"Nelle attuali applicazioni industriali, elettriche, di automazione e di strumentazione, lo standard del bus RS-485 è uno degli standard di progettazione del bus a livello fisico ampiamente utilizzati. Poiché funzionerà in ambienti elettromagnetici difficili, al fine di garantire che queste porte dati possano essere installate nel finale. Per funzionare correttamente nell'ambiente, devono essere conformi alle normative sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) pertinenti. Dal principio alla misurazione effettiva, ti forniremo un'analisi dettagliata della protezione della porta RS485.
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Nelle attuali applicazioni industriali, elettriche, di automazione e di strumentazione, lo standard del bus RS-485 è uno degli standard di progettazione del bus a livello fisico ampiamente utilizzati. Poiché funzionerà in ambienti elettromagnetici difficili, al fine di garantire che queste porte dati possano essere installate nel finale. Per funzionare correttamente nell'ambiente, devono essere conformi alle normative sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) pertinenti. Dal principio alla misurazione effettiva, ti forniremo un'analisi dettagliata della protezione della porta RS485.
Nella progettazione EMC della porta RS-485, dobbiamo concentrarci su tre fattori: scariche elettrostatiche (ESD), transitori elettrici veloci (EFT) e sovratensioni (Surge). Le specifiche della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC) definiscono una serie di requisiti di immunità EMC. Questo insieme di specifiche comprende i seguenti tre tipi di alta-voltaggio transitori necessari ai progettisti per garantire che le linee di comunicazione dati non vengano danneggiate da questi transitori.
I tre tipi sono:
IEC 61000-4-2 Scariche elettrostatiche (ESD)
IEC 61000-4-4 Transitori elettrici veloci (EFT)
IEC 61000-4-5 Immunità alle sovratensioni (surge)
scarica elettrostatica
La scarica elettrostatica (ESD) si riferisce alla trasmissione improvvisa di carica elettrostatica tra due oggetti carichi con potenziali diversi a causa del contatto ravvicinato o della conduzione del campo elettrico. La sua caratteristica è che c'è una corrente maggiore in un tempo più breve. Lo scopo principale del test IEC 61000-4-2 è determinare l'immunità del sistema agli eventi ESD esterni del sistema durante il processo di lavoro. La norma IEC 61000-4-2 specifica i livelli di test di tensione in diverse condizioni ambientali, che sono suddivisi in 4 livelli. Grado 1 lieve, grado 4 grave. Le classi 1 e 2 sono idonee per prodotti installati in ambienti controllati con materiali antistatici. I livelli 3 e 4 sono per i prodotti installati in ambienti più severi in cui gli eventi ESD con tensioni più elevate sono più comuni.
Figura 1: curva caratteristica ESD
Figura 2: Livelli di test ESD IEC 61000-4-2 e categorie di installazione
Transitori elettrici veloci (burst)
I transitori elettrici veloci (EFT) testano l'accoppiamento di un gran numero di impulsi transitori estremamente veloci su linee di segnale, i disturbi transitori associati a sistemi e circuiti di commutazione esterni che possono essere accoppiati capacitivamente alle porte di comunicazione. Le liquidazioni EFT includono staffetta e il rimbalzo dei contatti dell'interruttore, o transitori dovuti alla commutazione di carichi induttivi o capacitivi, tutti comuni negli ambienti industriali. Il test EFT definito in EC 61000-4-4 simula l'interferenza generata da questi eventi.
Figura 3: curva caratteristica EFT
La norma IEC 61000-4-4 specifica i livelli di test di tensione in diverse condizioni ambientali, che sono suddivisi in 4 livelli. Allo stesso tempo, vengono specificate la tensione di prova e la frequenza di ripetizione degli impulsi corrispondenti a diversi livelli di prova.
• Il livello 1 indica un ambiente ben protetto
• La classe 2 indica un ambiente protetto
• La classe 3 indica un tipico ambiente industriale
• Classe 4 per ambienti industriali gravosi
Figura 4: livelli di test EFT IEC 61000-4-4
Ondata
Le sovratensioni sono generalmente causate da condizioni di sovratensione causate da operazioni di commutazione o da fulmini. I transitori di commutazione possono essere causati dalla commutazione del sistema di alimentazione, dai cambiamenti di carico nel sistema di distribuzione dell'alimentazione o da vari guasti del sistema. I transitori di fulmini possono essere causati da fulmini vicini che provocano l'iniezione di grandi correnti e tensioni nel circuito. La norma IEC 61000-4-5 definisce le forme d'onda, i metodi di prova e i livelli di prova per valutare l'immunità dei Elettronico apparecchiature quando suscettibili a questi fenomeni di sovratensione.
Figura 5: Curva caratteristica di picco
Il livello di energia della sovratensione può essere da tre a quattro ordini di grandezza rispetto al livello di energia di un impulso ESD o EFT. Pertanto, i picchi possono essere considerati una categoria seria nella specifica transitoria EMC. A causa delle somiglianze tra ESD ed EFT, anche i corrispondenti progetti di protezione del circuito sono simili, ma a causa dell'elevata energia della sovratensione, deve essere gestita in modo diverso.
Angus Zhao, vicedirettore del dipartimento di supporto tecnico di Excelpoint Shijian Company, ha dichiarato: "Il processo di sviluppo dei circuiti di protezione EMC è quello di soddisfare i requisiti corrispondenti dei tre tipi di specifiche di immunità ai transitori di cui sopra in base agli scenari applicativi effettivi, garantendo al tempo stesso il costo . Benefici. Questo lavoro apparentemente complicato ha in realtà i suoi principi e le sue routine da seguire”.
I requisiti standard corrispondenti della soluzione EMC della porta RS-485 sono in realtà gli obiettivi da raggiungere con la progettazione del circuito di protezione. Per raggiungere tale obiettivo, ha i propri principi di progettazione:
Esistono due modi principali per fornire protezione contro i transitori: la protezione da sovracorrente viene utilizzata per limitare la corrente di picco; la protezione da sovratensione viene utilizzata per limitare la tensione di picco. Un tipico schema di protezione comprende la protezione primaria e la protezione secondaria. La protezione primaria devia la maggior parte dell'energia transitoria lontano dal sistema e di solito si trova all'interfaccia tra il sistema e l'ambiente dove devia il transitorio a terra, rimuovendo così la maggior parte dell'energia. Lo scopo della protezione secondaria è quello di proteggere i vari componenti del sistema da eventuali transitori di tensione e corrente consentiti dalla protezione primaria. La protezione secondaria è in genere più focalizzata su componenti specifici del sistema da proteggere. È ottimizzato per garantire la protezione contro questi transitori residui pur consentendo il corretto funzionamento di queste parti sensibili del sistema. Angus Zhao, vicedirettore del dipartimento di supporto tecnico di Excelpoint Shijian, ha dichiarato: “Questi due metodi devono garantire che il progetto principale e quello secondario possano cooperare insieme con l'input/output del sistema per ridurre al minimo lo stress sul circuito protetto. Allo stesso tempo nella progettazione, in genere, ci sarà un elemento di coordinamento tra il dispositivo di protezione primario e il dispositivo di protezione secondario, come un Resistore o un dispositivo di protezione da sovracorrente non lineare, per garantire il coordinamento.
Figura 1: Architettura della soluzione di protezione EMC tradizionale
In conformità con i requisiti delle specifiche e i principi di progettazione di cui sopra, forniamo tre diversi livelli di soluzioni di protezione EMC di seguito, ognuno dei quali ha superato il test di compatibilità EMC indipendente di terze parti. I componenti utilizzati nello schema includono:
ADM3485EARZ Ricetrasmettitore RS-3.3 da 485 V (ADI)
Soppressore di tensioni transitorie TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Unità di blocco dei transitori TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
Dispositivo di protezione contro le sovratensioni a tiristori TIST TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Tubo di scarico del gas GDT 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Opzione uno
I transitori EFT ed ESD hanno livelli di energia simili, mentre le forme d'onda di picco hanno livelli di energia da tre a quattro ordini di grandezza superiori. La protezione contro ESD ed EFT può essere realizzata in modo simile, mentre le soluzioni di protezione per altre sovratensioni sono più complesse. Questa soluzione fornisce protezione contro le sovratensioni di livello 4 ESD ed EFT e livello 2.
Questa soluzione utilizza l'array TVS CDSOT23-SM712 di Bourns, che include due diodi TVS bidirezionali. I TVS sono dispositivi basati su silicio. In condizioni operative normali, TVS ha un'elevata impedenza verso terra; idealmente è un circuito aperto. Il metodo di protezione consiste nel bloccare la sovratensione causata dal transitorio al limite di tensione. Ciò si ottiene attraverso la rottura a valanga a bassa impedenza della giunzione PN. Quando viene generata una tensione transitoria maggiore della tensione di rottura del TVS, il TVS blocca il transitorio a un livello predeterminato inferiore alla tensione di rottura del dispositivo di protezione, semplicemente
È importante assicurarsi che la tensione di rottura del TVS sia al di fuori del normale intervallo operativo del pin protetto. La caratteristica unica del CDSOT23-SM712 è che ha una tensione di rottura asimmetrica di 13.3 V e C7.5 V, che corrisponde all'intervallo di modalità comune del ricetrasmettitore da 12 V a C7 V del chip RS-485 ADM3485E, quindi fornendo protezione limitando la messa a terra per ridurre lo stress da sovratensione sul ricetrasmettitore RS-485.
Figura 2: curva caratteristica TVS CDSOT23-SM712
Figura 3: Schema di protezione basato sull'array TVS
Opzione II
Se il livello di protezione contro le sovratensioni deve essere aumentato, il circuito di protezione diventerà più complicato. Nel secondo schema, aumentiamo il livello di protezione contro le sovratensioni al livello quattro.
In questo schema, la protezione secondaria è fornita da TVS (CDSOT23-SM712) e la protezione principale è fornita da TISP (TISP4240M3BJR-S). Realizzato dal dispositivo di protezione corrente TBU (TBU-CA065-200-WH).
Figura 4: Curva caratteristica della TBU
Quando l'energia transitoria viene applicata al circuito di protezione, il TVS si romperà, proteggendo il dispositivo fornendo un percorso a terra a bassa impedenza. A causa dell'elevata tensione e corrente, anche il TVS deve essere protetto limitando la corrente che lo attraversa. Questo può essere fatto utilizzando una TBU, un elemento attivo di protezione da sovracorrente ad alta velocità che blocca la corrente invece di deviarla a terra. Come elemento in serie, risponde alla corrente attraverso il dispositivo piuttosto che alla tensione attraverso l'interfaccia. TBU è un dispositivo di protezione da sovracorrente ad alta velocità con limite di corrente preimpostato e capacità di resistenza all'alta tensione. Quando si verifica una sovracorrente e il TVS si guasta a causa di un evento transitorio, la corrente nella TBU salirà al livello limite di corrente impostato dal dispositivo. A questo punto, la TBU disconnette il circuito protetto dalla sovratensione in meno di 1 μs. Durante il resto del transitorio, la TBU rimane nello stato di blocco protetto con pochissima corrente attraverso il circuito protetto
Figura 5: Differenze tra TBU e PTC (fusibile)
Come tutte le tecniche di protezione da sovracorrente, la TBU ha una tensione di rottura, quindi il dispositivo di protezione principale deve bloccare la tensione e reindirizzare l'energia transitoria a terra. Ciò si ottiene solitamente utilizzando tecnologie come tubi a scarica di gas o tubi a scarica a stato solido (tiristori) TISP. Il TISP funge da dispositivo di protezione principale e, quando viene superata la sua tensione di protezione predefinita, fornisce un percorso transitorio aperto a bassa impedenza verso terra, deviando la maggior parte dell'energia transitoria lontano dal sistema e da altri dispositivi di protezione.
La caratteristica tensione-corrente non lineare del TISP limita la sovratensione deviando la corrente generata. Come tiristore, TISP ha una caratteristica tensione-corrente discontinua, causata dall'azione di commutazione tra la regione ad alta tensione e la regione a bassa tensione. Prima che il dispositivo TISP passi a uno stato di bassa tensione, ha un percorso di terra a bassa impedenza per deviare l'energia transitoria e la regione di rottura della valanga provoca l'azione di bloccaggio.
Figura 6: Curva caratteristica del TISP
Durante il processo di limitazione della sovratensione, il circuito protetto viene brevemente esposto ad alta tensione, quindi il dispositivo TISP si trova nella regione di guasto prima di passare allo stato aperto di protezione a bassa tensione. La TBU proteggerà i circuiti di back-end dai danni dovuti alle correnti elevate causate da questa alta tensione. Quando la corrente deviata scende al di sotto di un valore critico, il dispositivo TISP si resetta automaticamente per riprendere il normale funzionamento del sistema.
Tutti e tre gli elementi di cui sopra lavorano insieme per fornire protezione a livello di sistema per il sistema contro i transitori ad alta tensione e ad alta corrente in combinazione con l'ingresso/uscita del sistema.
Figura 7: TVS, TBU e TISP lavorano insieme per fornire una maggiore protezione
terza soluzione
Se lo schema di protezione deve gestire un transitorio di sovratensione di 6 kV, saranno necessarie alcune modifiche allo schema. Il nuovo schema funziona in modo simile allo schema di protezione due; ma questo circuito utilizza un tubo a scarica di gas (GDT) invece di un TISP per proteggere la TBU, proteggendo così il dispositivo di protezione secondario TVS. Rispetto a TISP, GDT adotta il principio della scarica di gas, che può fornire protezione contro una maggiore sovratensione e sovracorrente. La corrente nominale di TISP è 220 A e la corrente nominale di GDT è 5 kA (calcolata dal conduttore dell'unità).
Figura 8: Curva caratteristica della GDT
I GDT vengono utilizzati principalmente come dispositivi di protezione primaria, fornendo un percorso a terra a bassa impedenza per la protezione dai transitori di sovratensione. Quando la tensione transitoria raggiunge la tensione di scarica del GDT, il GDT passerà dallo stato spento ad alta impedenza alla modalità ad arco. In modalità arco, il GDT agisce come un cortocircuito virtuale, fornendo un percorso di drenaggio della corrente transitoria a circuito aperto verso terra, deviando le correnti di picco transitorie lontano dal dispositivo protetto.
Figura 9: L'utilizzo congiunto di TVS, TBU e GDT può sopportare maggiori stress da sovratensione e sovracorrente
Angus Zhao, vicedirettore del dipartimento di supporto tecnico di Excelpoint Shijian Company, ha concluso: la soluzione EMC per la porta RS-485 ha una sua routine e non è difficile realizzare un progetto conforme dopo aver compreso le specifiche che la protezione deve seguire, e conoscere le caratteristiche dei dispositivi di protezione del circuito.
Figura 10: Confronto dei livelli di protezione delle soluzioni EMC per tre porte RS485
Shijian Company ha anche introdotto due soluzioni di protezione della porta RS-485 classiche e pratiche, che possono superare il test di sicurezza IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS sopra il livello 4.
Soluzione 1: adottare una soluzione di architettura TBU TVS GDT a 3 poli
Soluzione 2: adottare una soluzione di architettura TBU TVS GDT a 2 poli
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