Schaltungstipp EMV-konforme RS-485-Schutzschaltungen

Autor / Redakteur: James Scanlon * / Kristin Rinortner

Das EVAL-CN0313-SDPZ ist eine getestete EMV-konforme Lösung, die RS-485-Schnittstellen mit dem Transceiver ADM3485E vor Störungen wie ESD, EFT und Stoßspannungen schützt.

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Bild 1: EVAL-CN0313-SDPZ – Drei EMV-konforme Schutzschaltungen mit dem Transceiver ADM3485E (vereinfachte Blockschaltungen).
Bild 1: EVAL-CN0313-SDPZ – Drei EMV-konforme Schutzschaltungen mit dem Transceiver ADM3485E (vereinfachte Blockschaltungen).
(Bild: Analog Devices)

Die Schaltungen in Bild 1 zeigen bewährte und getestete EMV-konforme Lösungen, die Kommunikationsschnittstellen mit RS-485-Bus in Verbindung mit dem Transceiver ADM3485E vor drei Arten von Störungen schützen.

Jede der drei Lösungen wurde so getestet und charakterisiert, dass sichergestellt werden kann, dass das dynamische Zusammenspiel zwischen dem Transceiver und den Komponenten der Schutzschaltungen einwandfrei funktioniert und der Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD - Electrostatic Discharge), schnellen Transienten (EFT - Electrical Fast Transients) und Überspannungen (Surge Immunity) gemäß den Normen IEC 61000-4-2, IEC 61000-4-4 und IEC 61000-4-5, gewährleistet ist.

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Schaltungsbeschreibung

Der Bus-Standard RS-485 ist eines der am häufigsten verwendeten Physical-Layer-Bus-Designs in Industrie- und Messtechnik-Anwendungen. RS-485 ermöglicht differenzielle Datenübertragungen zwischen mehreren Systemen, oft über sehr große Entfernungen.

Anwendungen für den RS-485-Bus sind Netzwerke für Prozesssteuerungen, Geräte für den Bereich Industrieautomatisierung, dezentralen Bedieneinheiten (Remote Terminals), Geräte für die Gebäudeautomatisierung wie zum Beispiel Heizungen, Lüftungen, Klimaanlagen (HVAC) und Sicherheitssysteme sowie Motor- und Bewegungssteuerungen.

In diesen realen Systemen können hohe transiente Spannungen, verursacht durch Blitze, Schwankungen der Versorgungsspannung, induktive Schaltvorgänge sowie elektrostatische Entladungen die Schnittstellen von Kommunikationsgeräten beschädigen. Entwickler müssen daher sicherstellen, dass ihre Geräte nicht nur unter idealen Bedingungen optimal arbeiten, sondern auch unter realen Bedingungen zuverlässig funktionieren. Um zu gewährleisten, dass Schaltungen auch in Umgebungen mit elektromagnetischen Störungen wie geplant arbeiten, sind die relevanten EMV-Vorschriften zu erfüllen.

Viele EMV-Probleme sind nicht einfach zu lösen oder zunächst nicht offensichtlich. Daher sollte man sich bereits zu Beginn der Entwicklung näher mit dem Thema EMV beschäftigen. Die Realisierung wirkungsvoller EMV-Lösungen und Schutzschaltungen muss Teil der Entwicklung sein und darf nicht erst in letzter Minute erfolgen. Die Schutzschaltungen müssen die vom jeweiligen Transceiver-Hersteller verwendeten Ein- und Ausgangsstrukturen berücksichtigen.

In den Normen IEC 61000 sind die Anforderungen für die EMV-Konformität definiert. Innerhalb dieser Spezifikationen müssen sich Entwickler mit Hochvolt-Transienten der drei folgenden Typen befassen:

  • IEC 61000-4-2: Störfestigkeit gegen elektrostatische Entladung (ESD),
  • IEC 61000-4-4: Festigkeit gegenüber schnellen Transienten (EFT) und
  • IEC 61000-4-5: Störfestigkeit gegen Überspannungen (Surge Immunity).

ESD und EFT haben ähnliche Spannungsanstiegszeiten, Pulsbreiten und Energiepegel. Überspannungen haben längere Spannungsanstiegszeiten und Pulsbreiten. Daher kann die Energie von Stoßspannungen um drei bis vier Größenordnungen höher sein als die in einer ESD- oder EFT-Transienten enthaltene. Aufgrund der Ähnlichkeiten zwischen ESD- und EFT-Transienten können ähnliche Schutzschaltungen genutzt werden. Wegen der hohen Energie von Überspannungstransienten muss man die Schaltungen jedoch unterschiedlich handhaben.

Jede Lösung schützt Datenschnittstellen vor ESD-Spannungen von 8 kV (Kontakt) bzw. 15 kV (Luft) und EFT-Spannungen von 2 kV. Die verschiedenen Lösungen bieten einen erhöhten Schutz vor Stoßspannungen bis 6 kV. Die Schutzpegel für die Schaltungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Bild 2 zeigt das Foto des EVAL-Boards CN0313-SDPZ. Auf der Leiterplatte befinden sich drei Transceiver ADM3485E, einer für jedes Schutzkonzept. Jedes Schutzkonzept bietet ESD- und EFT-Schutz wie beschrieben und steigenden Schutz vor Stoßspannungen.

Ein vollständiges Design Support Package für das EVAL-Board CN0313-SDPZ einschließlich Blockschaltungen, Layout-Dateien und Stücklisten findet man hier.

Beim ADM3485E handelt es sich um einen für 3,3 V ausgelegten Daten-Transceiver mit geringer Stromaufnahme, geeignet für Half-Duplex-Kommunikation auf Multipoint-Übertragungsleitungen. Der ADM3485E bietet eine Datenrate von bis zu 12 MBit/s mit einem Gleichtaktbereich an den Bus-Anschlüssen (A und B) von −7 bis 12 V. Daten werden über den Pin DI übertragen und am Pin RO empfangen. Sowohl die Treiber- wie auch die Empfängerausgänge können aktiviert oder abgeschaltet werden. Die „Abschaltung“ erfolgt, indem man die Logikpegel an den Pins DE und RE\ in einen hochohmigen Zustand bringt.

Stromversorgung und Masse werden über einen Stecker mit Schraubanschlüssen (VCC und GND) angeschlossen. Über diesen Stecker werden alle drei Transceiver ADM3485E versorgt.

Die Logikeingänge DE und RE\ werden über LK1 bis LK6 eingestellt. Für jeden ADM3485E sind LK2, LK4 und LK6 mit DE und LK1, LK3 und LK5 mit RE\ verbunden. Für jeden Link verbindet Position A den Logik-Pin mit VCC, Position B den Logik-Pin mit GND und Position C Logik-Pin mit dem vierpoligen Steckverbinder. Der Eingang DI und die Ausgangs-Pins RO sind direkt an den vierpoligen Steckverbinder angeschlossen.

Das EVAL-CN0313-SDPZ ist auch kompatibel zum Board ezLINX (EZLINX-IIIDE-EBZ) von Analog Devices und der System Development Plattform (EVAL-SDP-CB1Z). Der Stecker J8 verbindet die UART- und GPIO-Schnittstellen an der SDP oder das Board ezLINX mit dem Logik I/O der Transceiver ADM3485E. Die I/O-Verbindungen und Jumper-Konfigurationen zeigt Tabelle 2.

Der Transmitter und Receiver ADM3485E teilen die gleichen differenziellen Bus-Pins (A und B). Die Schutzschaltung wird verwendet, um diese Bus-Pins zu schützen.

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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