防雷技术

RS485数据总线雷击过压防护

1． RS485总线的应用领域

工业控制，DCS，数据采集系统

高速公路收费系统

过程控制及制造

电力系统采集与控制系统

远程终端互连


2． 雷击过压防护的必要性

由于RS485总线实行长距离传输(1200米以上)，而且其传输线通常暴露于户外，因此极易因为雷击等原因引入过电压。而RS485收发器工作电压较低（5V左右），其本身耐压也非常低（-7V~+12V），一旦过压引入，就会击穿损坏。在有强烈的浪涌能量出现时，甚至可以看到收发器爆裂，线路板焦糊的现象。


3． 防护方法及原理






以上为RS485总线的两级防护电路图。当雷击发生时，感应过电压由T与R端引入，G1.G2进行共模防护，G3进行差模保护，此时过电压被大大削弱到约500V左右，在经过电阻R1R2限流，TVS1/2/3二次限压后，到收发器的电压被钳制在6.8V左右，从而实现对收发器的保护。

型 号（G1/G2/G3） 直流开启电压Vs(100V/S) 绝缘电阻Ir(DC100V) 静电电容（1KHZ） 通流能量（10/700us）

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



4． 方案选择与对比

G1/G2/G3 R1/R2 TVS1/2/3 比较

方案一 GS41-181N 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护中/成本低

方案二 3R090 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积大/防护高/成本高

方案三 P0640 10Ω/1W P6KE6.8CA 体积小/防护低/成本中


5． 知识问答


问：各种器件的选择依据是什么？

答：G1G2G3的选择首先考虑其耐压耐流能力。如GS41-181N能承受10/700us，4KV雷击测试；90V陶瓷管（3R090）可承受10/700us，8KV雷击测试；64V固体管（P0640）只能承受10/700us，3KV雷击测试。R1R2可选择限流效果最好的高成本PTC电阻，也可以选择低成本线绕电阻。经过实际测试，该方案中的线绕电阻选择10Ω/1W，价格低廉，效果不错；PTC则可采用10欧左右，200~300mA,耐压600V的陶瓷或高分子热敏电阻。TVS1/2/3选择根据芯片的工作电压与耐压决定，一般略高于芯片最高工作电压。


问：过压防护标准的依据是什么？

答：IEC61000-4-5，ITU-T K20/K21及国标GB9043均有关于雷击浪涌抗扰度测试标准。其通信线路的最高测试标准为10/700us,4KV。10/700us为通信线路中感应出的雷电压波形，表示从零值上升至峰值为时间为10us，下降至峰值的一半为700us。


问：雷击过压防护的接地要求？

答：雷击浪涌防护除了需要选择优质的防护器件，进行良好的电路板设计，接地也是其最重要的要求。一般防雷地都必要可靠的连接至大地，且接地电阻不能超过10欧。可靠的接地可以大大提高防护效果，而不良的接地也会大大消弱防护效果。


问：为了降低成本及体积，可不可以只采用一级防护？

答：不行。能承受大能量雷击的器件（如RS485）不可能一次将雷击电压钳制到芯片可以承受的水平。TVS虽然可以将雷击电压一次钳制到芯片可以承受的水平，但是不能承受大的雷击能量，因此必须两级防护。


问：RS232，RS422的防护与RS485有何区别？

答：防护方法完全相同。只是根据其工作电压的不同，精细保护器件TVS的电压参数应选择不同。如RS232最大工作电压为15V，则TVS选择为P6KE18CA（18V），RS422最大工作电压为12V，则TVS选择为P6KE15CA（15V）。

问：RS232，RS422，RS485的区别
1、RS-232-C
RS-232-C是美国电子工业协会EIA（Electronic Industry Association）制定的一种串行物理接口标准。RS是英文“推荐标准”的缩写，232为标识号，C表示修改次数。RS-232-C总线标准设有25条信号线，包括一个主通道和一个辅助通道。

在多数情况下主要使用主通道，对于一般双工通信，仅需几条信号线就可实现，如一条发送线、一条接收线及一条地线。
RS-232-C标准规定的数据传输速率为每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特。
RS-232-C标准规定，驱动器允许有2500pF的电容负载，通信距离将受此电容限制，例如，采用150pF/m的通信电缆时，最大通信距离为15m；若每米电缆的电容量减小，通信距离可以增加。传输距离短的另一原因是RS-232属单端信号传送，存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题，因此一般用于20m以内的通信。
2、RS-485
RS-485总线,在要求通信距离为几十米到上千米时，广泛采用RS-485 串行总线
RS-485采用平衡发送和差分接收，因此具有抑制共模干扰的能力。加上总线收发器具有高灵敏度，能检测低至200mV的电压，故传输信号能在千米以外得到恢复。
RS-485采用半双工工作方式，任何时候只能有一点处于发送状态，因此，发送电路须由使能信号加以控制。
RS-485用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。应用RS-485 可以联网构成分布式系统，其允许最多并联32台驱动器和32台接收器。
3、RS-422
RS422总线,RS485和RS422电路原理基本相同，都是以差动方式发送和接受，不需要数字地线。
差动工作是同速率条件下传输距离远的根本原因，这正是二者与RS232的根本区别，因为RS232是单端输入输出，双工工作时至少需要数字地线 。发送线和接受线三条线（异步传输），还可以加其它控制线完成同步等功能。
RS422通过两对双绞线可以全双工工作收发互不影响，而RS485只能半双工工作，发收不能同时进行，但它只需要一对双绞线。
RS422和RS485在19kpbs下能传输1200米。用新型收发器线路上可连接台设备。