防雷技術(shù)

RS485數(shù)據(jù)總線雷擊過壓防護(hù)

1． RS485總線的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)控制，DCS，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高速公路收費(fèi)系統(tǒng)

過程控制及制造

電力系統(tǒng)采集與控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程終端互連


2． 雷擊過壓防護(hù)的必要性

由于RS485總線實(shí)行長距離傳輸(1200米以上)，而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^電壓。而RS485收發(fā)器工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V~+12V），一旦過壓引入，就會(huì)擊穿損壞。在有強(qiáng)烈的浪涌能量出現(xiàn)時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂，線路板焦糊的現(xiàn)象。


3． 防護(hù)方法及原理






以上為RS485總線的兩級(jí)防護(hù)電路圖。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過電壓由T與R端引入，G1.G2進(jìn)行共模防護(hù)，G3進(jìn)行差模保護(hù)，此時(shí)過電壓被大大削弱到約500V左右，在經(jīng)過電阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限壓后，到收發(fā)器的電壓被鉗制在6.8V左右，從而實(shí)現(xiàn)對收發(fā)器的保護(hù)。

型 號(hào)（G1/G2/G3） 直流開啟電壓Vs(100V/S) 絕緣電阻Ir(DC100V) 靜電電容（1KHZ） 通流能量（10/700us）

GS41-181N 120V~240V ≥100MΩ ≤2PF 4KV/500A



4． 方案選擇與對比

G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2/3 比較

方案一 GS41-181N 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護(hù)中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積大/防護(hù)高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護(hù)低/成本中


5． 知識(shí)問答


問：各種器件的選擇依據(jù)是什么？

答：G1G2G3的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。如GS41-181N能承受10/700us，4KV雷擊測試；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷擊測試；64V固體管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷擊測試。R1R2可選擇限流效果最好的高成本PTC電阻，也可以選擇低成本線繞電阻。經(jīng)過實(shí)際測試，該方案中的線繞電阻選擇10Ω/1W，價(jià)格低廉，效果不錯(cuò)；PTC則可采用10歐左右，200~300mA,耐壓600V的陶瓷或高分子熱敏電阻。TVS1/2/3選擇根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓。


問：過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)是什么？

答：IEC61000-4-5，ITU-T K20/K21及國標(biāo)GB9043均有關(guān)于雷擊浪涌抗擾度測試標(biāo)準(zhǔn)。其通信線路的最高測試標(biāo)準(zhǔn)為10/700us,4KV。10/700us為通信線路中感應(yīng)出的雷電壓波形，表示從零值上升至峰值為時(shí)間為10us，下降至峰值的一半為700us。


問：雷擊過壓防護(hù)的接地要求？

答：雷擊浪涌防護(hù)除了需要選擇優(yōu)質(zhì)的防護(hù)器件，進(jìn)行良好的電路板設(shè)計(jì)，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的連接至大地，且接地電阻不能超過10歐?？煽康慕拥乜梢源蟠筇岣叻雷o(hù)效果，而不良的接地也會(huì)大大消弱防護(hù)效果。


問：為了降低成本及體積，可不可以只采用一級(jí)防護(hù)？

答：不行。能承受大能量雷擊的器件（如RS485）不可能一次將雷擊電壓鉗制到芯片可以承受的水平。TVS雖然可以將雷擊電壓一次鉗制到芯片可以承受的水平，但是不能承受大的雷擊能量，因此必須兩級(jí)防護(hù)。


問：RS232，RS422的防護(hù)與RS485有何區(qū)別？

答：防護(hù)方法完全相同。只是根據(jù)其工作電壓的不同，精細(xì)保護(hù)器件TVS的電壓參數(shù)應(yīng)選擇不同。如RS232最大工作電壓為15V，則TVS選擇為P6KE18CA（18V），RS422最大工作電壓為12V，則TVS選擇為P6KE15CA（15V）。

問：RS232，RS422，RS485的區(qū)別
1、RS-232-C
RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。

在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。
RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。
2、RS-485
RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線
RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。
RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。
RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。
3、RS-422
RS422總線,RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動(dòng)方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。
差動(dòng)工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是二者與RS232的根本區(qū)別，因?yàn)镽S232是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線 。發(fā)送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。
RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時(shí)進(jìn)行，但它只需要一對雙絞線。
RS422和RS485在19kpbs下能傳輸1200米。用新型收發(fā)器線路上可連接臺(tái)設(shè)備。
 

RS485數(shù)據(jù)總線雷擊過壓防護(hù)

1． RS485總線的應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)控制，DCS，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

高速公路收費(fèi)系統(tǒng)

過程控制及制造

電力系統(tǒng)采集與控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程終端互連


2． 雷擊過壓防護(hù)的必要性

由于RS485總線實(shí)行長距離傳輸(1200米以上)，而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因?yàn)槔讚舻仍蛞脒^電壓。而RS485收發(fā)器工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V~+12V），一旦過壓引入，就會(huì)擊穿損壞。在有強(qiáng)烈的浪涌能量出現(xiàn)時(shí)，甚至可以看到收發(fā)器爆裂，線路板焦糊的現(xiàn)象。


3． 防護(hù)方法及原理






以上為RS485總線的兩級(jí)防護(hù)電路圖。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，感應(yīng)過電壓由T與R端引入，G1.G2進(jìn)行共模防護(hù)，G3進(jìn)行差模保護(hù)，此時(shí)過電壓被大大削弱到約500V左右，在經(jīng)過電阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限壓后，到收發(fā)器的電壓被鉗制在6.8V左右，從而實(shí)現(xiàn)對收發(fā)器的保護(hù)。

型 號(hào)（G1/G2/G3） 直流開啟電壓Vs(100V/S) 絕緣電阻Ir(DC100V) 靜電電容（1KHZ） 通流能量（10/700us）

GS41-181N 120V~240V ≥100MΩ ≤2PF 4KV/500A



4． 方案選擇與對比

G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2/3 比較

方案一 GS41-181N 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護(hù)中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積大/防護(hù)高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護(hù)低/成本中


5． 知識(shí)問答


問：各種器件的選擇依據(jù)是什么？

答：G1G2G3的選擇首先考慮其耐壓耐流能力。如GS41-181N能承受10/700us，4KV雷擊測試；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷擊測試；64V固體管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷擊測試。R1R2可選擇限流效果最好的高成本PTC電阻，也可以選擇低成本線繞電阻。經(jīng)過實(shí)際測試，該方案中的線繞電阻選擇10Ω/1W，價(jià)格低廉，效果不錯(cuò)；PTC則可采用10歐左右，200~300mA,耐壓600V的陶瓷或高分子熱敏電阻。TVS1/2/3選擇根據(jù)芯片的工作電壓與耐壓決定，一般略高于芯片最高工作電壓。


問：過壓防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)是什么？

答：IEC61000-4-5，ITU-T K20/K21及國標(biāo)GB9043均有關(guān)于雷擊浪涌抗擾度測試標(biāo)準(zhǔn)。其通信線路的最高測試標(biāo)準(zhǔn)為10/700us,4KV。10/700us為通信線路中感應(yīng)出的雷電壓波形，表示從零值上升至峰值為時(shí)間為10us，下降至峰值的一半為700us。


問：雷擊過壓防護(hù)的接地要求？

答：雷擊浪涌防護(hù)除了需要選擇優(yōu)質(zhì)的防護(hù)器件，進(jìn)行良好的電路板設(shè)計(jì)，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的連接至大地，且接地電阻不能超過10歐?？煽康慕拥乜梢源蟠筇岣叻雷o(hù)效果，而不良的接地也會(huì)大大消弱防護(hù)效果。


問：為了降低成本及體積，可不可以只采用一級(jí)防護(hù)？

答：不行。能承受大能量雷擊的器件（如RS485）不可能一次將雷擊電壓鉗制到芯片可以承受的水平。TVS雖然可以將雷擊電壓一次鉗制到芯片可以承受的水平，但是不能承受大的雷擊能量，因此必須兩級(jí)防護(hù)。


問：RS232，RS422的防護(hù)與RS485有何區(qū)別？

答：防護(hù)方法完全相同。只是根據(jù)其工作電壓的不同，精細(xì)保護(hù)器件TVS的電壓參數(shù)應(yīng)選擇不同。如RS232最大工作電壓為15V，則TVS選擇為P6KE18CA（18V），RS422最大工作電壓為12V，則TVS選擇為P6KE15CA（15V）。

問：RS232，RS422，RS485的區(qū)別
1、RS-232-C
RS-232-C是美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS是英文“推薦標(biāo)準(zhǔn)”的縮寫，232為標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示修改次數(shù)。RS-232-C總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)有25條信號(hào)線，包括一個(gè)主通道和一個(gè)輔助通道。

在多數(shù)情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號(hào)線就可實(shí)現(xiàn)，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。
RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，驅(qū)動(dòng)器允許有2500pF的電容負(fù)載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時(shí)，最大通信距離為15m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可以增加。傳輸距離短的另一原因是RS-232屬單端信號(hào)傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾等問題，因此一般用于20m以內(nèi)的通信。
2、RS-485
RS-485總線,在要求通信距離為幾十米到上千米時(shí)，廣泛采用RS-485 串行總線
RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號(hào)能在千米以外得到恢復(fù)。
RS-485采用半雙工工作方式，任何時(shí)候只能有一點(diǎn)處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號(hào)加以控制。
RS-485用于多點(diǎn)互連時(shí)非常方便，可以省掉許多信號(hào)線。應(yīng)用RS-485 可以聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和32臺(tái)接收器。
3、RS-422
RS422總線,RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動(dòng)方式發(fā)送和接受，不需要數(shù)字地線。
差動(dòng)工作是同速率條件下傳輸距離遠(yuǎn)的根本原因，這正是二者與RS232的根本區(qū)別，因?yàn)镽S232是單端輸入輸出，雙工工作時(shí)至少需要數(shù)字地線 。發(fā)送線和接受線三條線（異步傳輸），還可以加其它控制線完成同步等功能。
RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時(shí)進(jìn)行，但它只需要一對雙絞線。
RS422和RS485在19kpbs下能傳輸1200米。用新型收發(fā)器線路上可連接臺(tái)設(shè)備。
　

SPD級(jí)間配合的計(jì)算——應(yīng)用行波理論進(jìn)行過電壓分析
作者: www.tj-spd.cn 時(shí)間: 2007-11-29


目前，我們在考慮低壓配電系統(tǒng)的過電壓防護(hù)時(shí)，一般采用多級(jí)保護(hù)，這里面存在著一個(gè)前級(jí)保護(hù)和后級(jí)保護(hù)如何配合的問題，我們不妨用行波理論來分析一下。

在低壓配電系統(tǒng)的過電壓保護(hù)中，通常第一級(jí)采用放電間隙，以泄放大的雷電流；在第二級(jí)采用限壓元件，將殘壓控制在設(shè)備的沖擊絕緣水平以下。

由于限壓元件的響應(yīng)時(shí)間較快，一般為25ns左右，而放電間隙的響應(yīng)時(shí)間則比較慢，約為100ns。那如何才能保證第一級(jí)保護(hù)比第二級(jí)保護(hù)先動(dòng)作，以泄放大的雷電流呢？

我們來做一個(gè)計(jì)算：雷電侵入波沿著電力電纜侵入，首先到達(dá)放電間隙，由于放電間隙有響應(yīng)時(shí)延，侵入波將繼續(xù)向前行進(jìn)，我們應(yīng)該保證的是在侵入波到達(dá)限壓元件之前讓放電間隙動(dòng)作。

我們知道了波在電纜中的傳播速度為V=1.5×10[8]m/s，放電間隙的動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間T為100ns，限壓元件的響應(yīng)時(shí)間為25ns，那么，波在這個(gè)時(shí)間差（100－25）ns內(nèi)向前行進(jìn)的距離S為：

S=V * T=（1.5×10[8]m/s）×（75×10[-9]s）=11.25m

也就是說，如果第一級(jí)保護(hù)器件和第二級(jí)保護(hù)器件之間的距離（電纜）大于11.25m，就能夠保證前級(jí)保護(hù)先動(dòng)作，從而達(dá)到將大的雷電流先泄放掉的目的。由于防雷器件的實(shí)際響應(yīng)時(shí)間有一定的誤差，故應(yīng)將前、后級(jí)保護(hù)器件間的距離考慮得更長一些，作者認(rèn)為15m是比較合適的。

如果前后兩級(jí)保護(hù)均為限壓型器件，響應(yīng)時(shí)間均為25ns，但考慮到其實(shí)際響應(yīng)時(shí)間的誤差（可假定為25ns），那么為了保證前級(jí)先動(dòng)作，則兩級(jí)保護(hù)間的距離應(yīng)該為：

S=V * T=（1.5×10[8]m/s）×（25×10[-9]s）=3.75m

在國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94（2000年版）中，第6.4.11條規(guī)定“在一般情況下，當(dāng)在線路上多處安裝SPD且無準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時(shí)，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不宜小于10m，限壓型SPD之間的線路長度不宜小于5m?！?；另外，在信息產(chǎn)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信局（站）雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》YD／T 5098-2001中，第3.7.8條規(guī)定“當(dāng)上一級(jí)SPD為開關(guān)型SPD，次級(jí)SPD采用限壓型SPD時(shí)，兩者之間的電纜線間距應(yīng)大于10m。當(dāng)上一級(jí)SPD與次級(jí)SPD都采用限壓型SPD時(shí)，兩者之間的電纜線間距應(yīng)大于5m。”

根據(jù)上面的計(jì)算，電壓開關(guān)型SPD與限壓型SPD之間的線路長度不小于10m似乎稍嫌小了些，而限壓型SPD之間的線路長度不小于5m則是合適的。

在實(shí)際的工程中，有時(shí)很難保證第一級(jí)保護(hù)器件（間隙型）和第二級(jí)保護(hù)器件之間的距離（電纜）大于15m，因此，我們經(jīng)常采用集中電感來等效這個(gè)距離。這個(gè)電感的電感量為多少才合適呢？我們也可以計(jì)算一下：

導(dǎo)線的L0≈1.6×10[-6] H/m，為了等效15m長導(dǎo)線分布參數(shù)的電感量，集中電感應(yīng)為：
L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×15m = 24μH
也就是說，我們可以用電感量為24μH的集中電感來等效15m長的導(dǎo)線。

如果前后兩級(jí)均為限壓型器件，按國標(biāo)《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50057-94（2000年版）和信息產(chǎn)業(yè)部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信局（站）雷電過電壓保護(hù)工程設(shè)計(jì)規(guī)范》YD／T 5098-2001的規(guī)定，兩級(jí)間的距離應(yīng)大于5m。若用集中電感來等效，則電感量應(yīng)為：

L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×5m = 8μH

行進(jìn)波遇到電感將發(fā)生折、反射，從能量的角度出發(fā)，一部分能量被反射回去，那么折射過來繼續(xù)前進(jìn)的能量必然會(huì)減小。同時(shí)，電感能夠使侵入波的波頭陡度降低，這也是對過電壓保護(hù)有利的一個(gè)因素。

以上只是舉了一個(gè)利用行波理論來分析低壓配電系統(tǒng)過電壓的簡單的例子。對于低壓配電系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)以及天饋系統(tǒng)中過電壓保護(hù)的很多問題，都可以應(yīng)用行波理論來分析研究。