Контакт заземления сети RS485 - когда подключать?

Как многие знают, можно реализовать простой обмен данными между узлами rs485, используя только два провода, A и B. Ну, стандарт определяет соединение земли двух узлов вместе.

из Википедии:

В дополнение к соединениям A и B в стандарте EIA также указана третья точка соединения, называемая C, которая является заземлением общего сигнала.

Я наткнулся на десятки статей, в которых говорится об этой третьей связи, но все еще не мог понять концепцию.

1. Почему приемник не может действовать как простой вольтметр? измерение напряжения между А и В?
2. Если оба узла работают от батареи (разные батареи для каждого узла), имеет ли значение заземление?
3. Почему (длинные) узлы лучше заземлять при длинных кабелях?
4. Как это заземление хорошо для защиты от переходных процессов?

Примечание: я не претендую на самый научный ответ, но постараюсь объяснить вещи так, как я их понимаю.

1. Я не знаю, является ли аргумент Вольтметра действительным на 100%, так как это низкоскоростное устройство, более подходящим примером может служить осциллограф с батарейным питанием или дифференциальный осциллографический зонд.

2. Помните определение напряжения, которое представляет собой разность потенциалов между двумя точками. Сигналы A и B различаются по электрическим компонентам внутри усилителя (в основном транзисторы), которые имеют абсолютные максимальные номинальные характеристики между их базой и коллектором / эмиттером. Это называется максимальным синфазным входным напряжением синфазного усилителя относительно его собственного земля. Следовательно, напряжения A и B не имеют смысла без указания того, на что они ссылаются. Например, если разница между А и В составляет 2,5 В, но это напряжение на 20 В сдвинуто над источником питания усилителя приемника, будет ли усилитель видеть (2,5 или 22,5)?

3. 4: Внешние кабели большой дальности более подвержены шуму, электростатическому разряду или любому другому источнику заряда или тока, который может попасть в шину (с определенным сопротивлением и сопротивлением постоянному току), поэтому, если величина заряда / тока достаточно высока, умноженная на более высокое сопротивление (из длинного кабеля) может вызвать скачок напряжения на приемнике, что может привести к повреждению. Заземление в этой ситуации может использоваться, чтобы обеспечить путь для шипов, ударяющих по щиту, и может использоваться как устойчивое заземление.

Можно ли изменить схему приемника RS485 на плавающую и полностью работоспособную, как вольтметр / осциллограф, можно полностью добавить, добавив дополнительные компоненты, изолирующие цепи и т. Д., Но с дополнительными затратами, сложностью и размерами, которые находятся за пределами возможностей небольшой микросхемы, такой как MAX485.

Это миф, что вы можете заставить работать интерфейсы RS485 без общего заземляющего провода, подключенного между различными устройствами на шине. Приемник способен только измерения относительного потенциала между A и B сигналов, когда общий режим напряжения на входы А и В поддерживается в пределах -7V до + 12В эталона GND приемника.

Идея о том, что обе стороны интерфейса работают от батарей, как-то может изменить ситуацию, также является мифом. Все сводится к тому, какое синфазное напряжение находится между заземлением передатчика и заземлением приемника. Третье проводное соединение удерживает синфазное напряжение под контролем. Без этого любое чрезмерное влияние на устройство или на шину между ними может привести к синфазному напряжению, выходящему за пределы диапазона от -7 В до + 12 В. Это влияние может быть связано с подключением к другим системам через EMI. Также часто можно видеть, что это проявляется как изменение переменного тока, которое следует за частотой сети.

Вы правы в том, что чистый приемник может просто измерить разницу между двумя сигнальными линиями. Однако любое средство для этого будет иметь некоторый диапазон синфазного режима , в котором должны оставаться отдельные сигналы. Спецификация дает диапазон общего режима, который узлы должны быть в состоянии терпеть.

Без третьего эталонного провода невозможно было бы определить это синфазное напряжение, и тогда не было бы способа создать приемник, который гарантированно соответствует требованиям.

Даже если ваш приемник был настроен так, чтобы линии передачи данных работали, например, на оптоизоляторах, у вас все еще есть ограничение синфазного напряжения. Это может быть несколько тысяч вольт вместо нескольких вольт, но всегда будет какое-то синфазное напряжение, выше которого приемник больше не будет работать.

До сих пор это было только о получении сигнала RS-485. Управление сигналами RS-485 намного более ограничивающее. Сигналы данных указаны как номинальные 0-5 В относительно заземляющего провода. Без провода заземления у вас нет возможности это гарантировать. Схема, которая управляет двумя сигналами, будет на что-то ссылаться. Это что-то должно быть подключено к другим передатчикам и приемникам на шине.

Основываясь на других ответах, я собираюсь предложить это в качестве примера. Пожалуйста, имейте в виду, что этот ответ следует за старой пословицей «иногда небольшая неточность экономит тонны объяснений».

Допустим, у вас есть два устройства RS485, которые электрически изолированы. Вы соединяете линии A и B как обычно. Однако из-за паразитных емкостей и другой электротехнической вуду одно из устройств плавает на 3000 вольт выше, чем другое.

Нет проблем, верно? Приемник просто видит линии A и B, поступающие при напряжении 3000 В и 3012 В, он выбирает дифференциал 12 В, который находится в пределах спецификации, и выключается?

Ну, из-за паразитных емкостей устройства фактически не изолированы на 100%, и поэтому приемное устройство фактически видит 3000 вольт на линиях A и B относительно своего собственного источника питания. Микросхема RS485, которую он использует, рассчитана только на 2500 Вольт изоляции, поэтому входящее напряжение может подскочить от этой микросхемы и поджарить какую-то другую часть схемы. Доступный ток при этом напряжении ничтожен, поэтому вы даже не увидите искры, но этого достаточно, чтобы вызвать электростатическое повреждение других микросхем в цепи, мешая им работать должным образом.

При подключении провода GND между обоими устройствами разница в 3000 В будет устранена тем же микроскопическим током, проходящим через провод GND вместо других микросхем в устройстве, и смещение 3000 В на сигнальных линиях A и B исчезнет.

В некотором смысле линия GND служит аналогичной цели в качестве понижающего резистора, гарантируя, что все сигнальные линии находятся на известных уровнях, а не случайным образом всплывают повсюду.

Да, спецификация RS485 учитывает только разницу между сигнальными линиями A и B, но каждое устройство также имеет максимально допустимое напряжение между собственным GND источника питания и сигнальными линиями. Прекращение того конкретного напряжения от выхода за пределы диапазона достигается тем, что все GND устройства одинаковы, поэтому провод GND между всеми устройствами RS485 делает именно это. Да, в теории электрически изолированные устройства не будут иметь больших напряжений между ними, на практике кажется, что изоляция не всегда идеальна, поэтому не рассчитывайте на это.

Точка C - это обратный путь для тока на A и B. Это позволяет току возвращаться обратно к источнику для завершения цепи.