Intersil (1. Teil) Ein Tutorial über RS-485-Transceiver

TIA/EIA-485 und TIA/EIA-422 (auch bekannt als RS-485 und RS-422) sind leitungsgebundene Kommunikationsstandards der Telecommunications Industry Association / Electronic Industries Alliance (TIA/EIA).

Sie nutzen differentielle Signale, um eine Datenübertragung über lange Strecken und in störbehafteten Umgebungen in der Industrie und Automatisierungstechnik zu ermöglichen.

Eine differentielle Signalübertragung unterdrückt Gleichtaktstörungen, und das empfohlene Twisted-Pair-Kabel stellt sicher, dass der Großteil der empfangenen Interferenzen Gleichtaktstörungen sind. Lange Übertragungsstrecken erhöhen zwar die Möglichkeit für unterschiedliche Massepotenziale, aber der große Gleichtaktbereich (CMR: Common Mode Range) des Standards stellt sicher, dass das Netzwerk korrekt arbeitet – selbst wenn große Gleichtaktspannungen auftreten. Sender (Tx) und Empfänger (Rx) weisen nicht invertierende (A/Y) sowie invertierende (B/Z) Anschlüsse auf (Bild 1).

Halbduplex-Bausteine werden für die bidirektionale Kommunikation über eine einzelne Leitung verwendet. Die entsprechenden Rx- und Tx-Klemmen finden sich dann an einem gemeinsamen IC-Gehäuseanschluss. Netzwerke, die zwei Leitungen für die bidirektionale Kommunikation verwenden, nutzen Vollduplex-Bausteine, bei denen die Rx- und Tx-Klemmen getrennte Anschlüsse belegen.
Bei dem großen Transceiver-Angebot am Markt ist es gar nicht so einfach, den besten und kostengünstigsten Baustein für eine bestimmte Anwendung zu finden. Dieses Tutorial bietet einen Überblick über die Auswahlkriterien und Design-Erwägungen, um den richtigen Transceiver zu finden. Der erste Teil beschreibt die gängigen RS-485-ICs und Design-Überlegungen. Teil 2 untersucht den Schutz gegen elektrostatische Entladung (ESD), vergleicht das Human Body Model und IEC61000-4-2-(IEC-)Standards, beschreibt den Überspannungsschutz (OVP) und bietet Einblick in schnelle Transceiver (>25 MBit/s), bei denen der Bitversatz beachtet werden muss.

Anforderungen für RS-485

Im Folgenden sind die wichtigsten Anforderungen des RS-485-Standards zusammengefasst:
• Differenzielle Signalübertragung mit einem sehr empfindlichen (±200 mV) Rx und eine stabile (±1,5 V) Tx-Differenzausgangsspannung (UOD). Dies garantiert einen robusten Rauschabstand, der die Dämpfung durch lange Leitungen toleriert.
• Der Tx muss über einen Enable-Anschluss verfügen. RS-485 erlaubt mehrere Treiber auf dem Bus, um echte bidirektionale Übertragung über eine einzelne Leitung zu ermöglichen. Jeder Tx muss daher über einen Tri-State-Ausgang (mit drei Zuständen) verfügen.
• Hoher Tx-Ausgangsstrom zum Treiben doppelt abgeschlossener Leitungen und langer Kabel. Schnelle bidirektionale Übertragung über eine einzelne Leitung erfordert zwei Terminierungen.
• Ein großer CMR von mindestens –7 bis +12 V. RS-485 ermöglicht Netzwerke mit bis zu 1220 m Länge. Ein breiter CMR handhabt die Massepotenzial-Unterschiede, die bei langen Übertragungsstrecken auftreten können, und toleriert größere induzierte Busspannungen in störbehafteten Umgebungen. Dieser CMR ermöglicht es Bausteinen mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen, über den gleichen Bus zu kommunizieren.
• Ein Eingangswiderstand beim Empfänger von etwa 12 kΩ. Der Standard erlaubt bis zu 32 »Einheitslasten« (UL; Unit Load) am Bus. Die Last jedes Bausteins (Tx oder Rx) muss dabei ≤1 mA bei 12 V Vorspannung (Bias) am Bus sein.