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

Como muchos saben, uno puede implementar una comunicación simple de nodo a nodo rs485 usando solo dos cables, A y B. Bueno, el estándar especifica para conectar la tierra de los dos nodos.

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 no podía entender el concepto.

1. ¿Por qué el receptor no puede actuar simplemente como un voltímetro simple? midiendo el voltaje entre A y B?
2. Si ambos nodos funcionan con batería (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 esta conexión a tierra buena para la protección contra transitorios?

Nota: No pretendo tener la respuesta más científica, pero intentaré explicar las cosas de la forma en que las entiendo.

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 con batería 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 se diferencian por los componentes eléctricos dentro del amplificador (principalmente transistores) que tienen clasificaciones máximas absolutas entre su base y el colector / emisor. Esto se conoce como voltaje de entrada de modo 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 se refieren. Por ejemplo, si la diferencia entre A y B es 2.5v pero este voltaje es 20v desplazado por encima del suministro del amplificador de los receptores, ¿vería el amplificador (2.5 o 22.5)?

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

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

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

La idea de que ambos lados de la interfaz que funcionan con baterías de alguna manera marcaría la diferencia también es un mito. Todo se reduce a cuál es el voltaje de modo común entre el transmisor GND y el receptor GND. La conexión del tercer cable mantiene el voltaje del modo común bajo control. Sin ella, cualquier influencia indebida en cualquiera de las unidades o en el bus entre los dos puede conducir a que el voltaje del modo común salga del rango de -7V a + 12V. Esta influencia podría deberse al acoplamiento en otros sistemas a través de EMI. También puede ser común ver esta presentación como una variación de CA que sigue a la frecuencia de la línea de red.

Tienes razón en que un receptor puro podría medir la diferencia entre las dos líneas de señal. Sin embargo, cualquier medio para hacerlo tendrá un rango de modo común en el que deben permanecer las señales individuales. La especificación proporciona el rango de modo común que los nodos deben poder 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 garantice su conformidad.

Incluso si su receptor se configuró para que las líneas de datos condujeran optoaisladores, por ejemplo, todavía tiene una limitación de voltaje de modo común. Puede ser de unos pocos miles de voltios en lugar de unos pocos voltios, pero siempre habrá un voltaje de modo común más allá del cual el receptor ya no funcionará.

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

Basado en las otras respuestas, voy a ofrecer esto como un ejemplo. Tenga en cuenta que esta respuesta sigue el viejo adagio "a veces un poco de inexactitud ahorra toneladas de explicación".

Digamos que tiene dos dispositivos RS485 que están aislados eléctricamente. Conecta las líneas A y B como de costumbre. Sin embargo, debido a las capacidades parásitas y otros vudú de ingeniería eléctrica, uno de los dispositivos está flotando a 3000 voltios más alto que el otro.

No hay problema ¿verdad? El receptor solo ve las líneas A y B entrando a 3000V y 3012V, selecciona el diferencial de 12V que está dentro de las especificaciones y se apaga.

Bueno, debido a las capacidades parásitas, los dispositivos en realidad no están 100% aislados, por lo que el dispositivo receptor realmente ve 3000 voltios en las líneas A y B en relación con su propia fuente de alimentación. El chip RS485 que está usando 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 pequeña, por lo que ni siquiera vería una chispa, pero es suficiente para causar daños similares a ESD a otros circuitos integrados en el circuito, evitando que funcionen correctamente.

Al conectar un cable GND entre ambos dispositivos, la diferencia de 3000 voltios se eliminará por la misma corriente microscópica que viaja a través del cable GND en lugar de los otros circuitos integrados en el dispositivo, y la compensación de 3000 voltios en las líneas de señalización A y B desaparecerá.

De alguna manera, la línea GND está cumpliendo un propósito similar aquí como una resistencia desplegable, asegurando que todas las líneas de señal estén en niveles conocidos en lugar de flotar aleatoriamente por todo el lugar.

Sí, la especificación RS485 solo analiza 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. Para evitar que ese voltaje en particular se salga del rango, se garantiza que todos los GND del dispositivo sean iguales, por lo que un cable GND entre todos los dispositivos RS485 hace exactamente eso. Sí, en teoría, los dispositivos aislados eléctricamente no tendrán voltajes masivos entre ellos, en la práctica parece que el aislamiento no siempre es perfecto, así que no cuentes con él.

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.