"Dalam aplikasi industri, tenaga listrik, otomasi dan instrumentasi aktual, standar bus RS-485 adalah salah satu standar desain bus lapisan fisik yang banyak digunakan. Karena ini akan bekerja di lingkungan elektromagnetik yang keras, untuk memastikan bahwa port data ini dapat dipasang di final Agar berfungsi dengan baik di lingkungan, mereka harus mematuhi peraturan kompatibilitas elektromagnetik (EMC) yang relevan. Dari prinsip hingga pengukuran aktual, kami akan memberi Anda analisis terperinci tentang perlindungan port RS485.
"
Dalam aplikasi industri, tenaga listrik, otomasi dan instrumentasi aktual, standar bus RS-485 adalah salah satu standar desain bus lapisan fisik yang banyak digunakan. Karena ini akan bekerja di lingkungan elektromagnetik yang keras, untuk memastikan bahwa port data ini dapat dipasang di final Agar berfungsi dengan baik di lingkungan, mereka harus mematuhi peraturan kompatibilitas elektromagnetik (EMC) yang relevan. Dari prinsip hingga pengukuran aktual, kami akan memberi Anda analisis terperinci tentang perlindungan port RS485.
Dalam desain EMC port RS-485, kita perlu fokus pada tiga faktor: pelepasan elektrostatis (ESD), transien cepat listrik (EFT) dan lonjakan (Surge). Spesifikasi International Electrotechnical Commission (IEC) menentukan serangkaian persyaratan kekebalan EMC. Serangkaian spesifikasi ini mencakup tiga jenis high-tegangan transien yang dibutuhkan perancang untuk memastikan bahwa jalur komunikasi data tidak rusak oleh transien ini.
Ketiga jenis tersebut adalah:
IEC 61000-4-2 Pelepasan Elektrostatis (ESD)
IEC 61000-4-4 Transien Cepat Listrik (EFT)
IEC 61000-4-5 Kekebalan Lonjakan (Lonjakan)
pelepasan elektrostatik
Pelepasan muatan listrik statis (ESD) mengacu pada transmisi tiba-tiba muatan elektrostatik antara dua benda bermuatan dengan potensi berbeda karena kontak dekat atau konduksi medan listrik. Karakteristiknya adalah ada arus yang lebih besar dalam waktu yang lebih singkat. Tujuan utama pengujian IEC 61000-4-2 adalah untuk menentukan kekebalan sistem terhadap peristiwa ESD eksternal sistem selama proses kerja. IEC 61000-4-2 menentukan level uji voltase pada kondisi lingkungan yang berbeda, yang dibagi menjadi 4 level. Tingkat 1 ringan, tingkat 4 parah. Kelas 1 dan 2 cocok untuk produk yang dipasang di lingkungan terkontrol dengan bahan antistatis. Level 3 dan 4 adalah untuk produk yang dipasang di lingkungan yang lebih parah di mana peristiwa ESD dengan voltase lebih tinggi lebih sering terjadi.
Gambar 1: Kurva karakteristik ESD
Gambar 2: Level pengujian ESD IEC 61000-4-2 dan kategori pemasangan
Transien cepat listrik (semburan)
Electrical fast transients (EFT) menguji penggandengan sejumlah besar pulsa transien yang sangat cepat ke jalur sinyal, gangguan transien yang terkait dengan sistem dan rangkaian switching eksternal yang dapat digabungkan secara kapasitif ke port komunikasi. Penyelesaian EFT termasuk menyampaikan dan sakelar kontak memantul, atau transien karena pengalihan beban induktif atau kapasitif, yang semuanya umum terjadi di lingkungan industri. Tes EFT yang ditentukan dalam EC 61000-4-4 adalah untuk mensimulasikan interferensi yang dihasilkan oleh kejadian ini.
Gambar 3: Kurva karakteristik EFT
IEC 61000-4-4 menentukan level uji voltase pada kondisi lingkungan yang berbeda, yang dibagi menjadi 4 level. Pada saat yang sama, voltase uji dan laju pengulangan pulsa yang sesuai dengan level uji yang berbeda ditentukan.
• Tingkat 1 menunjukkan lingkungan yang terlindung dengan baik
• Kelas 2 menunjukkan lingkungan yang terlindungi
• Kelas 3 menunjukkan lingkungan industri yang tipikal
• Kelas 4 untuk lingkungan industri yang keras
Gambar 4: Level pengujian EFT IEC 61000-4-4
Gelora
Lonjakan biasanya disebabkan oleh kondisi tegangan lebih yang disebabkan oleh operasi switching atau sambaran petir. Transien peralihan dapat disebabkan oleh peralihan sistem daya, perubahan beban dalam sistem distribusi daya, atau berbagai kesalahan sistem. Transien petir dapat disebabkan oleh sambaran petir di dekatnya yang menyebabkan arus dan tegangan besar disuntikkan ke dalam sirkit. IEC 61000-4-5 menentukan bentuk gelombang, metode pengujian, dan tingkat pengujian untuk mengevaluasi kekebalan listrik dan Elektronik peralatan saat rentan terhadap fenomena lonjakan ini.
Gambar 5: Kurva karakteristik gelombang
Tingkat energi lonjakan bisa tiga hingga empat kali lipat dari tingkat energi pulsa ESD atau EFT. Oleh karena itu, lonjakan dapat dianggap sebagai kategori serius dalam spesifikasi transien EMC. Karena kesamaan antara ESD dan EFT, desain perlindungan sirkuit yang sesuai juga serupa, tetapi karena energi lonjakan yang tinggi, penanganannya harus berbeda.
Angus Zhao, Deputi Direktur Departemen Dukungan Teknis Excelpoint Shijian Company, mengatakan: “Proses pengembangan sirkuit perlindungan EMC adalah untuk memenuhi persyaratan yang sesuai dari tiga jenis spesifikasi kekebalan transien di atas sesuai dengan skenario aplikasi aktual, sambil memastikan biaya . Manfaat. Pekerjaan yang tampaknya rumit ini sebenarnya memiliki prinsip dan rutinitasnya sendiri untuk diikuti.”
Persyaratan standar yang sesuai dari solusi EMC port RS-485 sebenarnya adalah tujuan yang ingin dicapai oleh desain sirkuit proteksi. Untuk mencapai tujuan seperti itu, ia memiliki prinsip desainnya sendiri:
Ada dua cara utama untuk memberikan perlindungan terhadap transien: perlindungan arus berlebih digunakan untuk membatasi arus puncak; perlindungan tegangan lebih digunakan untuk membatasi tegangan puncak. Desain skema proteksi tipikal mencakup proteksi primer dan proteksi sekunder. Proteksi primer mengalihkan sebagian besar energi transien dari sistem dan biasanya terletak di antarmuka antara sistem dan lingkungan di mana ia mengalihkan energi transien ke bumi, sehingga menghilangkan sebagian besar energi. Tujuan dari perlindungan sekunder adalah untuk melindungi berbagai komponen sistem dari tegangan dan arus transien apa pun yang dimungkinkan oleh perlindungan utama. Perlindungan sekunder biasanya lebih terfokus pada komponen tertentu dari sistem yang dilindungi. Ini dioptimalkan untuk memastikan perlindungan terhadap sisa transien ini sambil tetap membiarkan bagian sistem yang sensitif ini berfungsi dengan baik. Angus Zhao, wakil direktur Departemen Dukungan Teknis Excelpoint Shijian, berkata: “Kedua metode ini harus memastikan bahwa desain utama dan desain sekunder dapat bekerja sama dengan input/output sistem secara bersamaan untuk meminimalkan tekanan pada sirkuit yang dilindungi. Pada saat yang sama dalam desain, Umumnya akan ada elemen koordinasi antara perangkat proteksi primer dan perangkat proteksi sekunder, seperti Penghambat atau perangkat proteksi arus lebih nonlinier, untuk memastikan koordinasi.”
Gambar 1: Arsitektur solusi perlindungan EMC tradisional
Sesuai dengan persyaratan spesifikasi dan prinsip desain di atas, kami menyediakan tiga tingkat solusi perlindungan EMC yang berbeda di bawah ini, yang semuanya telah lulus uji kompatibilitas EMC independen pihak ketiga. Komponen yang digunakan dalam skema meliputi:
Pemancar (ADI) ADM3485EARZ 3.3 V RS-485
Penekan Tegangan Transien TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Unit Blockout Sementara TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
Pelindung Lonjakan Thyristor TIST TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Tabung Pelepasan Gas GDT 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Opsi Satu
Transien EFT dan ESD memiliki tingkat energi yang serupa, sedangkan gelombang gelombang memiliki tingkat energi tiga hingga empat kali lipat lebih tinggi. Perlindungan terhadap ESD dan EFT dapat dilakukan dengan cara yang sama, sedangkan solusi perlindungan untuk lonjakan lainnya lebih kompleks. Solusi ini memberikan perlindungan lonjakan ESD dan EFT Level 4 dan Level 2.
Solusi ini menggunakan rangkaian TVS CDSOT23-SM712 Bourns, yang mencakup dua dioda TVS dua arah. TVS adalah perangkat berbasis silikon. Dalam kondisi pengoperasian normal, TVS memiliki impedansi tinggi ke ground; idealnya itu adalah sirkuit terbuka. Metode proteksinya adalah dengan menjepit tegangan berlebih yang disebabkan oleh transien ke batas tegangan. Hal ini dicapai melalui kerusakan avalanche impedansi rendah dari sambungan PN. Ketika tegangan transien lebih besar dari tegangan tembus TVS dihasilkan, TVS akan menjepit transien ke tingkat yang telah ditentukan lebih rendah dari tegangan tembus perangkat perlindungan, cukup
Penting untuk memastikan bahwa tegangan tembus TVS berada di luar jangkauan operasi normal dari pin yang dilindungi. Fitur unik dari CDSOT23-SM712 adalah memiliki tegangan tembus asimetris 13.3 V dan C7.5 V, yang cocok dengan rentang mode umum transceiver dari 12 V hingga C7 V dari chip RS-485 ADM3485E, dengan demikian memberikan perlindungan sekaligus membatasi arde untuk mengurangi tekanan tegangan berlebih pada transceiver RS-485.
Gambar 2: Kurva karakteristik TVS CDSOT23-SM712
Gambar 3: Skema proteksi berdasarkan larik TVS
Opsi II
Jika tingkat proteksi lonjakan akan ditingkatkan, rangkaian proteksi akan menjadi lebih rumit. Pada skema kedua, kami meningkatkan level proteksi lonjakan ke level empat.
Dalam skema ini, proteksi sekunder disediakan oleh TVS (CDSOT23-SM712), dan proteksi utama disediakan oleh TISP (TISP4240M3BJR-S). Direalisasikan oleh TBU perangkat perlindungan saat ini (TBU-CA065-200-WH).
Gambar 4: Kurva Karakteristik TBU
Ketika energi transien diterapkan ke sirkuit perlindungan, TVS akan rusak, melindungi perangkat dengan menyediakan jalur impedansi rendah ke ground. Karena tegangan dan arus yang tinggi, TVS juga harus dilindungi dengan membatasi arus yang melewatinya. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan TBU, elemen proteksi arus berlebih berkecepatan tinggi aktif yang memblokir arus alih-alih mengalirkannya ke ground. Sebagai elemen seri, ini merespons arus melalui perangkat daripada tegangan melintasi antarmuka. TBU adalah perangkat perlindungan arus berlebih berkecepatan tinggi dengan batas arus yang telah ditetapkan dan kemampuan menahan tegangan tinggi. Ketika arus berlebih terjadi dan TVS rusak karena peristiwa sementara, arus di TBU akan naik ke level batas arus yang ditetapkan oleh perangkat. Pada titik ini, TBU memutus sirkuit yang dilindungi dari lonjakan dalam waktu kurang dari 1 μs. Selama sisa transien, TBU tetap dalam keadaan pemblokiran yang dilindungi dengan arus yang sangat kecil melalui sirkuit yang dilindungi.
Gambar 5: Perbedaan antara TBU dan PTC (Fuse)
Seperti semua teknik proteksi arus berlebih, TBU memiliki tegangan tembus, sehingga perangkat proteksi utama harus menjepit tegangan dan mengalihkan energi transien ke ground. Ini biasanya dicapai dengan menggunakan teknologi seperti tabung pelepasan gas atau tabung pelepasan zat padat (thyristor) TISP. TISP bertindak sebagai perangkat proteksi utama, dan ketika voltase proteksi yang telah ditentukan terlampaui, TISP menyediakan jalur impedansi rendah terbuka sementara ke arde, mengalihkan sebagian besar energi transien dari sistem dan perangkat proteksi lainnya.
Karakteristik tegangan-arus nonlinier dari TISP membatasi kelebihan tegangan dengan mengalihkan arus yang dihasilkan. Sebagai thyristor, TISP memiliki karakteristik tegangan-arus terputus-putus, yang disebabkan oleh aksi switching antara daerah tegangan tinggi dan daerah tegangan rendah. Sebelum perangkat TISP beralih ke keadaan bertegangan rendah, ia memiliki jalur ground impedansi rendah untuk menghindari energi transien, dan wilayah kerusakan longsoran menyebabkan tindakan penjepitan.
Gambar 6: Kurva Karakteristik TISP
Selama proses membatasi tegangan berlebih, sirkuit yang dilindungi terpapar tegangan tinggi sebentar, sehingga perangkat TISP berada di wilayah gangguan sebelum beralih ke keadaan terbuka perlindungan tegangan rendah. TBU akan melindungi sirkuit backend dari kerusakan akibat arus tinggi yang disebabkan oleh tegangan tinggi ini. Ketika arus yang dialihkan turun di bawah nilai kritis, perangkat TISP secara otomatis mengatur ulang untuk melanjutkan operasi sistem normal.
Ketiga elemen di atas bekerja sama untuk memberikan perlindungan level sistem untuk sistem terhadap transien tegangan tinggi dan arus tinggi sehubungan dengan input/output sistem.
Gambar 7: TVS, TBU dan TISP bekerja sama untuk memberikan perlindungan lebih
solusi ketiga
Jika skema proteksi perlu menangani transien lonjakan 6 kV, beberapa penyesuaian pada skema akan diperlukan. Skema baru bekerja mirip dengan skema proteksi dua; tetapi sirkuit ini menggunakan tabung pelepasan gas (GDT) sebagai pengganti TISP untuk melindungi TBU, sehingga melindungi perangkat perlindungan sekunder TVS. Dibandingkan dengan TISP, GDT mengadopsi prinsip pelepasan gas, yang dapat memberikan perlindungan terhadap tegangan berlebih dan tegangan arus berlebih yang lebih besar. Arus pengenal TISP adalah 220 A, dan arus pengenal GDT adalah 5 kA (dihitung oleh unit konduktor).
Gambar 8: Kurva Karakteristik GDT
GDT terutama digunakan sebagai perangkat perlindungan utama, menyediakan jalur impedansi rendah ke ground untuk melindungi transien tegangan berlebih. Ketika tegangan transien mencapai tegangan percikan GDT, GDT akan beralih dari keadaan mati impedansi tinggi ke mode lengkung. Dalam mode busur, GDT bertindak sebagai sirkuit pendek virtual, menyediakan jalur pembuangan arus sirkuit terbuka transien ke ground, mengalihkan arus lonjakan transien menjauh dari perangkat yang dilindungi.
Gambar 9: Menggunakan TVS, TBU, dan GDT untuk bekerja sama dapat menahan tegangan berlebih dan tegangan arus berlebih yang lebih besar
Angus Zhao, wakil direktur departemen dukungan teknis Excelpoint Shijian Company, menyimpulkan: solusi EMC untuk port RS-485 memiliki rutinitasnya sendiri, dan tidak sulit untuk membuat desain yang sesuai setelah memahami spesifikasi yang harus diikuti perlindungan, dan menjadi akrab dengan karakteristik perangkat perlindungan sirkuit.
Gambar 10: Perbandingan tingkat proteksi solusi EMC untuk tiga port RS485
Perusahaan Shijian juga memperkenalkan dua solusi perlindungan port RS-485 yang klasik dan praktis, yang dapat lulus uji keamanan IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS di atas level 4.
Solusi 1: Mengadopsi solusi arsitektur TVS GDT TBU 3 kutub
Solusi 2: Mengadopsi solusi arsitektur TVS GDT TBU 2 kutub
Lihat lebih banyak: modul IGBT | Layar LCD | Komponen Elektronik