"Dalam aplikasi industri, kuasa elektrik, automasi dan instrumentasi sebenar, piawaian bas RS-485 ialah salah satu piawaian reka bentuk bas lapisan fizikal yang digunakan secara meluas. Memandangkan ia akan berfungsi dalam persekitaran elektromagnet yang keras, untuk memastikan port data ini boleh dipasang pada akhir Untuk berfungsi dengan baik dalam persekitaran, ia mesti mematuhi peraturan keserasian elektromagnet (EMC) yang berkaitan. Daripada prinsip kepada ukuran sebenar, kami akan membawakan anda analisis terperinci tentang perlindungan port RS485.
"
Dalam aplikasi industri, kuasa elektrik, automasi dan instrumentasi sebenar, piawaian bas RS-485 ialah salah satu piawaian reka bentuk bas lapisan fizikal yang digunakan secara meluas. Memandangkan ia akan berfungsi dalam persekitaran elektromagnet yang keras, untuk memastikan port data ini boleh dipasang pada akhir Untuk berfungsi dengan baik dalam persekitaran, ia mesti mematuhi peraturan keserasian elektromagnet (EMC) yang berkaitan. Daripada prinsip kepada ukuran sebenar, kami akan membawakan anda analisis terperinci tentang perlindungan port RS485.
Dalam reka bentuk EMC port RS-485, kita perlu memberi tumpuan kepada tiga faktor: nyahcas elektrostatik (ESD), sementara pantas elektrik (EFT) dan lonjakan (Lonjakan). Spesifikasi Suruhanjaya Elektroteknikal Antarabangsa (IEC) mentakrifkan satu set keperluan imuniti EMC. Set spesifikasi ini termasuk tiga jenis tinggi berikut.voltan transien yang pereka bentuk perlu memastikan bahawa talian komunikasi data tidak rosak oleh transien ini.
Tiga jenis tersebut ialah:
IEC 61000-4-2 Nyahcas Elektrostatik (ESD)
IEC 61000-4-4 Transien Cepat Elektrik (EFT)
IEC 61000-4-5 Kekebalan Lonjakan (Lonjakan)
nyahcas elektrostatik
Nyahcas elektrostatik (ESD) merujuk kepada penghantaran cas elektrostatik secara tiba-tiba antara dua objek bercas dengan potensi yang berbeza akibat sentuhan rapat atau pengaliran medan elektrik. Cirinya ialah terdapat arus yang lebih besar dalam masa yang lebih singkat. Tujuan utama ujian IEC 61000-4-2 adalah untuk menentukan imuniti sistem terhadap peristiwa ESD luaran sistem semasa proses kerja. IEC 61000-4-2 menentukan tahap ujian voltan di bawah keadaan persekitaran yang berbeza, yang dibahagikan kepada 4 tahap. Darjah 1 ringan, darjah 4 teruk. Kelas 1 dan 2 sesuai untuk produk yang dipasang dalam persekitaran terkawal dengan bahan anti-statik. Tahap 3 dan 4 adalah untuk produk yang dipasang dalam persekitaran yang lebih teruk di mana peristiwa ESD dengan voltan lebih tinggi adalah lebih biasa.
Rajah 1: Lengkung ciri ESD
Rajah 2: Tahap ujian dan kategori pemasangan IEC 61000-4-2 ESD
Transien pantas elektrik (letupan)
Transien pantas elektrik (EFT) menguji gandingan sejumlah besar denyutan sementara yang sangat laju ke talian isyarat, gangguan sementara yang berkaitan dengan sistem dan litar pensuisan luaran yang boleh digandingkan secara kapasitif ke port komunikasi. Penggulungan EFT termasuk relay dan lantunan kenalan suis, atau transien disebabkan oleh pensuisan beban induktif atau kapasitif, yang semuanya biasa dalam persekitaran industri. Ujian EFT yang ditakrifkan dalam EC 61000-4-4 adalah untuk mensimulasikan gangguan yang dijana oleh peristiwa ini.
Rajah 3: Lengkung ciri EFT
IEC 61000-4-4 menentukan tahap ujian voltan di bawah keadaan persekitaran yang berbeza, yang dibahagikan kepada 4 tahap. Pada masa yang sama, voltan ujian dan kadar ulangan nadi sepadan dengan tahap ujian yang berbeza ditentukan.
• Tahap 1 menunjukkan persekitaran yang dilindungi dengan baik
• Kelas 2 menunjukkan persekitaran yang dilindungi
• Kelas 3 menunjukkan persekitaran perindustrian biasa
• Kelas 4 untuk persekitaran perindustrian yang keras
Rajah 4: Tahap ujian IEC 61000-4-4 EFT
Lonjakan
Lonjakan biasanya disebabkan oleh keadaan voltan lampau yang disebabkan oleh operasi pensuisan atau oleh sambaran petir. Pensuisan sementara boleh disebabkan oleh pensuisan sistem kuasa, perubahan beban dalam sistem pengagihan kuasa, atau pelbagai kerosakan sistem. Transien kilat boleh disebabkan oleh sambaran petir berdekatan menyebabkan arus dan voltan yang besar disuntik ke dalam litar. IEC 61000-4-5 mentakrifkan bentuk gelombang, kaedah ujian dan tahap ujian untuk menilai imuniti elektrik dan Elektronik peralatan apabila terdedah kepada fenomena lonjakan ini.
Rajah 5: Keluk ciri lonjakan
Tahap tenaga lonjakan boleh menjadi tiga hingga empat urutan magnitud daripada tahap tenaga nadi ESD atau EFT. Oleh itu, lonjakan boleh dianggap sebagai kategori serius dalam spesifikasi sementara EMC. Oleh kerana persamaan antara ESD dan EFT, reka bentuk perlindungan litar yang sepadan juga serupa, tetapi disebabkan tenaga lonjakan yang tinggi, ia mesti dikendalikan secara berbeza.
Angus Zhao, Timbalan Pengarah Jabatan Sokongan Teknikal Syarikat Excelpoint Shijian, berkata: "Proses membangunkan litar perlindungan EMC adalah untuk memenuhi keperluan sepadan bagi tiga jenis spesifikasi imuniti sementara di atas mengikut senario aplikasi sebenar, sambil memastikan kos . Faedah. Kerja yang kelihatan rumit ini sebenarnya mempunyai prinsip dan rutin tersendiri untuk diikuti.”
Keperluan standard yang sepadan bagi penyelesaian EMC port RS-485 sebenarnya adalah matlamat yang perlu dicapai oleh reka bentuk litar perlindungan. Untuk mencapai matlamat sedemikian, ia mempunyai prinsip reka bentuknya sendiri:
Terdapat dua cara utama untuk memberikan perlindungan terhadap transien: perlindungan arus lebih digunakan untuk mengehadkan arus puncak; perlindungan voltan lampau digunakan untuk mengehadkan voltan puncak. Reka bentuk skim perlindungan biasa termasuk perlindungan primer dan perlindungan sekunder. Perlindungan utama mengalihkan kebanyakan tenaga sementara dari sistem dan biasanya terletak di antara muka antara sistem dan persekitaran di mana ia mengalihkan sementara ke bumi, dengan itu mengeluarkan sebahagian besar tenaga. Tujuan perlindungan sekunder adalah untuk melindungi pelbagai komponen sistem daripada sebarang voltan dan arus sementara yang dibenarkan oleh perlindungan utama. Perlindungan sekunder biasanya lebih tertumpu pada komponen khusus sistem yang dilindungi. Ia dioptimumkan untuk memastikan perlindungan terhadap sisa sementara ini sementara masih membenarkan bahagian sensitif sistem ini berfungsi dengan baik. Angus Zhao, timbalan pengarah Jabatan Sokongan Teknikal Excelpoint Shijian, berkata: “Kedua-dua kaedah ini mesti memastikan reka bentuk utama dan reka bentuk sekunder boleh bekerjasama dengan input/output sistem bersama-sama untuk meminimumkan tekanan pada litar terlindung. Pada masa yang sama dalam reka bentuk, Secara amnya, akan terdapat elemen penyelarasan antara peranti perlindungan utama dan peranti perlindungan sekunder, seperti Perintang atau peranti perlindungan arus lebih tak linear, untuk memastikan penyelarasan.”
Rajah 1: Seni bina penyelesaian perlindungan EMC tradisional
Selaras dengan keperluan spesifikasi dan prinsip reka bentuk di atas, kami menyediakan tiga tahap berbeza bagi penyelesaian perlindungan EMC di bawah, yang kesemuanya telah lulus ujian keserasian EMC bebas pihak ketiga. Komponen yang digunakan dalam skema termasuk:
ADM3485EARZ 3.3 V RS-485 Transceiver (ADI)
Penekan Voltan Sementara TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Unit Sekatan Sementara TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
TIST Thyristor Surge Protector TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Tiub Pelepasan Gas GDT 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Pilihan Satu
Transien EFT dan ESD mempunyai tahap tenaga yang sama, manakala bentuk gelombang lonjakan mempunyai tahap tenaga tiga hingga empat urutan magnitud lebih tinggi. Perlindungan terhadap ESD dan EFT boleh dicapai dengan cara yang sama, manakala penyelesaian perlindungan untuk lonjakan lain adalah lebih kompleks. Penyelesaian ini menyediakan perlindungan lonjakan Tahap 4 ESD dan EFT dan Tahap 2.
Penyelesaian ini menggunakan susunan TVS CDSOT23-SM712 Bourns, yang merangkumi dua diod TVS dwiarah. TVS ialah peranti berasaskan silikon. Di bawah keadaan operasi biasa, TVS mempunyai impedans yang tinggi ke tanah; idealnya ia adalah litar terbuka. Kaedah perlindungan adalah untuk mengapit lebihan voltan yang disebabkan oleh sementara kepada had voltan. Ini dicapai melalui pecahan salji impedans rendah simpang PN. Apabila voltan sementara yang lebih besar daripada voltan pecahan TVS dijana, TVS akan mengapit sementara kepada tahap yang telah ditetapkan kurang daripada voltan kerosakan peranti perlindungan, hanya
Adalah penting untuk memastikan bahawa voltan pecahan TVS berada di luar julat operasi biasa pin terlindung. Ciri unik CDSOT23-SM712 ialah ia mempunyai voltan kerosakan asimetri 13.3 V dan C7.5 V, yang sepadan dengan julat mod biasa transceiver daripada 12 V hingga C7 V cip RS-485 ADM3485E, dengan itu memberikan perlindungan sambil mengehadkan tanah untuk mengurangkan tekanan lebihan voltan pada transceiver RS-485.
Rajah 2: Lengkung ciri TVS CDSOT23-SM712
Rajah 3: Skim perlindungan berdasarkan tatasusunan TVS
Pilihan II
Jika tahap perlindungan lonjakan hendak ditingkatkan, litar perlindungan akan menjadi lebih rumit. Dalam skim kedua, kami meningkatkan tahap perlindungan lonjakan ke tahap empat.
Dalam skim ini, perlindungan sekunder disediakan oleh TVS (CDSOT23-SM712), dan perlindungan utama disediakan oleh TISP (TISP4240M3BJR-S). Direalisasikan oleh peranti perlindungan semasa TBU (TBU-CA065-200-WH).
Rajah 4: Lengkung ciri TBU
Apabila tenaga sementara digunakan pada litar perlindungan, TVS akan rosak, melindungi peranti dengan menyediakan laluan impedans rendah ke tanah. Oleh kerana voltan dan arus yang tinggi, TVS juga mesti dilindungi dengan mengehadkan arus yang melaluinya. Ini boleh dilakukan dengan menggunakan TBU, elemen perlindungan arus lebih berkelajuan tinggi aktif yang menyekat arus dan bukannya mengecilkannya ke bumi. Sebagai elemen siri, ia bertindak balas kepada arus melalui peranti dan bukannya voltan merentasi antara muka. TBU ialah peranti perlindungan arus lampau berkelajuan tinggi dengan had arus pratetap dan keupayaan menahan voltan tinggi. Apabila lebihan arus berlaku dan TVS rosak disebabkan oleh peristiwa sementara, arus dalam TBU akan meningkat kepada tahap had semasa yang ditetapkan oleh peranti. Pada ketika ini, TBU memutuskan sambungan litar terlindung daripada lonjakan dalam masa kurang daripada 1 μs. Semasa baki sementara, TBU kekal dalam keadaan menyekat terlindung dengan arus yang sangat sedikit melalui litar terlindung
Rajah 5: Perbezaan antara TBU dan PTC (Fius)
Seperti semua teknik perlindungan arus lebih, TBU mempunyai voltan kerosakan, jadi peranti perlindungan utama mesti mengapit voltan dan mengalihkan tenaga sementara ke tanah. Ini biasanya dicapai menggunakan teknologi seperti tiub nyahcas gas atau tiub nyahcas keadaan pepejal (thyristor) TISP. TISP bertindak sebagai peranti perlindungan utama, dan apabila voltan perlindungan pratakrifnya melebihi, ia menyediakan laluan galangan rendah terbuka sementara ke tanah, mengalihkan kebanyakan tenaga sementara dari sistem dan peranti perlindungan lain.
Ciri arus voltan tak linear TISP mengehadkan lebihan voltan dengan mengalihkan arus yang dijana. Sebagai thyristor, TISP mempunyai ciri voltan-arus terputus, yang disebabkan oleh tindakan pensuisan antara kawasan voltan tinggi dan rantau voltan rendah. Sebelum peranti TISP bertukar kepada keadaan voltan rendah, ia mempunyai laluan tanah galangan rendah untuk memesongkan tenaga sementara, dan kawasan kerosakan runtuhan salji menyebabkan tindakan pengapitan.
Rajah 6: Lengkung ciri TISP
Semasa proses mengehadkan lebihan voltan, litar terlindung terdedah secara ringkas kepada voltan tinggi, jadi peranti TISP berada dalam kawasan kerosakan sebelum beralih kepada keadaan terbuka perlindungan voltan rendah. TBU akan melindungi litar belakang daripada kerosakan akibat arus tinggi yang disebabkan oleh voltan tinggi ini. Apabila arus dialihkan turun di bawah nilai kritikal, peranti TISP secara automatik ditetapkan semula untuk menyambung semula operasi sistem biasa.
Ketiga-tiga elemen di atas bekerjasama untuk menyediakan perlindungan tahap sistem untuk sistem terhadap voltan tinggi dan transien arus tinggi bersama-sama dengan input/output sistem.
Rajah 7: TVS, TBU dan TISP bekerjasama untuk memberikan lebih perlindungan
penyelesaian ketiga
Jika skim perlindungan perlu mengendalikan lonjakan sementara 6 kV, beberapa pelarasan pada skim akan diperlukan. Skim baharu ini berfungsi sama seperti skim perlindungan dua; tetapi litar ini menggunakan tiub nyahcas gas (GDT) dan bukannya TISP untuk melindungi TBU, dengan itu melindungi TVS peranti perlindungan sekunder. Berbanding dengan TISP, GDT mengamalkan prinsip pelepasan gas, yang boleh memberikan perlindungan terhadap lebihan voltan dan tekanan arus lebih. Arus undian TISP ialah 220 A, dan arus undian GDT ialah 5 kA (dikira oleh konduktor unit).
Rajah 8: Lengkung ciri GDT
GDT digunakan terutamanya sebagai peranti perlindungan utama, menyediakan laluan impedans rendah ke tanah untuk melindungi daripada transien voltan lampau. Apabila voltan sementara mencecah voltan percikan GDT, GDT akan bertukar daripada keadaan mati galangan tinggi kepada mod arcing. Dalam mod arka, GDT bertindak sebagai litar pintas maya, menyediakan laluan saliran arus litar terbuka sementara ke tanah, mengalihkan arus lonjakan sementara dari peranti yang dilindungi.
Rajah 9: Menggunakan TVS, TBU dan GDT untuk bekerjasama boleh menahan lebihan voltan dan tekanan arus lebih
Angus Zhao, timbalan pengarah jabatan sokongan teknikal Syarikat Excelpoint Shijian, membuat kesimpulan: penyelesaian EMC untuk pelabuhan RS-485 mempunyai rutinnya sendiri, dan tidak sukar untuk membuat reka bentuk yang mematuhi selepas memahami spesifikasi yang perlu dipatuhi oleh perlindungan, dan mengetahui ciri-ciri peranti perlindungan litar.
Rajah 10: Perbandingan tahap perlindungan penyelesaian EMC untuk tiga port RS485
Syarikat Shijian juga memperkenalkan dua penyelesaian perlindungan port RS-485 klasik dan praktikal, yang boleh lulus ujian keselamatan IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS melebihi tahap 4.
Penyelesaian 1: Gunakan penyelesaian seni bina GDT TBU TVS 3 kutub
Penyelesaian 2: Gunakan penyelesaian seni bina GDT TBU TVS 2 kutub
Lihat lagi: modul IGBT | Memaparkan LCD | Komponen Elektronik