La protezione

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Le linee che trasportano segnali RS485 si trovano spesso ad essere usate in ambienti industriali grazie alla loro ottima immunità ai disturbi di origine esterna. In questi ambienti è possibile che accidentalmente i circuiti vengano a contatto con tensioni e/o correnti molto elevate e tali da mettere a rischio la funzionalità dei dispositivi che costituiscono la rete.

In genere sono due i problemi presenti:

Tensioni molto elevate (diversi kV) caratterizzate da una durata estremamente breve (ordine di grandezza del millesimo di secondo). In genere sono conseguenza di cariche elettrostatiche, della commutazione di grossi carichi induttivi, di fenomeni atmosferici o "scintille" in genere.
Tensione minori (centinaia di volt) ma con durata molto lunga, tipicamente generate da guasti che causano un corto circuito tra i cavi che trasportano dati e quelli di alimentazione.

Inoltre i disturbi possono essere classificati in due grosse categorie:

Disturbi di modo comune, cioè presenti su tutti i fili e misurati rispetto alla massa locale del circuito. In genere la prima causa di questo tipo di tensioni deriva dall'impossibilità pratica di ottenere collegamenti di massa a bassa impedenza lunghi centinaia di metri, in particolare durante i transitori.
Disturbi differenziali, cioè presenti tra le due linee di dati. Questa situazione si ha per esempio nel caso di un corto circuito tra uno dei fili e un cavo di alimentazione ad alta tensione.

L'isolamento galvanico

Questo approccio è quello più efficace ed universalmente adottato contro le grosse differenze di potenziale di modo comune. È importante capire che quando si ha a che fare con distanze elevate è impossibile garantire collegamenti a bassa impedenza sia per la resistenza associata al cavi sia, soprattutto, per l'induttanza, decisamente preponderante alle frequenze più elevate. In queste condizioni è sbagliato ritenere che due punti collegati da un cavo siano allo stesso potenziale: in particolare questo è vero per la terra o in genere la massa. Su linee di molte centinaia di metri non è impossibile trovare differenze di potenziale di molte centinaia di volt anche se dalla durata di frazioni di ms

Il metodo più usato per garantire l'isolamento in sistemi di trasmissione digitale è l'utilizzo di fotoaccoppiatori cioè di dispositivi che convertono i segnali elettrici in segnali ottici e quindi ancora in segnali elettrici.

Le tensioni di modo comune che questi componenti sono in grado di gestire sono dell'ordine di qualche kV, anche per tempi molto lunghi. Anche se non è sempre consigliabile, utilizzando dispositivi optoisolati le linee di trasmissione e il riferimento possono essere di tipo floating, cioè senza alcun riferimento a potenziali esterni alla linea stessa.

I principali svantaggi di questo metodo sono:

La relativa lentezza della trasmissione: in funzione dei componenti usati, le velocità difficilmente può raggiungere i 10 Mbit/s.
La necessità di disporre di alimentazioni isolate per i due lati del circuito, impedendo la possibilità di un'alimentazione unica per abbattere i costi.
L'efficacia nulla contro tensioni differenziali (anche se viene comunque garantita la sicurezza dei dispositivi collegati anche nel caso di eventi "catastrofici")

Le tecniche di shunt

Queste tecniche si basano sull'uso di componenti che riescono a bloccare la tensione ai loro capi a valori predefiniti, assorbendo anche migliaia di ampere; dispositivi di questo tipo sono i MOV, i Tranzorb®, gli scaricatori a gas e, con qualche limitazione, i diodi zener generici.

Nei casi più complessi possono essere associati in parallelo dispositivi di tipo diverso, collegando un componente di potenza elevata ma non particolarmente veloce (quale uno scaricatore a gas) ad un altro più veloce. I due dispositivi devono essere connessi tra loro attraverso una resistenza di poche decine di ohm.

Le tensioni di soglia dei componenti di protezione devono essere scelte nell'ordine dei 6-8 V e la capacità parassita la più piccola possibile, soprattutto se sono richieste velocità di trasmissione elevate.

Protezione con scaricatori

Pur trattandosi di dispositivi in grado di gestire potenze istantanee di migliaia di watt, gli scaricatori sono poco efficaci nel confronto di differenze di potenziale applicate per lungo tempo, quali quelle causate da un corto circuito con le linea di alimentazione. In questo caso è opportuno collegare su ciascuna linee un fusibile (tipicamente 125 mA, non indicato nello schema), possibilmente del tipo auto-ripristinante. Il montaggio di questi dispositivi richiede che siano installati presso ciascun trasmettitore e ricevitore, e che siano connessi alla terra locale di protezione attraverso un percorso breve ed a bassa impedenza.

Un problema legato al collegamento diretto con la terra deriva dal fatto che in questo modo il filo di riferimento della linea RS485 si comporta a sua volta come "collegamento di terra" tra i vari nodi senza essere dimensionato correttamente per questo scopo: è quindi consigliata la connessione dei dispositivi di trasmissione alla terra locale attraverso un resistore, per esempio da 100 ohm - 1/2 W.

La combinazione di shunt ed isolamento

Si tratta ovviamente dell'insieme dei due sistemi precedentemente descritti.

La soluzione in assoluto più sicura è costituita dalla presenza dell'isolamento ottico e di tre scaricatori per ciascun nodo, uno per ciascuna delle due linee di dati ed una per la connessione di riferimento. È richiesta la connessione all'impianto di terra.

Una soluzione alternativa, da applicare solo qualora non fosse disponibile un'adeguata connessione di terra, prevede sempre la presenza di tre scaricatori, uno tra ciascuna copia di fili.