Isolare per comunicare

ISOLAMENTO –

L’isolamento rappresenta un miglioramento fattibile per qualsiasi prodotto di rete. Un’interfaccia di comunicazione isolata può ridurre i problemi presentati e rendere la comunicazione più affidabile e i prodotti di rete resistenti a condizioni estreme.

Le reti RS485 forniscono la rete dorsale per le comunicazioni in varie applicazioni, dai sistemi di controllo industriali ai pannelli a messaggio variabile sulle strade. Negli ambienti in cui sono presenti tensioni elevate, l'isolamento elettrico dal bus di comunicazione ai controllori logici viene normalmente impiegato per proteggere le persone e le apparecchiature. Spesso si trascurano i vantaggi dell'isolamento che influiscono sulle prestazioni del sistema piuttosto che semplicemente proteggerlo da tensioni pericolose. Tali vantaggi si concretizzano in una comunicazione continua e priva di errori in presenza di gravi perturbazioni di terra e altri rumori a livello di sistema che altrimenti metterebbero fuori uso un sistema non isolato. I transceivers RS485 isolati sono prodotti da diverse aziende. La maggior parte di queste soluzioni garantisce l'isolamento dei dati, ma non l'alimentazione isolata necessaria per gestire i bus di interfaccia. È l'utente a dover pensare alla soluzione, utilizzando elementi discreti costosi e ingombranti per creare il convertitore Dc-Dc isolato. Le dimensioni, il costo, il consumo energetico o la complessità possono scoraggiare l'uso dell'isolamento in sistemi che potrebbero veramente beneficiarne.
La nuova tecnologia Isolator µModule di Linear Technology offre una soluzione completa per l'isolamento dei dati e dell'alimentazione in un piccolo package da 11,25 x 15 x 2,8 mm per il montaggio superficiale (Fig.1). L'LTM2881 comprende un robusto transceiver RS485 isolato e un convertitore DC-DC isolato in grado di fornire fino a 1W di alimentazione per i circuiti del bus di interfaccia e i circuiti ausiliari. Il µModule transceiver non richiede componenti esterni; anche i condensatori di disaccoppiamento e una resistenza di terminazione di rete commutabile elettricamente sono integrati. La facilità d'uso e l'ingombro ridotto lo rendono più interessante che mai per progettare l'isolamento in una rete RS485 in qualsiasi nodo di comunicazione. Questo articolo tratta i vantaggi prestazionali derivanti dall'uso dell'isolamento nelle reti RS485, individua le caratteristiche delle reti che potrebbero beneficiarne e illustra i pro e i contro di varie configurazioni di cablaggio per massimizzare le prestazioni di un sistema isolato.

Disturbi di tensione di modo comune e di massa
L'RS485 è stato ideato e standardizzato per consentire la comunicazione tra ricetrasmettitori con differenze di potenziale di massa fino a +/-7V. I segnali del bus possono assumere tensioni comprese tra -7V e +12V rispetto alla "massa" locale di qualsiasi nodo. Tali differenze sono dovute a diverse condizioni, tra cui variazioni di terra o cadute di tensione su ritorni di terra condivisi da altri circuiti sotto carico. In alcuni casi eventi transitori estranei possono produrre variazioni di terra di gran lunga superiori a +/-7V, il che potrebbe introdurre errori nei dati ricevuti o, peggio ancora, danneggiare i i transceiver e i relativi circuiti di sistema. L'uso appropriato di un transceiver isolato come l'LTM2881 amplia l'intervallo di tensione di modo comune consentito (tensione media delle linee a segnale differenziale rispetto alla terra) e protegge dai danni causati continuamente da alte tensioni di 560V continui o di 3750VDC per 60 secondi. Le fulminazioni indirette sono una causa comune di gravi disturbi di tensione quando le linee di rete viaggiano da un edificio e l'altro. I soppressori dei transitori di tensione vengono usati spesso per assorbire tensioni transitorie molto elevate, mentre l'isolamento offre un livello di protezione maggiore. Senza isolamento un solo picco di tensione potrebbe danneggiare tutti i dispositivi di una rete. Ripetuti disturbi di terra e di segnale possono derivare dall'accoppiamento con linee di alimentazione AC a 60 Hz adiacenti a cavi dei bus RS485 oppure la corrente a 60 Hz può essere condotta in linee di alimentazione o di terra condivise. Anche computer, stampanti, luci fluorescenti, azionamenti a velocità variabile e altri carichi elettronici non lineari possono introdurre notevoli armoniche di frequenza nelle linee di terra neutre di distribuzione e nei cavi delle reti di comunicazione. Come spiegheremo più avanti, questi disturbi possono generare veri e propri errori nei dati nelle reti RS485 che l'isolamento può ridurre.

Trasmesso ma non ricevuto
Le configurazioni del cablaggio RS485 per reti isolate e non isolate sono illustrate nella Fig. 2 (a fianco). Per maggiore chiarezza l'illustrazione mostra una comunicazione unidirezionale punto-punto, ma il concetto vale anche per le reti multinodali. La Fig. 2A mostra un collegamento con doppino non schermato non isolato, realizzato con cavi di categoria 5e (Cat 5e) a basso costo.

La Fig. 3 (a fianco) mostra forme d'onda di un oscilloscopio rilevate in vari punti di questa rete con gestione di un cavo di 30 m circa e introduzione di una differenza di potenziale di terra tra driver e ricevitore. I colori delle tracce corrispondono ai colori delle posizioni delle sonde della Fig. 2. Tutti i segnali sono misurati rispetto alla terra all'uscita del ricevitore. Il canale 3 (verde) indica il segnale dati nel driver di trasmissione in DI, mentre il canale 4 (rosso) è l'uscita dati dal pin RO del transceiver remoto che dovrebbe seguire l'ingresso dati con il ritardo di propagazione. La traccia gialla in alto nella Fig. 3 è il segnale della tensione sinusoidale introdotta tra le masse di 7V di ampiezza (14VPP). Il canale 2 (blu) indica il segnale “B” all'ingresso negativo ricevitore dopo che ha attraversato il cavo da 30 m. I dati digitali in "B" sono quasi impercettibili rispetto all'ampio segnale di tensione di modo comune sovrapposto. La Fig. 3 mostra errori evidenti. Sono due i fattori che contribuiscono alla perdita dei dati ed entrambi sono associati alla capacità di reiezione di modo comune limitata del ricevitore RS485. In primo luogo, il contenuto di alta frequenza del segnale di modo comune, in questo caso circa 1,2 MHz, supera la larghezza di banda effettiva della reiezione di modo comune della maggior parte dei ricevitori RS485. In secondo luogo, l'ampiezza dei segnali di modo comune presentati al ricevitori superano di gran lunga l'intervallo consentito tra -7V e +12V. In questo caso l'ampiezza di segnale alla fine del cavo di 30 m ha toccato i +/-20V sebbene lo stimolo introdotto all'estremità avesse picchi di tensioni di soli +/-7V! Questo picco di ampiezza è massimizzato alla frequenza di risonanza del cablaggio di rete. Notare che questo non si riferisce alle caratteristiche differenziali del bus, che si comporta come una linea di trasmissione, bensì si tratta di una caratteristica associata all'impedenza di modo comune. La frequenza di risonanza è una funzione della lunghezza e della configurazione del cavo (es. avvolto o steso) e dell'impedenza complessa dei nodi collegati. Il punto interessante è che un segnale di modo comune a +/-7V è riuscito ad alterare le trasmissioni di segnale RS485 a causa del contenuto in frequenza e del picco di ampiezza.

La comunicazione isolata funziona
Sostituire i transceiver RS485 con i transceiver RS845 isolati LTM2881 risolve il problema del danneggiamento dei dati, come risulta dalle forme d'onda corrispondenti della Fig. 4 (a fianco). In questa configurazione il modo comune applicato agli ingressi del ricevitori è sviluppato per lo più nella barriera di isolamento. La terra isolata del ricevitore si muove con la tensione di modo comune degli ingressi del ricevitore, semplicemente sovrapponendosi. Di conseguenza il ricevitore non vede ciò come una variazione del modo comune e continua a rilevare i dati differenziali. Nella Fig. 4 la frequenza di modo comune è stata aumentata a 2MHz, per cui l'ampiezza di segnale alla fine del cavo nel ricevitore (traccia blu) arriva a toccare i 40VPP. Questa ampiezza della tensione di modo comune supera di gran lunga la specifica indicata nello standard RS485 e potrebbe provocare il malfunzionamento della maggior parte dei transceiver RS845 non isolati. Il transceiver isolato LTM2881 continua a funzionare a frequenze di variazione di modo comune ancora maggiori con un cablaggio migliore.

Altri miglioramenti al cablaggio
La discussione precedente era incentrata sulle differenze tra i transceiver isolati e non, con cavo bus a doppino non schermato. Un'alternativa migliore prevede l'uso di un cavo schermato e di un cavo comune che riunisce tutti i nodi di terra isolati. Più avanti vengono esaminate altre due configurazioni di cavi che utilizzano queste tecniche. La Fig. 2B mostra la rete non isolata collegata con un doppino schermato come il Belden 9841. La schermatura andrebbe collegata in un solo punto per evitare di creare ritorni di terra. Il collegamento della schermatura alla terra del ricevitore fornisce la derivazione migliore per le prestazioni di sistema. Nelle reti multinodali non isolate il nodo principale è normalmente quello in cui si trova la schermatura. La schermatura serve a derivare l'energia accoppiata a terra invece che ai cavi di segnale. Non serve ridurre le differenze di terra tra driver e ricevitore su nodi diversi di una rete. Questa limitazione viene eliminata nelle reti isolate, come spiegato più avanti. Il cablaggio migliore per i transceiver isolati è illustrato nella Fig. 2D. Tutte le terre isolate di ciascun nodo sono unite con un cavo comune. Il collegamento comune è unito a una terra non isolata in un singolo punto per definire il livello di riferimento della tensione nominale della rete altrimenti fluttuante. Questo evita che il bus raggiunga tensioni eccessive superiori al livello di isolamento. Questa configurazione favorisce le prestazioni migliori del ricevitore RS485 perché il suo potenziale di terra isolato segue il modo comune dei segnali di ingresso e viene assorbito nella barriera di isolamento. Poiché la terra del ricevitore si muove con i segnali, il ricevitore non subisce i transienti di tensione di modo comune. La reiezione dei transienti e del modo comune viene eseguita dai circuiti che trasferiscono per via digitale dati codificati nella barriera di isolamento. Nell'LTM2881 l'isolamento digitale usa segnali induttivi differenziali e la codifica per trasferire i dati. L'LTM2881 può rigettare slew rate dei transienti maggiori di 30kV/μs, ad esempio una variazione di 800V nella tensione di barriera in soli 27ns, senza perdere dati. La Fig. 2D mostra una schermatura separata, unita in un punto alla terra per shuntare il rumore accoppiato. Alcuni sistemi però non hanno né la schermatura, né cavi di riferimento separati. In questo caso la soluzione migliore consiste nel collegare la schermatura al terminale comune di ogni transceiver isolato e poi collegarlo alla massa di terra in un singolo punto. Se l'immunità RF rimane un problema, un condensatore ad alta frequenza e alta tensione collegato tra il terminale comune di ogni ricevitore e la terra può contribuire a derivare l'energia dal transceiver.

Reti che hanno bisogno dell'isolamento
L'isolamento rende la comunicazione dei dati più affidabile, come dimostrato nella discussione precedente. Ma che sintomi ha una rete operativa che potrebbe beneficiare dell'isolamento? Come si può giustificare l'aggiunta dell'isolamento a un prodotto di rete? La prima indicazione di beneficio per il sistema è quando sono comuni le ritrasmissioni di messaggi. Protocolli di livello più elevato possono trattare errori casuali, individuati da un check sum, e ogni tanto rispedire un messaggio. Il protocollo di livello più elevato può anche perdere a caso informazioni, sconnettersi e reinizializzarsi da solo. Anche questo può ristabilirsi a scapito delle prestazioni del sistema. Quando le ritrasmissioni dei messaggi e i riavvii sono frequenti, la risposta del sistema è lenta. I nodi non si aggiornano alla velocità prevista. Gli indirizzi con numeri elevati, o i nodi alla fine della linea, raramente si aggiornano perché i riavvii rimandano spesso il master al primo nodo della sequenza. Le prestazioni del sistema sul campo con disturbi reali possono essere peggiori di quelle osservate in laboratorio durante le fasi di controllo e validazione. Il controllo e il recupero degli errori del protocollo dovrebbero trattare solo eventi rari. L'isolamento va utilizzato quando si osservano errori di comunicazione durante il normale funzionamento. Altri esempi che dimostrano la necessità dell'isolamento sono i guasti sul campo e i resi dei prodotti precoci. I prodotti restituiti sono danneggiati o hanno avuto problemi di comunicazione? Esaminiamo i guasti sul campo latenti e le unità danneggiate durante l'installazione. Un uso corretto dell'isolamento può proteggere il ricetrasmettitore da determinati errori di cablaggio che potrebbero danneggiare un transceiver standard. Le tempeste di fulmini locali aumentano la quantità di guasti? I transceiver isolati assicurano un livello maggiore di protezione dalle scariche elettriche e dalle differenze di potenziale di terra elevate. Esiste un altro elemento che dimostra che un RS485 (non isolato) standard non è abbastanza resistente. Un certo tipo di nodo di rete può agire in modo imprevedibile, mentre altri tipi di nodi rispondono coerentemente. Ad esempio, il nodo imprevedibile può essere il controllore di una grande ventola di un sistema di controllo di un edificio. Al contrario i nodi dei sensori di temperatura, umidità, flusso d'aria hanno un comportamento normale. Il motore della ventola emette un rumore elettrico e conduce un elevato contenuto armonico nel ritorno a terra locale. Inoltre il controller della ventola funziona male più spesso quando è collegato a una rete grande con venti nodi o più. Una rete con un numero maggiore di nodi ha collegamenti a margherita che incrementano la capacità e, quindi, lo squilibrio capacitivo sulle due linee di dati differenziali 'A' e 'B'. Lo squilibrio di capacità sulle linee di dati tende a convertire il modo comune in segnali differenziali errati che generano errori di comunicazione. Questa è la situazione tipo in cui il controller della ventola non comunica bene in una rete grande. L'isolamento, con un cavo di riferimento comune, può ridurre questo problema assorbendo il modo comune per evitare una conversione nel segnale differenziale attraverso lo squilibrio di capacità.

Massimizzare i vantaggi dell'isolamento
L'isolamento rappresenta un miglioramento fattibile per qualsiasi prodotto di rete. Un'interfaccia di comunicazione isolata può ridurre i problemi presentati e rendere la comunicazione più affidabile e i prodotti di rete resistenti a condizioni estreme. La Fig. 5 (a fianco) mostra un'applicazione e un cablaggio tipici con impiego dei transceiver RS485 isolati LTM2881 in una rete half-duplex. Il circuito mostra la buona abitudine di collegare un filo di riferimento o una schermatura al comune di ogni ricetrasmettitore isolato. Dovrebbe essere collegato a un riferimento o a una terra in un solo punto. In caso di utilizzo di una schermatura separata, questa dovrebbero essere collegata alla stessa terra del cavo di riferimento. Il cavo di riferimento elimina il modo comune del ricevitore portando tutti i comuni dei ricetrasmettitori allo stesso livello. Invece una schermatura può solo shuntare il rumore accoppiato prima che raggiunga le linee di dati. Prendete in considerazione il transceiver RS485 µModule isolato LTM2881 per tutti i design RS485, anche dove l'isolamento non è utilizzato. Questo contribuisce a migliorare l'affidabilità del prodotto, riduce i guasti sul campo e aumenta la fidelizzazione del prodotto.

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