RS-485 ist ein gängiger Schnittstellenstandard, der in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen zum Einsatz kommt. Effektiver Schaltungsschutz ist ein entscheidender Faktor, um den Ansprüchen des industriellen Umfelds an hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit gerecht zu werden.  RS-485-Ports bieten hohe Datenraten bis zu 35 Mbit/s über kurze Distanzen und 100 Kbit/s über längere Distanzen.

Bei längeren Distanzen sind fehlerhafte Verkabelung und Kurzschlüsse keine Seltenheit. Bestimmte Umweltbedingungen wie elektrostatischen Entladungen (ESD), schnelle transiente Störimpulse (EFT, Schaltvorgänge, auch von induktiven Lasten)  oder Surge (direkte oder indirekte Blitzschläge) können Spannungsschwankungen und Stromstöße verursachen.  Jedes einzelne dieser Probleme kann die Leistung des seriellen Ports erheblich beeinträchtigen oder ihn gar zerstören.

Effektiver Schutz für RS-485-Ports

Bild 1: Dreistufiges Schutz-Blockschaltbild (Equipment = Anlage; TVS Diodes = TVS Dioden; GSTs = GDT).

Bild 1: Dreistufiges Schutz-Blockschaltbild (Equipment = Anlage; TVS Diodes = TVS Dioden; GSTs = GDT).Bourns/Arrow

Ein gängiger einstufiger Schutz für RS-485-Ports ist der der Einsatz von TVS-Dioden (TVS: Transient Voltage Suppressor, Unterdrückung transienter Spannungen) an jeder Datenleitung. Zum allgemeinen Schutzkonzept für jeden Knoten eines RS-485-Netzwerkes gehört ein TVS-Diodenarray, beispielsweise das CDSOT23-SM712 von Bourns.  Es bietet über den gesamten Spannungsbereich von -7 V bis +12 V Überspannungsschutz für den RS-485-Transceiver. Für RS-485-basierte Systeme, die nur eingeschränkt Überspannungen und Überströmen ausgesetzt sind, ist ein solches Diodenarray häufig ausreichend, um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.  Allerdings sind zahlreiche RS-485-Netzwerke in Umgebungen im Einsatz, in denen ein Ausfall nicht akzeptabel ist, wo Reparaturen kostenintensiv und schwer durchzuführen sind oder Überspannungen und -Ströme die Leistungsfähigkeit eines einfachen Schutzkonzepts übersteigen. Für gefährdete Leitungen, die hohen und starken Überspannungen und -Strömen ausgesetzt sind, ist eine robustere Lösung erforderlich, die diesen Bedingungen effektiv standhalten kann.

Dreistufige Schaltungsschutzlösung

Bourns hat eine dreistufige Schutzlösung für RS-485-Ports entwickelt, die unter anderem die unternehmenseigenen TVS-Dioden, TBU HSP sowie eine oder mehrere Gasentladungsröhren (GDT, Gas Discharge Tube) umfasst.  Der Begriff TBU steht dabei für Transient Blocking Unit (Einheit zum Blockieren von Transienten), während HSP für High-Speed Protector (Hochgeschwindigkeitsschutz) steht. Die Eigenschaften dieser drei Technologien ergänzen sich und gewähren der RS-485-Schnittstelle gemeinsam effektiven Schutz. Die GDT kann extrem hohe Ströme verarbeiten, weist jedoch eine im Vergleich zu anderen Schutzbauelementen hohe Ansprechspannung und –zeit auf, so dass sie möglicherweise nicht bei jedem Stromstoß rechtzeitig auslöst.

Bild 2: Evaluation-Boardauf GDT-Basis  für den Schutz von RS-485-Ports

Bild 2: Evaluation-Boardauf GDT-Basis für den Schutz von RS-485-PortsBourns/Arrow

Der TBU HSP von Bourns besitzt einen geringen Widerstand, kann aber den Strom und die Spannung effektiv und schnell begrenzen.  Die GDT-Vorrichtung schützt den TBU HSP  vor übermäßigen Spannungen nach dem Auslösen des TBU HSP.  Allerdings ist der GDT zu langsam, um auch vor elektrostatischen Entladungen zu schützen. Deshalb ist eine TVS-Diode erforderlich, weil TVS-Dioden eine Spannungsunterdrückung gegen elektrostatische Entladungen (ESD) oder schnelle transiente Störimpulse (EFT) ermöglichen.

Dieses Schutzkonzept schützt vor dauerhafter AC-Überspannung, ESD, EFT und Überspannungsimpulsen, die bei Anwendungen mit RS-485-Ports gravierende Folgen haben können. Darüber hinaus tragen die Abmessungen dieser dreistufigen Lösung zur Verringerung der allgemein benötigten Platinenfläche bei, so dass diese Lösung auch für kleinere Platinenkonzepte mit begrenztem Bauraum geeignet ist.

Effektiver Schaltungsschutz

Die empfohlene dreistufige Schutzlösung mit dem Bourns TBU High Speed Protector entspricht den Industriestandards und bietet im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen ein höheres Leistungspotenzial.  Der TBU HSP liefert den RS-485-Leitungen den benötigten Schutz vor Überspannungen und Überstrom, während die TVS-Diode eine Spannungsbegrenzung ermöglicht, um vor transienten ESD und EFT zu schützen.  Der Lawinendurchbruch der TVS-Dioden hilft dabei, die TBU-HSP-Vorrichtungen auszulösen.  Die GDT von Bourns schützt im Rahmen dieses Schutzkonzept den TBU HSP, indem sie die daran  anliegende Höchstspannung begrenzt.

Bild 3: Evaluation-Boardauf MOV-Basis  für den Schutz von RS-485-Ports.

Bild 3: Evaluation-Boardauf MOV-Basis für den Schutz von RS-485-Ports.Bourns/Arrow

Bourns verfügt über eine weitere Lösung, die auch Schutz für kostensensitive Anwendungen bietet und die Metalloxidvaristoren (MOV) an Stelle der schnell ansprechenden GDT-Serie verwendet.  Um Entwickler bei der Beurteilung der für sie optimalen Lösung zu unterstützen, hat Bourns zwei Evaluation-Boards auf den Markt gebracht, die Arrow mit dem entsprechenden Support ausliefert.

Weitere Informationen zur Implementierung von Schaltungsschutzlösungen für RS-485-Ports finden Sie in einer RS-485 Application Note von Bourns durch Anklicken des Links.

Schutz vor dauerhafter AC-Überspannung

Die dreistufige Schutzlösung für RS-485-Ports von Bourns umfasst die unternehmenseigenen TVS-Dioden, TBU HSP sowie eine oder mehrere Gasentladungsröhren (GDT, Gas Discharge Tube).  Der Begriff TBU steht dabei für Transient Blocking Unit (Einheit zum Blockieren von Transienten), während HSP für High-Speed Protector (Hochgeschwindigkeitsschutz) steht. Die Eigenschaften dieser drei Technologien ergänzen sich und gewähren der RS-485-Schnittstelle gemeinsam effektiven Schutz. Der TBU HSP besitzt einen geringen Widerstand, kann aber den Strom und die Spannung effektiv und schnell begrenzen. Die GDT-Vorrichtung schützt den TBU HSP  vor übermäßigen Spannungen nach dem Auslösen des TBU HSP.