Interfejs RS-485 - izolacja galwaniczna

Trudne warunki pracy systemów przemysłowych i wysokie wymagania odnośnie do ich bezpieczeństwa i niezawodności często wymuszają stosowanie separacji galwanicznej poszczególnych modułów. Izolacja taka zapobiega bezpośredniemu przepływowi prądu elektrycznego pomiędzy izolowanymi obwodami, umożliwiając jednocześnie transmisję energii oraz danych.

Izolacja galwaniczna chroni układy elektroniczne oraz ich użytkowników przed szkodliwym oddziaływaniem wysokich napięć elektrycznych. Ogranicza ponadto rozmiary pętli masy w układach komunikacyjnych, poprawiając integralność sygnału i kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia.

Interfejs RS-485 wykorzystuje się powszechnie w wielu branżach, m.in. w przemyśle, medycynie czy systemach typu BMS (Building Management System), najczęściej do realizacji połączeń pomiędzy wieloma układami. Każdy z układów w celu ochrony przed uszkodzeniem może być galwanicznie odizolowany od reszty systemu.

Na rynku dostępne są wyspecjalizowane układy dedykowane konkretnym interfejsom komunikacyjnym (w tym również RS-485), zapewniające izolację wielokanałową - jednocześnie dla linii danych oraz zasilania. W izolację galwaniczną wyposażone są również niektóre modele transceiverów (układów nadawczo-odbiorczych).

Zakres napięć wejściowych sygnału wspólnego

 

Rys. 1. VCM przy nieizolowanym połączeniu RS-485 określa się jako: V_CM = V_OC + G_PD + V_N

W standardzie RS-485 dozwolony zakres napięcia sygnału wspólnego (CMVR - Common mode voltage range) na linii komunikacyjnej wynosi od -7 V do +12 V. Na rysunku 1 przedstawiono schemat nieizolowanego połączenia pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem, na którym zaznaczono wszystkie parametry wpływające na rzeczywistą wartość napięcia sygnału wspólnego na wejściu odbiornika: napięcie wyjściowe nadajnika (V_OC), różnicę potencjałów masy (G_PD) oraz zakłócenia w kanale transmisyjnym (V_N). Rzeczywiste napięcie na wejściu odbiornika jest sumą wymienionych napięć:

V_CM = V_OC + G_PD + V_N.

Nadajnik generuje symetryczny sygnał różnicowy w oparciu o sygnał wspólny o napięciu V_CM = V_CC/2. Wartość napięcia na wyjściu nadajnika wynosi zatem V_A = V_CC/2 ± V_D/2 (gdzie V_D to przesyłane dane) na jednej z linii oraz V_B = V_CC/2 ± V_D/2 na drugiej linii (wyjście komplementarne).

 

Rys. 2. Przykładowy schemat odbiornika (a), jego reprezentacja dla sygnału wspólnego (b) wraz z dalszym uproszczeniem (c)

Odbiornik przetwarza sygnał różnicowy (w określonym zakresie CMVR), dzięki czemu nie jest wrażliwy na zakłócenia wspólne obecne w obu liniach transmisyjnych. Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy schemat odbiornika, składający się z dzielnika napięcia oraz komparatora oraz jego ekwiwalentną reprezentację dla sygnału wspólnego.

Pojawienie się na linii komunikacyjnej napięcia wspólnego spoza dozwolonego zakresu może nie tylko spowodować błędną pracę odbiornika, ale również jego nieodwracalne uszkodzenie. Separacja galwaniczna odbiornika zabezpiecza układ przed taką sytuacją.

Izolacja znacząco zwiększa zakres CMVR

 

Rys. 3. Schemat połączenia z separacją galwaniczną obwodu odbiornika

Na rysunku 3 przedstawiono przykładowy schemat połączenia układów za pomocą interfejsu RS-485 z separacją galwaniczną obwodu odbiornika. Izolacja musi obejmować zarówno linie zasilania, jak i transmisji danych. W przedstawionym przykładzie izolację linii zasilania oraz masy wykonano za pomocą przetwornicy DC-DC, zaś do izolacji linii danych wykorzystano izolator cyfrowy.

W układzie wciąż występuje różnica potencjałów (G_PD) pomiędzy dwoma punktami uziemienia GND₁ oraz GND₂ - bariera izolacyjna eliminuje jednak bezpośredni przepływ prądu pomiędzy tymi punktami, w obwodzie odbiornika tworzy zaś masę pływającą GND_2-ISO.

 

Rys. 4. Napięcie V_CM odkłada się na barierze izolacyjnej

Rysunek 4 przedstawia reprezentację poprzedniego schematu dla sygnału wspólnego. Z powodu bardzo dużej rezystancji bariery izolacyjnej (RISO = 10¹⁴ Ω) połączonej szeregowo ze znacznie mniejszą rezystancją odbiornika (rzędu 10⁵ Ω), niemal całe napięcie wspólne V_CM odkłada się na barierze izolacyjnej (V_Riso≈V_CM).

Praktycznie eliminuje to wpływ sygnału wspólnego na odbiornik (V_Rcm jest zbliżone do 0 V). Ponadto potencjał masy pływającej GND_2-ISO zmienia się wraz ze zmianami napięcia wejściowego, co dodatkowo zabezpiecza odbiornik przed przekroczeniem maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia wejściowego.

 

Rys. 5. Pełny schemat izolowanego węzła magistrali RS-485

GND_2-ISO stanowi punkt odniesienia dla napięcia zasilania V_CC2-ISO, dzięki czemu zasilanie odbiornika również nie jest wrażliwe na zmiany napięcia wspólnego. Takie rozwiązanie wielokrotnie zwiększa bezpieczny dla odbiornika zakres CMVR, zapewniając ochronę przed skutkami obecności zbyt wysokiego napięcia w kanale transmisyjnym.

Na rysunku 3 i 4 przedstawiono dla uproszczenia jedynie kanał transmisji danych RxD, podczas gdy w rzeczywistości interfejs RS-485 wymaga czterech kanałów transmisyjnych - odbiorczego (RxD), nadawczego (TxD) oraz dwóch dla sygnałów sterowania transmisją (TxEn oraz RxEn), tak jak pokazano na rysunku 5.

 

Rys. 6. Przykład izolowanego połączenia RS-485 typu multi-point

W przypadku połączenia tylko dwóch modułów (point-to-point) izolacja tylko jednego z węzłów magistrali jest rozwiązaniem wystarczającym - drugi węzeł nie musi być dodatkowo izolowany. Jednak w przypadku znacznie częściej spotykanych sieci wielopunktowych (multi-point) powszechną praktyką jest separacja galwaniczna każdego modułu, co upraszcza proces projektowania układów oraz produkcji płytek PCB. Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na rysunku 6.

Gotowe rozwiązania

 

Rys. 7. Przykładowy transceiver RS-485 z wbudowaną izolacją galwaniczną

Na rynku znaleźć można produkty, które w jednym układzie scalonym integrują zarówno izolator, jak i układ nadawczo-odbiorczy (transceiver) RS-485. Takie gotowe rozwiązania pozwalają zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej oraz skrócić czas projektowania systemu. Przykład takiego układu pokazano na rysunku 7.

Przedstawiony układ wykorzystuje technologię gigantycznej magnetorezystancji (GMR), dzięki czemu zapewnia ochronę przed napięciami rzędu 2,5 kV. Zasada działania izolatora opartego na technologii GMR pokazana została na rysunku 8. Sygnał wejściowy steruje uzwojeniem pierwotnym, dzięki czemu wytwarza pole magnetyczne zmieniające rezystancję rezystorów GMR.

 

Rys. 8. Zasada działania izolatora wykorzystującego zjawisko gigantycznej magnetorezystancji (GMR)

Cztery rezystory (GMR1-GMR4) umieszczone są w układzie mostka Wheatstone’a - napięcie wyjściowe mostka zależy od zmian pola magnetycznego generowanego przez uzwojenie pierwotne. Układ jest odporny na działanie zewnętrznego pola magnetycznego, które działa w ten sam sposób na wszystkie cztery rezystory, zatem nie wpływa na pracę mostka.

Zasada działania izolatorów GMR

 

Rys. 9. Wielowarstwowy rezystor wykonany w technologii GMR

Rysunek 9 przedstawia zasadę działania rezystora GMR. Element ten składa się z warstw ferromagnetycznych (B1 oraz B2), pomiędzy którymi znajduje się cienka niemagnetyczna warstwa przewodnika (A), najczęściej wykonana z miedzi. W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego przeciwnie spolaryzowane warstwy B1 oraz B2 znacząco utrudniają ruch elektronów w przewodniku, drastycznie zwiększając rezystancję układu. Obecność zewnętrznego pola magnetycznego łagodzi ten efekt i obniża rezystancję przewodnika.

Izolatory oparte na technologii GMR w porównaniu do rozwiązań pojemnościowych oraz indukcyjnych charakteryzują się mniejszym zużyciem energii (nie wymagają modulacji sygnału wejściowego), jak również dużo niższym poziomem emisji elektromagnetycznej. Z powodu braku modulacji sygnału są również znacznie bardziej odporne na działanie zewnętrznych zakłóceń elektromagnetycznych, pozytywnie wpływają zatem na kompatybilność elektromagnetyczną całego urządzenia.

Podsumowanie

Separacja galwaniczna poszczególnych modułów pozwala znacząco zwiększyć odporność magistrali RS-485 na zakłócenia oraz awarie elektryczne. Zapewnia ochronę urządzeń oraz użytkowników przed zbyt wysokim napięciem, które może pojawić się w układzie z przyczyn losowych (uszkodzenie układu lub sieci) lub w wyniku celowego działania (np. próba sabotażu).

Szczególne znaczenie ma to w przypadku rozwiązań przemysłowych, gdzie skutki ewentualnej awarii mogłyby obejmować zarówno dotkliwe straty finansowe (znacznie przekraczające koszt wdrożenia zabezpieczeń), jak i niebezpieczeństwo dla zdrowia i życia użytkowników. W sprzedaży dostępne są układy nadawczo-odbiorcze (transceivery) RS-485 z wbudowaną barierą izolacyjną, co ułatwia proces projektowania i pozwala zaoszczędzić miejsce na płytce drukowanej.

Część z tych rozwiązań wykorzystuje izolatory oparte o technologię GMR, która pozwala na osiągnięcie prędkości transmisji powyżej 1 Mbps (czym przeważa nad optoizolatorami), przy jednoczesnym niskim zużyciu energii elektrycznej oraz braku negatywnego wpływu na kompatybilność elektromagnetyczną urządzenia.

Damian Tomaszewski