Schaltungstipp

EMV-konforme RS-485-Schutzschaltungen

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In der ersten Schutzschaltung (TVS in Bild 1) wird ein Bauteil von Bourns, CDSOT23-SM712, verwendet. Dies ist das am EVAL-CN0313-SDPZ gezeigte TVS-Array (Transient Voltage Suppressor). Das TVS-Array besteht aus zwei bidirektionalen TVS-Dioden die auf den Schutz von RS-485-Systemen optimiert sind. Unter normalen Betriebsbedingungen weist das TVS-Array eine hohe Impedanz gegenüber Masse auf.

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Bei Überspannung gelangt das TVS-Array in eine Lawinendurchbruch-Betriebsart (Avalanche Breakdown) und klemmt die Pin-Spannung auf einen sicheren vorher festgelegten Pegel. Anschließend wird der Transientenstrom vom ADM3485E gegen Masse abgeleitet.

Dieses Konzept bietet einen ESD-Schutz von bis zu 8 kV (Kontakt) bzw. 15 kV (Luftstrecke), einen Schutz vor schnellen Transienten (EFT) bis 2 kV sowie einen Schutz vor Stoßspannungen bis 1 kV.

Wie im Datenblatt des CDSOT23-SM712 beschrieben, wurde das Bauteil speziell für RS-485-Geräte entwickelt. Die nächsten beiden Schutzkonzepte erweitern den Schutz des CDSOT23-SM712 für höhere Stoßspannungen.

Im zweiten Konzept von Bild 1 (TVS/TBU/TISP) bieten der CDSOT23-SM712 TVS den sekundären, der Bourns TISP4240M3BJR-S den primären Schutz. Beim TISP4240M3BJR-S handelt es sich um einen komplett integrierten „Surge Protector“ (TISP). Der TISP ist ein Thyristor. Sobald seine vorher festgelegte Spannung überschritten wird, stellt der TISP einen Pfad nach Masse mit niedriger Impedanz zur Verfügung und leitet den Großteil der Transientenenergie vom ADM3485E ab.

Bei der Transient Blocking (TBU) Unit TBU-CA065-200-WH von Bourns handelt es sich um ein nichtlineares Überstromschutzbauteil zwischen den primären und sekundären Schutzbauteilen, welches die Koordination sicherstellt. Die TBU ist ein Überstromblockierungsbauteil, das bei einem vorher definierten Strom zu einer offenen Schaltung wird. In der Blockier-Betriebsart weist die TBU eine sehr hohe Impedanz zum Sperren der Transientenenergie auf. Dieses Schutzkonzept schützt bis zu 8 kV (Kontakt) bzw. 15 kV (Luftstrecke) gegenüber ESD, bis 2 kV vor EFT und bis 4 kV vor Stoßspannungen.

Das dritte Schutzkonzept in Bild 1 (TVS/TBU/GDT) arbeitet ähnlich wie das Schutzkonzept 2. Bei diesem Schutzkonzept wird statt des TISP eine Gasentladungsröhre (Gas Discharge Tube oder GDT) verwendet. Durch die Gasentladungsröhre wird gegenüber dem im vorigen Schutzkonzept mit TISP ein Schutz vor höheren Überspannungen und Überströmen erreicht.

Bei einer Gasentladungsröhre handelt es sich um ein Bauteil, welches zum Schutz vor Überspannungstransienten einen Pfad nach Masse mit niedriger Impedanz bietet. Gewählt wurde das Modell von Bourns 2038-15-SM-RPLF.

Dieses dritte Schutzkonzept schützt bis zu 8 kV (Kontakt) bzw. 15 kV (Luftstrecke) gegenüber ESD, bis 2 kV vor EFT und bis 6 kV vor Stoßspannungen.

Schaltungsevaluierung und Test

Zur Versorgung des EVAL-Boards CN0313-SDPZ legt man 3,3 V an VCC an. Die Spannung kann an den VCC-Testpunkten in der Nähe jedes ADM3485E überprüft werden. Die Übertragungs- und Empfangspfade lassen sich testen, indem man einen der ADM3485E Schaltkreise entsprechend Bild 3 anschließt. Ein Signal- oder Mustergenerator kann an DI angeschlossen werden. Die Ausgänge des Treibers können an den Testpunkten A und B überwacht werden. Der Ausgang des Empfängers kann am Testpunkt RO überwacht werden. Jumper-Konfigurationen sind ebenfalls in Bild 3 gezeigt. Dieser Testaufbau ist für alle drei oben beschriebenen Schaltungen verwendbar.

Entsprechend der Norm IEC 61000-4-2 beinhaltet ein ESD-Test zwei Kopplungsmethoden: Kontakt und Luftstrecke. Bei einer Entladung mit Kontakt berührt die Entladepistole den zu testenden Port. Bei einer Entladung über eine Luftstrecke wird die geladene Elektrode der Entladepistole so lange in Richtung des zu testenden Ports bewegt, bis eine Entladung eintritt und über der Luftstrecke ein Lichtbogen entsteht.

Eine Entladung wird an den Schraubanschlüssen jeder Bus-Leitung eingespeist.

Beim EFT-Test gemäß IEC 61000-4-4 wird eine kapazitive Kopplungsklemme verwendet, um die EFT-Stoßspannungen in das an den Bus-Leitungen angeschlossene Kabel einzukoppeln. Die Koppelkapazität der Klemme hängt vom Kabeldurchmesser, dem Material der Kabel und der Kabelabschirmung ab.

Beim Testen der Stoßspannungsfestigkeit nach IEC 61000-4-5 wird ein Kopplungs-/Entkopplungsnetzwerk (CDN) verwendet, um die Stoßspannung in die Bus-Pins einzukoppeln. Je nach Spezifikation muss dies bei einem Zwei-Port-Test mit Hilfe von zwei 80-Ω-Widerständen erfolgen. Bild 4 zeigt den Testaufbau für Tests der Stoßspannungsfestigkeit. Das CDN wird mit den Anschlüssen A und B verbunden. Der Stoßspannungsgenerator wird mit der Masseverbindung des vierpoligen Steckers verbunden.

Alle hier beschriebenen Schutzschaltungen wurden im Labor in Verbindung mit dem ADM3485E charakterisiert und von einem unabhängigen externen Testhaus für EMC-Konformitätstests verifiziert.

* James Scanlon arbeitet als Senior Evaluation Engineer bei Analog Devices in Limerick / Irland.

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