имя пользователя:
пароль:
зарегистрироваться
Главная Каталог Статьи Контакты прайс-лист
bannerbanner
статьи
RS-422 and RS-485 Application Guide: Chapter 4. Руководство по RS-422/RS-485 : Глава 4
Источник :www.bb-europe.com
Перевод: Юлия Автономова, Андрей Шерман, Сергей Лютенко

Рекомендации по применению интерфейсов RS422 и RS485

Глава 4: Защита систем RS-422 и RS-485 от импульсных помех

Чтобы грамотно защитить систему RS-422/RS-485 от импульсных помех, следует вначале понять их происхождение. Помехи могут вызываться различными причинами, но в основном это либо внешние электрические процессы, либо внутренние переходные процессы, возникающие при коммутации больших индуктивных нагрузок.

Что представляют собой выбросы напряжения?

Характеристики помех
Поскольку параметры импульсных помех не всегда укладываются в рамки промышленных стандартов, такие организации как Институт инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE) и Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC) разработали модели, позволяющие оценивать устойчивость электрического и электронного оборудования к их воздействию. Эти модели дают представление о том, какие виды энергии необходимо контролировать, чтобы уберечь систему от повреждения.
Как тест IEC 1000-4-5: 1995 «Surge Immunity Test» (Проверка защиты от скачков напряжения), так и процедура IEEE C62.41-1991 «IEEE Recommended Practice on Surge Voltages in Low-Voltage AC Power Circuits» (Рекомендованная IEEE методика анализа выбросов напряжения в низковольтных цепях переменного тока) используют в качестве эталона импульс напряжения «комбинационной (двойной) волны 1,2/50µs – 8/20µs» с длительностью фронта 1,2 µs и затуханием 50 µs в разомкнутой цепи. При этом кривая тока в короткозамкнутой цепи имеет длительность фронта 8 µs и время затухания 20 µs. В разомкнутой цепи величина выброса напряжения как положительной, так и отрицательной полярности обычно составляет 1...6 кВ, однако при определенных условиях может достигать и 20 кВ. На рисунках 4.1 и 4.2 показаны характеристики комбинационной волны. Кроме того, IEEE C62.41 также описывает тест волны типа А (ring wave, "круговая волна") на 100 кГц. Волна типа А представляет собой затухающий колебательный процесс с фронтом длительностью 0,5 µs(?) и частотой 100 кГц при внутреннем сопротивлении 12 Ом (см. Рис. 4.3).
Типичные значения амплитуды для волны типа А 100 кГц также лежат в диапазоне 1...6 кВ.

dwg4.1
Рис. 4.1 – Кривая напряжения комбинационной волны
X – Время
Y – V(t)/Vp


dwg4.2
Рис. 4.2 – Кривая тока комбинационной волны
X – Время
Y – V(t)/Vp


dwg4.3
Рис. 4.3 – Волна типа А 100 кГц


Синфазные или дифференциальные?
Определение типов импульсных помех, представляющих опасность для системы, - обязательное условие правильного выбора уровня и методов защиты от помех. Поскольку все проводники, в том числе и заземления, располагаются близко друг к другу в пространстве, ограниченном оболочкой кабеля, логично ожидать, что как внешние помехи, так и помехи, вызываемые коммутацией тока, будут воздействовать одинаково на каждый из них, т.е. будут "униполярными", или синфазными. В некоторых системах могут быть и другие источники нежелательных воздействий, которые необходимо учитывать в расчетах. Если вблизи от кабелей передачи данных проходят силовые кабели, то существует высокая вероятность возникновения помех в результате пробоя изоляции или неосторожных действий монтажников при обслуживании кабельных систем. Такие помехи могут повлиять на произвольное число проводников в кабеле, что приводит к возникновению дифференциальных перепадов напряжения, нарушающих работу оборудования для передачи данных. Хотя напряжение и ток, связанные с этим видом помех, гораздо ниже тех, что лежат в основе моделей ANSI и IEC, такие перегрузки особенно вредны. Дело в том, что они не исчезают через доли секунды, а могут долговременно существовать в сети передачи данных в установившемся состоянии.

Земля земле рознь

Импульсные помехи могут быть высокочастотными, что сильно осложняет ситуацию. Дело в том, что на высокой частоте сложно добиться низкого полного сопротивления (импенденса) от электрического соединения между двумя точками в силу того, что проводник, соединяющий эти точки, обладает индуктивностью. Независимо от того, осуществляется ли соединение систем кабелем длиной в несколько метров или системы заземления разделены тысячами метров на поверхности Земли, разность потенциалов, возникающая между различными "землями" во время переходного процесса, может достигать сотен и даже тысяч вольт. Мы больше не можем принимать за данность, что у двух точек, соединенных проводником, будет одинаковый электрический потенциал. Для того, кто проектирует систему, это означает, что, хотя в RS-422/485 применяется дифференциальная сигнализация с напряжением 5В, удаленный узел может получить пятивольтовый сигнал наложенным на выброс напряжения величиной сотни или тысячи вольт по отношению к его собственной "земле". В этой ситуации то, что обычно принято называть "сигнальной землей", было бы вернее называть опорным сигналом ("signal reference").

Как же соединить узлы системы, зная, что между "землями" может быть такая большая разность потенциалов? Первое, что необходимо предпринять для успешной защиты, - сделать так, чтобы у каждого устройства была только одна "земля". Таким образом устраняется возможность протекания через устройство обратных токов при импульсных помехах. Существует два пути достижения такого идеального состояния. Первый – изолировать сигнальную землю интерфейсной части устройства от заземления самого устройства, что обычно делается с помощью трансформаторов или оптических развязок (как показано на Второй - связать все "земли" устройства (обычно "землю" источника питания и сигнальную) одним соединением с низким импенденсом, как показано на Рис. 4.5. На этих двух подходах основаны соответственно два метода защиты от помех.

dwg4.4
Рис. 4.4 : Устройство RS-485 с развязкой


dwg4.5
Рис. 4.5 : Устройство RS-485 с сигнальной землей, соединенной с заземлением корпуса

Защита путем развязки

Что такое развязка?
Самый универсальный способ защиты от импульсных помех - гальваническая развязка между портом данных и внутренними схемами устройства. При этом опорный сигнал перестает быть "привязан" к какой-либо фиксированной "земле". Обычно в сетях передачи данных разного типа для развязки цепей ввода-вывода и самого устройства используются оптроны, трансформаторы или оптоволокно. В устройствах с интерфейсами RS-422 и RS-485 чаще всего применяются оптроны. Оптрон – это интегральная схема, преобразующая электрический сигнал в свет и обратно, разрывая электрическую цепь. При такой изоляции порта потенциал изолированных цепей поднимается до значения потенциала помехи при её возникновении без вреда для передаваемых данных. Пока разность потенциалов между изолированными цепями не превышает напряжения пробоя схем развязки (обычно это 1000-2500 вольт), порт не будет поврежден. Защита такого типа не предназначена для поглощения или отвода избыточной энергии, поэтому длительность помехи не имеет значения. Даже продолжительное присутствие разности потенциалов не причинит вреда устройствам с развязкой. Необходимо отметить, что развязка может противостоять синфазным помехам, но не защищает от высокого напряжения между проводниками кабеля данных, которое, в частности, может возникнуть из-за короткого замыкания между линией передачи данных и силовыми цепями.
    Устройства развязки
Оптическая развязка может быть реализована несколькими способами. Если реализуется преобразование из RS-232 в RS-422 или RS-485, то можно использовать оптически изолированные конверторы. Вместо стандартных портов ПК можно использовать дополнительную ISA- или PCI- плату последовательных портов с оптической развязкой. В системах с уже имеющимся портом RS-422 или RS-485 можно установить оптронный повторитель (репитер). Примеры устройств каждого типа приводятся в каталоге B&B Electronics Data Communications.

Защита путем шунтирования

Что такое шунтирование
Создание одной общей "земли" обеспечивает безопасный отвод всплеска энергии, а также наличие опорного уровня для устройств подавления импульсных помех. Для отвода опасных токов на "землю" до того, как они пройдут через порт данных, применяются такие компоненты, как TVS (называемые также транзорбами – нарицательное от известной торговой марки Tranzorb), варисторы или газовые разрядники. Все эти устройства работают по принципу ограничения напряжения: как только оно превышает заданную величину, между выводами устройства возникает соединение с низким импендансом.

Поскольку устройства этого типа обеспечивают отвод большого количества энергии, они не выдерживают длительных или постоянных нагрузок. Шунтирующие устройства чаще всего устанавливаются между каждой из линий данных и местным защитным заземлением. Они должны быть подобраны так, чтобы порог срабатывания (перехода в проводящее состояние) был как можно ближе к напряжению, немного превышающему нормальный уровень сигналов при передаче данных. Для систем RS-422 и RS-485 обычно используются номиналы 6-8 вольт. Как правило, такие устройства создают дополнительную емкостную нагрузку в линиях передачи данных. Этот эффект следует учитывать при проектировании системы и компенсировать его путем уменьшения общей протяженности линий. Как правило, речь идёт линиях длиной до нескольких сотен футов.

Шунтирующие устройства следует устанавливать как можно ближе к порту, который они защищают, а импенданс соединения между ними и местным заземлением должно быть чрезвычайно низким. Хорошее соединение с землей критически важно для корректной работы шунтирующего устройства. Оно должно быть сделано как можно более коротким проводником большого сечения. Если заземляющий кабель имеет длину более одного метра, то для эффективной работы защитного устройства следует использовать медную шину или плетеный кабель, предназначенный для заземления. Импульсные помехи имеют не только высокочастотную природу, но и способны порождать очень сильные токи. Несколько тысяч ампер - типичный результат тестов с комплексной бинарной волной по спецификациям ANSI и IEC.

    Подключение сигнальной земли
Поскольку при защите методом шунтирования в каждом узле создается соединение с местной землей, следует рассмотреть последствия соединения удаленных земель: во время переходных процессов между ними может возникать значительные разности потенциалов. Возникающий в результате ток ограничивается только сопротивлением кабеля, соединяющего эти земли. Спецификациями RS-422 и RS-485 рекомендуется устанавливать резисторы номиналом 100 Ом между заземлением устройства и сигнальной землей для ограничения тока в ней. На Рис. 4.6 показана схема соединений, рекомендованных спецификацией.

dwg4.6
Рис. 4.6 Сопротивления 100 Ом в цепи сигнальной земли при соединении двух узлов


    Шунтирующие устройства
Существует два типа шунтирующих устройств. Наименее дорогой вариант – одноступенчатый, обычно с одним TVS-устройством на каждой линии. Коме того, можно использовать трехступенчатые устройства. Первая ступень в них представляет собой газоразрядную трубку, которая может выдерживать очень большие токи, однако у нее высокий порог по напряжению и недостаточное быстродействие для защиты полупроводниковых схем. Вторая ступень – маленький последовательный импенданс, ограничивающий силу тока и создающий падение напряжения между первой и третьей ступенью. Последняя ступень – это TVS-устройство, достаточно быстродействующее, чтобы защитить полупроводниковые устройства; оно ограничивает значение напряжения до безопасного для систем передачи данных уровня.

Комбинирование изоляции и шунтирования

При одновременном использовании защиты обоих типов система становится максимально надежной. На Рис. 4.7 и 4.8 изображены две схемы организации защиты этого уровня.

dwg4.7
Рис. 4.7 Изолированный узел с заземленной шунтирующей защитой
Isolated node with shunt protection to earth ground


dwg4.8
Рис. 4.8 Изолированный узел с незаземленной шунтирующей защитой


Предпочтительнее применять метод, представленный на Рис. 4.7. В этом случае изоляция защищает схему от любых перепадов напряжения в цепях заземления. Шунтирующее устройство предотвратит выброс напряжения за пределы допустимого значения (напряжения пробоя схемы изоляции), а также погасит дифференциальные выбросы в кабеле. Рис. 4.8 схематически изображен метод, рекомендованный к применению в случаях, когда невозможно организовать заземление. Здесь задача шунтирующего устройства – защитить порт от дифференциальных выбросов. Оно распределяет дифференциальный выброс между проводниками линии, превращая его из дифференциального в синфазный. От оставшихся(синфазных) импульсных помех защищает схема изоляции.

Защита на случай возможных аварийных ситуаций

Для защиты систем передачи данных от коротких замыканий сигнальных цепей с силовыми цепями требуется дополнительный комплекс мер. В таких случаях рекомендуется, помимо подавления помех с помощью шунтирования, использовать устройство типа плавкого предохранителя, как показано на Рис. 4.9. Когда происходит короткое замыкание, ток начинает протекать через шунтирующий элемент, однако этот элемент в отдельности не способен противостоять значениям тока в установившемся состоянии. Следует выбирать достаточно слабый предохранитель, такой, который бы срабатывал до того, как будет повреждено шунтирующее устройство. Обычный номинал предохранителя – 125 мА.

dwg4.9
Рис. 4.9 Защита порта с использованием плавких предохранителей

Как выбрать подходящие для конкретной системы методы и средства защиты

Нельзя сказать наперед, какой тип и какая степень защиты будут оптимальными для конкретной системы. Обоснованная оценка должна основываться на сведениях о физических условиях, о состоянии электрической среды, а также о том, во что обойдется возможный отказ системы, выраженный в затратах времени и стоимости ремонта.
В системах, запитанных от двух разных источников питания, например соединяющих одно здание с другим, офис с производственным цехoм, а также в любых системах, охватывающих большие расстояния, должна быть предусмотрена определенная защита от импульсных помех. В Таблице 4.1 сравниваются различные методы защиты от импульсных помех.

    Оптическая развязка...     Шунтирование...
...не требует привязки к потенциалу земли ...требует низкоимпедансного соединения с землей
...не увеличивает нагрузку на сигнальные линии ...является дополнительной емкостной нагрузкой на сигнальные линии
...является технически более сложной ...является технически менее сложной,
использует пассивные компоненты
...эффективна в отношении синфазных помех ...эффективно в отношении как синфазных,
так и дифференциальных помех
...не зависит от правильности инсталляции ...может быть неправильно рассчитано
или применено пользователем
...требует внешнего источника питания ...не требует питания
...не подверженa влиянию продолжительных
или постоянных электрических факторов
...подвержено опасности повреждения
под воздействием длительно приложенного напряжения


 
| главная | каталог | статьи | конттакты | прайс-лист |
..:: KAZUS.RU ::.. - 720 000 даташитов + поиск по складам поставщиков   eFind.ru - Система моментального поиска электронных компонентов непосредственно на on-line складах поставщиков Схемы и обзоры по электронике