"Gerçek endüstriyel, elektrik gücü, otomasyon ve enstrümantasyon uygulamalarında RS-485 veri yolu standardı, yaygın olarak kullanılan fiziksel katman veri yolu tasarım standartlarından biridir. Zorlu elektromanyetik ortamlarda çalışacağı için bu veri portlarının finalde kurulabilmesini sağlamak için ortamda düzgün çalışabilmeleri için ilgili elektromanyetik uyumluluk (EMC) düzenlemelerine uygun olmaları gerekmektedir. Prensipten fiili ölçüme kadar size RS485'in port korumasının ayrıntılı bir analizini sunacağız.
"
Gerçek endüstriyel, elektrik gücü, otomasyon ve enstrümantasyon uygulamalarında RS-485 veri yolu standardı, yaygın olarak kullanılan fiziksel katman veri yolu tasarım standartlarından biridir. Zorlu elektromanyetik ortamlarda çalışacağı için bu veri portlarının finalde kurulabilmesini sağlamak için ortamda düzgün çalışabilmeleri için ilgili elektromanyetik uyumluluk (EMC) düzenlemelerine uygun olmaları gerekmektedir. Prensipten fiili ölçüme kadar size RS485'in port korumasının ayrıntılı bir analizini sunacağız.
RS-485 portunun EMC tasarımında üç faktöre odaklanmamız gerekir: elektrostatik deşarj (ESD), elektriksel hızlı geçici akım (EFT) ve dalgalanma (Surge). Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (IEC) spesifikasyonları bir dizi EMC bağışıklık gerekliliğini tanımlar. Bu spesifikasyon seti aşağıdaki üç tip yüksek seviyeyi içerir:Voltaj Tasarımcıların veri iletişim hatlarının bu geçici olaylardan zarar görmemesini sağlaması gereken geçici durumlar.
Üç tür şunlardır:
IEC 61000-4-2 Elektrostatik Deşarj (ESD)
IEC 61000-4-4 Elektriksel Hızlı Geçici Akımlar (EFT)
IEC 61000-4-5 Dalgalanma Bağışıklığı (Dalgalanma)
elektrostatik deşarj
Elektrostatik boşalma (ESD), yakın temas veya elektrik alanının iletimi nedeniyle farklı potansiyellere sahip iki yüklü nesne arasında elektrostatik yükün ani iletimini ifade eder. Özelliği, daha kısa sürede daha büyük bir akımın oluşmasıdır. IEC 61000-4-2 testinin temel amacı, çalışma süreci sırasında sistemin harici ESD olaylarına karşı bağışıklığını belirlemektir. IEC 61000-4-2, farklı çevre koşulları altında 4 seviyeye bölünmüş gerilim testi seviyelerini belirtir. 1. derece hafif, 4. derece şiddetli. Sınıf 1 ve 2, antistatik malzemelerle kontrollü ortamlarda kurulan ürünler için uygundur. Seviye 3 ve 4, daha yüksek voltajlı ESD olaylarının daha yaygın olduğu, daha zorlu ortamlarda kurulan ürünler içindir.
Şekil 1: ESD karakteristik eğrisi
Şekil 2: IEC 61000-4-2 ESD test seviyeleri ve kurulum kategorileri
Elektriksel hızlı geçici olaylar (patlamalar)
Elektriksel hızlı geçici olaylar (EFT), çok sayıda son derece hızlı geçici darbenin sinyal hatlarına bağlanmasını, sistemlerle ilişkili geçici bozulmaları ve iletişim portlarına kapasitif olarak bağlanabilen harici anahtarlama devrelerini test eder. EFT kapanışları şunları içerir: Röle ve endüktif veya kapasitif yük anahtarlamasından kaynaklanan anahtarlama kontağı sıçraması veya geçici durumlar, bunların tümü endüstriyel ortamlarda yaygındır. EC 61000-4-4'te tanımlanan EFT testi, bu olayların oluşturduğu paraziti simüle etmek içindir.
Şekil 3: EFT karakteristik eğrisi
IEC 61000-4-4, farklı çevre koşulları altında 4 seviyeye bölünmüş gerilim testi seviyelerini belirtir. Aynı zamanda farklı test seviyelerine karşılık gelen test voltajı ve darbe tekrarlama oranı da belirtilir.
• Seviye 1 iyi korunan bir ortamı belirtir
• Sınıf 2, korunan bir ortamı belirtir
• Sınıf 3 tipik bir endüstriyel ortamı belirtir
• Zorlu endüstriyel ortamlar için Sınıf 4
Şekil 4: IEC 61000-4-4 EFT test seviyeleri
Dalgalanma
Dalgalanmalar genellikle anahtarlama işlemlerinin veya yıldırım çarpmasının neden olduğu aşırı gerilim koşullarından kaynaklanır. Anahtarlama geçici durumları, güç sistemi anahtarlamasından, güç dağıtım sistemindeki yük değişikliklerinden veya çeşitli sistem arızalarından kaynaklanabilir. Geçici yıldırım olayları, yakındaki yıldırım çarpmalarından kaynaklanabilir ve bu da büyük akımların ve gerilimlerin sisteme enjekte edilmesine neden olabilir. devre. IEC 61000-4-5, elektriksel ve elektriksel bağışıklığın değerlendirilmesine yönelik dalga biçimlerini, test yöntemlerini ve test seviyelerini tanımlar. Elektronik Ekipman bu dalgalanma olaylarına duyarlı olduğunda.
Şekil 5: Dalgalanma karakteristik eğrisi
Dalgalanmanın enerji seviyesi, ESD veya EFT darbe enerji seviyesinin üç ila dört katı büyüklüğünde olabilir. Bu nedenle dalgalanmalar EMC geçici spesifikasyonunda ciddi bir kategori olarak değerlendirilebilir. ESD ve EFT arasındaki benzerlikler nedeniyle ilgili devre koruma tasarımları da benzerdir ancak dalgalanmanın yüksek enerjisi nedeniyle farklı şekilde ele alınması gerekir.
Excelpoint Shijian Şirketi Teknik Destek Departmanı Direktör Yardımcısı Angus Zhao şunları söyledi: "EMC koruma devrelerini geliştirme süreci, gerçek uygulama senaryolarına göre yukarıdaki üç tür geçici bağışıklık spesifikasyonunun ilgili gereksinimlerini karşılarken maliyeti de garanti altına almaktır. . Faydalar. Bu görünüşte karmaşık işin aslında takip edilmesi gereken kendi ilkeleri ve rutinleri var.”
RS-485 bağlantı noktası EMC çözümünün ilgili standart gereksinimleri aslında koruma devresi tasarımıyla ulaşılacak hedeflerdir. Böyle bir hedefe ulaşmak için kendi tasarım ilkeleri vardır:
Geçici akımlara karşı koruma sağlamanın iki ana yolu vardır: aşırı akım koruması, tepe akımını sınırlamak için kullanılır; Aşırı gerilim koruması tepe gerilimini sınırlamak için kullanılır. Tipik bir koruma şeması tasarımı birincil korumayı ve ikincil korumayı içerir. Birincil koruma, geçici enerjinin çoğunu sistemden uzaklaştırır ve genellikle sistem ile çevre arasındaki arayüzde bulunur ve burada geçici enerjiyi toprağa yönlendirerek enerjinin çoğunu ortadan kaldırır. İkincil korumanın amacı çeşitli unsurları korumaktır. bileşenler Sistemin birincil korumanın izin verdiği herhangi bir geçici voltaj ve akımdan korunmasını sağlar. İkincil koruma genellikle korunan sistemin belirli bileşenlerine daha fazla odaklanır. Sistemin bu hassas parçalarının düzgün çalışmasına izin verirken, bu artık geçici akımlara karşı koruma sağlamak üzere optimize edilmiştir. Excelpoint Shijian Teknik Destek Departmanı müdür yardımcısı Angus Zhao şunları söyledi: "Bu iki yöntem, korunan devre üzerindeki stresi en aza indirmek için ana tasarımın ve ikincil tasarımın sistem girişi/çıkışı ile birlikte işbirliği yapabilmesini sağlamalıdır. Tasarımda aynı zamanda, genellikle birincil koruma cihazı ile ikincil koruma cihazı arasında bir koordinasyon elemanı bulunacaktır. rezistans veya koordinasyonu sağlamak için doğrusal olmayan bir aşırı akım koruma cihazı.
Şekil 1: Geleneksel EMC koruma çözümü mimarisi
Yukarıdaki spesifikasyon gereksinimlerine ve tasarım ilkelerine uygun olarak, aşağıda tümü üçüncü taraf bağımsız EMC uyumluluk testini geçen üç farklı düzeyde EMC koruma çözümü sunuyoruz. Şemada kullanılan bileşenler şunları içerir:
ADM3485EARZ 3.3 V RS-485 Alıcı-Verici (ADI)
TVS Geçici Gerilim Bastırıcı CDSOT23-SM712 (Bourns)
TBU Geçici Blokaj Ünitesi TBU-CA065-200-WH (Bourns)
TIST Tristör Aşırı Gerilim Koruyucu TISP4240M3BJR-S (Bourns)
GDT Gaz Tahliye Borusu 2038-15-SM-RPLF (Bourns)
Seçenek bir
EFT ve ESD geçici akımları benzer enerji seviyelerine sahipken, dalgalanma dalga formları üç ila dört büyüklük sırası daha yüksek enerji seviyelerine sahiptir. ESD ve EFT'ye karşı koruma benzer şekilde gerçekleştirilebilirken diğer dalgalanmalara yönelik koruma çözümleri daha karmaşıktır. Bu çözüm Seviye 4 ESD ve EFT ile Seviye 2 aşırı gerilim koruması sağlar.
Bu çözüm, iki çift yönlü TVS diyotu içeren Bourns'un CDSOT23-SM712 TVS dizisini kullanıyor. TVS'ler silikon bazlı cihazlardır. Normal çalışma koşulları altında TVS'nin toprağa karşı empedansı yüksektir; ideal olarak açık bir devredir. Koruma yöntemi, geçici durumdan kaynaklanan aşırı voltajı voltaj sınırına kelepçelemektir. Bu, PN bağlantısının düşük empedanslı çığ arızası yoluyla elde edilir. TVS'nin arıza voltajından daha büyük bir geçici voltaj üretildiğinde, TVS, geçici durumu, koruma cihazının arıza voltajından daha düşük, önceden belirlenmiş bir seviyeye kenetleyecektir.
TVS'nin arıza voltajının, korunan pinin normal çalışma aralığının dışında olmasını sağlamak önemlidir. CDSOT23-SM712'nin benzersiz özelliği, alıcı-vericinin RS-13.3 çipi ADM7.5E'nin 12 V ila C7 V ortak mod aralığına uyan 485 V ve C3485 V asimetrik arıza voltajına sahip olmasıdır. RS-485 alıcı-vericisindeki aşırı gerilim stresini azaltmak için toprağı sınırlandırırken koruma sağlar.
Şekil 2: CDSOT23-SM712 TVS karakteristik eğrisi
Şekil 3: TVS dizisine dayalı koruma şeması
Seçenek II
Aşırı gerilim korumanın seviyesi artırılacaksa koruma devresi daha karmaşık hale gelecektir. İkinci şemada aşırı gerilim koruma seviyesini dördüncü seviyeye çıkarıyoruz.
Bu şemada ikincil koruma TVS (CDSOT23-SM712) tarafından, ana koruma ise TISP (TISP4240M3BJR-S) tarafından sağlanmaktadır. Akım koruma cihazı TBU (TBU-CA065-200-WH) ile gerçekleştirilir.
Şekil 4: TBU'nun karakteristik eğrisi
Koruma devresine geçici enerji uygulandığında TVS bozulacak ve toprağa düşük empedanslı bir yol sağlayarak cihazı koruyacaktır. Yüksek voltaj ve akımdan dolayı TVS'nin üzerinden geçen akımın da sınırlandırılarak korunması gerekir. Bu, akımı toprağa yönlendirmek yerine bloke eden aktif bir yüksek hızlı aşırı akım koruma elemanı olan bir TBU kullanılarak yapılabilir. Seri bir eleman olarak arayüzdeki voltajdan ziyade cihazdaki akıma yanıt verir. TBU, önceden ayarlanmış akım sınırına ve yüksek gerilime dayanma kapasitesine sahip, yüksek hızlı bir aşırı akım koruma cihazıdır. Aşırı akım meydana geldiğinde ve geçici bir olay nedeniyle TVS bozulduğunda, TBU'daki akım, cihaz tarafından belirlenen akım limit seviyesine yükselecektir. Bu noktada TBU, korumalı devreyi 1 μs'den daha kısa bir sürede dalgalanmadan ayırır. Geçici devrenin geri kalanında TBU, korumalı devreden çok az akım geçerek korumalı blokaj durumunda kalır.
Şekil 5: TBU ve PTC (Sigorta) arasındaki farklar
Tüm aşırı akım koruma teknikleri gibi, TBU'nun da bir arıza gerilimi vardır, bu nedenle ana koruma cihazının gerilimi sıkıştırması ve geçici enerjiyi toprağa yönlendirmesi gerekir. Bu genellikle gaz deşarj tüpleri veya katı hal deşarj tüpleri (tristörler) TISP'ler gibi teknolojiler kullanılarak elde edilir. TISP, ana koruma cihazı olarak görev yapar ve önceden tanımlanan koruma voltajı aşıldığında, geçici enerjinin çoğunu sistemden ve diğer koruma cihazlarından uzaklaştırarak toprağa geçici açık düşük empedanslı bir yol sağlar.
TISP'nin doğrusal olmayan voltaj-akım karakteristiği, üretilen akımı yönlendirerek aşırı voltajı sınırlar. Bir tristör olarak TISP, yüksek gerilim bölgesi ile alçak gerilim bölgesi arasındaki anahtarlama eyleminin neden olduğu süreksiz bir gerilim-akım karakteristiğine sahiptir. TISP cihazı düşük voltaj durumuna geçmeden önce, geçici enerjiyi yönlendirmek için düşük empedanslı bir toprak yoluna sahiptir ve çığ kırılma bölgesi kenetleme hareketine neden olur.
Şekil 6: TISP'nin karakteristik eğrisi
Aşırı voltajın sınırlandırılması işlemi sırasında korunan devre kısa süreliğine yüksek voltaja maruz kalır, böylece TISP cihazı düşük voltaj koruması açık durumuna geçmeden önce arıza bölgesinde bulunur. TBU, bu yüksek voltajın neden olduğu yüksek akımlar nedeniyle arka uç devrelerini hasardan koruyacaktır. Yönlendirilen akım kritik bir değerin altına düştüğünde, TISP cihazı normal sistem çalışmasına devam etmek için otomatik olarak sıfırlanır.
Yukarıdaki öğelerin üçü de sistem girişi/çıkışıyla birlikte yüksek gerilim ve yüksek akım geçişlerine karşı sistem düzeyinde koruma sağlamak üzere birlikte çalışır.
Şekil 7: TVS, TBU ve TISP daha fazla koruma sağlamak için birlikte çalışıyor
üçüncü çözüm
Koruma planının 6 kV'luk geçici bir dalgalanmayı karşılaması gerekiyorsa, planda bazı ayarlamalar yapılması gerekecektir. Yeni plan, koruma planı iki ile benzer şekilde çalışıyor; ancak bu devre, TBU'yu korumak için TISP yerine bir gaz deşarj tüpü (GDT) kullanır, böylece ikincil koruma cihazı TVS'yi korur. TISP ile karşılaştırıldığında GDT, daha fazla aşırı gerilime ve aşırı akım stresine karşı koruma sağlayabilen gaz deşarjı ilkesini benimser. TISP'nin nominal akımı 220 A'dır ve GDT'nin nominal akımı 5 kA'dır (ünite iletkeni tarafından hesaplanır).
Şekil 8: GDT'nin karakteristik eğrisi
GDT'ler öncelikle birincil koruma cihazları olarak kullanılır ve geçici aşırı gerilimlere karşı koruma sağlamak için toprağa düşük empedanslı bir yol sağlar. Geçici voltaj GDT kıvılcım voltajına ulaştığında, GDT yüksek empedans kapalı durumundan ark moduna geçecektir. Ark modunda, GDT sanal bir kısa devre görevi görerek toprağa giden geçici bir açık devre akımı drenaj yolu sağlayarak geçici dalgalanma akımlarını korunan cihazdan uzaklaştırır.
Şekil 9: Birlikte çalışmak için TVS, TBU ve GDT'yi kullanmak, daha fazla aşırı gerilime ve aşırı akım stresine dayanabilir
Excelpoint Shijian Company'nin teknik destek departmanı müdür yardımcısı Angus Zhao şu sonuca vardı: RS-485 bağlantı noktası için EMC çözümünün kendi rutini vardır ve korumanın takip etmesi gereken spesifikasyonları anladıktan sonra uyumlu bir tasarım yapmak zor değildir. ve devre koruma cihazlarının özelliklerine aşina olmak.
Şekil 10: Üç RS485 bağlantı noktası için EMC çözümlerinin koruma seviyelerinin karşılaştırılması
Shijian Şirketi ayrıca IEC485-6100-4 ESD, IEC2-61000-4 EFT, IEC4-61000-4 Dalgalanma EMS güvenlik testini seviye 5'ün üzerinde geçebilen iki klasik ve pratik RS-4 bağlantı noktası koruma çözümünü de tanıttı.
1. Çözüm: 3 kutuplu GDT TBU TVS mimari çözümünü benimseyin
2. Çözüm: 2 kutuplu GDT TBU TVS mimari çözümünü benimseyin
Daha fazla göster : IGBT modülleri | LCD ekranlar | Elektronik Bileşenler