Ochrona linii danych w interfejsie RS-485 przed wyładowaniami i przeciążeniami

Rys. 1. Ochrona linii wejściowej interfejsu za pomocą diody TVS

W przypadku, gdy wymagana jest transmisja na dłuższym dystansie i nie ma potrzeb co do bardzo wysokiej szybkości transmisji, cały czas wykorzystuje się interfejs RS-485, gdzie sygnały są transmitowane różnicowo i tym samym zapewniona zostaje duża odporność na zakłócenia o charakterze wspólnym.

Trzeba jednak wiedzieć, że uzyskanie wysokiej jakości systemu, przy dużych odległościach pomiędzy poszczególnymi elementami, wymaga zwrócenia szczególnej uwagi na zabezpieczenia linii transmisyjnych przed przepięciami i innymi zaburzeniami pochodzącymi od maszyn i urządzeń wykonawczych. RS-485 jest standardem komunikacyjnym w przemyśle i oferuje szybkość transmisji do 35 Mbps na niewielkich dystansach (12 m) i do 100 kbps na dłuższych dystansach (1200 metrów).

Jest najbardziej popularny w układach automatyki budynkowej, systemach kontroli dostępu i podobnych zastosowaniach. Tak dobre parametry wynikają z zastosowania różnicowej transmisji sygnałów za pomocą dwóch przewodów. Zapewnia to znacznie większą odporność na indukujące się w kablach zaburzenia o charakterze wspólnym.

Rys. 2. Trójstopniowy układ ochronny z elementami TBU (szybki, dwukierunkowy ogranicznik prądowy)

Dodatkowo interfejs ten korzysta ze stosunkowo wysokich napięć, od -7 V do +12 V dla sygnałów wspólnych, czyli znacznie więcej niż dla Ethernetu (2 V) lub USB (5 V). Czułość odbiornika w RS-485 dla sygnałów różnicowych wynosi ±200 mV, co pokazuje, jak duży zapas napięcia mają linie transmisyjne.

Im większe napięcie, tym większa odporność na zaburzenia oraz możliwość skompensowania spadku napięcia przy długich przewodach. W pełni zgodny ze standardem interfejs RS-485 musi zapewniać odporność ESD zgodną z IEC61000-4-4, odporność na udary napięciowe zgodną z IEC61000-4-5 i na stany przejściowe zgodną z IEC61000-4-4. Gdy napięcia pojawiające się w przewodach mogą przekroczyć ±24 V, koniecznie jest zastosowanie elementów ochronnych, niedopuszczających do uszkodzenia układów interfejsu.

Zabezpieczanie RS-485

Rys. 3. Skuteczność ochrony drivera interfejsu po podaniu na linię danych napięcia sieci 220 V_AC

W typowym przypadku linie interfejsu są chronione za pomocą diod TVS (Transient Voltage Suppression), takich jak np. CDSTO23-SM712 firmy Bourns, które zapewniają ochronę przed przeciążeniem napięciowym (rys. 1). Gdy linie komunikacyjne nie są długie i poziom zaburzeń nie jest duży, jest on zwykle wystarczający.

Zabezpieczenie bazuje na tym, że nagły wzrost napięcia wywołuje przepływ prądu przez diodę Zenera typu TVS, napięcie na chronionym obwodzie nie przekracza wartości obcinania tego elementu, a energia związana z wytłumieniem przepięcia wydzielana jest w rezystorze RX i diodzie.

Oczywiście taka ochrona jest skuteczna do ochrony przed przepięciami o małej i średniej mocy, takimi, że skok napięcia na chronionej linii wywołuje wzrost prądu płynącego przez diodę, nieprzekraczający maksymalnej dopuszczalnej wartości IPP (peak pulse rating) dla tego elementu. Energia, jaką jest w stanie pochłonąć dioda TVS, zależy od wartości prądu IPP, czasu trwania przepięcia i szybkości narastania impulsu.

Niemniej trudno oszacować dokładnie, jakie stany nieustalone mogą się pojawić w aplikacji, stąd zgodnie z zasadą najgorszego przypadku przyjmuje się wartości możliwie duże, gdyż z jednej strony przy długich liniach danych takie zakłócenia mogą się właśnie pojawić relatywnie częściej, a z drugiej strony daje to pewność, że ochrona będzie zawsze skuteczna.

Niestety poszerzanie stopnia ochrony poprzez zwiększanie wartości rezystora szeregowego RX jest niemożliwe, gdyż duża rezystancja wpływa negatywnie na komunikację, ograniczając możliwość wysterowania linii komunikacyjnych przez driver transceivera. Stąd zwykle taki pojedynczy stopień okazuje się niewystarczający i w wielu aplikacjach spotyka się stopnie ograniczników podwójnych lub nawet potrójnych (rys. 2).

Rys. 4. Kompletny układ ochrony portu RS-485 przed wyładowaniami atmosferycznymi, ESD, napięciem stałym o dużej wartości i przepięciami

Zabezpieczenie potrójne w bezpośrednim sąsiedztwie interfejsu wykorzystuje diodę TVS, z uwagi na szybkość działania, w stopniu środkowym pracują limitery TBU HSP firmy Bourns ograniczające maksymalną wartość prądu płynącego przez diodę TVS, a bezpośrednio do linii podłączony jest warystor tlenkowy MOV (Metal Oxide Varistor) lub gazowany element wyładowczy GDT (Gas Discharge Tube).

Ochronnik TBU HSP (High-Speed Protector) to dwukierunkowy ogranicznik prądu płynącego przez diodę TVS o niskiej pojemności własnej, dużej szybkości działania wykonany w oparciu o tranzystory MOSFET. Jest on przeznaczony do ochrony linii przed zwarciem, złym podłączeniem przewodów, do ograniczenia prądu udarowego powstającego w wielu obwodach w chwili włączania i podobnych zdarzeń.

Element ten jest dostępny w małej obudowie o wymiarach 6,5×4 mm typu DFN. W stanie normalnym ma on niewielką rezystancję własną, która po przekroczeniu progowej wartości prądu gwałtownie zwiększa się i tym samym izoluje chroniony element od obwodu, w którym wystąpiło przeciążenie.

Czas przejścia w stan wysokiej impedancji wynosi nie więcej niż 1 μs i nie zmienia się wraz ze zmianami temperatury i szybkością zmian prądu związanego z przeciążeniem. Ochronnik wytrzymuje napięcie do 265 V_RMS i jest w stanie przenosić impulsy prądowe do 20 kA. Na rysunku 3 pokazano skuteczność ochrony drivera interfejsu po podaniu na linię danych napięcia sieci 220 V_AC.

Jak widać, napięcie na diodzie TVS zostało ograniczone do 15,2 V, a prąd płynący przez TBU osiągnął 280 mA. Warto zauważyć, że ważnym czynnikiem sprzyjającym wykorzystaniu ograniczników TBU jest niska pojemność własna, dzięki czemu element ten nie degraduje pasma linii komunikacyjnej i nie wpływa negatywnie na jej zdolność do transmisji danych z dużą szybkością.

Ograniczniki TBU przy narażeniach długotrwałych

Rys. 5. Płytka demonstracyjna pozwalająca na ocenę skuteczności działania układu ochronnego i pomiary

Wiele systemów przemysłowych zawiera przekaźniki, silniki, siłowniki i inne elementy wykonawcze, do których doprowadza się stałoprądowe sygnały sterujące. Są one narażone na błędne połączenia, zwarcia. Problem ten dotyczy też zwarć i pomyłek łączeniowych pomiędzy liniami zasilania a szyną danych.

Jest to inne zagadnienie w porównaniu do tłumienia krótkich stanów nieustalonych, takich jak przepięcia powstające na skutek przełączania obciążeń o charakterze indukcyjnym lub na skutek wyładowań, gdyż w tym przypadku czas trwania narażenia może być dowolnie długi, a napięcie narażenia niekoniecznie bardzo wysokie, np. 24-48 V.

Element TBU jest w stanie przełączyć się w stan wysokiej impedancji i chronić obwód, gdy napięcie na jego zaciskach jest większe od ok. 7 V. Stąd na wejściach układu transceivera komunikacyjnego RS-485 dodaje się tyrystory (TISP4015L1BJ) o tak dobranym napięciu progowym, aby, gdy napięcie stałe na wejściu wzrośnie ponad kilkanaście woltów, na przykład na skutek błędu w połączeniach, co może być groźne, tyrystor załączył się i zwarł do masy wejście (rys. 4).

Wówczas transceiver jest chroniony do momentu, aż przeciążenie zostanie usunięte, a prąd jest ograniczany za pomocą dwóch dodatkowych elementów TBU. Dzięki tyrystorowi napięcie na ograniczniku prądu jest bliskie napięciu wejściowemu i w ten sposób może on skutecznie pracować.

Kompletny układ wymaga jeszcze uzupełnienia ochrony na wejściach o warystory tlenkowe połączone równolegle z gazowanymi ochronnikami wyładowczymi. Zadaniem warystora jest ochrona linii przed wyładowaniami o małej mocy i dużym napięciu, na przykład elektryczności statycznej. Takie impulsy wysokiego napięcia są przez ten element tłumione i zamieniane na ciepło.

Natomiast gazowany ochronnik wyładowczy tłumi wyładowania o dużej mocy, o wysokim napięciu (pow. 850 V) i wysokim natężeniu, a przykład z wyładowań atmosferycznych. Ich energia jest za duża, aby mogła być pochłonięta przez warystor, stąd połączenie równolegle charakteryzuje się tutaj większą skutecznością ochrony i szerszym zakresem działania.

Farnell element 14
www.farnell.com/pl