¿Cómo regresa la corriente de las señales RS485 del receptor al emisor?

Estoy planeando un sistema que consta de 1 dispositivo maestro que está conectado a 19 dispositivos esclavos mediante transceptores RS485 . Además, todos los dispositivos funcionan con 1 fuente de alimentación . A continuación se muestra un esquema simplificado.

Esquemático

Como puede ver en el esquema, los esclavos controlan cada uno un LED de 4W usando PWM . Agregué este detalle porque quiero mostrar que, debido a las cargas conmutadas, fluye una corriente considerable a través de la línea GND. Por lo tanto, debido a la impedancia de la línea GND, el potencial GND debería ser ligeramente diferente para cada esclavo.

El bus solo debe funcionar con una velocidad de datos de 250 KBit/s . Con un tiempo de subida de 180ns , esto daría lugar a un ancho de banda de unos 2MHz . Sin embargo, también estaría muy interesado en saber qué pasaría si se usara una velocidad de datos de 10 MBit/s . Con un tiempo de subida de 8 ns , esto daría lugar a un ancho de banda de 40 MHz .

Dado que actualmente estoy estudiando aspectos de EMC , me interesaría mucho saber la respuesta a la siguiente pregunta.

1.) ¿Cómo se ven exactamente los bucles de corriente cuando el maestro se comunica con los esclavos?

Mientras investigaba el funcionamiento exacto de RS485, llegué a la conclusión de que el par de señales diferenciales (A, B) del transceptor son en realidad dos señales de un solo extremo ( Fuente 1 , Fuente 2 ). Esto significaría que la corriente de las dos señales fluiría desde el transmisor a los receptores y luego regresaría a tierra. Por lo tanto, las rutas de salida y retorno de la corriente no solo consisten en las líneas de señal A y B. Entonces, al mirar solo en la línea de señal AI, se llega al siguiente bucle de corriente.

Esquema con lazo de corriente

La ruta roja es la ruta de corriente saliente y la ruta verde es la ruta de retorno actual.

Dado que este bucle de corriente cubre un área más grande y conduce permanentemente señales de mayor frecuencia, me preocupa que esto pueda causar algunos problemas de EMC. Además, a frecuencias más altas, la ruta de retorno actual puede buscar otras rutas no deseadas de regreso al receptor, ya que es probable que la línea GND tenga un componente inductivo significativo. Por lo tanto, estaría interesado en las respuestas a las siguientes preguntas.

2.) ¿Cómo puedo diseñar una mejor ruta de retorno de corriente incluso para altas frecuencias?

3.) ¿Existen otros estándares de comunicación que podrían ser mejores para este propósito?

Notas adicionales:

¿Por qué no uso transceptores RS485 aislados?
Los transceptores RS485 aislados no son una opción por razones económicas.

¿Por qué no uso una línea GND adicional junto con la línea A y B?
Por un lado, esto formaría bucles de tierra y, por otro lado, la corriente de retorno de los LED se dividiría entre las dos líneas GND. Esto podría causar que una corriente no insignificante fluya a través del maestro de regreso a la fuente de alimentación. Esto no solo podría causar perturbaciones en la electrónica del maestro, sino que también podría exceder la corriente máxima permitida que puede conducir la placa maestra. Además, el cable de tierra adicional tendría que tener una sección transversal similar a la del otro. Esto es caro y ocupa mucho espacio.

¿Cómo se configura el cable del bus de datos?
Dado que los esclavos están muy próximos entre sí y, por lo tanto, el cable del bus de datos tiene un trozo cada 10 cm, se utiliza un cable de par trenzado sin blindaje.

Te estás perdiendo una parte importante de este flujo de corriente continua. La mayor parte de la corriente fluye a través de las dos resistencias de terminación en paralelo.
Las dos corrientes de tierra de las dos líneas de 'un solo extremo' están en oposición y, como tal, no fluye corriente de tierra. El punto central de una línea diferencial es que es diferencial, toda la corriente que sale de una línea regresa a la otra línea, no a tierra.
No (al menos desde un punto de vista de alta frecuencia). Depende del tipo de interfaz. Con una interfaz stripline o microstrip, tiene dos corrientes, moviéndose en direcciones opuestas, bajo las huellas individuales del par diferencial. Para una señal de CC, tiene razón.
@Neil_UK: la señalización RS-485 no es un bucle actual. El controlador impulsa ambas líneas con un voltaje positivo con respecto a tierra. La corriente que fluye en cada línea desde el controlador hasta el (los) receptor (es) regresa a través del cable de tierra.
@brhans Eso es cierto, cualquier corriente que no regrese a través del bus de datos regresará a través de tierra, pero simplemente no hay mucha impedancia para permitir que la corriente fluya desde la entrada del receptor a tierra, o para el suministro. La impedancia de entrada de un solo extremo de un receptor suele estar equilibrada y es del orden de mucho más de 12k por entrada. Por lo tanto, aplicar 5 V a las entradas A y B de un receptor dará como resultado una corriente de tierra mucho menor que 1 mA por receptor. En el escenario más común, fluiría menos de 0,5 mA en una entrada del receptor y aproximadamente la misma cantidad fluiría desde la otra entrada del receptor.
@brhans La línea está equilibrada. La resistencia de terminación está conectada entre las líneas balanceadas. Es una línea de transmisión. La CA, es decir, las corrientes inductoras de EMI, fluyen por una línea y regresan por la otra. Ese es el significado de una línea diferencial balanceada. No importa dónde fluya la corriente de polarización de CC, no es inductora de EMI. A la corriente de señal no le importa si lo llama bucle de corriente o no, frase que generalmente se refiere a un bucle de señalización de 4-20 mA que es una bestia totalmente diferente. Piense en ello como si los dos transmisores generaran una tensión de señal y una corriente de señal, y son opuestos.
@Neil_UK "Es una línea de transmisión. CA, es decir, corrientes que inducen EMI, fluyen en una línea y regresan a la otra. Ese es el significado de una línea diferencial balanceada". RS485 está (generalmente) balanceado, pero eso no es la definición. La definición de una línea balanceada requiere que la impedancia a tierra de ambas líneas sea igual. Con todos los transceptores RS485 de los que tengo conocimiento, esta condición se cumple, y la especificación puede requerir esto (dentro de cierta tolerancia), aunque no tengo conocimiento de que así sea.
@Neil_UK - "Corrientes inductoras de EMI, fluyen en una línea y regresan en la otra. Ese es el significado de una línea diferencial equilibrada". No creo que eso sea correcto. Suponiendo que esta fuente de interferencia esté lejos, las corrientes inducidas por EMI fluyen en la misma dirección y con la misma amplitud (para una fuente lateral) en ambas líneas de la interfaz diferencial. Este voltaje de interferencia es un voltaje de modo común, que es rechazado por la etapa de entrada diferencial del receptor, siempre que no se exceda el rango de modo común del receptor.
@SteveSh Me refería a la EMI generada por el transmisor 485, no a las interferencias externas que podrían ser captadas por los conductores. La primera es una función de la configuración del 485, la segunda no.
Eso no estaba claro.
Un último comentario para el OP: este fue un muy buen diagrama de conexión a tierra/corriente de retorno que armó. Si hubiera incluido las fuentes de alimentación/el sistema de alimentación en esto, habría sido la categoría CDR (Critical Design Review). Buen trabajo.

Respuestas (7)

1.) ¿Cómo se ven exactamente los bucles de corriente cuando el maestro se comunica con los esclavos?

Para señales de alta velocidad (no DC), la respuesta depende de si la interfaz es stripline/microstrip (traza sobre GND) o pares trenzados.

En el primer caso, la corriente de retorno para cada señal del par diferencial fluye directamente debajo de la traza que transporta la señal, suponiendo que el plano GND no se interrumpa. Esto se debe a que las trazas individuales se acoplan mucho más fuertemente al plano de retorno que entre sí. Es un error decir que las corrientes + y - se cancelan. Cada uno fluye independientemente bajo su respectivo rastro de señal.

En el segundo caso, los hilos individuales del par trenzado se acoplan entre sí con mucha más fuerza que con su entorno. Entonces, en este caso, es correcto decir que la corriente de un cable regresa por el otro.

Ahora, si hay un desequilibrio en las dos señales del par diferencial (retrasos, sesgos o amplitudes ligeramente diferentes), esto hace que una corriente de modo común fluya a lo largo de ambas pistas. Esta corriente de modo común también fluye en un bucle y debe devolverse a la fuente de conducción. Esta corriente fluirá para minimizar la inductancia total del bucle, lo que significa minimizar el área del bucle de la corriente.

En la configuración stripline/microstrip, esta ruta de retorno es a través del plano GND. En la configuración de par trenzado, esta ruta puede ser a través de las conexiones del chasis y la estructura (no deseable), oa través del blindaje del cable que transporta los pares trenzados.

2.) ¿Cómo puedo diseñar una mejor ruta de retorno de corriente incluso para altas frecuencias?

En pocas palabras, minimice el área del bucle en el que fluyen las corrientes.

Además, mire esta publicación: ¿Dónde regresa el flujo de corriente para una señal diferencial?

Comenta sobre el camino de regreso verde

Lo que mostró como la ruta de retorno para la corriente, la ruta verde en su diagrama, es correcta para las corrientes de entrada que fluyen hacia o desde las entradas individuales de los receptores diferenciales. Esta corriente suele ser del orden de microamperios o decenas de microamperios, según los detalles del receptor que esté utilizando, y debe regresar al controlador. En su diagrama, el camino verde es la única forma de que fluya esta corriente. Tenga en cuenta que puede haber algún otro camino furtivo a través del chasis/estructura involucrada, dependiendo de cómo se implemente y conecte a tierra su sistema de energía. También esta corriente es más o menos DC.

Gracias, esta respuesta me ayuda mucho. Me vienen algunas preguntas a la mente: 1a) ¿Qué es importante en la transición de PCB a cable, es decir, de stripline/microstrip a par trenzado? 1b) ¿Cómo podría formular matemáticamente esta transición? 1c) ¿La impedancia característica de la línea stripline/microstrip con respecto a GND debe ser la misma que entre los dos hilos del cable de par trenzado? 2) En lugar de minimizar el área del bucle, ¿no puedo usar un estrangulador de ferrita para reducir la corriente de modo común? ¿O esto puede tener efectos negativos en la transmisión de datos?
Desea que la impedancia característica de todas las interfaces sea la misma, dentro del 20 %. Si esa impedancia objetivo es de 90 ohmios, 100 ohmios o 110 ohmios realmente no importa, siempre que sus controladores puedan suministrar la corriente necesaria dadas las dobles terminaciones. Para RS-485, los conectores probablemente no importen ya que son eléctricamente cortos en comparación con las frecuencias de interés.
El ZO de los stubs realmente no importa, ya que no están terminados en sus extremos (la entrada de los receptores).
los receptores son de alta impedancia, fluye muy poca corriente en la PCB del receptor
@Jasen: sí, excepto por la fuga de corriente de entrada.
1a) What is important in the transition from PCB to cableen el receptor todos los talones están dañados . Coloque el IC del receptor al lado del terminal donde se conecta el cable. Si no puede hacer eso, tenga la impedancia lo más alta posible. - trazas finas bien espaciadas, sin plano de tierra, etc.
@Jasen - No estoy de acuerdo. Todos los talones no son automáticamente malos. Tal vez una mejor manera de decirlo sería decir que en muchos casos se pueden tolerar los stubs. Todo depende de la longitud de los talones y la frecuencia (generalmente relacionada con las tasas de borde) de interés. Lo mejor es tener el receptor al lado del terminal. Pero si eso no se puede lograr, hacer que la impedancia (¿de la interfaz?) sea lo más alta posible realmente no importa. Aquí es donde una herramienta de análisis SI es su mejor amigo.
@SteveSh No muchas personas saben o se preocupan por esto, pero la longitud mínima del stub también puede ser importante, cuando los nodos están muy cerca. Eche un vistazo al n.° 10 en la guía de diseño de TI .
@Maple: tener nodos (stubs con longitudes inferiores a, digamos, 8 "o 12" para RS-485) juntos en el recorrido principal, como un backplane multipunto, solo aumenta la capacitancia en esa ubicación en el bus. La extensión espacial de esa capacitancia local es "corta" en comparación con el tiempo de subida/bajada de la señal RS-485, y realmente no afecta mucho a la señal.

De https://www2.htw-dresden.de/%7Ehuhle/ArtScienceRS485.pdf

Las señales A y B son complementarias, pero esto no implica que una señal sea un retorno actual para la otra. RS-485 no es un bucle de corriente.

Los conductores y los receptores deben compartir un terreno común. Esta es la razón por la que "red de dos hilos" es un nombre inapropiado cuando se aplica a RS-485.

La transmisión diferencial con RS-485 requiere que se cumplan los límites de voltaje de modo común. La tierra común debe evitar mayores diferencias de potencial entre las estaciones. Un aislamiento galvánico entre varias estaciones no funcionaría.

Si desea diferencias de potencial más grandes, debe buscar transceptores RS-485 aislados como el ADM2485 o el ISO35T .

Lo que dijo es correcto, pero realmente no es relevante IMM, a la pregunta del OP sobre las corrientes de retorno. En ninguna parte mencionó o preguntó sobre los límites de voltaje de modo común.

Esta no es una respuesta detallada (ya tiene muchas), sino un comentario sobre un concepto erróneo que parece ser la fuerza impulsora detrás de su pregunta.

...debido a las cargas conmutadas, una corriente considerable fluye a través de la línea GND. Por lo tanto, debido a la impedancia de la línea GND, el potencial GND debería ser ligeramente diferente para cada esclavo.

El problema es que el potencial GND, medido con respecto a un terreno común, no depende de la corriente en un cable . Si mide el voltaje entre dos extremos, seguro, dependerá de la corriente y puede ser enorme. Pero el voltaje de modo común no funciona de esta manera. Si, debido a algunas condiciones ambientales, tiene variaciones de potencial GND, entonces las mismas condiciones también se aplican a los cables de señal. Ese es el objetivo principal de colocar el cable de tierra junto con las señales, incluso cuando se usa señalización diferencial, para equilibrar el voltaje de modo común. Y sí, para proporcionar una ruta de retorno de la señal, con corrientes que pueden ser minúsculas en comparación con la corriente total en un cable, pero aún así funcionan bien.

El RS-485 que usa el cable Belden de baja capacitancia de 120 ohmios STP con doble blindaje puede estar limitado a un producto de longitud de ancho de banda de 150 MHz-m y un máximo de 20 MHz típicamente, creo que debido a la capacitancia del puerto parásito y ESL 10nH / cm que se modela fácilmente en el sitio de Falstad .

Entonces, para un troncal de 0,25 m, tiene un exceso de ancho de banda y, en teoría, podría extenderse a 150 MHz-m/40 MHz aproximadamente 4 m. Los problemas de CMRR surgen cuando los dispositivos finales tienen ruido CM C acoplado desde su aislamiento Tfmr, lo que provoca una BER deficiente. Si es así, para aumentar la impedancia de CM y aislar las tierras, se usa un protocolo de CA como BiPhase o RLL en el protocolo de Ethernet usando un diferencial de derivación central secundario R+C acoplado a CA. modo y estrangulador CM combinados en un Tfmr "híbrido" para el PHY.

La atenuación no lineal de los armónicos puede presentar algún ISI o jitter que depende del patrón con anchos de banda de 1T, 2T se puede observar si hay un problema con un cable e incluso se compensa previamente como se hizo para la grabación magnética, pero probablemente no sea necesario a menos que vaya por 20 Mbps.

  • por lo tanto, es esencial hacer coincidir la impedancia del controlador con el tronco 120
  • La EMI se debe al acoplamiento desequilibrado de cada línea trenzada a los blindajes dobles. Si hay corriente de tierra, se puede medir si contiene ruido o cuánta señal se emite usando una sonda de alcance 10:1 envuelta alrededor del cable con un bucle de tierra muy corto para minimizar la resonancia coaxial o aumentar la resonancia f > 40 MHz o alguna corriente mejor Investigacion.

Es probable que su mayor fuente de emisión sea la inductancia parásita no balanceada con los LED con PWM. Así que considere la reducción de la velocidad de respuesta y el cable STP si es necesario.

Quiere 1 maestro y 19 esclavos alimentados por la misma PSU, frecuencia de señal de 250 KBit/s, cable plano de 10 cm entre dos esclavos.

Por lo tanto, la longitud total del bus es de solo 2 m, la frecuencia está muy por debajo de los 10 MHz, eso no representa ningún problema al usar RS-485. Recomendaría la terminación del bus en ambos extremos.

  1. Para todos los propósitos, puede pensar que el receptor RS-485 es una entrada de alta impedancia en la práctica, y los cables de datos son diferenciales, por lo que todo lo que sale en el pin A del transmisor se hunde en el pin B del transmisor y fluiría a través de las resistencias de terminación. Ninguna corriente de cable de datos terminaría en VCC o a tierra en los receptores, en condiciones normales, al menos no en una cantidad significativa que debería preocuparle. Y dado que se utilizan pares de cables trenzados para los datos diferenciales, el área del bucle será pequeña y cancelará de manera eficiente el acoplamiento magnético.

  2. Dado que su pregunta parece basarse en una suposición falsa sobre cómo funciona RS-485, tal vez no necesite una mejor ruta actual.

  3. RS-485 debería funcionar bien. Un transmisor, 19 receptores, 250 kbps, utilizados para enviar comandos a las luces: básicamente ha reinventado el DMX-512 por accidente.

Por un lado, entiendo este punto de vista, por otro lado, no estoy seguro de si uno puede verlo tan simple y confiar solo en la teoría del circuito. Si observa más de cerca cómo se propagan las señales en las líneas y en los PCB, tengo mis dudas. youtube.com/watch?v=ke9ZQTVHB7U youtube.com/watch?v=zdzetSQ2dMk
¿Qué dudas tienes? ¿Por qué no estás seguro? Si no está de acuerdo con mi respuesta y la rechaza, debe estar seguro de por qué y tener un contraargumento que pueda comentar.
En primer lugar, no voté negativamente tu publicación. Ese debe haber sido alguien más. En segundo lugar, no estoy seguro acerca de los procesos físicos que no están cubiertos por la teoría de circuitos simples. Similar a lo que ves en los dos videos que vinculé. Tal como se describe en la respuesta de SteveSh, existen fenómenos adicionales que pueden causar problemas.
@Michael OK: bueno, su bus es un par trenzado sin blindaje, por lo que no tiene un plano de tierra que rodee los cables del bus y si no tiene un plano de tierra en la PCB debajo de los cables del bus, entonces no sucede nada interesante. Solo si hay un desequilibrio en las impedancias de los cables del bus, eso se convertirá en ruido de modo común y regresará al cable de tierra. El desequilibrio será pequeño, ya que los transceptores RS-485 tienen una entrada de alta impedancia, y la mayor parte de la impedancia está definida por la terminación y la impedancia de par trenzado de 100 a 120 ohmios. El bus RS-485 es diferencial y balanceado.
No voté negativamente tu respuesta. Pero su comentario de que "Ninguna corriente de cable de datos terminaría en VCC o a tierra en los receptores, en condiciones normales, al menos no en una cantidad significativa..." merece algún comentario. Lo que dijiste es cierto IFF, las salidas + y - del controlador coinciden perfectamente. Este no es el caso en la realidad, y cualquier desequilibrio da como resultado una corriente de modo común que fluye a través de tierra o VCC.
@SteveSh Estoy de acuerdo, y en la vida real, siempre hay un ligero desequilibrio; mi punto es, si / cuando hay desequilibrio, cuánto habrá de desequilibrio y tendrá algún papel importante en el circuito. RS-485 puede manejar +/- 7V de diferencia de voltaje de modo común. Realmente se necesita esfuerzo para diseñar algo como el grosor del cable bastante incorrecto para obtener una diferencia de voltaje de 7 V en un sistema de 12 V, más de 2,5 metros de cable.
@Justme: mis comentarios sobre las corrientes de modo común no tenían nada que ver con los rangos o rechazos de voltaje de modo común. Sino que esas corrientes deben regresar a la fuente a través de alguna ruta. Y cuanto más pequeño sea el bucle total, mejor. Esto puede o no tener ningún efecto en el funcionamiento del circuito, pero podría tener un impacto en el cumplimiento de EMC. Según algunos expertos de la industria, el incumplimiento de los límites de emisión radiada (RE) puede ser causado por una corriente tan baja como 5 uA (Reglas generales de Eric Bogatin #31).

Estás descuidando que, al mismo tiempo que una de las líneas diferenciales se vuelve positiva, la otra se vuelve negativa. Las dos líneas están terminadas en sus extremos con una resistencia (comúnmente de 120 ohmios). Una salida del controlador generará corriente, mientras que la otra se hundirá. Esta situación se invertirá dependiendo de si se transmite un uno o un cero.

Las dos corrientes son iguales y opuestas y se cancelan. Todo lo que queda en el circuito de tierra es la corriente continua que impulsa las entradas. Los receptores son de alta impedancia en relación con las terminaciones, por lo que la mayor parte de la corriente fluye a través de las líneas diferenciales desde una salida del controlador y luego regresa a la otra. Muy poco fluye a través del suelo.

Durante las transiciones habrá algo de corriente a tierra en la capacitancia que cada línea tiene a tierra. Esto debe cancelarse en gran medida dependiendo de qué tan bien coincidan las líneas diferenciales; con una coincidencia perfecta, no fluiría ninguna corriente de CA a tierra.

Por un lado, entiendo este punto de vista, por otro lado, no estoy seguro de si uno puede verlo tan simple y confiar solo en la teoría del circuito. Si observa más de cerca cómo se propagan las señales en las líneas y en los PCB, tengo mis dudas. youtube.com/watch?v=ke9ZQTVHB7U youtube.com/watch?v=zdzetSQ2dMk
@Michael: sí, habrá corrientes de tierra inducidas por las transiciones. Pero serán cancelados por las corrientes de polaridad opuesta de la otra salida; Las dos líneas deben estar juntas para minimizar el área del bucle entre las señales positiva y negativa. Por lo general, estarían separados en la PCB para dar la impedancia diferencial requerida. Típicamente 120 ohmios para RS485.
RS-486 no es un bucle de corriente. Se supone que ninguna de las líneas de señal se vuelve negativa con respecto a tierra en circunstancias normales. La corriente solo la obtiene el conductor, no se hunde. Esta corriente fluye a través de los receptores y regresa a través del cable de tierra.
@brhans Así no es como funciona RS-485. Basado en la lógica 1 o 0 que se transmitirá, el controlador conducirá un cable de datos alto a VCC y el otro cable de datos bajo a GND para que ambos pines de datos generen y hundan corriente.
@brhans Ninguna línea de señal va a tierra. Eso es cierto, pero irrelevante. ¿La corriente solo se obtiene alguna vez? No, un transmisor de nivel bajo tiene que hundir el componente de corriente CA de la señal, independientemente de si todavía está generando corriente CC. La corriente de polarización de CC es irrelevante en este contexto.
¿Cómo regresa la corriente de las señales RS485 del receptor al emisor?
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