Pin de tierra de la red RS485: ¿cuándo conectar?

Question

Como muchos saben, se puede implementar una comunicación sencilla de nodo a nodo rs485 utilizando solo dos cables, A y B. Bueno, el estándar especifica conectar la tierra de los dos nodos juntos.

de Wikipedia:

Además de las conexiones A y B, el estándar EIA también especifica un tercer punto de interconexión llamado C, que es la tierra de referencia de señal común.

Me topé con decenas de artículos que hablan sobre esta tercera conexión pero aún así no pude entender el concepto.

1. ¿Por qué el receptor no puede simplemente actuar como un simple voltímetro? ¿midiendo el voltaje entre A y B?
2. Si ambos nodos son operados con baterías (una batería diferente para cada nodo), ¿la conexión a tierra hace alguna diferencia?
3. ¿Por qué es mejor que los nodos (exteriores) estén conectados a tierra cuando los cables son largos?
4. ¿Cómo es buena esta conexión a tierra para protegerse de transitorios?

Answer 1

Es un mito que se puedan hacer funcionar interfaces RS485 sin tener conectado el cable de tierra común (C) entre los distintos dispositivos en el bus. El receptor solo es capaz de medir el potencial relativo entre las señales A y B cuando el voltaje en modo común de las entradas A y B se mantiene dentro del rango de -7V a +12V con respecto al GND de referencia del receptor.

La idea de que ambas partes de la interfaz estén operando con baterías de alguna manera haría una diferencia también es un mito. Todo se reduce al voltaje en modo común entre el GND del transmisor y el GND del receptor. La conexión del tercer cable mantiene controlado el voltaje en modo común. Sin él, cualquier influencia indebida en cualquiera de las unidades o en el bus entre las dos puede hacer que el voltaje en modo común se salga del rango de -7V a +12V. Esta influencia podría ser debido al acoplamiento con otros sistemas a través de EMI. También es común ver esto manifestarse como variaciones de AC que siguen la frecuencia de la línea eléctrica principal.

Answer 2

Estás en lo correcto en que un receptor puro podría simplemente medir la diferencia entre las dos líneas de señal. Sin embargo, cualquier medio para hacerlo tendrá algún rango de modo común en el que las señales individuales deben mantenerse. La especificación indica el rango de modo común que los nodos deben ser capaces de tolerar.

Sin un tercer cable de referencia, no hay forma de definir este voltaje de modo común, y entonces no habría forma de hacer un receptor que esté garantizado que cumpla con los requisitos.

Incluso si su receptor estuviera configurado de modo que las líneas de datos impulsaran opto-acopladores, por ejemplo, aún tendría una limitación de voltaje de modo común. Podría ser de unos miles de voltios en lugar de unos pocos voltios, pero siempre habrá algún voltaje de modo común más allá del cual el receptor dejará de funcionar.

Hasta ahora se trataba únicamente de recibir la señal RS-485. Impulsar las señales RS-485 es mucho más limitante. Las señales de datos se especifican como siendo nominales de 0-5 V con respecto al cable de tierra. Sin un cable de tierra, no hay forma de asegurarse de eso. El circuito que impulsa las dos señales estará referido a algo. Ese algo necesita estar conectado a los otros transmisores y receptores en el bus.

Answer 3

Basándome en las otras respuestas, voy a ofrecer esto como un ejemplo. Por favor, ten en cuenta que esta respuesta sigue el viejo adagio "a veces una pequeña inexactitud ahorra toneladas de explicación".

Imaginemos que tienes dos dispositivos RS485 que están eléctricamente aislados. Conectas las líneas A y B como de costumbre. Sin embargo, debido a las capacitancias parásitas y otros vudúes de ingeniería eléctrica, uno de los dispositivos está flotando a 3000 voltios más alto que el otro.

¿No habría problema, verdad? El receptor simplemente ve las líneas A y B entrando a 3000V y 3012V, selecciona los 12V de diferencia que están dentro del rango y listo, ¿no?

Bueno, debido a las capacitancias parásitas, los dispositivos no están realmente aislados al 100%, por lo que el dispositivo receptor en realidad ve 3000 voltios en las líneas A y B en relación con su propia fuente de alimentación. El chip RS485 que está utilizando solo está clasificado para proporcionar 2500 voltios de aislamiento, por lo que el voltaje entrante puede saltar ese chip y freír alguna otra parte del circuito. La corriente disponible a ese voltaje es mínima, por lo que ni siquiera verías una chispa, pero es suficiente para causar daño similar al de la ESD a otros IC en el circuito, impidiendo que funcionen correctamente.

Conectando un cable GND entre ambos dispositivos, la diferencia de 3000 voltios se eliminará mediante esa misma corriente microscópica que viaja a través del cable GND en lugar de los otros IC en el dispositivo, y la desviación de 3000 voltios en las líneas de señal A y B desaparecerá.

De cierta manera, la línea GND está sirviendo a un propósito similar aquí como una resistencia de pull-down, asegurando que todas las líneas de señal estén en niveles conocidos en lugar de flotar al azar por todas partes.

Sí, la especificación RS485 solo se fija en la diferencia entre las líneas de señal A y B, pero cada dispositivo también tiene un voltaje máximo permitido entre su propia fuente de alimentación GND y las líneas de señal. Evitar que ese voltaje en particular se salga de rango se logra asegurando que todas las GND de los dispositivos sean iguales, por lo que un cable GND entre todos los dispositivos RS485 hace justo eso. Sí, en teoría los dispositivos eléctricamente aislados no tendrían grandes voltajes entre ellos, pero en la práctica parece que el aislamiento no siempre es perfecto, así que no confíes en ello.

Answer 4

Nota: No afirmo tener la respuesta más científica, pero intentaré explicar las cosas de la manera en que las comprendo.

1. No sé si el argumento del voltímetro es 100% válido, ya que es un dispositivo de baja velocidad, un ejemplo más apropiado sería el osciloscopio operado con baterías, o una sonda de osciloscopio diferencial.

2. Recuerde la definición de Voltaje, que es una diferencia de potencial entre 2 puntos. Las Señales A y B son diferenciadas por los componentes eléctricos dentro del Amplificador (principalmente transistores), los cuales tienen todas sus clasificaciones máximas absolutas entre su base y colector/emisor. Esto se denomina Voltaje de Entrada Común Máximo del amplificador diferencial con respecto a su propio suelo. Por lo tanto, los voltajes A y B no tienen sentido sin especificar a qué están referenciados. Por ejemplo, si la diferencia entre A y B es de 2.5v pero este voltaje está 20v por encima de la alimentación del amplificador del receptor, ¿qué vería el amplificador (2.5 o 22.5)?

3. 4: Los cables exteriores de larga distancia son más propensos al ruido o ESD o cualquier fuente de carga o corriente que pueda entrar en el bus (que tiene una impedancia específica y resistencia CC) por lo que si la cantidad de carga/corriente es lo suficientemente alta multiplicada por la resistencia más alta (del cable largo) podría causar una mayor pico de voltaje en el receptor que podría causar daños. En esta situación, la toma a tierra se puede utilizar para proporcionar un camino para los picos que golpean el blindaje, y se puede utilizar como una referencia de tierra estable.

Si el circuito receptor de RS485 puede cambiarse para ser flotante y totalmente capaz de actuar como el voltímetro/osciloscopio, podría ser totalmente posible mediante la adición de componentes adicionales, circuitos de aislamiento, etc., pero con un costo, complejidad y tamaño adicionales que están más allá de la capacidad de un pequeño CI como el MAX485.

Answer 5

El punto C es una ruta de retorno para la corriente en A y B. Esto permite que la corriente regrese a la fuente para completar el circuito.