Pin di terra della rete RS485 - quando collegarsi?

Come molti sanno, si può implementare un semplice nodo per comunicare rs485 nodo usando solo due fili, A e B. Bene, lo standard specifica per collegare insieme la terra dei due nodi.

da Wikipedia:

Oltre alle connessioni A e B, lo standard EIA specifica anche un terzo punto di interconnessione chiamato C, che è la massa di riferimento del segnale comune.

Mi sono imbattuto in decine di articoli che parlano di questa terza connessione ma ancora non riesco a capire il concetto.

1. Perché il ricevitore non può agire semplicemente come un voltmetro? misurare la tensione tra A e B?
2. Se entrambi i nodi funzionano a batteria (batteria diversa per ciascun nodo), la connessione di terra fa la differenza?
3. Perché è meglio mettere a terra i nodi (esterni) quando i cavi sono lunghi?
4. In che modo questa connessione di terra è utile per la protezione dai transitori?

Nota: non pretendo di avere la risposta più scientifica ma cercherò di spiegare le cose nel modo in cui le capisco.

1. Non so se l'argomento Voltmeter sia valido al 100%, poiché si tratta di un dispositivo a bassa velocità, un esempio più appropriato sarebbe l'oscilloscopio a batteria o una sonda per oscilloscopio differenziale.

2. Ricorda la definizione di Tensione che è una differenza potenziale tra 2 punti. I segnali A e B sono differenziati dai componenti elettrici all'interno dell'amplificatore (principalmente transistor) che hanno tutti valori nominali massimi assoluti tra la loro base e il collettore / emettitore. Questo è indicato come tensione di ingresso in modalità comune massima dell'amplificatore differenziale rispetto alla propria terra. Quindi le tensioni A e B sono prive di significato senza specificare a cosa si fa riferimento. Ad esempio, se la differenza tra A e B è 2,5 V, ma questa tensione viene spostata di 20 V al di sopra dell'alimentazione dell'amplificatore del ricevitore, l'amplificatore vedrebbe (2.5 o 22.5)?

3. 4: I cavi esterni a lunga distanza sono più inclini al rumore o ESD o qualunque fonte di carica o corrente che possa entrare nel bus (che ha impedenza specifica e resistenza CC), quindi se la quantità di carica / corrente è sufficientemente elevata moltiplicata per la resistenza più elevata (di cavo lungo) provocherebbe un picco di tensione maggiore sul ricevitore che potrebbe causare danni. La messa a terra in questa situazione può essere utilizzata per fornire il percorso per i picchi che colpiscono lo scudo e può essere utilizzata come riferimento di terra stabile.

Se il circuito del ricevitore RS485 può essere modificato in modo che sia fluttuante e pienamente in grado di agire come voltmetro / oscilloscopio potrebbe essere del tutto possibile aggiungendo componenti extra, circuiti di isolamento, ecc. Ma con costi, complessità e dimensioni aggiunti che vanno oltre la capacità di un piccolo CI come il MAX485.

È un mito che è possibile far funzionare le interfacce RS485 senza il filo di terra comune (C) collegato tra i vari dispositivi sul bus. Il ricevitore è in grado di misurare il potenziale relativo tra i segnali A e B solo quando la tensione di modo comune degli ingressi A e B viene mantenuta entro -7V a + 12V del riferimento GND del ricevitore.

L'idea che entrambi i lati dell'interfaccia azionati a batterie farebbero in qualche modo la differenza è anche un mito. Tutto dipende da quale sia la tensione di modo comune tra il trasmettitore GND e il ricevitore GND. La connessione del terzo filo tiene sotto controllo la tensione di modo comune. Senza di essa, qualsiasi influenza indebita su entrambe le unità o sul bus tra i due può portare alla tensione di modo comune che va al di fuori dell'intervallo da -7V a + 12V. Questa influenza potrebbe essere dovuta all'accoppiamento in altri sistemi tramite EMI. Può anche essere comune vederlo come una variazione CA che segue la frequenza della linea di rete.

Hai ragione nel dire che un ricevitore puro potrebbe semplicemente misurare la differenza tra le due linee di segnale. Tuttavia, qualsiasi mezzo per farlo avrà un intervallo di modalità comune in cui i singoli segnali devono rimanere all'interno. La specifica fornisce l'intervallo di modalità comune che i nodi devono essere in grado di tollerare.

Senza un terzo filo di riferimento, non c'è modo di definire questa tensione di modo comune, e quindi non ci sarebbe modo di realizzare un ricevitore che sia garantito conforme.

Anche se il ricevitore è stato impostato in modo tale che le linee dati pilotassero gli optoisolatori, ad esempio, si ha ancora una limitazione di tensione in modalità comune. Potrebbe essere qualche migliaio di volt invece di qualche volt, ma ci sarà sempre una tensione di modo comune oltre la quale il ricevitore non funzionerà più.

Finora si trattava solo di ricevere il segnale RS-485. Guidare i segnali RS-485 è molto più limitante. I segnali di dati sono specificati come 0-5 V nominali rispetto al filo di terra. Senza un filo di terra, non hai modo di assicurarlo. Il circuito che guida i due segnali sarà riferito a qualcosa. Che qualcosa deve essere collegato agli altri trasmettitori e ricevitori sul bus.

Sulla base delle altre risposte, offrirò questo come esempio. Tieni presente che questa risposta segue il vecchio adagio "a volte un po 'di inesattezza consente di risparmiare tonnellate di spiegazioni".

Supponiamo che tu abbia due dispositivi RS485 isolati elettricamente. Colleghi le linee A e B normalmente. Tuttavia, a causa delle capacità vaganti e di altri voodoo di ingegneria elettrica, uno dei dispositivi galleggia a 3000 volt più in alto dell'altro.

Nessun problema vero? Il ricevitore vede solo le linee A e B che arrivano a 3000 V e 3012 V, rileva il differenziale a 12 V che è all'interno delle specifiche e si spegne?

Bene a causa delle capacità vaganti, i dispositivi non sono effettivamente isolati al 100%, quindi il dispositivo ricevente vede effettivamente 3000 volt sulle linee A e B rispetto al proprio alimentatore. Il chip RS485 che sta utilizzando è valutato solo per fornire 2500 volt di isolamento, quindi la tensione in ingresso è in grado di saltare quel chip e friggere qualche altra parte del circuito. La corrente disponibile a quella tensione è minuscola in modo da non vedere nemmeno una scintilla, ma è sufficiente a causare danni simili a ESD ad altri circuiti integrati nel circuito, impedendo loro di funzionare correttamente.

Collegando un filo GND tra entrambi i dispositivi, la differenza di 3000 volt verrà rimossa da quella stessa microscopica corrente che viaggia attraverso il filo GND invece degli altri circuiti integrati nel dispositivo e scomparirà l'offset di 3000 volt sulle linee di segnalazione A e B.

In un certo senso la linea GND ha uno scopo simile qui come resistenza di pull-down, assicurando che tutte le linee di segnale siano a livelli noti piuttosto che fluttuano casualmente in tutto il luogo.

Sì, le specifiche RS485 considerano solo la differenza tra le linee di segnale A e B, ma ogni dispositivo ha anche una tensione massima consentita tra il proprio alimentatore GND e le linee di segnale. L'arresto di quella particolare tensione dall'uscita fuori portata si assicura che tutti i GND del dispositivo siano gli stessi, quindi un filo GND tra tutti i dispositivi RS485 fa proprio questo. Sì, in teoria i dispositivi elettricamente isolati non avranno tensioni enormi tra loro, in pratica sembra che l'isolamento non sia sempre perfetto, quindi non contare su di esso.

Il punto C è un percorso di ritorno per la corrente su A e B. Ciò consente alla corrente di ritornare alla sorgente per completare il circuito.