Intersil Überspannungsschutz für RS485-Busknoten

Durch seine Robustheit und Zuverlässigkeit wurde RS485 im Laufe der letzten 40 Jahre zum industriellen Arbeitspferd. Sein großer differenzieller Signalhub von mindestens 1,5 V und der zuverlässige Betrieb über einen weiten Gleichtakt-Spannungsbereich von –7 bis +12 V haben zum Erfolg beigetragen.

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Überspannungsschutz für RS485-Busknoten

Abbildung 1-4

Ursprünglich wurde RS485 als Kommunikationsnetz für Laborgeräte eingesetzt. Danach weitete sich der Einsatz auf die Steuerung von Netzwerken in der industriellen und Gebäudeautomatisierung aus, sowie auf SPS-Netzwerke, Prozesssteuerung, kommerzielle Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen, seismische Netzwerke, Verkehrsüberwachungssysteme und Alarmanlagen auf Bohrinseln, in Kohlebergwerken und in der petrochemischen Industrie. Mit dem Wachstum und dem weitverbreiteten Einsatz von RS485 entstand zunehmend die Forderung nach höherer Robustheit wie zum Beispiel:

  • Höherer Ausgangsspannungshub zur Sicherstellung eines größeren Rauschabstands.
  • Größerer Gleichtaktbereich, um größere Unterschiede im Massepotential zwischen entfernten Busknoten zuzulassen.
  • Erhöhte Toleranz gegenüber durch Menschen im Feld verursachte elektrostatische Entladungen.
  • Widerstandsfähigkeit oder Schutz gegen andauernde Überspannungen weit über dem in Datenblättern spezifizierten maximalen Transceiver-Versorgungspegel.

In diesem Artikel geht es um den letztgenannten Punkt: Der Schutz des RS485-Transceivers vor hohen Überspannungen. Zunächst wird der Unterschied zwischen Überspannungs- und Transientenschutz besprochen. Dann betrachten wir, was ein gegen Überspannung geschützter Transceiver (OVP-Transceiver) braucht, um im Markt erfolgreich zu sein, und wie bedeutungsvoll ein integrierter Transceiver gegenüber einer diskreten Lösung ist, die einen Standard-Transceiver verwendet. Schließlich werden einige Leistungskennwerte eines neuen High-Speed-Transceivers mit 20 MBit/s Datenrate mit einer anderen OVP-Version verglichen.

Überspannungsschutz im Vergleich
zum Transientenschutz

Die 24-V- und 48-V-DC-Versorgungen in industriellen und Telekommunikations-Systemen werden im Allgemein über dieselben Kabelkanäle geleitet wie die Datenleitungen eines RS485-Netzwerks. Abbildung 1 zeigt eine Reihe von Ursachen für das Auftreten von Überspannungen.
Wenn eine Gleichstromversorgung dieselbe Steckverbinder- oder Schraub-Klemmleiste nutzt wie die Datenleitungen einer benachbarten Busknoten-Schaltung, dann kann es zu einer Fehlverdrahtung kommen, die eine oder mehrere Zuleitungen mit den Busanschlussklemmen des Transceivers verbindet. Eine weitere Fehlerursache ist das Layout des Kabelkanals. Scharfe Biegungen verletzen oft den für Daten- und Versorgungskabel spezifizierten minimalen Kabelradius, wodurch es im Laufe der Zeit zum Bruch der Isolierung und zu Kurzschlüssen zwischen Stromversorgungs- und Datenleitungen kommen kann. Es kann Wochen dauern, bis die Ursachen für die Überspannung beseitigt werden.

Wesentlich kürzere Überspannungsereignisse, beispielsweise Überspannungsspitzen (Transienten), können durch das Schalten von Lasten im Versorgungssystem und durch Blitzeinschlägen auftreten, bei denen hohe Spitzenströme und -spannungen in die Datenleitungen induziert werden. Ingenieure, für die der Überspannungsschutz Neuland ist, gehen häufig davon aus, dass ein Standard-Transceiver ohne Fehlerschutz einfach mithilfe zusätzlicher, externer TVS-Komponenten (TVS: Transient Voltage Suppressor) gegen kurz- und langfristige Überspannungen geschützt werden kann. Doch das stimmt nicht, weil die maximale Leistung, die die TVS-Komponente absorbieren kann, mit zunehmender Dauer der Transienten abnimmt, wie Abbildung 2 zeigt.

Das Diagramm in Abbildung 2 zeigt einen 600-W-TVS, mit einer Impulsbreite von 1 ms bewertet. Man beachte, dass der Zeitachse von 10 μs bis 10 ms Leistungspegel von 6000 W bzw. 200 W zugeordnet sind. Diese Charakteristik macht klar, dass ein TVS, der über längere Zeit Überspannungen ausgesetzt wird, verschmort. Deshalb muss man, um Busknoten gegen das breite Spektrum von Überspannungen zu schützen, fehlergeschützte Transceiver wie die ISL3245xE-Familie von Intersil einsetzen. Diese Transceiver bieten einen Schutz gegenüber DC-Überspannungen bis zu ±60 V und Transienten-Überspannungen bis ±80 V.

Integrierter gegenüber diskretem
Fehlerschutz

Gelegentlich stellt sich die Frage: Warum setzt man nicht einen Standard-Transceiver ohne Fehlerschutz und ein paar diskrete, kostengünstige Transistoren mit einer hinreichend hohen Durchbruchspannung als Überspannungsschutz ein? Die Antwort ist einfach: Weil eine diskrete Lösung die Kosten und die Entwicklungszeit erhöht, und sie beansprucht mehr Platz als ein fehlergeschützter Transceiver. Nehmen wir an, die Funktion des fehlergeschützten Halbduplex-Transceivers in Abbildung 3 soll unter Verwendung eines Standard-Transceivers mit einem diskreten Design bewerkstelligt werden. Zunächst müssen Übertragungs- und Empfangspfad getrennt sein, um die Implementierung einer verstärkten Ausgangsstufe zu ermöglichen. Dazu benötigt man einen Vollduplex-Transceiver. Die Ausgangsstufe ließe sich mit vier diskreten Transistoren oder einer integrierten H-Brücke realisieren, deren Steuereingänge die Umwandlung von RS485-Bus-Signalen in TTL- oder CMOS-Logikpegel erfordern. Dazu bräuchte man eine Ansteuerlogikschaltung zwischen Transceiver und der diskreten Ausgangsstufe.

Im Empfangspfad muss ein diskreter Spannungsbegrenzer implementiert werden, bestehend aus Zener-Dioden und Reihenwiderständen, um die Busspannung während eines Überspannungsereignisses zu begrenzen, weil dieses sonst unerkannt bleibt.

Abbildung 3 zeigt, dass ein diskreter Ansatz bereits mühselig ist, wenn mit ihm lediglich die grundlegenden Funktionen eines Überspannungsschutzes realisiert werden soll, dabei fehlt noch der Strombegrenzer, der für den Überspannungsschutz eine unumgängliche Komponente darstellt.

Die Strombegrenzung ist eine entscheidende Funktion während Überspannungsereignissen, wenn der Treiber den Bus aktiv ansteuert. Weil der eingeschaltete Treiber eine Verbindung niedriger Impedanz gegen Masse darstellt, werden die Bus-Ströme, die durch den Treiber fließen, sehr hoch und beschädigen den Baustein, wenn es keine Begrenzung gibt.