RS485數據總線雷擊過壓防護

1． RS485總線的應用領域

工業控制，DCS，數據采集系統

高速公路收費系統

過程控制及制造

電力系統采集與控制系統

遠程終端互連


2． 雷擊過壓防護的必要性

由于RS485總線實行長距離傳輸(1200米以上)，而且其傳輸線通常暴露于戶外，因此極易因為雷擊等原因引入過電壓。而RS485收發器工作電壓較低（5V左右），其本身耐壓也非常低（-7V~+12V），一旦過壓引入，就會擊穿損壞。在有強烈的浪涌能量出現時，甚至可以看到收發器爆裂，線路板焦糊的現象。


3． 防護方法及原理






以上為RS485總線的兩級防護電路圖。當雷擊發生時，感應過電壓由T與R端引入，G1.G2進行共模防護，G3進行差模保護，此時過電壓被大大削弱到約500V左右，在經過電阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限壓后，到收發器的電壓被鉗制在6.8V左右，從而實現對收發器的保護。

型 號（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/防護中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積大/防護高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 體積小/防護低/成本中


5． 知識問答


問：各種器件的選擇依據是什么？

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。經過實際測試，該方案中的線繞電阻選擇10Ω/1W，價格低廉，效果不錯；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：過壓防護標準的依據是什么？

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


問：雷擊過壓防護的接地要求？

答：雷擊浪涌防護除了需要選擇優質的防護器件，進行良好的電路板設計，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。可靠的接地可以大大提高防護效果，而不良的接地也會大大消弱防護效果。


問：為了降低成本及體積，可不可以只采用一級防護？

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，因此必須兩級防護。


問：RS232，RS422的防護與RS485有何區別？

答：防護方法完全相同。只是根據其工作電壓的不同，精細保護器件TVS的電壓參數應選擇不同。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的區別
1、RS-232-C
RS-232-C是美國電子工業協會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標準。RS是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C表示修改次數。RS-232-C總線標準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。

在多數情況下主要使用主通道，對于一般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發送線、一條接收線及一條地線。
RS-232-C標準規定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C標準規定，驅動器允許有2500pF的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如，采用150pF/m的通信電纜時，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，廣泛采用RS-485 串行總線
RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發器具有高靈敏度，能檢測低至200mV的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。
RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。
RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485 可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。
3、RS-422
RS422總線,RS485和RS422電路原理基本相同，都是以差動方式發送和接受，不需要數字地線。
差動工作是同速率條件下傳輸距離遠的根本原因，這正是二者與RS232的根本區別，因為RS232是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數字地線 。發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互不影響，而RS485只能半雙工工作，發收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。
RS422和RS485在19kpbs下能傳輸1200米。用新型收發器線路上可連接臺設備。