminado menor que el voltaje de ruptura del dispositivo de protección, simplemente
Es importante asegurarse de que el voltaje de ruptura del TVS esté fuera del rango de operación normal del pin protegido. La característica única del CDSOT23-SM712 es que tiene un voltaje de ruptura asimétrico de 13.3 V y C7.5 V, que coincide con el rango de modo común del transceptor de 12 V a C7 V del chip RS-485 ADM3485E, por lo que proporcionando protección mientras limita la tierra para reducir el estrés de sobrevoltaje en el transceptor RS-485.
Figura 2: Curva característica CDSOT23-SM712 TVS
Figura 3: Esquema de protección basado en arreglo TVS
Opción II
Si se va a aumentar el nivel de protección contra sobretensiones, el circuito de protección se volverá más complicado. En el segundo esquema, aumentamos el nivel de protección contra sobretensiones al nivel cuatro.
En este esquema, la protección secundaria la proporciona TVS (CDSOT23-SM712) y la protección principal la proporciona TISP (TISP4240M3BJR-S). Realizado por dispositivo de protección actual TBU (TBU-CA065-200-WH).
Figura 4: Curva característica de TBU
Cuando se aplica energía transitoria al circuito de protección, el TVS se descompondrá, protegiendo el dispositivo al proporcionar una ruta a tierra de baja impedancia. Debido a la alta tensión y corriente, el TVS también debe protegerse limitando la corriente que pasa por él. Esto se puede hacer usando un TBU, un elemento activo de protección contra sobrecorriente de alta velocidad que bloquea la corriente en lugar de derivarla a tierra. Como elemento en serie, responde a la corriente a través del dispositivo en lugar del voltaje a través de la interfaz. TBU es un dispositivo de protección contra sobrecorriente de alta velocidad con límite de corriente preestablecido y capacidad de soportar alto voltaje. Cuando ocurre una sobrecorriente y el TVS se rompe debido a un evento transitorio, la corriente en la TBU aumentará hasta el nivel de límite de corriente establecido por el dispositivo. En este punto, la TBU desconecta el circuito protegido de la sobretensión en menos de 1 μs. Durante el resto del transitorio, la TBU permanece en el estado de bloqueo protegido con muy poca corriente a través del circuito protegido.
Figura 5: Diferencias entre TBU y PTC (Fusible)
Como todas las técnicas de protección contra sobrecorriente, la TBU tiene un voltaje de ruptura, por lo que el dispositivo de protección principal debe sujetar el voltaje y redirigir la energía transitoria a tierra. Esto generalmente se logra utilizando tecnologías como los tubos de descarga de gas o los tubos de descarga de estado sólido (tiristores) TISP. El TISP actúa como el dispositivo de protección principal, y cuando se excede su voltaje de protección predefinido, proporciona un camino transitorio abierto de baja impedancia a tierra, desviando la mayor parte de la energía transitoria lejos del sistema y otros dispositivos de protección.
La característica tensión-corriente no lineal de TISP limita la sobretensión al desviar la corriente generada. Como tiristor, TISP tiene una característica de voltaje-corriente discontinua, que es causada por la acción de conmutación entre la región de alto voltaje y la región de bajo voltaje. Antes de que el dispositivo TISP cambie a un estado de bajo voltaje, tiene una ruta de tierra de baja impedancia para desviar la energía transitoria, y la región de ruptura de avalancha provoca la acción de sujeción.
Figura 6: Curva característica de TISP
Durante el proceso de limitación de sobrevoltaje, el circuito protegido se expone brevemente a alto voltaje, por lo que el dispositivo TISP se encuentra en la región de ruptura antes de cambiar al estado abierto de protección de bajo voltaje. La TBU protegerá el circuito de back-end de daños debido a las altas corrientes causadas por este alto voltaje. Cuando la corriente desviada cae por debajo de un valor crítico, el dispositivo TISP se reinicia automáticamente para reanudar el funcionamiento normal del sistema.
Los tres elementos anteriores funcionan juntos para proporcionar protección a nivel de sistema contra transitorios de alta tensión y alta corriente junto con la entrada/salida del sistema.
Figura 7: TVS, TBU y TISP trabajan juntos para brindar más protección
tercera solución
Si el esquema de protección necesita manejar una sobretensión transitoria de 6 kV, se requerirán algunos ajustes al esquema. El nuevo esquema funciona de manera similar al esquema de protección dos; pero este circuito utiliza un tubo de descarga de gas (GDT) en lugar de un TISP para proteger el TBU, protegiendo así el dispositivo de protección secundario TVS. En comparación con TISP, GDT adopta el principio de descarga de gas, que puede brindar protección contra una mayor sobretensión y estrés por sobrecorriente. La corriente nominal de TISP es de 220 A y la corriente nominal de GDT es de 5 kA (calculada por conductor unitario).
Figura 8: Curva característica de GDT
Los GDT se utilizan principalmente como dispositivos de protección primaria, proporcionando una ruta de baja impedancia a tierra para proteger contra transitorios de sobrevoltaje. Cuando el voltaje transitorio alcanza el voltaje de cebado del GDT, el GDT cambiará del estado de alta impedancia desactivado al modo de arco. En el modo de arco, el GDT actúa como un cortocircuito virtual, proporcionando una ruta de drenaje de corriente transitoria de circuito abierto a tierra, desviando las sobretensiones transitorias lejos del dispositivo protegido.
Figura 9: El uso de TVS, TBU y GDT para trabajar juntos puede soportar una mayor tensión de sobretensión y sobrecorriente
Angus Zhao, subdirector del departamento de soporte técnico de Excelpoint Shijian Company, concluyó: la solución EMC para el puerto RS-485 tiene su propia rutina y no es difícil hacer un diseño compatible después de comprender las especificaciones que debe seguir la protección. y estar familiarizado con las características de los dispositivos de protección de circuitos.
Figura 10: Comparación de los niveles de protección de las soluciones EMC para tres puertos RS485
Shijian Company también presentó dos soluciones de protección de puerto RS-485 clásicas y prácticas, que pueden pasar la prueba de seguridad IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS por encima del nivel 4.
Solución 1: adoptar una solución de arquitectura GDT TBU TVS de 3 polos
Solución 2: adoptar una solución de arquitectura GDT TBU TVS de 2 polos
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