"Em aplicações reais industriais, de energia elétrica, automação e instrumentação, o padrão de barramento RS-485 é um dos padrões de projeto de barramento da camada física amplamente utilizados. Como funcionará em ambientes eletromagnéticos hostis, para garantir que essas portas de dados possam ser instaladas no ambiente final Para funcionar corretamente no ambiente, elas devem estar em conformidade com os regulamentos de compatibilidade eletromagnética (EMC) relevantes. Do princípio à medição real, traremos a você uma análise detalhada da proteção da porta do RS485.
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Em aplicações reais industriais, de energia elétrica, automação e instrumentação, o padrão de barramento RS-485 é um dos padrões de projeto de barramento da camada física amplamente utilizados. Como funcionará em ambientes eletromagnéticos hostis, para garantir que essas portas de dados possam ser instaladas no ambiente final Para funcionar corretamente no ambiente, elas devem estar em conformidade com os regulamentos de compatibilidade eletromagnética (EMC) relevantes. Do princípio à medição real, traremos a você uma análise detalhada da proteção da porta do RS485.
No projeto EMC da porta RS-485, precisamos nos concentrar em três fatores: descarga eletrostática (ESD), transiente elétrico rápido (EFT) e surge (Surge). As especificações da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) definem um conjunto de requisitos de imunidade EMC. Este conjunto de especificações inclui os seguintes três tipos de altaVoltagem transientes que os projetistas precisam para garantir que as linhas de comunicação de dados não sejam danificadas por esses transientes.
Os três tipos são:
IEC 61000-4-2 Descarga Eletrostática (ESD)
IEC 61000-4-4 Transientes elétricos rápidos (EFT)
IEC 61000-4-5 Imunidade a surtos (surtos)
descarga eletrostática
A descarga eletrostática (ESD) refere-se à transmissão repentina de carga eletrostática entre dois objetos carregados com potenciais diferentes devido ao contato próximo ou à condução do campo elétrico. Sua característica é que há uma corrente maior em um tempo menor. O principal objetivo do teste IEC 61000-4-2 é determinar a imunidade do sistema a eventos ESD externos do sistema durante o processo de trabalho. A IEC 61000-4-2 especifica os níveis de teste de tensão sob diferentes condições ambientais, que são divididos em 4 níveis. Grau 1 leve, grau 4 grave. As classes 1 e 2 são adequadas para produtos instalados em ambientes controlados com materiais antiestáticos. Os níveis 3 e 4 são para produtos instalados em ambientes mais severos, onde eventos ESD com tensões mais altas são mais comuns.
Figura 1: Curva característica de ESD
Figura 2: Níveis de teste de ESD IEC 61000-4-2 e categorias de instalação
Transitórios elétricos rápidos (rajadas)
Os transientes elétricos rápidos (EFT) testam o acoplamento de um grande número de pulsos transientes extremamente rápidos em linhas de sinal, os distúrbios transitórios associados a sistemas e circuitos de comutação externos que podem ser acoplados capacitivamente a portas de comunicação. Os encerramentos de EFT incluem Retransmissão e ressalto de contato do interruptor, ou transientes devido à comutação de carga indutiva ou capacitiva, todos comuns em ambientes industriais. O teste EFT definido na EC 61000-4-4 é para simular a interferência gerada por esses eventos.
Figura 3: Curva característica de EFT
A IEC 61000-4-4 especifica os níveis de teste de tensão sob diferentes condições ambientais, que são divididos em 4 níveis. Ao mesmo tempo, a tensão de teste e a taxa de repetição de pulso correspondentes a diferentes níveis de teste são especificadas.
• Nível 1 indica um ambiente bem protegido
• Classe 2 indica um ambiente protegido
• Classe 3 indica um ambiente industrial típico
• Classe 4 para ambientes industriais agressivos
Figura 4: Níveis de teste IEC 61000-4-4 EFT
Onda
Os surtos são geralmente causados por condições de sobretensão causadas por operações de comutação ou por descargas atmosféricas. Os transitórios de comutação podem ser causados por comutação do sistema de energia, mudanças de carga no sistema de distribuição de energia ou várias falhas do sistema. Os transientes de raios podem ser causados por relâmpagos próximos, causando grandes correntes e tensões a serem injetadas no o circuito. A IEC 61000-4-5 define formas de onda, métodos de teste e níveis de teste para avaliar a imunidade de eletricidade e Eletrônico equipamento quando suscetível a esses fenômenos de surto.
Figura 5: Curva característica de surto
O nível de energia do surto pode ser de três a quatro ordens de magnitude de um nível de energia de pulso ESD ou EFT. Portanto, os surtos podem ser considerados como uma categoria séria na especificação transitória EMC. Devido às semelhanças entre ESD e EFT, os projetos de proteção de circuito correspondentes também são semelhantes, mas devido à alta energia do surto, ele deve ser tratado de maneira diferente.
Angus Zhao, vice-diretor do departamento de suporte técnico da Excelpoint Shijian Company, disse: “O processo de desenvolvimento de circuitos de proteção EMC é atender aos requisitos correspondentes dos três tipos de especificações de imunidade transitória acima de acordo com os cenários de aplicação reais, garantindo o custo . Benefícios. Este trabalho aparentemente complicado, na verdade, tem seus próprios princípios e rotinas a seguir.”
Os requisitos padrão correspondentes da solução EMC da porta RS-485 são, na verdade, os objetivos a serem alcançados pelo projeto do circuito de proteção. Para atingir tal objetivo, possui seus próprios princípios de design:
Existem duas maneiras principais de fornecer proteção contra transientes: a proteção de sobrecorrente é usada para limitar a corrente de pico; proteção contra sobretensão é usada para limitar a tensão de pico. Um projeto típico de esquema de proteção inclui proteção primária e proteção secundária. A proteção primária desvia a maior parte da energia transiente para longe do sistema e geralmente está localizada na interface entre o sistema e o ambiente onde ela desvia o transiente para a terra, removendo assim a maior parte da energia. O objetivo da proteção secundária é proteger os vários componentes do sistema de quaisquer tensões e correntes transitórias permitidas pela proteção primária. A proteção secundária geralmente é mais focada em componentes específicos do sistema que está sendo protegido. Ele é otimizado para garantir a proteção contra esses transientes residuais enquanto ainda permite que essas partes sensíveis do sistema funcionem corretamente. Angus Zhao, vice-diretor do Departamento de Suporte Técnico da Excelpoint Shijian, disse: “Esses dois métodos devem garantir que o projeto principal e o projeto secundário possam cooperar com a entrada/saída do sistema juntos para minimizar o estresse no circuito protegido. Ao mesmo tempo no projeto, geralmente, haverá um elemento de coordenação entre o dispositivo de proteção primário e o dispositivo de proteção secundário, como um Resistor ou um dispositivo de proteção de sobrecorrente não linear, para garantir a coordenação.”
Figura 1: Arquitetura tradicional da solução de proteção EMC
De acordo com os requisitos de especificação e princípios de design acima, fornecemos três níveis diferentes de soluções de proteção EMC abaixo, todos os quais passaram no teste de compatibilidade EMC independente de terceiros. Os componentes usados no esquema incluem:
Transceptor ADM3485EARZ 3.3 V RS-485 (ADI)
Supressor de tensão transitória TVS CDSOT23-SM712 (Bourns)
Unidade de bloqueio transitório TBU TBU-CA065-200-WH (Bourns)
Protetor contra surto de tiristor TIST TISP4240M3BJR-S (Bourns)
Tubo de Descarga de Gás GDT 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Uma opção
Os transientes de EFT e ESD têm níveis de energia semelhantes, enquanto as formas de onda de surto têm níveis de energia três a quatro ordens de magnitude mais altos. A proteção contra ESD e EFT pode ser realizada de maneira semelhante, enquanto as soluções de proteção para outros surtos são mais complexas. Esta solução fornece nível 4 ESD e EFT e proteção contra surtos de nível 2.
Esta solução usa a matriz de TVS CDSOT23-SM712 da Bourns, que inclui dois diodos TVS bidirecionais. TVSs são dispositivos baseados em silício. Sob condições normais de operação, o TVS tem uma alta impedância para o terra; idealmente é um circuito aberto. O método de proteção é limitar a sobretensão causada pelo transiente ao limite de tensão. Isso é obtido através da quebra de avalanche de baixa impedância da junção PN.
É importante garantir que a tensão de ruptura do TVS esteja fora da faixa operacional normal do pino protegido. A característica única do CDSOT23-SM712 é que ele tem uma tensão de ruptura assimétrica de 13.3 V e C7.5 V, que corresponde à faixa de modo comum do transceptor de 12 V a C7 V do chip RS-485 ADM3485E, fornecendo proteção enquanto limita o aterramento para reduzir o estresse de sobretensão no transceptor RS-485.
Figura 2: Curva característica CDSOT23-SM712 TVS
Figura 3: Esquema de proteção baseado no array TVS
Opção II
Se o nível de proteção contra surtos for aumentado, o circuito de proteção se tornará mais complicado. No segundo esquema, aumentamos o nível de proteção contra surtos para o nível quatro.
Neste esquema, a proteção secundária é fornecida pelo TVS (CDSOT23-SM712) e a proteção principal é fornecida pelo TISP (TISP4240M3BJR-S). Realizado pelo dispositivo de proteção atual TBU (TBU-CA065-200-WH).
Figura 4: Curva característica da TBU
Quando a energia transiente é aplicada ao circuito de proteção, o TVS quebra, protegendo o dispositivo ao fornecer um caminho de baixa impedância para o terra. Devido à alta tensão e corrente, o TVS também deve ser protegido limitando a corrente que passa por ele. Isso pode ser feito usando um TBU, um elemento ativo de proteção contra sobrecorrente de alta velocidade que bloqueia a corrente em vez de desviá-la para o terra. Como um elemento em série, ele responde à corrente através do dispositivo em vez da tensão na interface. O TBU é um dispositivo de proteção contra sobrecorrente de alta velocidade com limite de corrente predefinido e capacidade de suportar alta tensão. Quando ocorre uma sobrecorrente e o TVS quebra devido a um evento transitório, a corrente na TBU aumentará até o nível de limite de corrente definido pelo dispositivo. Neste ponto, o TBU desconecta o circuito protegido do surto em menos de 1 μs. Durante o restante do transiente, o TBU permanece no estado de bloqueio protegido com muito pouca corrente através do circuito protegido
Figura 5: Diferenças entre TBU e PTC (Fusível)
Como todas as técnicas de proteção contra sobrecorrente, o TBU tem uma tensão de ruptura, portanto, o dispositivo de proteção principal deve limitar a tensão e redirecionar a energia transitória para o terra. Isso geralmente é obtido usando tecnologias como tubos de descarga de gás ou tubos de descarga de estado sólido (tiristores) TISPs. O TISP atua como o principal dispositivo de proteção e, quando sua tensão de proteção predefinida é excedida, ele fornece um caminho transitório aberto de baixa impedância para o terra, desviando a maior parte da energia transitória do sistema e de outros dispositivos de proteção.
A característica não linear de tensão-corrente do TISP limita a sobretensão desviando a corrente gerada. Como um tiristor, o TISP possui uma característica de tensão-corrente descontínua, causada pela ação de comutação entre a região de alta tensão e a região de baixa tensão. Antes que o dispositivo TISP mude para um estado de baixa tensão, ele tem um caminho de aterramento de baixa impedância para desviar a energia transitória, e a região de quebra da avalanche causa a ação de fixação.
Figura 6: Curva característica do TISP
Durante o processo de limitação de sobretensão, o circuito protegido é brevemente exposto a alta tensão, de modo que o dispositivo TISP esteja na região de ruptura antes de mudar para o estado aberto de proteção de baixa tensão. A TBU protegerá o circuito de back-end contra danos devido às altas correntes causadas por essa alta tensão. Quando a corrente desviada cai abaixo de um valor crítico, o dispositivo TISP reinicializa automaticamente para retomar a operação normal do sistema.
Todos os três elementos acima trabalham juntos para fornecer proteção no nível do sistema para o sistema contra transientes de alta tensão e alta corrente em conjunto com a entrada/saída do sistema.
Figura 7: TVS, TBU e TISP trabalham juntos para fornecer mais proteção
terceira solução
Se o esquema de proteção precisar lidar com um transiente de surto de 6 kV, serão necessários alguns ajustes no esquema. O novo esquema funciona de forma semelhante ao esquema de proteção dois; mas este circuito usa um tubo de descarga de gás (GDT) em vez de um TISP para proteger o TBU, protegendo assim o dispositivo de proteção secundário TVS. Comparado com o TISP, o GDT adota o princípio de descarga de gás, que pode fornecer proteção contra maiores sobretensões e sobrecorrentes. A corrente nominal do TISP é de 220 A e a corrente nominal do GDT é de 5 kA (calculada pelo condutor da unidade).
Figura 8: Curva característica da GDT
Os GDTs são usados principalmente como dispositivos de proteção primários, fornecendo um caminho de baixa impedância para o solo para proteção contra transientes de sobretensão. Quando a tensão transiente atinge a tensão de ignição do GDT, o GDT muda do estado desligado de alta impedância para o modo de arco. No modo de arco, o GDT atua como um curto-circuito virtual, fornecendo um caminho de dreno de corrente de circuito aberto transitório para o terra, desviando as correntes de pico transitórias do dispositivo protegido.
Figura 9: O uso de TVS, TBU e GDT para trabalhar em conjunto pode suportar maior estresse de sobretensão e sobrecorrente
Angus Zhao, vice-diretor do departamento de suporte técnico da Excelpoint Shijian Company, concluiu: a solução EMC para porta RS-485 tem sua própria rotina e não é difícil fazer um projeto compatível depois de entender as especificações que a proteção precisa seguir, e estar familiarizado com as características dos dispositivos de proteção do circuito.
Figura 10: Comparação dos níveis de proteção das soluções EMC para três portas RS485
A Shijian Company também introduziu duas soluções clássicas e práticas de proteção de porta RS-485, que podem passar no teste de segurança IEC6100-4-2 ESD, IEC61000-4-4 EFT, IEC61000-4-5 Surge EMS acima do nível 4.
Solução 1: Adote a solução de arquitetura GDT TBU TVS de 3 pólos
Solução 2: Adote a solução de arquitetura GDT TBU TVS de 2 pólos
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