Защита порта RS-485 при длинных симметричных линиях связи

Достаточно большое количество оборудования и в особенности системы охраны, контроля доступа, телеметрии оборудованы для связи между собой портами RS-485. К сожалению многие считают, что есть некий порт и протокол связи RS-485. Но это не так.

Тот или иной протокол связи ни каким образом не связан с самим портом RS-485. Порт RS-485 – это всего лишь микросхема, которая формирует на своем выходе два сигнала «А» и «B», которые находятся в противофазе относительно друг друга. В микросхеме данного порта существует управляющий вход, который может переключать этот электронный узел как на передачу в линию информации, так и на прием от линии информации. Для самой микросхемы порта RS-485 количество разрядов в передаваемом сигнале не имеет ни какого значения. В системах с односторонней передачей информации от управляющей аппаратуры к приемной, данный управляющий портом вывод постоянно находится в одном и том же положении, которое обеспечивает только прием информации или только передачу информации в линию связи. По своим электрическим параметрам, микросхема порта RS-485 позволяет осуществлять связи между портами (аппаратурой) с применением линии связи UTP длинной до 1200 метров.

Современные микросхемы портов RS-485 (это только общее название) делятся на две группы: применяемые микросхемы RS-485 или RS-1485. По своему функциональному назначению они полностью одинаковы. Главное их отличие, что микросхема RS-485 позволяет оборудованию обмениваться информацией со скоростью до 10 мБит/сек., а микросхема RS-1485 позволяет производить обмен данными между портами со скоростью до 30 мБит/сек. Какая конкретно стоит микросхема порта в том или ином устройстве – потребителю оборудования практически неизвестно. Это связано с тем, что подавляющее большинство оборудования (управление купольными видеокамерами, системы контроля доступа, охраны и т.п.) работают со скоростью принятой в компьютерной технике, а именно: 4800, 9600, 39200 кБ/сек. В основном используется скорость передачи или обмена 9600 кБ/сек. Питание микросхем порта RS-485 осуществляется от источника питания + 5 В. Сигнал низкого уровня на выходе микросхемы лежит в пределах от 0 до 1.5…2 В, а сигнал с выхода микросхемы высокого уровня лежит в пределах от 2,5 В до 4…5 В. Ни каких отрицательных сигналов на выходе порта RS-485 не наблюдается. В режиме передачи информации выходное сопротивление порта составляет не выше 50…60 Ом, а в режиме приема входное сопротивление порта составляет не менее 10…12 кОм. Максимально-допустимые сигналы на входах порта RS-485 могут составлять значение от – 7 В до + 12 В. Для улучшения работы портов при длинной линии связи используются различные схемы смешения уровней, которые достигаются установкой внешних резисторов и подачей на них того или иного напряжения смещения. Микросхема порта RS-485 имеет встроенную некую защиту, которая допускает присутствие на ее входах от симметричной линии связи сигналов ниже «0 В» источника питания - до -7 В, и сигналов выше питающего напряжения от +5 В до +12 В. Это скорее всего связано с тем, что на длинную линию связи воздействуют внешние электромагнитные наводки, которые могут вызвать паразитные напряжения на проводах «А» и «В», а так же такие напряжения могут возникнуть при применении тех или иных искусственных схем смещения сигналов в линии связи. Но при воздействии электромагнитной наводки, вызванной разрядом молнии в длинной линии связи и на согласующем сопротивлении 100 Ом возникают гораздо большие импульсы напряжения, чем -7 В или +12 В. Возникновение таких больших по значению напряжений в линии связи и, соответственно, на входах порта RS-485 приводит к выводу микросхемы порта RS-485 из строя.

Возникает вопрос – как защитить порты RS-485 при работе на длинную симметричную линию связи? За исходную информацию можно взять следующее: максимально-допустимое отрицательное напряжение на входе микросхемы – не более -7 В. Максимально-допустимое положительное напряжение на входе микросхемы – не более + 12 В. Следовательно, отрицательные напряжение ниже -7 В и положительные напряжения выше + 12 В должны быть исключены от попадания на входы микросхем порта RS-485. Первое приходящее решение – установить по каждому входу микросхемы (порта) защитные диоды типа 1.5 КЕ 6.8 СА. Данные защитные диоды имеют двухстороннее ограничение напряжения по уровню 6.8 В -+ …%. Но не надо забывать о том, что защитные диоды имеют достаточно большую паразитную емкость, что приводит к ограничению скорости передаваемых сигналов и очень значительно. Практически они применяются в цепях постоянного тока.

Так же диоды имеют различные частотные характеристики, которые определяют время срабатывания такой защиты. И если даже допустить, что паразитная емкость диодов защиты не влияет на скорости передаваемых сигналов в линии связи, то время «включения» такой защиты может составлять до десятков и сотен микросекунд. Следовательно, на входы микросхему поступит достаточно большое напряжение, вызванное электромагнитной наводкой на линию связи и оно будет присутствовать на входах микросхемы до того времени, пока не «включится» схема защиты на тех или иных защитных диодах. По этому, диодные схемы защиты состоят из комбинации диодов, которые включают в себя как защитные диоды, так и «проходные» диоды, обладающие малой паразитной емкостью.

Но все равно, в таких схемах существует определенного время включения защиты. И если время включения такой защиты будет больше, чем максимально-допустимое время превышения напряжения на входе микросхемы, то данная помеха вызовет выход микросхемы из строя. Хотя такие схемы защиты хорошо работают, но защита порта очень зависит от уровня наведенной помехи на линию связи и времени действия такой помехи. Не надо забывать, что длинная линия связи является достаточно хорошей антенной для практически всех высокочастотных сигналов, а частотный спектр разряда молнии в основном лежит от сотен кГц до сотен мГц.

Более надежную защиту порта RS-485 обеспечивает встроенный фильтр ФНЧ в то или иное устройство защиты. Допустим, что связь между портами осуществляется со скоростью 9600 бит/сек. Передаваемые по линии связи импульсы имеют прямоугольную форму. Для нормальной передачи сигналов прямоугольной формы и скоростью 9600 бит/сек. достаточно иметь спектральную полосу линии связи, обеспечивающую передачу 5-й гармоники.

Следовательно, если линия связи будет «пропускать» спектр с верхней частотой порядка 50000 Гц, то связь между портами на частоте 9600 бут/сек. будет осуществляться стабильно и без потери информации. Если поставить такой фильтр на входе каждого порта RS-485, а сам фильтр сделать 5-6 порядка, то основные сигналы связи будут проходить через фильтр ФНЧ практически без потерь, а сигналы с частотой выше 50000 Гц будут ослабевать. Можно получить ослабление ВЧ сигналов на частотах 200 кГц, 500 кГц, 1000 кГц с ослаблением до 20… 40 дБ. Если привести ослабление к напряжению, то условно можно сказать, что напряжения на входе микросхемы порта RS-485 на частотах 500 или 1000 кГц могут быть ослаблены фильтром ФНЧ в 100 или 1000 раз. Все зависит от порядка фильтра ФНЧ. Чем выше порядок фильтра, тем большее затухание для сигналов вне полосы его пропускания.

Таким образом получается, что при максимальной физической скорости порта RS-485 равной 10 МГц, применение такого фильтра ограничивает скорость передачи в линии равной установленной скорости передачи между портами аппаратуры и обеспечивается затухание сигналов ВЧ, воздействующих на длинную линию связи. Тем самым достигается результат значительного ослабления воздействий повышенного напряжения на входы микросхем портов RS-485 и тем самым обеспечивается лучшая защита этих портов от воздействий электромагнитной наводки. Положительным побочным эффектом можно считать и то, что при воздействии на длинную линию связи электромагнитных волн от радаров, радио и теле станций, происходит так называемое очищение передаваемых сигналов по линии связи на входах портов и тем самым обеспечивается более устойчивая связь между портами, возникновение меньшего числа ошибок в передаваемых кодах.

Разумеется, что применение в устройствах защиты схем ограничения сигналов по амплитуде, выполненных на диодах, совместно с фильтрами ФНЧ обеспечивает более высокую защиту портов RS-485, чем применение только устройств ограничения сигналов или только фильтров ФНЧ. Волновое сопротивление фильтра должно быть согласовано с волновым сопротивлением двухпроводной симметричной линии связи с одной стороны, а с другой стороны со входным сопротивлением порта RS-485.

Олег Скранжевский
Опубликовано на сайте SEc.ru