Три ступени Bourns, включая TBU – защита RS-485 от импульсных перенапряжений

Сергей Сотников (КОМПЭЛ)

Порты популярнейшего интерфейса RS-485 могут эксплуатироваться в очень жестких электромагнитных условиях. Компания Bourns предлагает наиболее надежную трехступенчатую схему защиты RS-485 на базе быстродействующих газоразрядников, токовых предохранителей TBU и полупроводниковых супрессоров TVS.

Современные достижения в области технологий автоматизации, связанные с приходом четвертой промышленной революции, оказывают сильнейшее влияние на трансформацию промышленной, бытовой и потребительской электроники. Особенно бурное развитие и распространение получают такие инновационные технологии, как периферийные вычисления (Edge Computing), сбор и анализ «больших данных», а также интернет вещей (IoT). При этом построение современной системы промышленной автоматизации невозможно представить без огромного количества датчиков, измеряющих состояние и параметры основных узлов и исполнительных устройств. Требование поддерживать сбор, передачу и анализ большого объема данных от конечных устройств и датчиков является главным критерием достижения максимальной производительности технологических процессов. Во многих промышленных приложениях именно интерфейс RS-485 является связующим звеном, позволяющим решать эти задачи. В статье мы разберем вопросы принципов построения надежной и универсальной защиты данного интерфейса от переходных процессов и импульсных напряжений, присутствующих в реальных условиях эксплуатации, а также рассмотрим конкретное схемотехническое решение по защите на базе полупроводниковых предохранителей TBU. 

Почему интерфейс RS-485 так популярен?

При проектировании надежной сети сбора и передачи данных, которая могла бы функционировать в жестких электромагнитных условиях промышленной или уличной среды, многие разработчики останавливают свой выбор именно на интерфейсе RS-485. Данный интерфейс, разработанный двумя крупными ассоциациями – Electronic Industries Alliance (EIA) и Telecommunications Industry Association (TIA), – обладает целым рядом конкурентных преимуществ. Он предлагает разработчикам высокую скорость передачи данных, длинную протяженность линий связи, а также хорошую устойчивость к электромагнитным помехам, наводкам и шумам. RS-485 может работать в двух режимах: полудуплексном и дуплексном, причем последний позволяет вести двунаправленную передачу на полной скорости. Подробные параметры интерфейса RS-485 приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики интерфейса RS-485

Режим передачи Дифференциальный (балансный) сигнал
Максимальная скорость передачи, Мб/с 32
Максимальная длина линии, м 1200
Уровень логической единицы (Uab), мВ > +200
Уровень логического нуля (Uab), мВ < -200
Диапазон напряжений приемника, В -7/+12
Количество драйверов 32
Максимальное количество приемников 256
Топология сети «Точка-точка», «Мультиточка»
Режим работы Полудуплексный, дуплексный

При построении сети на основе RS-485 важно учитывать обратную зависимость между скоростью передачи данных и максимальной длиной линии связи (рисунок 1). Так, например, при максимальном расстоянии в 1200 м скорость передачи будет ограничена на уровне 62,5 кб/с; при сокращении расстояния до 500 м можно увеличить скорость до 375 кб/с; при уменьшении длины линий до 100 м скорость возрастет до 2400 кб/с, а при 10 м и менее можно добиться максимальной скорости передачи данных в диапазоне 10…32 Мб/с.

Рис. 1. Сравнение интерфейсов по возможной длине протяженности линии

Рис. 1. Сравнение интерфейсов по возможной длине протяженности линии

Помимо высокой скорости передачи данных и большой длины линий связи, интерфейс RS-485 обладает рядом дополнительных преимуществ, таких как:

  • Высокая помехоустойчивость, которая достигается за счет использования витой пары и передачи сигнала в дифференциальном виде, а также за счет нечувствительности приемника к сигналам -200…+200 мВ (все сигналы внутри данного диапазона не воспринимаются ни как логическая «1», ни как логический «0»).
  • Использование стандартного однополярного питания для драйверов (+3,3 В или +5 В), что облегчает унификацию и согласование устройств в сети.
  • Высокая нагрузочная способность драйверов, позволяющая использовать в одном сегменте сети до 32 приемников на 1 передатчик, а при использовании репитеров допускающая расширение сети вплоть до 256 приемников. При этом важно понимать, что единовременно может вести передачу только одно устройство, все остальные должны быть настроены на прием, в противном случае может возникнуть эффект коллизии и потеря данных.

Описанные выше преимущества интерфейса RS-485 сделали его настолько популярным, что на сегодняшний момент он является общепринятым стандартом и используется для реализации систем безопасности, управления и автоматизации на производстве, для управления электроприводом, а также для автоматизации зданий и построения систем «умный дом», объединяющих системы отопления, вентиляции и кондиционирования. Практически все известные сетевые протоколы верхнего уровня OSI, такие как ModBus, ProfiBus, DCON, DH-485, InterBus, BitBus, LanDrive, BACNet, CompoNet, EnDat, BiSS и ControlNet используют RS-485 в качестве физического уровня передачи сигнала. 

Основные источники импульсных перенапряжений

В промышленных и уличных применениях порты RS-485 могут эксплуатироваться в очень жестких электромагнитных условиях окружающей среды. Будь то новые разработки с использованием интерфейса RS-485 или же редизайн и модернизация старых разработок, очень важным моментом является включение в проект схемы защитной цепочки, которая обеспечивала бы полную защиту основных узлов интерфейса RS-485 (прежде всего – самого драйвера и его обвязки) от всплесков и помех напряжения. Большие всплески напряжения на линии, вызванные ударами молнии, электростатическими разрядами и другими электромагнитными явлениями, могут полностью вывести порты RS-485 из строя. В большинстве случаев особую чувствительность к импульсам напряжения проявляют микросхемы, транзисторы, а также емкостные компоненты (конденсаторы). Для нормального и безопасного функционирования портов RS-485 в месте их окончательного монтажа и эксплуатации необходимо обеспечить соответствие устройства определенным правилам и требованиям по электромагнитной совместимости (ЭМС).

На сегодняшний день выделяют и регламентируют три основных источника импульсных перенапряжений, способных вывести из строя чувствительные элементы электроники. Самый быстрый тип импульса по скорости нарастания фронта, но при этом самый слабый по уровню мощности – это электростатический разряд (IEC 61000-4-2, Electrostatic Discharge, ESD), возникающий вследствие перехода накопленного статического электричества с тела человека (рисунок 2, таблица 2).

Рис. 2. Форма импульса напряжения по стандарту IEC 61000-4-2 (ESD)

Рис. 2. Форма импульса напряжения по стандарту IEC 61000-4-2 (ESD)

Такой импульс имеет сверхбыстрое нарастание фронта – всего сотни пикосекунд (< 1 нс), при этом амплитуда напряжения, согласно стандарту, может достигать 8 кВ при контактном разряде и 15 кВ при воздушном разряде, а токи данного импульса не превышают 30 А.

Таблица 2. Уровни жесткости испытаний по стандарту IEC 61000-4-2 (ESD)

Уровень Контактный разряд Воздушный разряд
Импульсное
напряжение, кВ
Импульсный
ток, А
Импульсное
напряжение, кВ
1 2 7,5 2
2 4 15 4
3 6 22,5 8
4 8 30 15

Вторым по уровню мощности является наносекундная помеха средней мощности (IEC 61000-4-4, Electrical Fast Transients, EFT). Помехи данного типа (рисунок 3) часто возникают на линии при срабатывании механических контактов выключателей и реле, а также при коммутации транзисторов и индуктивных нагрузок.

Рис. 3. Форма импульса напряжения по стандарту IEC 61000-4-4 (EFT)

Рис. 3. Форма импульса напряжения по стандарту IEC 61000-4-4 (EFT)

Длительность фронта такой помехи имеет наносекундный диапазон (5/50 нс), а амплитуда напряжения доходит до 4 кВ, при этом амплитуда тока не превышает уровня 80 А (таблица 3).

Таблица 3. Уровни жесткости испытания по стандарту IEC 61000-4-4 (EFT)

Уровень Силовой порт, линии питания Сигнальный порт, интерфейсные линии
Импульсное
напряжение, кВ
Импульсный
ток, А
Импульсное
напряжение, кВ
Импульсный
ток, А
1 0,5 10 0,25 5
2 1 20 0,5 10
3 2 40 1 20
4 4 80 2 40

Самый мощный и тяжелый тип помехи, который обладает самой высокой разрушающей способностью для чувствительных компонентов – это микросекундные импульсы (IEC 61000-4-5, Lighting and Surge Transients). Данные всплески напряжения (рисунок 4) могут возникать вследствие аварий на ЛЭП, электромагнитных помех на линиях связи, вызванных ударами молнии, а также при коммутации в сети мощного реактивного оборудования – двигателей, трансформаторов, емкостных силовых сборок.

Рис. 4. Форма импульса напряжения по стандарту IEC 61000-4-5 (Surge)

Рис. 4. Форма импульса напряжения по стандарту IEC 61000-4-5 (Surge)

Длительность фронта такой помехи имеет микросекундный диапазон (1,2/50 мкс – для напряжения в режиме холостого хода и 8/20 мкс – для тока в режиме короткого замыкания), а амплитуда напряжения по самому жесткому уровню достигает 4 кВ. При этом амплитуда импульсного тока при разряде будет зависеть от импеданса цепи и может достигать уровня 2000 А. Для тестирования входа питания AC/DC по цепи «провод-провод»/«фаза-нейтраль» импеданс принимают равным 2 Ом. Для тестирования входа питания по цепи «провод-земля»/«фаза-земля» импеданс цепи увеличивается до 12 Ом. Для интерфейсных симметричных линий (RS-485, Ethernet, CAN и прочие) эквивалентное сопротивление цепи при тестировании принимается равным 42 Ом (таблица 4).

Таблица 4. Уровни жесткости испытания по стандарту IEC 61000-4-5 (Surge)

Импеданс цепи генератора Уровень 1 Уровень2 Уровень3 Уровень4
500 В 1 кВ 2 кВ 4 кВ
Req = 42 Ом 12 А 24 А 48 А 96 А
Req = 12 Ом 42 А 84 А 167 А 334 А
Req = 2 Ом 250 А 500 А 1000 А 2000 А

Таким образом, при подборе защитных компонентов для интерфейса RS-485 важно обращать внимание на максимальный пиковый ток (при форме импульса 8/20 мкс), который компонент способен зашунтировать в номинальном режиме. Если мы хотим обеспечить защиту по самому жесткому уровню (4 класс), то данный ток должен быть не менее 96 А.

Защита порта RS-485 от импульсных напряжений

Если рассмотреть существующие сети на основе интерфейса RS-485, то можно найти достаточно широкое разнообразие решений по защите, каждое из которых будет отличаться применением различных технологий и компонентов и обеспечивающих разные уровни защит согласно описанным выше стандартам. Строго говоря, базовый принцип защиты уязвимого участка цепи от переходных процессов и всплесков напряжения сводится к двум этапам: к ограничению импульса напряжения до уровня, безопасного для защищаемой цепи, и рассеиванию энергии импульса на землю через низкоимпедансный шунт. В первом приближении наиболее очевидный путь решения этой задачи – применение одного универсального защитного компонента в первичной (входной) цепи. Однако нужно понимать, что такой компонент в идеале должен быть достаточно быстрым, чтобы успевать среагировать на резкие фронты импульсов электростатики и переходных процессов наносекундного диапазона, но при этом он также должен быть достаточно мощным, чтобы рассеивать энергию мощных импульсов длительностью в десятки микросекунд. Наконец, он должен обладать малой паразитной емкостью, которая не будет вносить существенные искажения в цифровой сигнал, передаваемый по сети RS-485 во избежание потери данных. Компонент, обладающий всеми вышеперечисленными плюсами, будет иметь настолько большие физические габариты и стоимость, что его применение будет экономически необоснованным для приложений стандартного рынка. Давайте рассмотрим простое и бюджетное решение от компании Bourns, которое справляется с озвученными задачами идеальной защитной цепочки: ограничением амплитуды импульса напряжения и рассеиванием его мощности. Решение, которое предлагает Bourns, построено по принципу каскадной защиты (первичный, вторичный, и согласующий уровни) и состоит всего из трех компонентов: газоразрядника (GDT), токового предохранителя (TBU) и полупроводникового супрессора (TVS). Каждый из этих трех компонентов выполняет свою строго определенную функцию, но вместе, находясь в единой связке, они позволяют реализовать универсальную защиту, удовлетворяющую требованиям всех трех стандартов группы IEC 61000-4* (ESD, EFT, Surge) по самому жесткому – 4-му классу защиты. 

Высокоскоростная защита TBU

Прежде чем рассмотреть принцип каскадной защиты, предлагаемый компанией Bourns, более подробно остановимся на ее базовом звене – компоненте TBU (рисунок 5). TBU (Transient Blocking Unit) – быстродействующий самовосстанавливающийся защитный компонент, исполненный по полупроводниковой технологии с использованием MOSFET-ключей, который устанавливается последовательно в разрыв защищаемой цепи. По сути, TBU является «идеальным» электронным токовым предохранителем. Ниже приведены технические параметры компонентов TBU на основе одноканальных серий TBU-CA и двухканальных серий TBU-DF (таблица 5).

Рис. 5. Одноканальные TBU-CA (а) и двухканальные TBU-DF (б)

Рис. 5. Одноканальные TBU-CA (а) и двухканальные TBU-DF (б)

Таблица 5. Основные электрические характеристика серий TBU-CA и TBU-DF

Параметр Наименование Значение
Vimp, В TBU-CA025-xxx-WH 250
TBU-CA040-xxx-WH 400
TBU-CA050-xxx-WH 500
TBU-CA065-xxx-WH 650
TBU-CA085-xxx-WH 850
TBU-DF055-xxx-WH 550
TBU-DF085-xxx-WH 850
Vrms, В TBU-CA025-xxx-WH 100
TBU-CA040-xxx-WH 200
TBU-CA050-xxx-WH 250
TBU-CA065-xxx-WH 300
TBU-CA085-xxx-WH 425
TBU-DF055-xxx-WH 250
TBU-DF085-xxx-WH 425
Itrigger, мА TBU-CAxxx-050-WH 50 75 100
TBU-CAxxx-100-WH 100 150 200
TBU-CAxxx-200-WH 200 300 400
TBU-CAxxx-300-WH 300 450 600
TBU-CAxxx-500-WH 500 750 1000
TBU-DFxxx-050-WH 50 75 100
TBU-DFxxx-300-WH 300 450 600
TBU-DFxxx-500-WH 500 750 1000
Tblock, мкс TBU-CA, TBU-DF 1
Vreset, В TBU-CA, TBU-DF 12 16 20

Обозначения параметров таблицы 5:

  • Vimp – максимальное импульсное напряжение длительностью не более 10 мс, которое может выдержать TBU;
  • Vrms – максимальное среднеквадратичное значение переменного напряжения, которое может быть приложено к TBU в длительном режиме;
  • Itrigger – ток срабатывания TBU, приводящий к разрыву цепи;
  • Tblock – максимальное время срабатывания TBU;
  • Vreset – напряжение на TBU, при котором он переключается из сработавшего состояния в исходное.

В нормальном состоянии TBU представляет собой обычный низкоомный резистор, включенный последовательно в линию. При резком переходном процессе или импульсе перенапряжения значение тока, протекающего через TBU, начинает увеличиваться. Как только оно достигает значения тока отсечки (Itrigger), TBU срабатывает, переходя в высокоимпедансное состояние и разрывая защищаемую цепь, тем самым препятствуя прохождению напряжения в защищаемый участок цепи (рисунок 6). При этом время реакции TBU до момента начала ограничения тока составляет 10 нс. А полное размыкание цепи с учетом переходного процесса не превышает 800 нс. Ключевой особенностью TBU является сверхнизкая энергия, которая успевает пройти через TBU в защищаемую цепь: ее величина не превышает 100 нДж. Такой уровень пропускаемой энергии позволяет разработчикам применять микросхемы с более низкой энергией рассеивания. Причем, независимо от параметров переходного процесса и характеристик входного импульса, суммарное время полного срабатывания TBU не превышает 1 мкс!

Рис. 6. Временная диаграмма работы TBU при входном импульсе

Рис. 6. Временная диаграмма работы TBU при входном импульсе

После рассеивания импульса, при условии падения напряжения в линии до порогового значения (Vreset) или ниже, TBU автоматически восстанавливает нормальное функционирование. Если величина остаточного напряжения на линии выше Vreset, то нужно обеспечить автоматический или ручной перезапуск напряжения питания для восстановления TBU.

Базовая схема каскадной защиты на основе TBU

На рисунке 7 показана базовая схема защиты от сверхтоков и перенапряжений, используемая для защиты стандартной интерфейсной линии, в том числе RS-485.

Рис. 7. Базовая схема защиты RS-485 на основе TBU

Рис. 7. Базовая схема защиты RS-485 на основе TBU

Данная защитная схема построена по принципу каскадной защиты.

Роль первичного каскада защиты во входной цепи выполняет газоразрядник (Gas Discharge Tube, GDT). Это самый мощный компонент в рассматриваемой схеме, способный шунтировать токи в несколько тысяч ампер, в зависимости от модели. Его функция – принимать на себя и рассеивать самые тяжелые и мощные всплески перенапряжения, в том числе – импульсы микросекундного диапазона, согласно IEC 61000-4-5 (Surge). Вторая функция газоразрядника – это защита TBU, который имеет ограничение по максимальному импульсному напряжению (Vimp).

Устройство TBU, расположенное между первичным и вторичным каскадами защиты, обеспечивает блокировку переходного тока и локальную изоляцию импульсного напряжения во входной части цепи (рисунок 8). То есть, главная функция TBU – согласующая. TBU нужен для координации работы двух каскадов. Он отсекает низковольтную защищаемую цепь от мощного и длительного импульса, который благополучно рассеивается на компоненте входной цепи.

Рис. 8. Реакция TBU на входной импульс с фронтами 1,2 мкс/50 мкс

Рис. 8. Реакция TBU на входной импульс с фронтами 1,2 мкс/50 мкс

В качестве вторичного каскада защиты используется TVS-диод, задача которого – защитить вход драйвера от быстрых наносекундных помех (IEC 61000-4-4, EFT) и электростатики (IEC 61000-4-2, ESD), которые не успевает блокировать газоразрядник в силу своей инерционности. Вторичный каскад защиты ограничивает напряжение на входе драйвера и позволяет переходному току проходить по цепи до момента срабатывания TBU, при котором он переходит в непроводящее состояние и полностью разрывает цепь. Далее первичная защита (газоразрядник, варистор или тиристор) ограничивает напряжение на самом TBU до безопасного уровня и обеспечивает шунтирование оставшегося импульсного тока.

Для защиты линий высокоскоростной связи, таких как DSL, Ethernet, или LVDS, в качестве первичной защиты рекомендуется использовать исключительно газоразрядники в силу их малой паразитной емкости (менее 1 пФ). Такая емкость позволяет использовать газоразрядники в сигнальных трактах с широкой полосой частот. Для менее скоростных приложений, таких как интерфейс RS-485 или CAN-шина, в качестве первичной защиты допустимо использование варистора (Metal-Oxide Varistor, MOV) или тиристора (у Bourns защитные тиристоры представлены семейством TISP). Паразитная емкость варисторов находится в диапазоне нескольких сотен пикофарад, что уменьшает рабочую полосу частот коммутируемого сигнала до уровня 10 МГц. Паразитная емкость, вносимая TBU, ничтожно мала, и ей можно пренебречь. Поскольку сам TBU не имеет контакта с землей и включается последовательно в линию, то единственная емкость, вносимая в сигнальный тракт – это паразитная емкость монтажных контактных площадок. Низкий уровень вносимых потерь (< 3 дБ) сохраняется на полосе частот вплоть до 3 ГГц. При оценке суммарной емкости в линии передачи нужно учитывать паразитную емкость, вносимую кабелем и разъемами. Также стоит обращать внимание на максимальное рабочее напряжение защитного компонента в первичной цепи. Этот параметр важен, если необходимо обеспечить дополнительную защиту от случайной подачи силового напряжения на интерфейсные линии – так называемую функцию “AC Power Cross”, о которой будет рассказано ниже.

Функция AC Power Cross

Еще одной полезной функцией TBU является устойчивость к длительному воздействию силового напряжения и возможность блокировать подачу сетевого напряжения питания на интерфейсные линии. В монтажной практике нередки случаи, когда установщики или обслуживающий персонал вместо клемм L и N ошибочно подключают сетевое напряжение 220 В AC на клеммы интерфейса RS-485 (выводы А и B) (рисунок 9). При отсутствии должной защиты данное подключение приведет к выгоранию порта и выходу драйвера RS-485 из строя. Использование в защитной цепочке TBU позволяет полностью решить эту проблему.

Рис. 9. Подача сетевого напряжения 220 В AC на TBU

Рис. 9. Подача сетевого напряжения 220 В AC на TBU

Во время случайной подачи сетевого напряжения питания TBU будет переключаться каждый полупериод действия синуса с частотой сети 50 Гц. При переходе синуса через ноль TBU будет временно открываться и практически сразу закрываться, пропуская в нагрузку ток не более 300 мА, что абсолютно безопасно для защищаемой цепи. При устранении ошибочного подключения TBU возвращается в исходное состояние, замыкает цепь и позволяет интерфейсу RS-485 продолжить функционирование в штатном режиме. Если мы строим защитную цепочку, обеспечивающую функцию AC Power Cross, нам нужно убедиться в том, что выбранный нами TBU выдерживает длительное воздействие сетевого напряжения 220 В AC (с учетом допусков +15%). Для этого подходят следующие модели: одноканальные TBU-CA050-xxx-WH, TBU-CA065-xxx-WH, TBU-CA085-xxx-WH и двухканальные TBU-DF055-xxx-WH, TBU-DF085-xxx-WH, у которых Vrms > 250 В. При этом защитный компонент в первичном каскаде (будь то газоразрядник, варистор или тиристор) также должен выдерживать длительное воздействие сетевого напряжения. Так, например, газоразрядники с малым значением напряжения срабатывания будут открываться и закорачивать входную сеть, а варисторы и тиристоры с недостаточным рабочим напряжением просто выйдут из строя.

Быстродействующие газоразрядники категории FastActing

Особое внимание хотелось бы уделить правильному выбору газоразрядника в первичный каскад защиты. Особенностью газоразрядника является его нелинейность и инерционность (достаточно долгий процесс ионизации газа в трубке, необходимый для начала срабатывания). Скорость срабатывания газоразрядника напрямую зависит от степени крутизны фронта нарастания входного импульса. В технической документации указывают несколько уровней напряжения срабатывания для газоразрядника: DC Sparkover (скорость нарастания импульса 100 В/с) и Impulse Sparkover (скорости нарастания импульсов 100 В/мкс и 1000 В/мкс). Таким образом, подбор газоразрядника сводится к решению двух задач: минимальное напряжение срабатывания газоразрядника должно быть достаточным для устойчивости к ошибочному подключению сети, и при этом его максимальное напряжение срабатывания должно обеспечить защиту TBU (самые устойчивые из которых имеют Vimp = 850 В). К сожалению, стандартные газоразрядники не всегда подходят для решения этой задачи. Например DC Sparkover газоразрядников стандартной серии 2035-30 составляет 300 В, что позволяет им подходить по критерию AC Power Cross. Напряжение срабатывания Impulse Sparkover = 650 В, что на первый взгляд достаточно для защиты TBU с Vimp = 850 В. Однако здесь нужно учесть, что по требованиям стандарта IEC 61000-4-5 амплитуда входного импульса может достигать уровня 4 кВ (по самому жесткому 4-му классу) с фронтом нарастания 1,2 мкс. Практические измерения (при входном импульсе 4 кВ) опытной партии газоразрядников 2035-30 в количестве 20 шт. показывают случайный разброс напряжений срабатывания в диапазоне 784…968 В со средним значением в 912 В, что нельзя считать приемлемым результатом для надежной и гарантированной защиты TBU.

Для решения этой задачи компания Bourns разработала специальные серии быстродействующих газоразрядников FastActing, оптимизированных для работы в паре с TBU. У таких газоразрядников порог срабатывания существенно ниже, чем у стандартных серий. А в технической документации прописано напряжение срабатывания при резком (1 мкс) и высоковольтном импульсе уровня 5 кВ (что соответствует IEC 61000-4-5). На сегодняшний момент доступны 4 серии категории FastActing: двухэлектродные 2011, 2031-xxT-SM и трехэлектродные 2020-xxT, 2030-xxT-SM. У газоразрядников данных серий максимальное срабатывание при импульсе 5 кВ/1 мкс достигается на уровнях 500 ,650 и 850 В, что вполне достаточно для защиты TBU. 

Отладочная плата RS-485 Port Protection Evaluation Board 4

Практическим воплощением описанного в статье принципа каскадной защиты с использованием полупроводникового предохранителя TBU стала отладочная плата RS-485 Port Protection Evaluation Board 4  производства компании Bourns (рисунок 10).

Рис. 10. Схема отладочной платы RS-485 Port Protection Evaluation Board 4

Рис. 10. Схема отладочной платы RS-485 Port Protection Evaluation Board 4

Данное решение является наиболее универсальным и комплексным защитным контуром для интерфейса RS-485. Оно содержит в себе последние новинки компонентной базы Bourns (таблица 6).

В частности, здесь применены недавно выпущенные двухканальные TBU серии TBU-DF (TBU-DF085-300-WH), которые, в отличие от предыдущих серий TBU-CA, обладают рядом серьезных преимуществ:

  • всего один компонент для защиты одной витой пары RS-485 (вместо двух компонентов при использовании TBU-CA);
  • экономия площади печатной платы (до 32%);
  • лучшая согласованность паразитных параметров обоих каналов.

TBU-DF085-300-WH имеет максимальное импульсное напряжение Vimp = 850 В, а также способен выдерживать длительное действие переменного напряжения Vrms = 425 В, что позволяет обеспечить функцию AC Power Cross. Минимальный ток срабатывания данного TBU Itrigger = 300 мА.

В качестве входного защитного компонента первичного каскада используется трехэлектродный газоразрядник 2030-42T-SMLF, который также позволяет защищать сразу обе интерфейсные линии, так как два плеча газоразрядника подключены между линиями A, B и землей. Данный газоразрядник имеет максимальное ограничение напряжения при импульсе 5 кВ/1 мкс на уровне не более 850 В, что достаточно для защиты TBU-DF085-300-WH. При этом его напряжение Initial DC Sparkover = 420 В также позволяет поддерживать функцию AC Power Cross. Мощность газоразрядника 2030-42T-SM позволяет ему зашунтировать импульсный ток величиной до 4 кА, что намного превосходит требования стандарта IEC 61000-4-5 для интерфейсных линий.

В качестве вторичного каскада защиты используется стандартная двухканальная TVS-сборка CDSOT23-SM712, задача которой отрабатывать быстрые наносекундные помехи и разряды электростатики. Данная сборка является двунаправленной и имеет рабочее напряжение 7/12 В.

Таблица 6. Список компонентов для реализации комплексной защиты RS-485

Уровень Наименование Основные параметры
Первичный каскад 2030-42T-SMLF DC Sparkover (100 V/s) = 420 В; Impulse Sparkover (5 kV/μs) = 850 В; IEC 61000-4-2, Surge: Ipp (8/20 мкс) = 4 kА;
AC Power Cross – есть
TISP4500H3BJR-S Vdrm = 350 В; Vbo = 500 В; IEC 61000-4-2, Surge: Ipp (8/20 мкс) = 500 А; AC Power Cross – есть
Предохранитель TBU-DF085-300-WH Vimp = 850 В; Vrms = 425 В; Itrigger = 300 мА (мин.);
AC Power Cross – есть
Вторичный каскад CDSOT23-SM712 IEC 61000-4-2, ESD: ±30kV (контактный и воздушный разряды); IEC 61000-4-4, EFT; IEC 61000-4-2, Surge: Ipp (8/20мкс) = 17 А; Vbr = 7,5/13,3 В

На отладочной плате (рисунок 11) также предусмотрены посадочные места под тиристоры TISP4500H3BJR-S, которые можно использовать (2 шт.) вместо одного газоразрядника в качестве компонента первичной защиты.

Рис. 11. Отладочная плата RS-485 Port Protection Evaluation Board 4

Рис. 11. Отладочная плата RS-485 Port Protection Evaluation Board 4

Принципиальное отличие тиристора от газоразрядника – это существенно меньшая мощность рассеиваемых импульсов. Например, для тиристора TISP4500H3BJR-S максимальный импульсный ток Ipp для фронта 8/20 мкс не превышает 500 А, в то время как газоразрядник 2030-42T-SM сможет разово выдержать и пропустить через себя ток порядка 4000 А. При этом тиристор обладает более низким порогом напряжения срабатывания и привлекательной ценой. К слову, оба компонента удовлетворяют требования IEC 61000-4-5 для интерфейсных линий по самому жесткому 4-му классу стойкости. Если задача состоит только лишь в удовлетворении требований стандарта – то можно ограничиться тиристорным вариантом. Если есть обоснованная потребность обеспечить защиту «с запасом» для самых жестких условий эксплуатации, превышающих требования стандарта (уличное применение с большой длиной прокладки линии), то более надежным решением будет использование газоразрядника.

Компания Analog Devices провела собственные испытания своих трансиверов RS-485 (ADM3485E) с применением TBU на устойчивость к различным уровням и типам импульсных перенапряжений, используя защитные цепочки в разных комбинациях. Краткие результаты этих испытаний сведены в таблицу 7.

Таблица 7. Устойчивость к импульсам различных комбинаций TVS/TBU/TISP/GDT

Вариант защиты IEC 61000-4-2ESD IEC 61000-4-4EFT IEC 61000-4-5 Surge
Уровень Амплитуда импульса, кВ Уровень Амплитуда импульса, кВ Уровень Амплитуда импульса, кВ
TVS 4 8/15 4 2 2 1
TVS + TBU + TISP 4 8/15 4 2 4 4
TVS + TBU + GDT 4 8/15 4 2 > 4 6

По результатам данной таблицы видно, что одиночная TVS-сборка способна обеспечить только защиту от электростатики и наносекундных помех, и не позволяет пройти по стандарту микросекундных помех выше 2-го уровня. При добавлении в защитную цепь TBU и TISP мы получим базовый уровень защиты по всем 3-м основным стандартам. Самое же надежное решение, превышающее базовые требования стандартов, получится при использовании газоразрядника (GDT) вместо тиристора (TISP). Такое решение обладает полным набором характеристик, присущих хорошей, качественной защитной цепи, таких как:

  • защита от сверхбыстрых импульсов малой мощности;
  • устойчивость к многократным и повторяющимся импульсам;
  • защита от одиночных импульсов высокой мощности;
  • дополнительная защита от случайной подачи сетевого напряжения;
  • способность к самовосстановлению;
  • сверхнизкий уровень пропускаемой энергии;
  • широкая полоса рабочих частот.

Заключение

Компания Bourns предлагает простое и эффективное схемотехническое решение по защите интерфейсных портов RS-485 на базе уникальных полупроводниковых компонентов TBU. В комбинации с дополнительными компонентами (газоразрядниками, варисторами или тиристорами) TBU позволят построить универсальный трехступенчатый защитный каскад, позволяющий блокировать импульсы самого широкого спектра воздействия. Рассмотренное в статье решение помогает разработчикам оборудования полностью решить проблему с обеспечением защиты интерфейса RS-485 на физическом уровне и дает возможность сфокусироваться на программной части и финальной отладке конечного устройства.

Также предлагаем вашему вниманию видеоролик, подготовленный совместно компаниями Компэл и
Bourns, который демонстрирует тестирование отладочной платы, обеспечивающей защиту от
импульсных перенапряжений. В качестве защищаемой цепи выступает драйвер интерфейса RS-485, а
защиту обеспечивают компоненты Bourns: модуль TBU, TVS-диод и тиристор TISP в различных
комбинациях. Тестирование проводится согласно стандарту IEC61000-4-5 (устойчивость к
микросекундным импульсам большой энергии).

Литература

  1. A Simple, High-Speed All-in-One Solution for RS-485 Protection, Bourns.
  2. Handling Transient Threats in RS-485 Systems, Bourns.
  3. High-Speed Electronic Current Limiter Protection, Bourns.
  4. Design Note, RS-485 Port Protection Evaluation Board 4, Bourns.
  5. RS-485 Reference Guide, Texas Instruments.
  6. TI Designs: TIDA-00731 IEC ESD, EFT, and Surge RS-485 Bus Protection, Texas Instruments.
  7. TI Designs: IEC 61000 ESD, EFT, and Surge Bus Protection for CAN, Texas Instruments.
  8. Application Note AN-1161, EMC-Compliant RS-485 Communication Networks, Analog Devices.
  9. IEC 61000-4-2/4/5, International Electrotechnical Commission’s standards.
  10. Transient immunity testing. Handy Guide, Teseq.
  11. Datasheets:
•••

Наши информационные каналы

О компании Bourns

Компания была основана супругами Marlan и Rosemary Bourns в 1947 году и начала свою деятельность в их маленьком гараже в Калифорнии, США. Изобретение одного из первых в мире миниатюрных потенциометров было стимулом к превращению их крошечного бизнеса в глобальную корпорацию, производящую целый спектр продуктов, которые влияют почти на каждый аспект современной электронной промышленности. В 1952 году Bourns запатентовал первый в мире подстроечный потенциометр под торговой маркой Trimpot®. ...читать далее

Товары
Наименование
2030-42T-SMLF (BOURNS)
2030-42T-SM-RPLF (BOURNS)
2031-42T-SMLF (BOURNS)
TISP4500H3BJR-S (BOURNS)
TBU-DF085-300-WH (BOURNS)
TBU-CA085-300-WH (BOURNS)
CDSOT23-SM712 (BOURNS)