Zaščita vodil RS-485 v industrijskih okoljih

Revija logo digikey 300x150 - Zaščita vodil RS-485 v industrijskih okoljih

 

Sodobno industrijsko okolje je nenaklonjeno elektroniki. Visoko zmogljivi motorji, veliki releji, elektromagneti in podobne naprave ustvarjajo elektromagnetna polja, medtem ko so visokonapetostne elektrostatične razelektritve (ESD-ji), hitri prehodni pojavi in induktivno sklopljene prenapetosti ter celo strele nekaj običajnega. In sicer do te mere, da so za serijsko vodilo, kot je RS-485 z njegovimi dolgimi razdaljami prenosa, potrebna številna orodja za zagotavljanje stabilnosti in zanesljivosti.

RS-485, imenovano tudi TIA/EIA-485 (Telecommunications Industry Association and Electronic Industries Alliance), je asinhrono serijsko vodilo, ki je bilo prvotno namenjeno uporabi v industriji, kjer je doseg vodila 1200 m ustrezal napeljavam v proizvodnji. Kljub čvrstosti vodil RS-485 se načrtovalci industrijskih sistemov, ki se zanašajo nanje, morajo sprejeti preventivne ukrepe, da se zagotovi stabilnost in dolgo življenjsko dobo vodil, še posebej, ker procesi postajajo vedno bolj odvisni od točnih podatkov in nenehnih povratnih informacij. Ti ukrepi vključujejo uporabo zaščitenih kablov, prehodnih napetostnih supresorjev (TVS diode) in na elektrostatične razelektritve in prenapetost odporne sprejemnike-oddajnike ter predhodno poudarjanje signala.

Nevarnosti za elektronske naprave v industrijskih okoljih

Obstajajo tri večje vrste nevarnosti elektromagnetnih motenj (EMI) za elektronske naprave, ki se uporabljajo v industrijskem okolju: elektrostatične razelektritve (ESD), električni hitri prehodni pojavi (EFT-ji) in prehodni pojavi električnih sunkov. Elektrostatična razelektritev je na splošno povezana s človeško interakcijo in prenosom električnega naboja, ki ga proizvede triboelektrični pojav na napravo. Elektrostatična razelektritev predstavlja najnižje električne prehodne pojave. Električni hitri prehodni pojavi so posledica odskoka kontakta releja ali prekinitve induktivnih bremen, medtem ko je prehodna prenapetost posledica večjih prekinitev, kot so udar strele, motorske obremenitve, dogodki menjavanja med delovanjem ali kratki stiki. Na splošno prenapetost povzroči največje energetske prehodne pojave.

Načrtovalcem je v pomoč serija povezanih mednarodnih standardov, namenjenih za pomoč pri preizkušanju robustnosti in zanesljivosti industrijskih naprav ob prisotnosti teh nevarnosti elektromagnetne združljivosti (EMC). Mednarodna elektrotehniška komisijo (IEC) je ustvarila in vzdržuje serijo standardov IEC 61009-4 za EMC. Ti standardi so:

  • IEC 61000-4-2 za imunost proti elektrostatični razelektritvi
  • IEC 61000-4-4 za imunost pred električnimi hitrimi prehodnimi pojavi
  • IEC 61000-4-5 za imunost proti prehodni prenapetosti

Vsak od teh standardov opredeljuje preizkuse za zagotavljanje, da lahko naprave prestanejo ustrezne EMC nevarnosti. Vsak preizkus uporablja specifične valovne oblike, uporabljene v izbruhih, za simuliranje določene vrste dogodka. Moč, povezana z vsako valovno obliko, je različna, elektrostatična razelektritev je najmanj močna. Valovne oblike prehodnega pojava prenapetosti so najmočnejše (1. slika).

Diagram na levi prikazuje relativno moč 10 kilovoltov (kV) ESD, 4 kV EFT in 0,5 kV prenapetosti. Diagram na desni prikazuje stopnje relativne moči prenapetosti 0,5 kV in 6 kV. Kot vidimo so povprečne stopnje moči sorazmerne s trajanjem prehodnega pulza ter maksimalne amplitude.

Stopnje maksimalne moči se razlikujejo s preizkusi od kilovatov do megavatov, kot je prikazano v grafih. Te preizkusne valovne oblike omogočajo v pogled v naravo motečih valovnih oblik signalov. Vprašanje za načrtovalce je, kako je naprave RS-485 mogoče zaščititi pred temi vrstami električnih prehodnih pojavov.

Zaščita se začne pri napeljavi
Standard fizične ravni za RS-485 je TIA/EIA-485A, ki določa diferencialno (uravnoteženo) prenos prek napeljave iz prepletenega dvovoda. Povezava je lahko poldupleksna (izmenjavanje med signali prenašanja in prejemanja prek istega voda), ki zahteva en prepleten dvovod, ali polnodupleksna (prenos in prejemanje na ločenih vodih, kar omogoča istočasno delovanje), ki zahteva dva prepletena dvovoda. Oba konca prepletenih dvovodov se končata s svojim značilnim uporom, običajno je to 120 Ohmov (Ω).

Uporaba diferencialnega signaliziranja prek prepletenih dvovodov zagotavlja dobro stopnjo imunosti proti motnjam, ker se moteči signali, ki so značilni za obe žici v paru, z diferencialno obdelavo odštejejo en od drugega.

Dodatno zaščito pred motečimi signali je mogoče pridobiti z uporabo zaščitenih prepletenih dvovodnih kablov. Tipičen zaščiten dvovod, namenjen za uporabo z RS-485 je kabel tipa Alpha Wire6453 BK005. Vsebuje en sam prepleten dvovod velikosti žice, skladno s standardom AWG (American wire gauge) št. 22, ki je obdan s pletenico in zaščito iz aluminiziranega traku Mylar. Kar je pomembno v tem kontekstu je, da se za povezavo z zaščito uporablja ozemljitvena žica AWG št. 22. Signalni par ima nominalen upor 120 Ω. Ta poseben kabel je dolg 30,5 m, proizvajalec pa ponuja tudi dolžine 150 ali 300 m.

Zaščita kabla, ki je skrbno ozemljena, zagotavlja povratno pot za signale EMI in preprečuje sklop motečih signalov z interno prepleteno parico (2. slika).

Zemeljske medsebojne povezave na napeljavi, ki jih ločuje sto ali več metrov, je treba preučiti, saj lahko obstajajo bistvene potencialne razlike med enim koncem vodila in drugim. Če jih povežemo neposredno, prek kabelske zaščite, lahko to povzroči visoke zemljine tokove. Preprosta začetna konfiguracija je povezava zaščite na eni strani podatkovne povezave, ki je običajno primarna ozemljitvena referenčna točka, prikazana na sliki 2. Druge povezave so lahko sklopitev izmeničnega toka (AC) z zemljo ob prisotnosti odklonov enosmernega toka (DC) med lokalnimi ozemljitvami ali osamitev signala in ozemljitve napajanja ter njuna ločena obravnava. Najboljša metoda je zelo odvisna od specifične situacije.

Prehodni napetostni supresorji
Prehodni napetostni supresorji (TVS diode) sodijo v razred zaščitnih komponent, ki vključuje plinske prebojne cevi, kovinsko oksidni varistorji (MOV-i) in tiristorji. Namenjeni so prevajanju toka, ko uporabljena napetost preseže znano prebojno napetost. Delujejo hitro in zagotavljajo odzivne čase 50 pikosekund (ps). Prebojne napetosti so v območju 3 do 400 voltov, naprave pa lahko znižajo precejšnje tokove.

TVS dioda je dioda za plazoviti preboj, ki začne prevajati tok, ko je uporabljena napetost nad prebojno napetostjo VBR (slika 3).

VCLAMP je odvisna od prebojne napetosti, dinamičnega upora diode in toka, ki teče skozi napravo. Prikazana naprava je enosmerna dioda, ki vpenja samo pozitivne napetosti. Obstajajo tudi dvosmerne naprave, ki vpenjajo tako pozitivne kot negativne prehodne pojave prenapetosti.
Te naprave so povezane med RS-485 signalnimi vodi in ozemljitvijo, kot je prikazano na sliki 4.

Kot je prikazano, sta uporabljeni dve dvosmerni TVS diodi za varovanje signalnih vodov A in B sprejemnika-oddajnika TIA/EIA-485. Napetostni prehodni pojavi, ki presegajo napetost rezanja, povzročijo, da diodi pričneta prevajati in tok speljeta v ozemljitev ter tako zaščitita sprejemnik-oddajnik.

Od toka odvisna napetost rezanja običajne TVS diode zahteva večje omejitve odstopanja prehodnih pojavov sprejemnika-oddajnika. Zaščitna TVS naprava Texas InstrumentsTVS0500DRVR je del družine zaščitnih naprav, ki ponujajo natančno napetost rezanja. TVS0500DRVR ima zaporno ali prebojno napetost 5 voltov in napetost rezanja 9,2 volta pri 43 amperih (A) za preizkus prenapetosti IEC 61000-4-5 z 8/20 mikrosekunde (µs). To ozko območje od prebojne do napetosti rezanja se doseže z uporabo edinstvene topologije povratnega delovanja za zmanjšanje dinamičnega upora (slika 5).

To »plosko« vpenjalo združuje vezje za natančno zaznavanje napetosti s pogonom vrat in FET tranzistorjem. FET se obnaša kot aktivna vpenjalo. Ko je vhodna napetost pod prebojno ali zaporno napetostjo, je FET izklopljen. Ko napetost naraste na zaporno napetost, vezje za zaznavanje napetosti FET postavi v prevajanje. Z nadaljnjo rastjo vhodne napetosti, je FET še bolj pognan v prevajanje in napetost v celotni napravi drži na skoraj fiksni ravni. Nižja upornost ON (on-resistance) FET-a bistveno zniža napetost rezanja v primerjavi z običajno TVS diodo.

Če primerjamo odzive časovne domene na prenapetostni pulz 8/20 µs tako običajne TVS diode in naprave s ploskim odzivom, je amplituda maksimalne napetosti nižja (slika 6). To zniža tudi izgubo moči komponente. Naprave s ploskim rezanjem imajo tudi bistveno nižjo kapacitivnost – samo 155 pikofaradov (pF) za TVS0500DRVR – kar zniža obremenitev vodila in izboljša pasovno širino vodila, ki je zaščiteno.

Sprejemnik-oddajnik vodila z vgrajeno prenapetostno zaščito
Družba Texas Instruments je zaščitne TVS diode vgradila v THVD1429DT RS-485, ki je poldupleksni sprejemnik-oddajnik. Ta sprejemnik-oddajnik zagotavlja vhodno/izhodno zaščito vodila do: ±16 kV elektrostatične razelektritve modela človeškega telesa (HBM); ±8 kV kontaktne razelektritve v skladu z IEC 61000-4-2; ±30 kV razelektritve zračne reže v skladu z IEC 61000-4-2; ±4 kV električnega hitrega prehodnega pojava v skladu z IEC 61000-4-4; in ±2,5 kV prenapetosti v skladu z IEC 61000-4-5 1,2/50 μs. Zagotavlja hitrosti vodila do 20 megabitov na sekundo (Mbits/s) in se prilega 8-polnemu SOIC ohišju.

Kot pri vseh sprejemnikih-oddajnikih vodila je največja uporabna podatkovna hitrost funkcija dolžine vodila. Hitrost 20 Mbits/s je mogoče doseči samo tam, kjer ima povezava vodila ustrezno nizko slabitev frekvence signala (slika 7).

Graf prikazuje shemo podatkovne hitrosti kot funkcijo dolžine vodila. Podatkovno hitrost je mogoče razširiti prek konvencionalnih karakteristik tako, da se omogoči manjšo količino časovnega trepetanja od 5 % do 10 %. Obdelava signala, kot je predhodno poudarjanje, lahko izboljša zanesljivost komunikacije.

Predhodno poudarjanje sprejemnika-oddajnika izboljša zanesljivost
Za dolge nize v vodilu so značilne motnje med simboli (ISI). ISI spremeni amplitudo signala na izhodu vodila glede na vzorec podatkov. Dolg niz enic, ki mu sledi ena ničla, bo povzročil višjo maksimalno napetost v primerjavi z nizom ničel, ki mu sledi ena enica. Pri prvem vzorcu podatkov traja dlje, da pade na mejno vrednost, kot pri zadnjem vzorcu. Tako je efektivno trajanje signala odvisno od vzorca, kar je oblika časovnega trepetanja. Predhodno poudarjanje zmanjša učinek ISI motenj tako, da poveča amplitudo signala na vsakem robu, kar zmanjša časovno razliko med različnimi vzorci podatkov.

Na primer, Maxim IntegratedMAX3292ESD+ je polnodupleksen RS-485 sprejemnik-oddajnik, ki vključuje predhodno poudarjanje za delovanje pri hitrostih do 10 Mbits/s. Rezultat predhodnega poudarjanja omogoča podvojitev dolžine vodila za fiksno podatkovno hitrost ali podvojitev podatkovne hitrosti za fiksno dolžino vodila (Slika 8)

Ta graf dolžine kabla kot funkcije podatkovne hitrosti prikazuje razmerje za tako običajno delovanje kot delovanje s predhodnim poudarjanjem. Pri podatkovni hitrosti 2 Mbps je maksimalna dolžina podatkovnega vodila brez predhodnega poudarjanja približno 275 m. Če uporabimo predhodno poudarjanje, se dolžina voda poveča na 550 m.

Zaključek
Medtem ko je RS-485 vodilo posebej zasnovano za uporabo v industriji, imajo načrtovalci še vedno veliko možnosti za dodatno zaščito vodila, s katero je mogoče zagotoviti celovitost signala in podaljšati razpon prenosa za določeno podatkovno hitrost. Za izboljšanje celovitosti signala v prisotnosti elektromagnetnih motenj je mogoče uporabiti več tehnik, vključno z uporabo zaščitenih kablov, naprav za prehodno prenapetostno zaščito in obdelavo signalov v obliki predhodnega poudarjanja.

Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2019_279_34
www.digikey.com
Tags: