"Dans les applications industrielles, d'alimentation électrique, d'automatisation et d'instrumentation réelles, la norme de bus RS-485 est l'une des normes de conception de bus de couche physique les plus utilisées. Puisqu'il fonctionnera dans des environnements électromagnétiques difficiles, afin de garantir que ces ports de données puissent être installés dans le final Pour fonctionner correctement dans l'environnement, ils doivent être conformes aux réglementations de compatibilité électromagnétique (CEM) en vigueur. Du principe à la mesure proprement dite, nous vous apporterons une analyse détaillée de la protection des ports de RS485.
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Dans les applications industrielles, d'alimentation électrique, d'automatisation et d'instrumentation réelles, la norme de bus RS-485 est l'une des normes de conception de bus de couche physique les plus utilisées. Puisqu'il fonctionnera dans des environnements électromagnétiques difficiles, afin de garantir que ces ports de données puissent être installés dans le final Pour fonctionner correctement dans l'environnement, ils doivent être conformes aux réglementations de compatibilité électromagnétique (CEM) en vigueur. Du principe à la mesure proprement dite, nous vous apporterons une analyse détaillée de la protection des ports de RS485.
Dans la conception EMC du port RS-485, nous devons nous concentrer sur trois facteurs : la décharge électrostatique (ESD), le transitoire électrique rapide (EFT) et la surtension (Surge). Les spécifications de la Commission électrotechnique internationale (CEI) définissent un ensemble d'exigences d'immunité CEM. Cet ensemble de spécifications comprend les trois types suivants deTension transitoires dont les concepteurs ont besoin pour s'assurer que les lignes de communication de données ne sont pas endommagées par ces transitoires.
Les trois types sont :
CEI 61000-4-2 Décharge électrostatique (ESD)
CEI 61000-4-4 Transitoires électriques rapides (EFT)
Immunité aux surtensions CEI 61000-4-5 (surtension)
décharge électrostatique
La décharge électrostatique (ESD) fait référence à la transmission soudaine d'une charge électrostatique entre deux objets chargés avec des potentiels différents en raison d'un contact étroit ou de la conduction d'un champ électrique. Sa caractéristique est qu'il y a un courant plus important en un temps plus court. L'objectif principal du test CEI 61000-4-2 est de déterminer l'immunité du système aux événements ESD externes du système pendant le processus de travail. La CEI 61000-4-2 spécifie les niveaux d'essai de tension dans différentes conditions environnementales, qui sont divisés en 4 niveaux. Grade 1 léger, grade 4 sévère. Les classes 1 et 2 conviennent aux produits installés dans des environnements contrôlés avec des matériaux antistatiques. Les niveaux 3 et 4 sont destinés aux produits installés dans des environnements plus sévères où les événements ESD avec des tensions plus élevées sont plus fréquents.
Figure 1 : Courbe caractéristique ESD
Figure 2 : Niveaux de test ESD CEI 61000-4-2 et catégories d'installation
Transitoires rapides électriques (rafales)
Les transitoires électriques rapides (EFT) testent le couplage d'un grand nombre d'impulsions transitoires extrêmement rapides sur les lignes de signal, les perturbations transitoires associées aux systèmes et aux circuits de commutation externes qui peuvent être couplés de manière capacitive aux ports de communication. Les liquidations de TEF comprennent Relais et les rebonds de contact de commutation, ou les transitoires dus à la commutation de charge inductive ou capacitive, qui sont tous courants dans les environnements industriels. Le test EFT défini dans la norme EC 61000-4-4 consiste à simuler les interférences générées par ces événements.
Figure 3 : Courbe caractéristique EFT
La CEI 61000-4-4 spécifie les niveaux d'essai de tension dans différentes conditions environnementales, qui sont divisés en 4 niveaux. En même temps, la tension de test et le taux de répétition des impulsions correspondant aux différents niveaux de test sont spécifiés.
• Le niveau 1 indique un environnement bien protégé
• La classe 2 indique un environnement protégé
• La classe 3 indique un environnement industriel typique
• Classe 4 pour les environnements industriels difficiles
Figure 4 : Niveaux de test EFT CEI 61000-4-4
Poussée
Les surtensions sont généralement causées par des conditions de surtension causées par des opérations de commutation ou par des coups de foudre. Les transitoires de commutation peuvent être causés par la commutation du système d'alimentation, les changements de charge dans le système de distribution d'alimentation ou divers défauts du système. Les transitoires de foudre peuvent être causés par des éclairs à proximité provoquant l'injection de courants et de tensions importants dans le circuit. La CEI 61000-4-5 définit les formes d'onde, les méthodes de test et les niveaux de test pour évaluer l'immunité des Electronique équipements lorsqu'ils sont sensibles à ces phénomènes de surtension.
Figure 5 : Courbe caractéristique de surtension
Le niveau d'énergie de la surtension peut être de trois à quatre ordres de grandeur celui d'un niveau d'énergie d'impulsion ESD ou EFT. Par conséquent, les surtensions peuvent être considérées comme une catégorie sérieuse dans la spécification transitoire CEM. En raison des similitudes entre l'ESD et l'EFT, les conceptions de protection de circuit correspondantes sont également similaires, mais en raison de la haute énergie de la surtension, elle doit être gérée différemment.
Angus Zhao, directeur adjoint du département d'assistance technique d'Excelpoint Shijian Company, a déclaré : « Le processus de développement des circuits de protection CEM consiste à répondre aux exigences correspondantes des trois types de spécifications d'immunité transitoire ci-dessus en fonction des scénarios d'application réels, tout en garantissant le coût . Avantages. Ce travail apparemment compliqué a en fait ses propres principes et routines à suivre.
Les exigences standard correspondantes de la solution CEM du port RS-485 sont en fait les objectifs à atteindre par la conception du circuit de protection. Afin d'atteindre un tel objectif, il a ses propres principes de conception:
Il existe deux manières principales de se protéger contre les transitoires : la protection contre les surintensités est utilisée pour limiter le courant de crête ; la protection contre les surtensions est utilisée pour limiter la tension de crête. Une conception de schéma de protection typique comprend une protection primaire et une protection secondaire. La protection primaire détourne la majeure partie de l'énergie transitoire loin du système et est généralement située à l'interface entre le système et l'environnement où elle détourne le transitoire vers la terre, supprimant ainsi la majeure partie de l'énergie. La protection secondaire a pour but de protéger les différents composants électriques du système de toutes les tensions et courants transitoires autorisés par la protection primaire. La protection secondaire est généralement plus axée sur des composants spécifiques du système protégé. Il est optimisé pour assurer une protection contre ces transitoires résiduels tout en permettant à ces parties sensibles du système de fonctionner correctement. Angus Zhao, directeur adjoint du département d'assistance technique d'Excelpoint Shijian, a déclaré : « Ces deux méthodes doivent garantir que la conception principale et la conception secondaire peuvent coopérer avec l'entrée/la sortie du système afin de minimiser la contrainte sur le circuit protégé. En même temps dans la conception, généralement, il y aura un élément de coordination entre le dispositif de protection primaire et le dispositif de protection secondaire, tel qu'un Resistor ou un dispositif de protection non linéaire contre les surintensités, pour assurer la coordination.
Figure 1 : Architecture de la solution de protection EMC traditionnelle
Conformément aux exigences de spécification et aux principes de conception ci-dessus, nous proposons trois niveaux différents de solutions de protection CEM ci-dessous, qui ont tous passé avec succès le test de compatibilité CEM indépendant. Les composants utilisés dans le schéma comprennent :
ADM3485EARZ Émetteur-récepteur RS-3.3 485 V (ADI)
Suppresseur de tension transitoire TVS CDSOT23-SM712 (Boourns)
Unité de blocage des transitoires TBU TBU-CA065-200-WH (Boourns)
Protecteur de surtension à thyristor TIST TISP4240M3BJR-S (Boourns)
Tube à décharge de gaz GDT 2038-15-SM-RPLF (Borns)
Une option
Les transitoires EFT et ESD ont des niveaux d'énergie similaires, tandis que les formes d'onde de surtension ont des niveaux d'énergie de trois à quatre ordres de grandeur plus élevés. La protection contre les décharges électrostatiques et EFT peut être réalisée de la même manière, tandis que les solutions de protection contre les autres surtensions sont plus complexes. Cette solution offre une protection contre les surtensions de niveau 4 ESD et EFT et de niveau 2.
Cette solution utilise la matrice TVS CDSOT23-SM712 de Bourns, qui comprend deux diodes TVS bidirectionnelles. Les TVS sont des appareils à base de silicium. Dans des conditions de fonctionnement normales, TVS a une haute impédance à la terre ; idéalement c'est un circuit ouvert. La méthode de protection consiste à bloquer la surtension causée par le transitoire à la limite de tension. Ceci est réalisé grâce au claquage par avalanche à faible impédance de la jonction PN. Lorsqu'une tension transitoire supérieure à la tension de claquage du TVS est générée, le TVS bloquera le transitoire à un niveau prédéterminé inférieur à la tension de claquage du dispositif de protection, simplement
Il est important de s'assurer que la tension de claquage du TVS est en dehors de la plage de fonctionnement normale de la broche protégée. La caractéristique unique du CDSOT23-SM712 est qu'il a une tension de claquage asymétrique de 13.3 V et C7.5 V, ce qui correspond à la plage de mode commun de l'émetteur-récepteur de 12 V à C7 V de la puce RS-485 ADM3485E, ainsi offrant une protection tout en limitant la masse pour réduire les contraintes de surtension sur l'émetteur-récepteur RS-485.
Figure 2 : Courbe caractéristique CDSOT23-SM712 TVS
Figure 3 : Schéma de protection basé sur la matrice TVS
Variante II
Si le niveau de protection contre les surtensions doit être augmenté, le circuit de protection deviendra plus compliqué. Dans le deuxième schéma, nous augmentons le niveau de protection contre les surtensions au niveau quatre.
Dans ce schéma, la protection secondaire est fournie par TVS (CDSOT23-SM712) et la protection principale est fournie par TISP (TISP4240M3BJR-S). Réalisé par le dispositif de protection de courant TBU (TBU-CA065-200-WH).
Figure 4 : Courbe caractéristique de TBU
Lorsqu'une énergie transitoire est appliquée au circuit de protection, le TVS tombe en panne, protégeant l'appareil en fournissant un chemin à faible impédance vers la terre. En raison de la tension et du courant élevés, le TVS doit également être protégé en limitant le courant qui le traverse. Cela peut être fait à l'aide d'un TBU, un élément de protection actif à haute vitesse contre les surintensités qui bloque le courant au lieu de le dériver vers la terre. En tant qu'élément en série, il répond au courant à travers l'appareil plutôt qu'à la tension à travers l'interface. TBU est un dispositif de protection contre les surintensités à grande vitesse avec une limite de courant prédéfinie et une capacité de tenue à haute tension. Lorsqu'une surintensité se produit et que le TVS tombe en panne en raison d'un événement transitoire, le courant dans le TBU augmentera jusqu'au niveau de limite de courant défini par l'appareil. À ce stade, le TBU déconnecte le circuit protégé de la surtension en moins de 1 μs. Pendant le reste du transitoire, le TBU reste dans l'état de blocage protégé avec très peu de courant à travers le circuit protégé
Figure 5 : Différences entre TBU et PTC (fusible)
Comme toutes les techniques de protection contre les surintensités, le TBU a une tension de claquage, de sorte que le dispositif de protection principal doit bloquer la tension et rediriger l'énergie transitoire vers la terre. Ceci est généralement réalisé en utilisant des technologies telles que les tubes à décharge à gaz ou les tubes à décharge à semi-conducteurs (thyristors) TISP. Le TISP agit comme dispositif de protection principal et, lorsque sa tension de protection prédéfinie est dépassée, il fournit un chemin transitoire ouvert à faible impédance vers la terre, détournant la majeure partie de l'énergie transitoire du système et des autres dispositifs de protection.
La caractéristique tension-courant non linéaire du TISP limite la surtension en déviant le courant généré. En tant que thyristor, le TISP a une caractéristique tension-courant discontinue, qui est causée par une action de commutation entre la région haute tension et la région basse tension. Avant que le dispositif TISP ne passe à un état basse tension, il dispose d'un chemin de terre à faible impédance pour dériver l'énergie transitoire, et la région de claquage par avalanche provoque l'action de serrage.
Figure 6 : Courbe caractéristique du TISP
Pendant le processus de limitation de surtension, le circuit protégé est brièvement exposé à une haute tension, de sorte que le dispositif TISP se trouve dans la région de panne avant de passer à l'état ouvert de protection basse tension. Le TBU protégera le circuit principal des dommages dus aux courants élevés causés par cette haute tension. Lorsque le courant dérivé tombe en dessous d'une valeur critique, le dispositif TISP se réinitialise automatiquement pour reprendre le fonctionnement normal du système.
Les trois éléments ci-dessus fonctionnent ensemble pour fournir une protection au niveau du système contre les transitoires de haute tension et de courant élevé en conjonction avec l'entrée/la sortie du système.
Figure 7 : TVS, TBU et TISP travaillent ensemble pour offrir plus de protection
troisième solution
Si le schéma de protection doit gérer un transitoire de surtension de 6 kV, certains ajustements du schéma seront nécessaires. Le nouveau schéma fonctionne de manière similaire au schéma de protection deux ; mais ce circuit utilise un tube à décharge gazeuse (GDT) au lieu d'un TISP pour protéger le TBU, protégeant ainsi le dispositif de protection secondaire TVS. Comparé à TISP, GDT adopte le principe de la décharge de gaz, qui peut fournir une protection contre les surtensions et les surintensités plus importantes. Le courant nominal du TISP est de 220 A et le courant nominal du GDT est de 5 kA (calculé par conducteur unitaire).
Figure 8 : Courbe caractéristique du GDT
Les GDT sont principalement utilisés comme dispositifs de protection primaires, fournissant un chemin à faible impédance vers la terre pour se protéger contre les surtensions transitoires. Lorsque la tension transitoire atteint la tension d'amorçage du GDT, le GDT passe de l'état d'arrêt à haute impédance au mode d'arc. En mode arc, le GDT agit comme un court-circuit virtuel, fournissant un chemin de drain de courant en circuit ouvert transitoire vers la terre, détournant les courants de surtension transitoires loin de l'appareil protégé.
Figure 9 : L'utilisation conjointe de TVS, TBU et GDT peut résister à des surtensions et à des surintensités plus importantes
Angus Zhao, directeur adjoint du département de support technique d'Excelpoint Shijian Company, a conclu : la solution EMC pour le port RS-485 a sa propre routine, et il n'est pas difficile de faire une conception conforme après avoir compris les spécifications que la protection doit suivre, et connaître les caractéristiques des dispositifs de protection des circuits.
Figure 10 : Comparaison des niveaux de protection des solutions CEM pour trois ports RS485
La société Shijian a également présenté deux solutions de protection de port RS-485 classiques et pratiques, qui peuvent passer les tests de sécurité IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS au-dessus du niveau 4.
Solution 1 : Adopter une solution d'architecture GDT TBU TVS à 3 pôles
Solution 2 : Adopter une solution d'architecture GDT TBU TVS à 2 pôles
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