Pino de terra da rede RS485 - quando conectar?

Como muitos sabem, é possível implementar um nó simples para a comunicação rs485 do nó usando apenas dois fios, A e B. Bem, o padrão especifica para conectar o terra dos dois nós.

da Wikipedia:

Além das conexões A e B, o padrão EIA também especifica um terceiro ponto de interconexão chamado C, que é o terra de referência de sinal comum.

Eu me deparei com dezenas de artigos que falam sobre essa terceira conexão, mas ainda não conseguia entender o conceito.

1. Por que o receptor não pode simplesmente agir como um voltímetro simples? medindo a voltagem entre A e B?
2. Se os dois nós forem operados com bateria (bateria diferente para cada nó), a conexão à terra faz alguma diferença?
3. Por que é melhor aterrar os nós (externos) quando os cabos são longos?
4. Como essa conexão de terra é boa para proteção contra transientes?

Nota: Não pretendo ter a resposta mais científica, mas tentarei explicar as coisas da maneira que as entendo.

1. Não sei se o argumento Voltímetro é 100% válido, uma vez que é um dispositivo de baixa velocidade, um exemplo mais apropriado seria o osciloscópio operado por bateria ou uma sonda de osciloscópio diferencial.

2. Lembre-se da definição de tensão, que é uma diferença potencial entre 2 pontos. Os sinais A e B são diferenciados pelos componentes elétricos no interior do amplificador (principalmente transistores), todos com classificações máximas absolutas entre sua base e coletor / emissor. Isso é chamado de tensão diferencial máxima do modo comum do amplificador diferencial em relação à sua própria terra. Portanto, as tensões A e B não têm sentido sem especificar a que são referenciadas. Por exemplo, se a diferença entre A e B for 2,5v, mas essa tensão for 20v deslocada acima da fonte do amplificador de receptores, o amplificador veria (2,5 ou 22,5)?

3. 4: Os cabos externos de longa distância são mais propensos a ruído ou ESD ou qualquer fonte de carga ou corrente que possa entrar no barramento (que possui impedância específica e resistência DC), portanto, se a quantidade de carga / corrente for alta o suficiente multiplicada pela resistência mais alta (de cabo longo) causaria um aumento maior da tensão no receptor, o que poderia causar danos. Aterramento nesta situação pode ser usado para fornecer caminho para os picos que atingem o escudo e pode ser usado como uma referência estável ao solo.

Se o circuito do receptor RS485 pode ser alterado para ser flutuante e totalmente capaz de agir como o voltímetro / osciloscópio, pode ser totalmente possível adicionando componentes extras, circuitos de isolamento, etc. mas com custo, complexidade e tamanho adicionais, além da capacidade de um pequeno IC como o MAX485.

É um mito que você possa fazer com que as interfaces RS485 funcionem sem o fio terra comum (C) conectado entre os vários dispositivos no barramento. O receptor só é capaz de medir o potencial relativo entre os sinais A e B quando a tensão de modo comum das entradas A e B é mantida entre -7V e + 12V da referência GND do receptor.

A idéia de que ambos os lados da interface sendo operada com baterias de alguma forma faria diferença também é um mito. Tudo se resume a qual é a tensão do modo comum entre o transmissor GND e o receptor GND. A terceira conexão de fio mantém a tensão do modo comum sob controle. Sem isso, qualquer influência indevida na unidade ou no barramento entre os dois pode levar a tensão do modo comum a sair da faixa de -7V a + 12V. Essa influência pode ser devido ao acoplamento em outros sistemas através do EMI. Também pode ser comum ver isso aparecer como variação CA que segue a frequência da linha de alimentação.

Você está certo de que um receptor puro poderia apenas medir a diferença entre as duas linhas de sinal. No entanto, qualquer meio de fazer isso terá uma faixa de modo comum em que os sinais individuais devem permanecer dentro. A especificação fornece o intervalo de modo comum que os nós devem poder tolerar.

Sem um terceiro fio de referência, não há como definir essa tensão no modo comum e, portanto, não há como criar um receptor que seja garantido como compatível.

Mesmo que seu receptor tenha sido configurado para que as linhas de dados gerem opto-isoladores, por exemplo, você ainda tem uma limitação de tensão no modo comum. Pode ser alguns milhares de volts, em vez de alguns, mas sempre haverá alguma tensão no modo comum além da qual o receptor não funcionará mais.

Até agora, tratava-se apenas de receber o sinal RS-485. Dirigir os sinais RS-485 é muito mais limitador. Os sinais de dados são especificados como sendo 0-5 V nominais em relação ao fio terra. Sem um fio terra, você não tem como garantir isso. O circuito que aciona os dois sinais será referenciado a alguma coisa. Que algo precisa estar conectado aos outros transmissores e receptores no barramento.

Com base nas outras respostas, vou oferecer isso como um exemplo. Lembre-se de que esta resposta segue o velho ditado "às vezes um pouco de imprecisão economiza toneladas de explicações".

Digamos que você tenha dois dispositivos RS485 eletricamente isolados. Você conecta as linhas A e B normalmente. No entanto, devido a capacitâncias dispersas e outro vodu de engenharia elétrica, um dos dispositivos está flutuando a 3000 volts mais alto que o outro.

Não tem problema certo? O receptor apenas vê as linhas A e B entrando em 3000V e 3012V, escolhe o diferencial de 12V que está dentro da especificação e lá vai?

Bem, por causa das capacitâncias dispersas, os dispositivos não são realmente 100% isolados e, portanto, o dispositivo receptor vê 3000 volts nas linhas A e B em relação à sua própria fonte de alimentação. O chip RS485 que ele está usando é classificado apenas para fornecer 2500 volts de isolamento, de modo que a tensão de entrada é capaz de saltar esse chip e fritar outra parte do circuito. A corrente disponível nessa tensão é pequena para que você nem veja uma faísca, mas é suficiente para causar danos semelhantes a ESD a outros ICs no circuito, impedindo-os de funcionar corretamente.

Ao conectar um fio GND entre os dois dispositivos, a diferença de 3000 volts será removida pela mesma corrente microscópica que viaja através do fio GND em vez dos outros ICs no dispositivo, e o deslocamento de 3000 volts nas linhas de sinalização A e B desaparecerá.

De certa forma, a linha GND está servindo a um objetivo semelhante aqui como um resistor pull-down, garantindo que todas as linhas de sinal estejam em níveis conhecidos, em vez de flutuar aleatoriamente por todo o lugar.

Sim, a especificação RS485 analisa apenas a diferença entre as linhas de sinal A e B, mas cada dispositivo também possui uma tensão máxima permitida entre sua própria fonte de alimentação GND e as linhas de sinal. A interrupção dessa tensão específica fica fora da faixa, garantindo que todos os GNDs do dispositivo sejam os mesmos; portanto, um fio GND entre todos os dispositivos RS485 faz exatamente isso. Sim, na teoria, dispositivos eletricamente isolados não terão tensões massivas entre eles, na prática, parece que o isolamento nem sempre é perfeito, então não conte com isso.

O ponto C é um caminho de retorno para a corrente em A e B. Isso permite que a corrente retorne à fonte para concluir o circuito.