El enlace de comunicación RS-485 contra la valla eléctrica: Una demostración de la robustez EMC del RS-485

Las aplicaciones industriales y de instrumentación (I&I) requieren la transmisión de datos entre múltiples sistemas, a menudo a muy larga distancia. El estándar de bus RS-485 es uno de los diseños de bus de capa física más utilizados en las aplicaciones de I&I. Entre las aplicaciones de la norma RS-485 se encuentran las redes de control de procesos, la automatización industrial, los terminales remotos y la automatización de edificios, como la calefacción, la ventilación y el aire acondicionado (HVAC), los sistemas de seguridad, el control de motores y el control de movimiento.

En estos sistemas del mundo real, los rayos, las fluctuaciones de la fuente de alimentación, la conmutación inductiva y las descargas electrostáticas pueden dañar los puertos de comunicación al generar grandes tensiones transitorias. Los diseñadores deben asegurarse de que los equipos funcionan no sólo en condiciones ideales, sino también en el «mundo real»

La robustez de nuestra solución para redes RS-485 se demuestra en una red de ejemplo con un control de brazo robótico y pulsos de sobretensión reales aplicados directamente a las líneas de comunicación mediante un energizador de valla eléctrica.

La red de demostración

El circuito RS-485 con protección EMC, la herramienta de diseño EVAL-CN0313-SDP, se demuestra en una red de control de motores que consta de tres nodos: un nodo de control del brazo del robot, un nodo de rutina de control remoto y un tercer nodo para supervisar los datos del bus desde un PC. El nodo del brazo del robot controla los servomotores del brazo a través de las salidas PWM de los microcontroladores ADuC7128, que responden a los mensajes de control recibidos vía CAN desde un ezLINX que traduce los datos del RS-485 mediante UART a la tarjeta RS-485 de EMC. La rutina de control remoto incluye un BF548 EZ-KIT® para la selección y reproducción de rutinas en la pantalla táctil, también con una interfaz CAN y una tarjeta ezLINX para la traducción a y desde RS-485. El nodo PC consta de una placa de plataforma de demostración del sistema para la interconexión con el software del PC a través de USB y de una interfaz UART con la placa EMC RS-485. La figura 1 muestra un diagrama de bloques de la red de tres nodos con el activador de la valla eléctrica.

Figura 1: Diagrama de bloques de la red RS-485 de tres nodos con el pastor eléctrico.

Las líneas A y B del bus de comunicación están sometidas a la inyección directa de un transitorio de 8 kV procedente de un energizador de vallas eléctricas (forma de onda mostrada en la figura 2). Este equipo está diseñado para electrificar 60 km de valla (por ejemplo, para mantener el ganado en un campo). Como la demostración incluye placas de circuito impreso desnudas en un® en ausencia de un chasis conectado a tierra al que se pueda conectar la tierra de la placa de circuito impreso, el blindaje del cable conectado a tierra se conecta a la tierra de la placa de circuito impreso para proporcionar el retorno más directo a tierra. Los interruptores de corte (que se ven en amarillo en el centro de la foto de la Figura 3) proporcionan un interruptor mecánico resistente a la alta tensión para desconectar el activador de la valla entre las demostraciones. Esto permite al energizador acumular suficiente carga para la descarga completa de 8 kV en la siguiente demostración.

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Figura 2. Transitorio de 8 kV procedente del pastor de la valla eléctrica.

Figura 3. Demostración del bloque de red RS-485 de tres nodos con activador de vallas eléctricas.

Cuando los transitorios están acoplados, se puede observar directamente la acción de los tubos de descarga de gas (GDT), que se encienden con cada descarga, coincidiendo con el clic audible de la acción del activador de la valla. Estos GDT desvían la potencia principal de los transitorios a tierra, pero lo hacen sólo después de la respuesta más rápida de los dispositivos de supresión de tensiones transitorias (TVS) y de protección contra sobretensiones totalmente integrada (TISP), de modo que los tres tipos de componentes de protección actúan conjuntamente para proteger el transceptor RS-485 ADM3485E.

Compatibilidad electromagnética

Para garantizar que estos diseños puedan sobrevivir en el «mundo real», varias agencias gubernamentales y organismos reguladores han impuesto normas de EMC. El cumplimiento de estas normas proporciona al usuario final la garantía de que los diseños funcionarán como se desea en entornos eléctricamente difíciles.

La especificación IEC 61000 define el conjunto de requisitos de inmunidad CEM que se aplican a los equipos eléctricos y electrónicos destinados a ser utilizados en entornos residenciales, comerciales y de industria ligera. Este conjunto de especificaciones incluye tres tipos de transitorios de alta tensión de los que deben preocuparse los diseñadores para las líneas de comunicación de datos:

  • IEC 61000-4-2 Descarga electrostática (ESD)
  • IEC 61000-4-4 Transitorios eléctricos rápidos (EFT)
  • IEC 61000-4-5 Inmunidad a la sobretensión

Cada una de estas especificaciones define un método de ensayo para evaluar la inmunidad de los equipos al fenómeno definido. Es importante tener en cuenta que la ESD y un solo pulso de EFT tienen características de forma de onda similares, lo que les confiere niveles de energía parecidos. El pulso de sobretensión, sin embargo, tiene niveles de energía de tres a cuatro magnitudes superiores a los del pulso ESD y EFT, lo que lo convierte en el más destructivo de los tres. Debido a las similitudes entre la ESD y la EFT, el diseño de la protección del circuito puede ser similar; sin embargo, debido a su alta energía, la sobretensión debe tratarse de forma diferente. Este es uno de los principales problemas a la hora de desarrollar circuitos de protección que mejoren la inmunidad de los puertos de datos a los tres transitorios sin dejar de ser rentables.

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Redes de supresión de transitorios RS-485

Por naturaleza, los eventos transitorios de la CEM varían en el tiempo, por lo que el rendimiento dinámico y la adecuación de las características dinámicas de los componentes de protección a la etapa de entrada/salida del dispositivo protegido es la base de un diseño de CEM satisfactorio. Las hojas de datos de los componentes suelen contener sólo datos de CC, que tienen un valor limitado, ya que los fallos dinámicos y las características I/V pueden ser muy diferentes de los valores de CC. Es necesario un diseño y una caracterización cuidadosos, así como un buen conocimiento del rendimiento dinámico de la etapa de entrada/salida del dispositivo protegido y de los componentes de protección, para garantizar que el circuito cumple las normas de CEM.

Analog Devices, Inc. (ADI) y Bourns, Inc. han colaborado para ampliar su oferta de soluciones orientadas al sistema, desarrollando la primera herramienta de diseño de interfaces RS-485 compatible con la EMC que proporciona protección de nivel 4 para las normas IEC 61000-4-2 ESD, IEC 61000-4-4 EFT y IEC 61000-4-5 de sobretensión. La herramienta proporciona a los ingenieros opciones de diseño basadas en el nivel de protección requerido y los presupuestos disponibles. Estas herramientas de diseño permiten a los ingenieros reducir el riesgo de que se produzcan desviaciones en el proyecto debido a problemas de compatibilidad electromagnética, abordándolos en las primeras fases del ciclo de diseño.

Los circuitos mostrados en la Figura 4 ilustran tres soluciones diferentes totalmente caracterizadas y conformes con las normas de EMC. Cada solución ha sido certificada por una empresa externa independiente de pruebas de conformidad con la CEM, y cada una de ellas ofrece diferentes niveles de coste y protección para el transceptor RS-485 de 3,3 V de ADI con protección ESD mejorada mediante una selección de componentes de protección de circuitos externos de Bourns. Los componentes de protección del circuito externo de Bourns utilizados son supresores de tensión transitoria (CDSOT23-SM712), una unidad de bloqueo de transitorios (TBU-CA065-200-WH), protectores de sobretensión de tiristores (TISP4240M3BJR-S) y tubos de descarga de gas (2038-15-SM-RPLF).

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Figura 4: Tres circuitos compatibles con la EMC ADM3485E (diagrama simplificado, no se muestran todas las conexiones).

Cada solución se ha caracterizado de forma que el rendimiento I/V dinámico de los componentes de protección defienda las características I/V dinámicas de los pines del bus RS-485 del ADM3485E. Es la interacción entre la etapa de E/S del ADM3485E y los componentes de protección externos la que trabaja conjuntamente para proteger contra los eventos transitorios. Los niveles de protección que ofrecen los tres circuitos diferentes se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Tres soluciones compatibles con la EMC para el ADM3485E
ESD (-4-2)ESD (-4-4)Sobrecarga (-4-5)
Esquema de protecciónNivelTensión (contacto/aire)NivelTensiónNivelTensión
1. TVS48 kV/15 kV42 kV21 kV
2. TVS/TBU/TISP48 kV/15 kV42 kV44 kV
3. TVS/TBU/GDT48 kV/15 kV42 kVX6 kV

Conclusión

Las interfaces RS-485 pueden protegerse eficazmente de los transitorios de alta tensión del mundo real con la solución que ofrece la placa EVAL-CN0313-SDPZ. Someter la red de control de un robot a la carga de un activador de vallas eléctricas proporciona una sólida demostración de las capacidades de la tarjeta. El principal reto a la hora de diseñar soluciones conformes con la CEM para redes RS-485 es adaptar el rendimiento dinámico de los componentes de protección externos al rendimiento dinámico de la estructura de entrada/salida del dispositivo RS-485. En este artículo se han presentado tres soluciones diferentes que cumplen la normativa EMC para los puertos de comunicación RS-485, lo que proporciona al diseñador opciones en función del nivel de protección requerido. El EVAL-CN0313-SDPZ es la primera herramienta de diseño de clientes RS-485 que cumple con las normas de compatibilidad electromagnética (EMC), y ofrece hasta el nivel 4 de protección para ESD, EFT y sobretensión. Aunque estas herramientas de diseño no sustituyen la diligencia debida o la cualificación necesaria a nivel de sistema, permiten al diseñador reducir el riesgo de que el proyecto se retrase debido a problemas de EMC en una fase temprana del ciclo de diseño, reduciendo así el tiempo de diseño y el tiempo de comercialización. Para más información, visita: www.analog.com/RS485emc.

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