"ביישומי תעשייה, חשמל, אוטומציה ומכשור בפועל, תקן האוטובוסים RS-485 הוא אחד מתקני עיצוב אפיקי השכבה הפיזית בשימוש נרחב. מכיוון שהוא יעבוד בסביבות אלקטרומגנטיות קשות, על מנת להבטיח שניתן יהיה להתקין את יציאות הנתונים הללו בשלב הסופי. מהעיקרון ועד למדידה בפועל, נביא לכם ניתוח מפורט של הגנת היציאה של RS485.
"
ביישומי תעשייה, חשמל, אוטומציה ומכשור בפועל, תקן האוטובוסים RS-485 הוא אחד מתקני עיצוב אפיקי השכבה הפיזית בשימוש נרחב. מכיוון שהוא יעבוד בסביבות אלקטרומגנטיות קשות, על מנת להבטיח שניתן יהיה להתקין את יציאות הנתונים הללו בשלב הסופי. מהעיקרון ועד למדידה בפועל, נביא לכם ניתוח מפורט של הגנת היציאה של RS485.
בתכנון ה-EMC של יציאת RS-485, עלינו להתמקד בשלושה גורמים: פריקה אלקטרוסטטית (ESD), ארעיות מהירה חשמלית (EFT) ונחשול (Surge). מפרטי הנציבות האלקטרוטכנית הבינלאומית (IEC) מגדירים קבוצה של דרישות חסינות EMC. סט מפרטים זה כולל את שלושת הסוגים הבאים שלמתח ארעיות שהמתכננים צריכים כדי להבטיח שקווי תקשורת נתונים לא ייפגעו מהחולפים הללו.
שלושת הסוגים הם:
IEC 61000-4-2 פריקה אלקטרוסטטית (ESD)
IEC 61000-4-4 Electrical Fast Transients (EFT)
IEC 61000-4-5 חסינות נחשול (נחשול)
פריקה אלקטרוסטטית
פריקה אלקטרוסטטית (ESD) מתייחסת לשידור פתאומי של מטען אלקטרוסטטי בין שני עצמים טעונים בעלי פוטנציאל שונה עקב מגע קרוב או הולכה של שדה חשמלי. המאפיין שלו הוא שיש זרם גדול יותר בזמן קצר יותר. המטרה העיקרית של בדיקת IEC 61000-4-2 היא לקבוע את חסינות המערכת לאירועי ESD חיצוניים של המערכת במהלך תהליך העבודה. IEC 61000-4-2 מפרט את רמות בדיקת המתח בתנאי סביבה שונים, המחולקים ל-4 רמות. דרגה 1 קלה, דרגה 4 חמורה. מחלקות 1 ו-2 מתאימות למוצרים המותקנים בסביבות מבוקרות עם חומרים אנטי סטטיים. רמות 3 ו-4 מיועדות למוצרים המותקנים בסביבות קשות יותר שבהן אירועי ESD עם מתח גבוה יותר שכיחים יותר.
איור 1: עקומת מאפיין ESD
איור 2: IEC 61000-4-2 רמות בדיקת ESD וקטגוריות התקנה
מעברים מהירים חשמליים (התפרצויות)
מעברים מהירים חשמליים (EFT) בודקים את הצימוד של מספר רב של פולסים ארעיים מהירים במיוחד לקווי אותות, את ההפרעות החולפות הקשורות למערכות ולמעגלי מיתוג חיצוניים הניתנים לחיבור קיבולי ליציאות תקשורת. EFT windups כוללים ממסר והקפצת מגע מתג, או מעברי מעבר עקב מיתוג עומס אינדוקטיבי או קיבולי, כולם נפוצים בסביבות תעשייתיות. בדיקת EFT המוגדרת ב-EC 61000-4-4 היא לדמות את ההפרעות שנוצרות על ידי אירועים אלה.
איור 3: עקומת מאפיין EFT
IEC 61000-4-4 מפרט את רמות בדיקת המתח בתנאי סביבה שונים, המחולקים ל-4 רמות. במקביל, מצוין מתח הבדיקה וקצב חזרת הדופק התואמים לרמות בדיקה שונות.
• רמה 1 מציינת סביבה מוגנת היטב
• Class 2 מציין סביבה מוגנת
• Class 3 מציין סביבה תעשייתית טיפוסית
• Class 4 עבור סביבות תעשייתיות קשות
איור 4: רמות הבדיקה של IEC 61000-4-4 EFT
נחשול
נחשולים נגרמים בדרך כלל מתנאי מתח יתר הנגרמים על ידי פעולות מיתוג או על ידי פגיעות ברק. מעברי מיתוג יכולים להיגרם ממיתוג מערכת החשמל, שינויי עומס במערכת חלוקת החשמל או תקלות שונות במערכת. מעברי ברק יכולים להיגרם מפגיעות ברק בקרבת מקום הגורמות להזרקת זרמים ומתחים גדולים לתוך מעגל. IEC 61000-4-5 מגדיר צורות גל, שיטות בדיקה ורמות בדיקה להערכת החסינות של חשמל ו אֶלֶקטרוֹנִי ציוד כאשר הוא רגיש לתופעות גלים אלו.
איור 5: עקומת מאפיין נחשול
רמת האנרגיה של הנחשול יכולה להיות שלושה עד ארבעה סדרי גודל של רמת אנרגית דופק ESD או EFT. לכן, עליות עליות יכולות להיחשב כקטגוריה רצינית במפרט חולף ה-EMC. בגלל הדמיון בין ESD ל-EFT, גם עיצובי הגנת המעגלים המקבילים דומים, אך בשל האנרגיה הגבוהה של הנחשול, יש לטפל בו אחרת.
אנגוס ג'או, סגן מנהל מחלקת התמיכה הטכנית של חברת Excelpoint Shijian, אמר: "תהליך פיתוח מעגלי הגנת EMC הוא לעמוד בדרישות המתאימות של שלושת סוגי מפרטי החסינות החולפים לעיל בהתאם לתרחישי היישום בפועל, תוך הבטחת העלות. . יתרונות. לעבודה המסובכת לכאורה הזו יש למעשה עקרונות ושגרה משלה.
דרישות התקן המקבילות של פתרון יציאת RS-485 EMC הן למעשה המטרות שיש להשיג על ידי תכנון מעגל ההגנה. על מנת להשיג מטרה כזו, יש לה עקרונות עיצוב משלה:
ישנן שתי דרכים עיקריות לספק הגנה מפני זרמי מעבר: הגנת זרם יתר משמשת להגבלת שיא זרם; הגנת מתח יתר משמשת להגבלת מתח שיא. עיצוב תכנית הגנה טיפוסית כולל הגנה ראשונית והגנה משנית. הגנה ראשונית מסיטה את רוב האנרגיה החולפת מהמערכת וממוקמת בדרך כלל בממשק שבין המערכת לסביבה שבה היא מסיטה את האנרגיה החולפת לכדור הארץ, ובכך מסירה את רוב האנרגיה. מטרת ההגנה המשנית היא להגן על השונים רכיבים של המערכת מכל מתח וזרמים חולפים שההגנה הראשונית מאפשרת. הגנה משנית מתמקדת בדרך כלל יותר ברכיבים ספציפיים של המערכת המוגנת. זה מותאם כדי להבטיח הגנה מפני שאריות ארעיות אלה, תוך שהוא מאפשר לחלקים הרגישים הללו של המערכת לפעול כראוי. Angus Zhao, סגן מנהל מחלקת התמיכה הטכנית של Excelpoint Shijian, אמר: "שתי השיטות הללו חייבות להבטיח שהתכנון הראשי והעיצוב המשני יכולים לשתף פעולה עם הקלט/פלט של המערכת יחד כדי למזער את הלחץ על המעגל המוגן. במקביל בתכנון, בדרך כלל, יהיה אלמנט תיאום בין התקן ההגנה הראשי להתקן ההגנה המשני, כגון נַגָד או התקן הגנה מפני זרם יתר לא ליניארי, כדי להבטיח תיאום."
איור 1: ארכיטקטורת פתרונות הגנת EMC מסורתית
בהתאם לדרישות המפרט לעיל ולעקרונות התכנון, אנו מספקים להלן שלוש רמות שונות של פתרונות הגנת EMC, שכולם עברו את מבחן תאימות ה-EMC הבלתי תלוי של צד שלישי. הרכיבים המשמשים בסכימה כוללים:
מקלט משדר ADM3485EARZ 3.3 V RS-485 (ADI)
מדכא מתח חולף של TVS CDSOT23-SM712 (בורנס)
TBU יחידת חסימה חולפת TBU-CA065-200-WH (בורנס)
TIST תיריסטור מגן מתח TISP4240M3BJR-S (בורנס)
צינור פריקת גז GDT 2038-15-SM-RPLF (בורנס)
אפשרות אחת
למעברי EFT ו-ESD יש רמות אנרגיה דומות, בעוד שלצורות גל נחשול יש רמות אנרגיה גבוהות יותר בשלושה עד ארבעה סדרי גודל. הגנה מפני ESD ו-EFT יכולה להתבצע באופן דומה, בעוד שפתרונות הגנה לנחשולים אחרים מורכבים יותר. פתרון זה מספק רמה 4 ESD ו-EFT ורמה 2 הגנת נחשולי מתח.
פתרון זה משתמש במערך TVS CDSOT23-SM712 של Bourns, הכולל שתי דיודות TVS דו-כיווניות. TVS הם מכשירים מבוססי סיליקון. בתנאי הפעלה רגילים, ל-TVS יש עכבה גבוהה לאדמה; באופן אידיאלי זה מעגל פתוח. שיטת ההגנה היא להדק את מתח היתר שנגרם מהחולף למגבלת המתח. זה מושג באמצעות התמוטטות מפולת עכבה נמוכה של צומת ה-PN. כאשר נוצר מתח חולף גדול ממתח התמוטטות של ה-TVS, ה-TVS יהדק את החולף לרמה שנקבעה מראש הנמוכה ממתח השבר של התקן ההגנה, פשוט
חשוב לוודא שמתח השבר של ה-TVS נמצא מחוץ לטווח הפעולה הרגיל של הפין המוגן. התכונה הייחודית של CDSOT23-SM712 היא שיש לו מתח פירוק א-סימטרי של 13.3 וולט ו-C7.5 וולט, התואם את טווח המצב המשותף של מקלט המשדר מ-12 וולט עד C7 וולט של שבב RS-485 ADM3485E, ובכך מתן הגנה תוך הגבלת הארקה כדי להפחית מתח יתר על מקלט המשדר RS-485.
איור 2: עקומה אופיינית של CDSOT23-SM712 TVS
איור 3: ערכת הגנה המבוססת על מערך TVS
אפשרות II
אם יש להגביר את רמת ההגנה מפני נחשולי מתח, מעגל ההגנה יהפוך מסובך יותר. בתכנית השנייה, אנו מעלים את רמת ההגנה מפני נחשולי מתח לרמה ארבע.
בתכנית זו, ההגנה המשנית מסופקת על ידי TVS (CDSOT23-SM712), וההגנה העיקרית מסופקת על ידי TISP (TISP4240M3BJR-S). מומש על ידי התקן הגנה נוכחי TBU (TBU-CA065-200-WH).
איור 4: עקומה אופיינית של TBU
כאשר אנרגיה חולפת מופעלת על מעגל ההגנה, ה-TVS יתקלקל, ויגן על המכשיר על ידי מתן נתיב עכבה נמוכה לאדמה. בשל המתח והזרם הגבוהים, יש להגן על ה-TVS גם על ידי הגבלת הזרם העובר דרכו. ניתן לעשות זאת באמצעות TBU, אלמנט הגנה מפני זרם יתר פעיל במהירות גבוהה החוסם זרם במקום להעביר אותו לאדמה. כאלמנט סדרתי, הוא מגיב לזרם דרך המכשיר ולא למתח על פני הממשק. TBU הוא התקן הגנה מפני זרם יתר במהירות גבוהה עם מגבלת זרם מוגדרת מראש ויכולת עמידה במתח גבוה. כאשר מתרחש זרם יתר וה-TVS מתקלקל עקב אירוע חולף, הזרם ב-TBU יעלה לרמת הגבול הנוכחית שנקבעה על ידי המכשיר. בשלב זה, ה-TBU מנתק את המעגל המוגן מהנחשול תוך פחות מ-1 μs. במהלך שאר הזמן החולף, ה-TBU נשאר במצב חסימה מוגן עם מעט מאוד זרם דרך המעגל המוגן
איור 5: הבדלים בין TBU ל-PTC (נתיך)
כמו כל טכניקות הגנת זרם יתר, ל-TBU יש מתח התמוטטות, ולכן התקן ההגנה הראשי חייב להדק את המתח ולנתב מחדש את האנרגיה החולפת לאדמה. זה מושג בדרך כלל באמצעות טכנולוגיות כגון צינורות פריקת גז או צינורות פריקה במצב מוצק (תיריסטורים) TISPs. ה-TISP פועל כהתקן ההגנה הראשי, וכאשר חריגה ממתח ההגנה שהוגדר מראש שלו, הוא מספק נתיב פתוח חולף עם עכבה נמוכה לאדמה, ומסיט את רוב האנרגיה החולפת מהמערכת ומהתקני הגנה אחרים.
מאפיין המתח-זרם הלא-ליניארי של TISP מגביל את מתח היתר על ידי הסטת הזרם שנוצר. בתור תיריסטור, ל-TISP יש מאפיין מתח-זרם בלתי רציף, הנגרם כתוצאה מפעולת החלפה בין אזור מתח גבוה לאזור מתח נמוך. לפני שהתקן ה-TISP עובר למצב של מתח נמוך, יש לו נתיב הארקה בעל עכבה נמוכה כדי לסלף את האנרגיה החולפת, ואזור התמוטטות המפולת גורם לפעולת ההידוק.
איור 6: עקומה אופיינית של TISP
במהלך תהליך הגבלת מתח יתר, המעגל המוגן נחשף לזמן קצר למתח גבוה, כך שהתקן TISP נמצא באזור התמוטטות לפני המעבר למצב פתוח של הגנת מתח נמוך. ה-TBU יגן על המעגל האחורי מפני נזק עקב הזרמים הגבוהים הנגרמים ממתח גבוה זה. כאשר הזרם המופנה יורד מתחת לערך קריטי, התקן TISP מתאפס אוטומטית כדי לחדש את פעולת המערכת הרגילה.
כל שלושת האלמנטים שלעיל פועלים יחד כדי לספק הגנה ברמת המערכת למערכת מפני מתח גבוה וזרם גבוה בשילוב עם קלט/פלט המערכת.
איור 7: TVS, TBU ו-TISP פועלים יחד כדי לספק הגנה רבה יותר
פתרון שלישי
אם ערכת ההגנה צריכה להתמודד עם ארעיות של 6 קילו וולט, יידרשו כמה התאמות לתוכנית. התכנית החדשה פועלת בדומה לתכנית ההגנה השנייה; אבל מעגל זה משתמש בצינור פריקת גז (GDT) במקום TISP כדי להגן על ה-TBU, ובכך להגן על התקן ההגנה המשני TVS. בהשוואה ל-TISP, GDT מאמץ את העיקרון של פריקת גז, שיכול לספק הגנה מפני מתח יתר וזרם יתר. הזרם המדורג של TISP הוא 220 A, והזרם המדורג של GDT הוא 5 kA (מחושב לפי מוליך יחידה).
איור 8: עקומה אופיינית של GDT
GDTs משמשים בעיקר כהתקני הגנה ראשוניים, המספקים נתיב עם עכבה נמוכה לאדמה כדי להגן מפני מעברי מתח יתר. כאשר המתח הזמני יגיע למתח הניצוץ של GDT, ה-GDT יעבור ממצב כבוי בעל עכבה גבוהה למצב קשתות. במצב קשת, ה-GDT פועל כקצר חשמלי וירטואלי, מספק נתיב ניקוז זרם במעגל פתוח חולף לאדמה, ומסיט זרמי נחשול זמני הרחק מהמכשיר המוגן.
איור 9: שימוש ב-TVS, TBU ו-GDT לעבודה ביחד יכול לעמוד במתח יתר וזרם יתר גדול יותר
אנגוס ז'או, סגן מנהל מחלקת התמיכה הטכנית של חברת Excelpoint Shijian, סיכם: לפתרון ה-EMC עבור יציאת RS-485 יש שגרה משלו, ולא קשה לבצע תכנון תואם לאחר הבנת המפרטים שההגנה צריכה לבצע, ולהכיר את המאפיינים של התקני הגנת מעגלים.
איור 10: השוואה בין רמות ההגנה של פתרונות EMC עבור שלוש יציאות RS485
חברת Shijian הציגה גם שני פתרונות הגנה על יציאות RS-485 קלאסיים ומעשיים, שיכולים לעבור מבחן בטיחות IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS מעל רמה 4.
פתרון 1: אמצו פתרון ארכיטקטורת GDT TBU TVS עם 3 קוטבים
פתרון 2: אמצו פתרון ארכיטקטורת GDT TBU TVS עם 2 קוטבים
ראה עוד : מודולי IGBT | LCD מציג | רכיבים אלקטרוניים