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。
 

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。
　

SPD級間配合的計算——應用行波理論進行過電壓分析
作者: www.tj-spd.cn 時間: 2007-11-29


目前，我們在考慮低壓配電系統的過電壓防護時，一般采用多級保護，這里面存在著一個前級保護和后級保護如何配合的問題，我們不妨用行波理論來分析一下。

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

由于限壓元件的響應時間較快，一般為25ns左右，而放電間隙的響應時間則比較慢，約為100ns。那如何才能保證第一級保護比第二級保護先動作，以泄放大的雷電流呢？

我們來做一個計算：雷電侵入波沿著電力電纜侵入，首先到達放電間隙，由于放電間隙有響應時延，侵入波將繼續向前行進，我們應該保證的是在侵入波到達限壓元件之前讓放電間隙動作。

我們知道了波在電纜中的傳播速度為V=1.5×10[8]m/s，放電間隙的動作響應時間T為100ns，限壓元件的響應時間為25ns，那么，波在這個時間差（100－25）ns內向前行進的距離S為：

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

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

如果前后兩級保護均為限壓型器件，響應時間均為25ns，但考慮到其實際響應時間的誤差（可假定為25ns），那么為了保證前級先動作，則兩級保護間的距離應該為：

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

在國標《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版）中，第6.4.11條規定“在一般情況下，當在線路上多處安裝SPD且無準確數據時，電壓開關型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，在信息產業部行業標準《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規范》YD／T 5098-2001中，第3.7.8條規定“當上一級SPD為開關型SPD，次級SPD采用限壓型SPD時，兩者之間的電纜線間距應大于10m。當上一級SPD與次級SPD都采用限壓型SPD時，兩者之間的電纜線間距應大于5m。”

根據上面的計算，電壓開關型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。

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

導線的L0≈1.6×10[-6] H/m，為了等效15m長導線分布參數的電感量，集中電感應為：
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長的導線。

如果前后兩級均為限壓型器件，按國標《建筑物防雷設計規范》GB50057-94（2000年版）和信息產業部行業標準《通信局（站）雷電過電壓保護工程設計規范》YD／T 5098-2001的規定，兩級間的距離應大于5m。若用集中電感來等效，則電感量應為：

L = L0×S =1.6×10[-6] H/m×5m = 8μH

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

以上只是舉了一個利用行波理論來分析低壓配電系統過電壓的簡單的例子。對于低壓配電系統、信號系統以及天饋系統中過電壓保護的很多問題，都可以應用行波理論來分析研究。