УЗИП (грозозащита) RS-485. Требования к характеристикам и их реализация в устройствах защиты.

155 full reads
345 story viewsUnique page visitors
155 read the story to the endThat's 45% of the total page views
3 minutes — average reading time

Первая версия стандарта EIA RS-485 была принята в апреле 1983 года, и до сих пор RS-485 самый распространенный интерфейс передачи физического уровня в системах промышленной автоматики.

Для многих применений гораздо предпочтительнее выглядит интерфейс 10BASE-T1L (Single Pair Ethernet), который может заменить различные несовместимые протоколы, обеспечивающие передачу данных по симметричному кабелю на расстояние до 1-1,5 км.

Но RS-485 рано списывать со счетов, поэтому COMMENG продолжит выпускать для него устройства защиты от перенапряжений. Далее рассмотрим технические требования к устройствам защиты RS-485 и каким образом мы их реализовали.

Требования к электрическим параметрам и используемой элементной базе устройств защиты зависят от характеристик помех, стойкости защищаемого оборудования к их воздействию а так же от параметров сигнала в линии передачи данных. Упомяну только самые важные моменты, от которых зависит схемотехника и применение устройств защиты.

Вопросы ЭМС и помехозащищенности постараюсь обойти, по возможности, стороной, иначе объем статьи получится слишком большим. Тему трансиверов, хотя бы очень кратко, затронуть придется, выбрал в качестве примеров два: MAX13442E (Maxim), и К5559ИН86SI (Milandr) из Зеленограда.

4. Реализация устройств защиты.

Четвертую, заключительную часть статьи, я поместил в начале. В ней описана реализация устройств защиты интерфейса RS-485 COMMENG, а в первых трех рассматриваются технические требования к ним и особенности защищаемого оборудования . Читать можно в любом порядке. Не забудь посмотреть ОПИСАНИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ИНТЕРФЕЙСОВ COMMENG

Итак, мы выяснили, что быстродействия защитных диодов (супрессоров) достаточно, чтобы ограничить импульс перенапряжения до безопасной величины. Кроме синфазных помех (провод-земля) следует рассчитывать и на дифференциальные (провод-провод). В ряде случаев, особенно при больших длинах линий, уровень помехи может быть довольно большим – поэтому супрессоров может быть недостаточно, нужен еще и разрядник.

Схемы устройств серии Commeng DIP. Слева  - Commeng DIP-xxV, справа - Commeng DIP-485.
Схемы устройств серии Commeng DIP. Слева - Commeng DIP-xxV, справа - Commeng DIP-485.

Устройства для защиты интерфейсов передачи данных мы назвали Commeng DIP, где Commeng – товарная марка, а DIP – функционал (Data Interface Protector).

Посмотрим на схему слева - Commeng DIP-xxV, где хх цифры, обозначающие номинальное рабочее напряжение между проводами (6, 12, 24, 48) Вольт.

В первом каскаде - трехэлектродный двухкамерный разрядник со статическим напряжением пробоя 90 Вольт. Это, можно сказать, два разрядника в одном корпусе, каждый из которых включен между проводом и землей.

Классификационное напряжение супрессоров VD1, VD2 – 100 Вольт. Учитывая скорость их срабатывания, уровень защиты (остаточное напряжение при воздействии импульсной помехи) составляет не более 120 Вольт. У нас есть запас в несколько десятков Вольт между напряжением, когда супрессор начинает пропускать ток, и максимальным рабочим напряжением, однако уменьшить напряжение супрессора мы не можем, т.к. иначе при воздействии импульсной помехи не сработает разрядник.

Максимальный импульсный ток (8/20 мкс) VD1, VD2 составляет 4,5 А, а у разрядника он выше более чем в 1000 раз (5 кА на разрядную камеру). Если при воздействии импульсного перенапряжения разрядник не сработает или сработает с опозданием, супрессор может выйти из строя. Для ускорения срабатывания разрядника в каждый провод включен дроссель индуктивностью 2,2 мкГн.

Механизм его действия следующий: при срабатывании супрессора ток через дроссель очень быстро возрастает. В дросселе возникает падение напряжения, которое прикладывается к разряднику (дополнительно к напряжению импульса на входе устройства).

Предположим, в течении 50 нс ток через супрессор возрастает от нуля до 2 А. Можем посчитать изменение напряжение на дросселе, как

du=L di /dt = 2,2 мкГн х 2/50 нс, что равно примерно 90 Вольт.

Чем быстрее будет нарастать фронт импульса, и чем больше будет его амплитуда, тем больше будет мгновенное значение напряжения на дросселе, и тем быстрее сработает разрядник.

Классификационное напряжение супрессора VD3, включенного между проводами определяется максимальным напряжением на передатчике в режиме нормальной работы (для RS-485 – оно не может быть больше, чем удвоенное напряжения питания микросхемы, т.е. 14 В).Поэтому для интерфейса RS-485 выбираем схему DIP-12V, с номинальным напряжением 12 Вольт. Запас по рабочему напряжению в несколько Вольт у нее есть.

Для трехпроводного интерфейса с дренажным проводом используется схема DIP-485, дренажный провод (с) и защитное заземление гальванически изолированы с помощью разрядника FV2 (статическое напряжение пробоя 90 В). В остальном схема не отличается от DIP-12V.

Устройства защиты выпускаются в различном исполнении, в т.ч. для установки в кроссовые плинты.

УЗИП (грозозащита) RS-485. Требования к характеристикам и их реализация в устройствах защиты.

Четвертую, заключительную часть статьи, я поместил в начале. В ней описана реализация устройств защиты интерфейса RS-485 COMMENG, а в первых трех рассматриваются технические требования к ним и особенности защищаемого оборудования . Читать можно в любом порядке. Не забудь посмотреть ОПИСАНИЯ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ИНТЕРФЕЙСОВ COMMENG

1. Сигнал и импульсные помехи в линии RS-485

Сразу вынесем за рамки обсуждения попадание постороннего напряжения в линию, ограничившись только импульсными помехами вследствие индуктивных наводок и броска потенциала земли в местах установки приемопередатчиков.

Сначала нужно разобраться с 2-х проводной, 3-проводной и 4-проводной реализациях интерфейса.

Посмотрим на типовую схему подключения приемопередатчиков по витой паре, представляющей из себя общую шину передачу данных. Их должно быть, как минимум, два. В соответствии со стандартом TIA/EIA-485 допускается подключение к шине до 32 передатчиков и 32 приемников. При увеличении импеданса микросхем приемопередатчиков количество подключаемых устройств может быть увеличено (максимум до 256). Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени (полудуплекс, half-duplex).

Типовая схема применения микросхем приемо-передатчиков RS485. Источник: [1]
Типовая схема применения микросхем приемо-передатчиков RS485. Источник: [1]
Слева: Устойчивость к синфазной помехе. Источник  [1]. Справа: осциллограмма сигнала RS-485. Источник: [2]
Слева: Устойчивость к синфазной помехе. Источник [1]. Справа: осциллограмма сигнала RS-485. Источник: [2]

Передача данных осуществляется с помощью дифференциальных сигналов, что обеспечивает повышение устойчивости к синфазным помехам (и к дифференциальным тоже). Напряжение высокого уровня не может превышать максимального напряжение питания микросхемы. У микросхем, которые выбраны в качестве примера, оно составляет 5,5В (К5559ИН86SI) и 7В (MAX13442E).

При распределенных системах подключаемые по RS-485 устройства питаются от различных источников, подключены к заземляющим устройствам с различными потенциалами – по этим и другим причинам в проводах линии связи помимо сигнала может присутствовать посторонний потенциал. Обычно это напряжение промышленной частоты и его гармоники (красную синусоиду на рисунке снизу я сам дорисовал).

Слева: Напряжение сигнала, измеренное на резисторе-терминаторе. Справа: Максимально допустимое смещение напряжения сигнала за счет разности потенциалов в нулевых точках приемника и передатчика. Источник bpj,hf;tybz: [3]
Слева: Напряжение сигнала, измеренное на резисторе-терминаторе. Справа: Максимально допустимое смещение напряжения сигнала за счет разности потенциалов в нулевых точках приемника и передатчика. Источник bpj,hf;tybz: [3]

Если постороннее напряжение на обеих проводах одинаково по амплитуде и фазе, то дифференциальный сигнал должен применяться без ошибок. Но значение постороннего напряжения не может превышать определенные стандартом +12 и -7В. Чтобы уменьшить до допустимого значения разность потенциалов между приемопередатчиками, используется третий провод, иногда называемый «дренажным».

Источник изображения:  [3]
Источник изображения: [3]

Подписи немного подправил, где это было необходимо. Обозначения, конечно вопросы, вызывают, заземление-уравнивание потенциалов применительно к системам передачи информации дело неоднозначное ... Обратите внимание на резисторы 100 Ом (чаще один резистор используют) – они предназначены для ограничения тока уравнивания потенциалов, протекающего по третьему проводу. Т.е. трехпроводной схему можно назвать условно, т.к. третий провод к интерфейсу передачи данных отношения не имеет.

Четырехпроводная схема – полнодуплексная (full-duplex), т.е. для передачи данных от master к slave используется одна пара, в обратном направлении – другая. При необходимости снизить разность потенциалов между приемопередатчиками, можно использовать дополнительный «дренажный» (пятый провод).

Максимальная скорость передачи данных в полудуплексном режиме, определяемая TIA/EIA-485 составляет 10 Мбит/c, современные микросхемы приемопередатчиков обеспечивают передачу со скоростью до 30 Мбит/c и выше. Понятно, что скорость очень сильно ограничивается длиной и другими параметрами линий (не столько из-за затухания, сколько из-за затягивания фронтов и искажения формы импульсов. Уже при 1 Мбит/c максимальная длина кабеля будет (при полудуплексе) порядка 100м, максимум 150 м. На рисунке ниже добавил шкалу в метрах (1 Фут равен 0,3048 м).

Зависимость скорости передачи от длины кабеля. Источник изображения [4]
Зависимость скорости передачи от длины кабеля. Источник изображения [4]

Сигнал передается в линию без модуляции, двумя уровнями, поэтому можно считать, что его основная энергия лежит в полосе, равной полутактовой частоте – 5 МГц для скорости 10 Мбит/с и 15 МГц для скорости 30 Мбит/с. Амплитуда сигнала на передатчике составляет не менее 2 В, максимальное ее значение ограничено напряжением питания микросхемы, обычно равным 3–5 В, иногда больше (7 В).

2. Подведем промежуточный итог:

1. Длина кабельной линии RS-485 достаточно велика, поэтому уровень синфазных (продольных) помех, т.е. «провод-земля», в ней может быть сравним с тем, на которые мы ориентируемся в телефонных сетях.

2. Хотя используются кабели «витая пара», но при длине линии сотни метров, километр или более, необходимо учитывать возможность возникновения дифференциальных (поперечных помех), т.е. помех между проводами. Подключение дополнительных устройств увеличивает разбалансировку линии, следовательно, чем больше к линии подключено приемопередатчиков, тем (при прочих равных) увеличивается возможный уровень дифференциальных помех в ней.

3. При напряжении питания 5,5 В, напряжение сигнала не может превышать ±,5,5 Вольт, т.е. 11 Вольт в цепи провод-провод, при напряжении питания 7В – 14 Вольт.

4. Теоретически возможное (практически невероятно, но будем исходить из крайних значений) напряжение в цепи провод-земля составляет при напряжении питания микросхемы 7 В: 7+12=19 В и -7-7=-14 В

5. Если подключать дренажный провод к УЗИП, он должен должен соединяться с клеммой защитного заземления УЗИП. через резистор или вообще быть гальванически развязан с ней.

6. Можно рассчитывать, что при скорости более 10 Мбит/с защита не понадобится – так как линия будет настолько короткая (например, внутри какой-то крупной единицы оборудования), что в защите от импульсных помех не будет никакой необходимости.

3. Стойкость защищаемого оборудования

Некоторые производители выпускают приемопередатчики RS-485 устойчивых к воздействию повышенных напряжений. Например, микросхемы серий MAX13442E… MAX13444E устойчивы к постоянным напряжениям на входах и выходах до ±80 В относительно земли и электростатических разрядов (15 кВ).

MAX13442E Конфигурация контактов и типовая схема подключения Источник изображения: [5]
MAX13442E Конфигурация контактов и типовая схема подключения Источник изображения: [5]
Слева:  MAX13442EASA+, Приемопередатчик RS-485 с защитой от электростатических разрядов [SO-8]. Справа: пример реализации структуры защиты ESD на кристалле ИМС. Источник изображения [6]
Слева: MAX13442EASA+, Приемопередатчик RS-485 с защитой от электростатических разрядов [SO-8]. Справа: пример реализации структуры защиты ESD на кристалле ИМС. Источник изображения [6]

Защита от электростатических разрядов внутри ИМС реализуется на базе защитных диодов. Т.к. микросхема интегральная структура защиты от ESD реализуется на том же кристалле На рисунке показан пример такой реализации из учебного курса по микроэлектронике [6].

Хотя микросхемы не нормируются на воздействие микросекундных импульсов, совершенно очевидно, что чипы, имеющие встроенную защиту от электростатики и выдерживающие подачу напряжения, многократно превышающего напряжение питания, имеют более высокую стойкость и к импульсным помехам.

Производители микросхем дают только данные по устойчивости к электростатическому разряду: 2кВ (К5559ИН86SI) и 15 кВ (MAX13442E). Стойкость оборудования с портами RS-485 к воздействию импульсных помех обеспечивается схемотехническими и конструкторскими решениями, в том числе и применением элементов или устройств защиты.

Слева: кристалл К5559ИН86SI (1,3х1,3) мм. Источник изображения: [1]. Справа: Результат воздействия на кристалл микросхемы   электростатического разряда, превышающего ее уровень защиты. Источник изображения: [7]
Слева: кристалл К5559ИН86SI (1,3х1,3) мм. Источник изображения: [1]. Справа: Результат воздействия на кристалл микросхемы электростатического разряда, превышающего ее уровень защиты. Источник изображения: [7]

Фотографию кристалла К5559ИН86SI 1,3х1,3 мм я привел, чтобы читатели впечатлились. Тем не менее он выдерживает электростатический разряд амплитудой 2 кВ.

На основе рекомендаций производителей микросхем, испытаний и опыта эксплуатации (производим устройства защиты RS-485 уже 20 лет) могу с уверенностью сказать, что быстродействия современных защитных диодов вполне достаточно, чтобы ограничить импульсную помеху до безопасного для микросхемы приемопередатчика уровня.

P.S. Начал было писать о гальванической изоляции, но вовремя остановился. Тема сама по себе необъятная – несколько решаемых задач, различные способы реализации, развязка встроенная в микросхему или внешняя… Безусловно, наличие гальванической изоляции повышает стойкость к воздействию помех, но при воздействии микросекундных помех амплитудой от киловольта и выше дополнительное устройство защиты необходимо.

Использованные литература и источники изображений

1) RS485 — стандарт промышленных сетей. Какими особенностями обладает микросхема приемопередатчика? https://habr.com/ru Блог компании Миландр.

2) Новое для привычного стандарта: драйверы RS-485 от MAXIM www.compel.ru

3) Рекомендации по проектированию монтажу и эксплуатации систем стандарта RS-485 (автора и сайт, с которого когда-то скачал, установить не удалось)

4) Thomas Kugelstadt and Kim Devlin-Allen, Texas Instruments. For high-speed transmission, consider full-duplex RS-485. Design World | September 6, 2014 https://www.designworldonline.com

5) ±15kV ESD-Protected, ±80V Fault-Protected, Fail-Safe RS-485/j1708 Transceivers. 2011 Maxim Integrated Products. Inc.

6) Roland Pfeiffer. Überblick über ESD-Schutzstrukturen, , Vorlesung

7) RS-485: все еще самый надежный промышленный интерфейс https://www.compel.ru/lib/85495

8) Микросхема приемопередатчика по стандарту RS-485 К5559ИН86SI, К5559ИН86Н4. Спецификация. АО «ПКК Миландр»

9) CONSIDERATIONS FOR SELECTING AN RS-485 TRANSCEIVER IN ELECTRONIC POWER METERS. APPLICATION NOTE 3776. 19 Apr, 2006, Maxim Integrated Products, Inc.

10) Омельянчук А.М. Физика для безопасника (краткий курс)

11) Рекомендации по разводке сети интерфейса RS-485 Яндекс-Дзен Блог: Энергия-Источник ИТеК ББМВ

12) ГОСТ CISPR 24-2013 Совместимость технических средств электромагнитная ОБОРУДОВАНИЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. УСТОЙЧИВОСТЬ К ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ ПОМЕХАМ. ТРЕБОВАНИЯ И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ