ЗАЩИТА СЕТЕЙ СВЯЗИ RS-485 ОТ ВРЕДНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

​SAFEGUARD RS-485 COMMUNICATION NETWORKS FROM HARMFUL ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY EVENTS

Nguyen Duc Anh

Master, Vietnam Naval Academy,

Vietnam, Nha Trang

Ngo Kien Dinh

Engineer, Vietnam Naval Academy,

Vietnam, Nha Trang

В реальных промышленных и приборостроительных приложениях интерфейсные линии RS-485 должны работать в жестких электромагнитных условиях. Большие переходные напряжения, вызванные ударами молнии, электростатическим разрядом и другими электромагнитными явлениями, могут повредить коммуникационные порты. Чтобы гарантировать, что эти порты передачи данных смогут работать в условиях окончательной установки, они должны соответствовать определенным нормам электромагнитной совместимости (ЭМС).

Однако в реальных приложениях удары молнии, индукция мощности и прямой контакт, колебания источника питания, индуктивное переключение и электростатический разряд могут повредить приемопередатчики RS-485, генерируя большие переходные напряжения. Проектировщики должны обеспечить, чтобы оборудование работало не только в идеальных условиях, но и в реальном мире. Чтобы гарантировать, что эти конструкции могут работать в агрессивных электрических средах, различные правительственные учреждения и регулирующие органы ввели правила по ЭМС. Соблюдение этих правил дает конечному пользователю уверенность в том, что конструкции будут работать должным образом в этих суровых условиях.

Факторы ЭМС, учитываемые в случаях воздействия на сети RS-485, включают: электростатический разряд (ЭСР), электрические быстрые переходные процессы (ЭБПП), переходные процессы перенапряжения (ППП).

Электростатический разряд (ЭСР)

Электростатический разряд - это внезапный перенос заряда между объектами с разным потенциалом, вызванный тесным контактом или вызванный электрическим полем. Он имеет характеристики высокого тока в течение короткого периода времени. Основной целью испытаний на электростатический разряд является определение устойчивости системы к внешним событиям электростатического разряда вне системы во время работы. ЭСР описывает тестирование с использованием двух методов соединения. Они известны как контактный разряд и разряд в воздушном зазоре. Во время тестирования порт передачи данных подвергается по меньшей мере 10 положительным и 10 отрицательным одиночным разрядам с интервалом в одну секунду между каждым импульсом. Выбор испытательного напряжения зависит от системы и окружающей среды. Наивысшим заданным испытанием является уровень 4, который определяет напряжение контактного разряда ±8 кВ и напряжение воздушного разряда ±15 кВ [1].

Рисунок 1. Форма сигнала ЭСР (8 кВ)

На рисунке 1 показана форма волны тока контактного разряда напряжением 8 кВ, как описано в спецификации. Некоторые из ключевых параметров формы сигнала - это время нарастания менее 1 нс и длительность импульса около 60 нс. Это соответствует импульсу с полной энергией в диапазоне 10 МДж.

Электрические быстрые переходные процессы (ЭБПП)

Тестирование электрических быстрых переходных процессов включает в себя подключение ряда чрезвычайно быстрых переходных импульсов к сигнальным линиям для представления переходных помех, связанных с внешними коммутационными цепями, которые емкостно подключены к портам связи, которые могут включать в себя отказы контактов реле и переключателя или переходные процессы, возникающие при переключении индуктивных или емкостных нагрузок - все это очень распространен в промышленных условиях.

Рисунок 2. Сигналы нагрузки ЭБПП 50 Ом.

На рисунке 2 показана форма сигнала нагрузки ЭБПП 50 Ом. Форма сигнала ЭБПП описывается в терминах напряжения с сопротивлением 50 Ом от генератора с выходным сопротивлением 50 Ом. Форма выходного сигнала состоит из 15-мс пакета высоковольтных переходных процессов частотой от 2,5 кГц до 5 кГц, повторяющихся с интервалом 300 мс. Каждый отдельный импульс имеет время нарастания 5 нс и длительность импульса 50 нс, измеренную между точкой 50% на восходящем и нисходящем фронтах сигнала. Общая энергия в одном импульсе ЭБПП аналогична энергии в импульсе ЭСР. Общая энергия в одном импульсе обычно составляет 4 МДж. Напряжение, подаваемое на порты передачи данных, может достигать 2 кВ [2].

Переходные процессы перенапряжения (ППП)

Переходные процессы перенапряжения вызваны перенапряжением от коммутации или молниеносными переходными процессами. Переходные процессы переключения могут быть вызваны переключением энергосистемы, изменением нагрузки в системах распределения электроэнергии или различными системными неисправностями, такими как короткие замыкания. Переходные процессы молнии могут быть результатом высоких токов и напряжений, вводимых в цепь от близлежащих ударов молнии.

Сигналы задаются как выходные сигналы генератора сигналов в терминах напряжения разомкнутой цепи и тока короткого замыкания. Описаны две формы сигнала. Комбинированный генератор сигналов 1,2/50 мкс используется во всех других случаях, в частности для передачи сигналов на короткие расстояния.Для портов RS-485 преимущественно используется форма сигнала 1,2/50 мкс, которая будет обсуждаться в этом разделе. Генератор сигналов имеет эффективное выходное сопротивление 2 Ом; следовательно, переходный процесс перенапряжения связан с большими токами [3].

Рисунок 3. Форма сигнала с защитой от перенапряжений 1,2/50 мкс.

На рис. 3 показана форма импульсного переходного сигнала 1,2/50 мкс. ЭСР и ЭБПП имеют одинаковое время нарастания, ширину импульса и уровни энергии; однако импульсный импульс имеет время нарастания 1,25 мкс, а длительность импульса составляет 50 мкс.

Сети подавления переходных процессов RS-485

По своей природе переходные процессы ЭМС изменяются во времени, поэтому динамические характеристики и соответствие динамических характеристик компонентов защиты входному/выходному каскаду защищаемого устройства приводят к успешному проектированию ЭМС. Спецификации компонентов обычно содержат только данные о постоянном токе, которые имеют ограниченную ценность, учитывая, что динамические сбои и характеристики ввода-вывода могут сильно отличаться от значений постоянного тока. Тщательный дизайн, характеристика и понимание динамических характеристик входного/выходного каскада защищаемого устройства и компонентов защиты необходимы для обеспечения соответствия схемы стандартам электромагнитной совместимости.

Рисунок 4. Три планы ADM3485E, соответствующие требованиям ЭМС

Схемы, показанные на рис. 4, иллюстрируют три различных решения, полностью совместимых с ЭМС. Каждое решение было сертифицировано независимым внешним центром тестирования соответствия требованиям ЭМС, и каждое обеспечивает различные уровни стоимости/защиты для приемопередатчика Analog Devices ADM3485E 3,3 В RS-485 с улучшенной защитой от электростатического разряда с использованием набора компонентов защиты внешних цепей Bourns [8]. Используемые компоненты защиты внешней цепи Bourns состоят из подавителей переходного напряжения (CDSOT23-SM712) [4], блока блокировки переходного процесса (TBU-CA065-200-WH) [6], тиристорных устройств защиты от перенапряжений (TISP4240M3BJR-S) [7] и газоразрядных ламп (2038-15-SM-RPLF) [5].

План защиты 1

Как описано ранее, переходные процессы ЭСР и ЭБПП имеют сходные уровни энергии, в то время как форма волны перенапряжения имеет уровни энергии на три-четыре величины больше. Защита от ЭСР и ЭБПП осуществляется аналогичным образом, но защита от высоких уровней или перенапряжений требует более сложных решений. Первое решение, описанное здесь, защищает до 4-го уровня ЭСР и ЭБПП, а также от перенапряжений 2-го уровня. Форма сигнала 1,2/50 мкс используется во всех испытаниях на перенапряжение, описанных в этой статье.

В этом решении используется матрица подавления переходного напряжения Bourns CDSOT23-SM712 (ППН), которая состоит из двух двунаправленных диодов TVS, оптимизированных для защиты систем RS-485 с минимальным перенапряжением, обеспечивая при этом полный диапазон сигналов RS-485 и синфазных отклонений (от -7 В до +12 В) на RS-485 приемопередатчик. ППН - это устройство на основе кремния. При нормальных условиях эксплуатации ППН имеет высокое сопротивление заземлению; в идеале это разомкнутая цепь. Защита осуществляется путем ограничения перенапряжения от переходного процесса до предельного напряжения. Это достигается за счет лавинного пробоя с низким импедансом PN-перехода. Когда генерируется переходное напряжение, превышающее напряжение пробоя ППН, ППН фиксирует переходный процесс до заданного уровня, который меньше напряжения пробоя устройств, которые он защищает. Переходные процессы фиксируются мгновенно (<1 нс), и переходный ток отводится от защищаемого устройства на землю [4]. Характеристики устройства показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Характеристики устройства CDSOT23-SM712

План защиты 2

Предыдущее решение защищает до 4-го уровня ЭСР и ЭБПП, но только от перенапряжения 2-го уровня. Чтобы повысить уровень защиты от перенапряжений, схема защиты становится более сложной. Следующая схема защиты обеспечит защиту от перенапряжения до 4-го уровня.

CDSOT23-SM712 специально разработан для портов передачи данных RS-485. Следующие две схемы построены на базе CDSOT23-SM712 для обеспечения более высокого уровня защиты цепи. CDSOT23-SM712 обеспечивает вторичную защиту, в то время как TISP4240M3BJR-S обеспечивает первичную защиту [7]. Координация между первичными и вторичными устройствами защиты и защита от перегрузки по току осуществляются с помощью TBU-CA065-200-WH [6].

Когда в цепь защиты подается переходный процесс, телевизоры выходят из строя, защищая устройство за счет обеспечения низкоомного пути к земле. При больших напряжениях и токах телевизоры также должны быть защищены путем ограничения проходящего через них тока. Это делается с помощью блока блокировки переходных процессов (ББПП), который представляет собой активный быстродействующий элемент защиты от перегрузки по току. ББПП в этом решении - это Bourns TBU-CA065-200-WH.

Как и все технологии защиты от перегрузки по току, ББПП имеет максимальное напряжение пробоя, поэтому первичное защитное устройство должно подавлять напряжение и перенаправлять переходную энергию на землю. Обычно это делается с использованием таких технологий, как газоразрядные трубки или твердотельные тиристоры, такие как полностью интегрированный сетевой фильтр (ПИСФ). ПИСФ действует как основное защитное устройство. Когда его заданное защитное напряжение превышено, он обеспечивает низкоомный путь с низким импедансом на землю, тем самым отводя большую часть энергии переходного процесса от системы и других устройств защиты.

Нелинейная вольт-амперная характеристика ПИСФ ограничивает перенапряжение за счет отклонения результирующего тока. Как тиристор, ПИСФ имеет прерывистую вольт-амперную характеристику, вызванную переключением между областями высокого и низкого напряжения. На рисунке 6 показана вольт-амперная характеристика устройства.

Рисунок 6. Характеристика переключения ПИСФ и форма волны ограничения напряжения

Прежде чем устройство ПИСФ переключится в состояние низкого напряжения с низким сопротивлением заземлению для шунтирования переходной энергии, область лавинного пробоя вызывает зажимное действие. При ограничении перенапряжения защищаемая схема будет подвергаться воздействию высокого напряжения в течение короткого периода времени, в течение которого устройство ПИСФ находится в зоне пробоя, прежде чем оно переключится в состояние включения с защитой от низкого напряжения. ББПП защитит нижестоящую схему от высоких токов, возникающих в результате этого высокого напряжения. Когда отклоняемый ток падает ниже критического значения, устройство ПИСФ автоматически сбрасывается, позволяя возобновить нормальную работу системы.

План защиты 3

Часто требуются уровни защиты выше уровня 4 от перенапряжения. Эта схема защиты защитит порты RS-485 от переходных перенапряжений напряжением до 6 кВ включительно. Он работает аналогично схеме защиты 2, но в этой схеме вместо ПИСФ используется газоразрядная трубка (ГРТ) для защиты ББПП, которая, в свою очередь, защищает ППН, устройство вторичной защиты. ГРТ обеспечит защиту от более высоких перенапряжений и перегрузок по току, чем TISP, описанный в предыдущей схеме защиты. ГРТ для этой схемы защиты - это Bourns 2038-15-SM-RPLF [5].

Преимущественно используемый в качестве основного устройства защиты, ГРТ обеспечивает низкоомный путь к земле для защиты от переходных процессов перенапряжения. Когда переходное напряжение достигает напряжения искрообразования ГРТ, ГРТ переключается из состояния отключения с высоким импедансом в режим дуги. В режиме дуги ГРТ становится виртуальным коротким замыканием, обеспечивая путь тока лома к земле и отводя переходный ток от защищаемого устройства.

Рисунок 7. Характерная форма волны ГРТ.

На рисунке 7 показаны типичные характеристики ГРТ. Когда напряжение на ГРТ увеличивается, газ в трубке начинает ионизироваться из-за заряда, возникающего на нем. Это известно как область свечения. В этой области увеличенный ток создаст лавинообразный эффект, который превратит ГРТ в виртуальное короткое замыкание, позволяя току проходить через устройство. Во время короткого замыкания напряжение, возникающее на устройстве, называется напряжением дуги. Время перехода между областью свечения и областью дуги сильно зависит от физических характеристик устройства.

В этой статье описаны три интересующих стандарта МЭК, которые касаются помехозащищенности от переходных процессов. В реальных промышленных приложениях порты связи RS-485, подверженные этим переходным процессам, могут быть повреждены. Проблемы с ЭМС, обнаруженные на поздних этапах цикла проектирования продукта, могут потребовать дорогостоящей перестройки и часто могут привести к превышению графика. Поэтому проблемы ЭМС следует рассматривать в начале цикла проектирования, а не на более позднем этапе, когда может быть слишком поздно для достижения желаемых характеристик ЭМС.

Список литературы:

1. Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-2: Testing and Measurement Techniques—Electrostatic Discharge Immunity Test (IEC 61000-4-2:2008 (Ed. 2.0)).
2. Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-4: Testing and Measurement Techniques—Electrical Fast Transient/Burst Immunity Test (IEC 61000-4-4:2012 (Ed. 3.0)).
3. Electromagnetic Compatibility (EMC) Part 4-5: Testing and Measurement Techniques—Surge Immunity Test (IEC 61000-4-5:2005 (Ed. 2.0)).
4. CDSOT23-SM712. www.bourns.com/pdfs/CDSOT23-SM712.pdf.
5. 2038-15-SM-RPLF. www.bourns.com/data/global/pdfs/2038-xx-SM.pdf.
6. TBU-CA065-200-WH. www.bourns.com/data/global/pdfs/TBU-CA.pdf.
7. TISP4240M3BJR-S. www.bourns.com/data/global/pdfs/TISP4xxxM3BJ.pdf.
8. https://www.analog.com/en/products/adm3485e.html