Ochrona przed impulsami przejściowymi w ramach kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) wymaga dopasowania parametrów komponentów ochronnych do charakterystyki układu nadawczo-odbiorczego. Proponowane w artykule układy mogą wspomóc projektantów systemów komunikacyjnych i ograniczyć ryzyko opóźnień ich pracy spowodowanych problemami z uzyskaniem odpowiedniej kompatybilności elektromagnetycznej.
Transmisja danych w ramach nowoczesnych sieci przemysłowych oparta jest w wielu aplikacjach na niezawodnych łączach komunikacyjnych standardu RS485, w związku z czym wyzwaniem może stać się ochrona ?czystości? ich sygnału. Takie sieci muszą działać w trudnym środowisku przemysłowym, w związku z czym są narażone na silne zakłócenia elektromagnetyczne ? znaczne napięciowe impulsy przejściowe spowodowane wyładowaniami elektrostatycznymi, szybkimi elektrycznymi impulsami przejściowymi lub uderzeniami piorunów. Szybkość przesyłu danych w komunikacji na duże odległości mieści się w zakresie od 10 kbit/s do 250 kbit/s na dystansie do 1200 m, a ostatnio nawet do 2000 m. Dzięki technice transmisji sygnału w trybie różnicowym przez kabel zawierający skręconą parę żył (popularna skrętka) oraz zdolności do niezawodnej pracy w środowisku wysokich zakłóceń potencjału wspólnego, interfejs RS485 stał się ?koniem roboczym? wielu zastosowań przemysłowych.
W celu przeciwdziałania kosztownym przestojom sieci wynikłym z uszkodzeń układów nadawczo-odbiorczych, powodowanych przez wysokie impulsy przejściowe prądu i napięcia, Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (International Electrotechnical Commission, IEC) opracowała zestaw testów odporności na impulsy przejściowe obejmujące wyładowania elektrostatyczne (ESD), szybkie elektryczne impulsy przejściowe (Electrical Fast Transients, EFT) oraz udary prądowe (surges). Prawidłowa implementacja sieci wymaga zrozumienia natury każdego z typów impulsów i przebiegów przejściowych, możliwych obszarów i zakresu ich występowania oraz dedykowanych rozwiązań projektowych, zapewniających ochronę komponentów przed uszkodzeniem.
Porównanie impulsów przejściowych
Test ESD symuluje wyładowanie elektrostatyczne działające na urządzenia elektroniczne, którego źródłem jest człowiek. Impuls testowy ma czas narastania równy ok. 1 ns i trwa mniej niż 100 ns. Sekwencja testu składa się z 10 dodatnich i 10 ujemnych impulsów, z jednosekundowymi przerwami pomiędzy wszystkimi impulsami (rys. 1-3). Wyładowanie ESD ma najniższą energię spośród wszystkich typów impulsów przejściowych.
Test serii impulsów symuluje impulsy przejściowe powodowane przez przełączanie indukcyjności, pracę styków przekaźników itp. W czasie tego testu stosowana jest sekwencja impulsów testowych zwana serią. Impuls testowy ma czas narastania równy ok. 5 ns i trwa ok. 400 ns. Seria składa się z 75 impulsów generowanych z częstotliwością 5 kHz, po czym następuje pauza równa 300 ms. Sekwencja testu obejmuje sześć 10-sekundowych serii długich, rozdzielonych 10-sekundowymi przerwami, obejmując 14 tys. impulsów na minutę. Ciąg impulsów tego testu (Electrical Fast Transients, EFT) ma ok. 300 razy wyższą energię niż impuls ESD o tym samym napięciu testowym.
Test udarów prądowych symuluje impulsy przejściowe generowane przez pioruny oraz przełączanie dużych obciążeń indukcyjnych. W teście uwzględnia się różne kształty impulsów wynikających ze zwarć oraz przerywania obwodów elektrycznych, mających różne czasy narastania i trwania. Tego typu impulsy testowe są często określane terminem ?kombinowany przebieg falowy? (combination waveform). Impulsy udarowe trwają 1000 razy dłużej od impulsów statycznych ESD lub szybkich impulsów EFT Ponadto niska impedancja źródła (generatora udarów) zapewnia wysoki prąd udaru przy jednoczesnym wysokim napięciu. Sekwencja testu składa się z 5 dodatnich i 5 ujemnych impulsów udarowych, z jednominutowymi przerwami pomiędzy impulsami. Impuls udarowy ma ok. 100 razy wyższą energię niż ciąg impulsów szybkich EFT oraz ok. 30 tys. razy wyższą energię niż impuls ESD o tym samym napięciu testowym.
Klasyczne metody ochrony
Układ na rys. 4 wykorzystuje diody sterujące, które w razie wystąpienia impulsu przejściowego zwierają linie sygnałowe do potencjału Vcc (napięcie kolektora wspólnego) lub uziemienia. Konstrukcja tego układu wynika z tradycyjnego rozwiązania układu terminatora szyny, opartego na diodach Schottky`ego w celu zminimalizowania odbić w szynie nieposiadającej innego zakończenia. W przypadku wystąpienia odbić sygnału, które typowo wykraczają poza zakres od uziemienia do Vcc, diody te ograniczają odbity sygnał do poziomu nieprzekraczającego Vcc + VFW (full wave voltage ? napięcie pełnookresowe) dla odbić dodatnich oraz uziemienia GND (0 V) ? VFW dla odbić ujemnych.
Taka funkcjonalność ma dwie główne wady. Po pierwsze, taki układ pracuje poprawnie tylko w środowiskach o niewielkich szumach wspólnych, z powodu wczesnego przechodzenia diod w przewodzenie. Standard EIA 485 wymaga natomiast niezawodnej transmisji danych dla wahań napięć trybu wspólnego od -7 V do +12 V, co czyni ten układ niezgodnym ze standardem RS485.
Drugi problem polega na tym, że za każdym razem, kiedy diody zostają wysterowane w stan przewodzenia, do czego dochodzi przy każdym prawie przejściu sygnału, duże prądy szczytowe diod są kierowane albo do Vcc, albo do uziemienia. Prądy te przyczyniają się do znacznych emisji szumu wypromieniowywanego przez obwód do otoczenia, w związku z czym najprawdopodobniej nie mógłby on przejść pomyślnie żadnego testu na interferencję elektromagnetyczną (EMI).
O ile obwód na rys. 5 ma bardziej rozbudowany układ ochrony, o tyle zastosowane w nim komponenty mogą uniemożliwić stłumienie szybkich impulsów przejściowych. Na przykład tanie tłumiki napięć przejściowych (TVS) typów SAMJ, SMBJ i SMCJ mają duże pojemności złączy, które obarczają je długimi czasami odpowiedzi. W przypadku wystąpienia impulsów szybkich możliwe jest pojawienie się napięć szczytowych o wartościach do 120 V jeszcze przed otworzeniem diod TVS, co prowadzi do nieuniknionego uszkodzenia układu nadawczo-odbiorczego.
Rezystory o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) zwiększają swoją rezystancję w przypadku pojawienia się na nich wysokich prądów. Ich czas odpowiedzi rzędu milisekund sprawia, że są one zbyt wolne nawet dla impulsów udarowych, nie mówiąc o impulsach ESD czy EFT.
Często preferowanym narzędziem do odfiltrowywania szumu wspólnego są tłumiki sygnału wspólnego. Ich zastosowanie wymaga jednak szczegółowej analizy ich charakterystyk tłumienia oraz dopasowania do danego zastosowania. W praktyce nie jest możliwe, aby po prostu przenieść obwód ochronny układu audio lub referencyjny standardu USB 3.0 do implementacji standardu RS485 na dużej odległości i oczekiwać, że takie rozwiązanie będzie działać prawidłowo.
W literaturze często sugeruje się, że można dodać kondensatory filtrujące w celu zwiększenia stromizny sygnału odpowiedzi filtra. Należy przy tym uważać, aby funkcja przejścia filtra nie zaczęła tworzyć zbyt wysokich pików w rejonie częstotliwości odcięcia. Szybkie impulsy przejściowe, takie jak ESD i EFT, mają szerokie pasmo obejmujące częstotliwości od 3 MHz do 3 GHz i niektóre z tych częstotliwości mogą być w niezamierzony sposób wzmacniane przez szczyt charakterystyki filtra.
Ponadto wartości kondensatorów filtrujących muszą być dopasowane. Duże tolerancje komponentów powodują różnice w częstotliwościach odcięcia pomiędzy liniami sygnałowymi, co powoduje zamianę szumu wspólnego na szum różnicowy i prowadzi do błędów transmisji danych.
Nowoczesna ochrona obwodów
Układ na rys. 6 bazuje na zastosowaniu szybkiego, 400-watowego układu TVS (Transil) o niskiej pojemności (75 pF) oraz o napięciach przebicia wynoszących 13,5 V i -7,5 V, co zapewnia zgodność z wymaganym zakresem napięć trybu wspólnego od 12 V do -7 V określonym w specyfikacji EIA 485. Wśród często pomijanych elementów niezbędnych znajdują się rezystory szeregowe R w liniach sygnałowych A i B. Zapewniają one ograniczenie prądu podczas impulsu przejściowego oraz spadek napięcia konieczny do tego, aby układ TVS pozostawał wysterowany przez cały czas trwania impulsu.
Układy przedstawione na rys. 7 mają za zadanie zapewnienie wyższego poziomu ochrony przed impulsami udarowymi, w związku z czym wymagają zastosowania modułu blokowania impulsów przejściowych (TBU) oraz tyrystorowego tłumika impulsów przejściowych (TISP).
Moduł TBU jest wyzwalany prądowo oraz napięciowo. Podczas impulsu udarowego prąd płynący przez TBU narasta do poziomu ograniczenia prądowego w ok. 10 ns. W tym momencie wewnętrzny wyłącznik napięcia odłącza obciążenie (TVS oraz układ nadawczo-odbiorczy) w ciągu ok. 1 ?s. Podczas pozostałej części udaru moduł TBU utrzymuje wysoką impedancję, a jego prądy upływu nie przekraczają 1 mA. Utrzymywany jest stan ochrony charakteryzujący się bardzo niskim prądem oraz napięciem na obciążeniu.
Urządzenie TISP to symetryczny, dwukierunkowy tyrystor wyzwalany napięciem. Przepięcia są najpierw ograniczane przez zwarcie przebiciowe, aż do momentu osiągnięcia przez napięcie poziomu przerzutu, który powoduje, że przyrząd przechodzi w niskonapięciowy stan załączenia. Ten niskonapięciowy stan załączenia przewodzi bezpiecznie przez przyrząd prąd wywoływany przez przepięcie. Urządzenie wyłącza się, kiedy prąd zwarciowy spada poniżej wartości prądu podtrzymania.
Tak jak w poprzednim przypadku, gdzie układ TVS (Transil) oraz rezystory szeregowe chroniły układ nadawczo-odbiorczy SCR, moduł TBU oraz TISP chronią układ TVS oraz inne układy znajdujące się za nim.
Do zastosowań o jeszcze wyższym zagrożeniu udarami układ na rys. 8 ma gazową lampę wyładowczą zastępującą przyrządy TISP. Konstrukcja gazowych lamp wyładowczych (gas discharge tubes, GDT) chroni przed uszkodzeniami, które mogą wyniknąć z impulsów przejściowych, przez otwieranie obejścia zwiernego do ziemi w stanie przewodzenia lampy. Kiedy udar elektryczny przekroczy określone napięcie przebicia lampy, gaz ulega jonizacji i następuje gwałtowne przewodzenie. Kiedy udar minie, a napięcie systemu wróci do normy, lampa GDT powraca do stanu wysokiej impedancji (wyłączenia).
W tabeli 1 podano klasyochrony dla obwodów przedstawionych na rys. 6-8, natomiast w tabeli 2 zestawienie części.
Dopasowanie charakterystyk
Kluczem do skutecznej ochrony przed impulsami przejściowymi w ramach kompatybilności elektromagnetycznej jest dopasowanie parametrów komponentów ochronnych do charakterystyki układu nadawczo-odbiorczego. O ile proponowane obwody nie mogą zastąpić należytej staranności wymaganej na poziomie systemu, o tyle mogą one ułatwić projektantowi zmniejszenie zagrożenia opóźnieniami realizacji zadania, wynikłymi z problemów związanych z EMC.
Autor: Thomas Kugelstadt jest starszym inżynierem systemowym w firmie Texas Instruments
