CN103887786A - 保护rs485收发器的防雷器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种保护RS485收发器的防雷器，该防雷器包括三条分别与三只符合RS485通信规约的信号收发器连接的防雷电路。这三条防雷电路的电路结构相同，呈并联关系，均具有发射信号接入端、接收信号接入端、发射信号接出端、接收信号接出端、气体放电管、第一瞬态电压抑制器、第二瞬态电压抑制器和第三瞬态电压抑制器。该防雷器可以同时对三只RS485信号收发器提供防雷击电涌保护，使得在有限的安装空间内能够保护更多的RS485信号收发器，从而提高了资源的有效利用率、提高了系统运行的可靠性以及降低了维护成本。

Description

保护RS485收发器的防雷器

技术领域

本发明涉及一种防雷器，特别涉及一种能够同时对三个符合S485通信规约的信号收发器进行防雷保护的防雷器。

背景技术

随着数字通讯技术的发展和智能家电的普及，一个系统往往由多个需要相互通讯的终端组成，例如，工业自动化系统、楼宇安全监控系统、智能煤气表、水电表的自动抄表系统以及超市的自动收费系统等，这些系统都存在多站式、远距离通信问题。由于双绞线传输的RS485总线仅需用一对双绞线即可实现通信距离为几十米到上千米的多站联网构成的分布式系统，且设备简单、价格低廉，故在以上系统的工程实践中获得广泛应用。

但同时在采用一条总线将各个节点串接起来的双绞线作传输线构成的RS485总线网络分布结构中，传输线一般在室外架空或沿电缆沟敷设，所以，在雷雨季节常发生因雷电在传输线上引起的瞬变干扰而导致传输线上的多个RS485收发器损坏，严重时会导致数据丢失，整个网络系统瘫痪，资源损失惨重！故防雷措施是RS485工程技术实际使用中必须考虑的问题，也是提高系统可靠性一个十分重要的措施。

然而，在现有RS485总线网络的防雷技术中，应用最为广泛的是在总线输入端嵌入式安装接入防雷器，同时在多站联网的每个节点即总线上的每只RS485收发器输入端再嵌入接入一个防雷器。这种防雷措施虽然全面，但不足之处是一只防雷器只能为与其相连的一只S485收发器提供防雷击电涌保护，而无法对其它RS485收发器提供防雷击电涌保护。如果给每只RS485收发器均设置一个防雷器，不仅防雷成本较高，而且会占用较多的安装空间，不利于在工程上得到普及应用，从而限制了防雷技术的发展。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够同时对三个符合RS485通信规约的信号收发器进行防雷击电涌保护的防雷器。

为了实现上述目的，本发明采用了以下结构：

本发明提供一种防雷器，用于对三个RS485信号收发器提供防雷保护，其特征在于，包括：至少三条具有相同电路结构的防雷电路，分别与三个被保护的RS485信号收发器对应相连。防雷电路具有：三个未受防雷保护的RS485发射信号接入端IT，分别与三个RS485信号收发器的发射信号端连接；三个未受防雷保护的接收信号接入端IR，分别与三个RS485信号收发器的接收信号端连接；三个受到防雷保护的RS485发射信号接出端0T，一端通过第一电阻R1、R3、R5分别与三个发射信号接入端IT连接，另一端与三个RS485信号收发器的发射信号端连接；三个受到防雷保护的RS485接收信号接出端0R，一端通过第二电阻R2、R4、R6分别与三个接收信号接入端IR相连，另一端与三个RS485信号收发器的接收信号端连接；通过两个端线分别与三个发射信号接入端IT和三个接收信号接入端IR相连，公共端接信号地PE的气体放电管GDT1、GDT2、GDT3；连接在三个发射信号接出端0T与三个接收信号接出端0R之间的第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7；连接在三个接收信号接出端0R与信号地PE之间的第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8以及连接在三个发射信号接出端0T与信号地PE之间的第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9。

另外，在本发明防雷器中，第一电阻R1、R3、R5和第二电阻R2、R4、R6均为高精度金属氧化膜功率电阻，电阻值为1～5Ω。

另外，在本发明防雷器中，第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7、第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8、第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9均为两个反向并联的单向瞬态抑制二极管。

另外，在本发明防雷器中，气体放电管GDT1、GDT2、GDT3为三端陶瓷气体放电管。

进一步，在本发明防雷器中，三条防雷电路为并联，共用信号地PE接地。

发明作用与效果

根据本发明防雷器，因为该防雷器包括三条电路结构相同的防雷电路，这三条防雷电路分别同三只RS485信号收发器连接，所以该防雷器可以同时对三只RS485信号收发器提供防雷击电涌保护，使得在有限的安装空间内能够保护更多的RS485信号收发器，从而提高了资源的有效利用率、提高了系统运行的可靠性以及降低了维护和使用成本。

另一方面，因为本发明防雷器采用两级保护电路，第一级保护电路能够泄放电流，第二级保护电路能够钳制电压，所以该防雷器具有较高的通流容量，能够为RS485信号收发器提供共模信号和差模信号全面的防雷保护。

附图说明

图1为本发明涉及的防雷器的主视图。

图2为本发明涉及的防雷器的俯视图。

图3为本发明涉及的防雷器的分解图。

图4为本发明涉及的防雷电路的保护原理图。

图5为本发明涉及的一块PCB电路板的电气元件布线示意图。

图6为本发明涉及的另一块PCB电路板的电气元件布线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明涉及的防雷器进行详细的说明。

实施例

本实施例中，一个防雷器可以与三个符合RS485通信规约的信号收发器进行防雷保护相连，用于对这三个RS485信号收发器进行防雷击电涌保护。

每只RS485信号收发器均具有发射信号端和接收信号端。发射信号端发射本站点信号，接收信号端接收远方或总线的外来信号。当未连接防雷器时，每只RS485信号收发器的发射信号端发出的信号被位于远方或总线上的另外一只或其它多只RS485信号收发器的接收信号端接收。位于远方或总线上的一只或其它多只RS485RS485信号收发器的发射信号端发出的信号又可以被这只信号收发器的接收信号端接收，从而完成信号的通讯收发工作。

图1为本发明涉及的防雷器的主视图。

图2为本发明涉及的防雷器的俯视图。

图3为本发明涉及的防雷器的分解图。

如图1、2或3所示，防雷器3包括两块PCB电路板9、电路板支架10、接地导电片11、两个安装外壳12以及导轨18。

其中，两块PCB电路板9上共焊接有三条防雷电路，用于为三只RS485信号收发器提供防雷保护。

电路板支架10用于安装固定两块PCB电路板9。

接地导电片11用于为PCB电路板9提供接地连接。

安装外壳12用于将PCB电路板9、电路板支架10和接地导电片11拼接在一起。安装外壳12的底部还有导轨18。导轨18可为TH35标准平导轨或TH32标准高低轨，便于为该防雷器3提供各种安装组合，使安装维护快捷方便。本实施例中采用TH35标准平导轨。现场安装中可根据工程需要采用TH35标准平导轨和TH32标准高低导轨中的其中一种。

图4为本发明涉及的防雷电路的保护原理图。

图5为本发明涉及的一块PCB电路板的电气元件布线示意图。

图6为本发明涉及的另一块PCB电路板的电气元件布线示意图。

如图4、5、6所示，防雷器3具有三条电路结构相同的防雷电路，三条防雷电路为并联关系，共用信号地PE接地。

三条防雷电路具有三个发射信号接入端IT、三个接收信号接入端IR、三个发射信号接出端0T、三个接收信号接出端0R、气体放电管GDT1、GDT2、GDT3、第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7、第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8和第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9。

其中，在三条防雷电路中，三个发射信号接入端IT分别与未受防雷保护的三个RS485信号收发器的发射信号端连接。

三个接收信号接入端IR分别与未受防雷保护的三个RS485信号收发器的接收信号端连接。

三个发射信号接出端0T处为受到防雷保护的三个RS485发射信号，它的一端通过第一电阻R1、R3、R5与三个发射信号接入端IT相连，另一端与三个RS485信号收发器的发射信号端相连。

三个接收信号接出端0R处为受到防雷保护的三个RS485接收信号，它的一端通过第二电阻R2、R4、R6与三个接收信号接入端IR相连，另一端与三个RS485信号收发器的接收信号端相连。

气体放电管GDT1、GDT2、GDT3通过两个端线分别与三个发射信号接入端IT和三个接收信号接入端IR相连，公共端接信号地PE。气体放电管GDT1、GDT2、GDT3为三端陶瓷气体放电管。气体放电管GDT1、GDT2、GDT3构成防雷电路的第一级保护电路，当发生雷击时，如果雷击电流过大，则气体放电管击穿导通，将雷击电流导入接地端PE，从而降低流经信号收发器的电流，最终起到保护信号收发器的作用。

第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7分别连接在三个发射信号接出端0T与接收信号接出端0R之间，为两个反向并联的单向瞬态抑制二极管。每个单向瞬态抑制二极管均有两个电极，这两个电极分别与发射信号接出端OT和接收信号接出端OR相连，在雷击时能够将发射信号接出端OT和接收信号接出端OR之间的第一端电压U₁钳制在30V以内。第一端电压U₁为RS485信号收发器的发射信号端和接收信号端之间的电压。

第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8连接在接收信号接出端0R与信号地PE之间，为两个反向并联的单向瞬态抑制二极管。每个单向瞬态抑制二极管均有两个电极，这两个电极分别与接收信号接出端OR和信号地PE相连，在雷击时能够将信号接出端OR和信号地PE之间的第二端电压U₂钳制在30V以内。第二端电压U₂为RS485信号收发器的接收信号端和信号地之间的电压。

第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9连接在发射信号接出端0T与信号地PE之间，为两个反向并联的单向瞬态抑制二极管。每个单向瞬态抑制二极管均有两个电极，这两个电极分别与发射信号接出端OT和信号地PE相连，在雷击时能够将发射信号接出端OT和信号地PE之间的第三端电压U₃钳制在30V以内。第三端电压U₃为RS485信号收发器的发射信号端和信号地PE之间的电压。

第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7、第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8和第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9构成防雷电路的第二级精细保护电路。当有雷击电流出现时，能降低该级保护电路的阻抗，将第一端电压U₁、第二端电压U₂和第三端电压U₃钳制在安全允许的电压范围内或标称值上，为后端接入的三个RS485收发器提供共模和差模的全面保护，使其免受雷击电涌损害，同时还具有插入损耗小，响应速度快和传输速率高的优点。

第一电阻R1、R3、R5的一端分别连接到三个发射信号接入端IT和气体放电管GDT1、GDT2、GDT3之间，另一端分别连接到三个发射信号接出端OT和第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7以及第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9之间。第二电阻R2、R4、R6的一端分别连接到三个接收信号接入端IR和气体放电管GDT1、GDT2、GDT3之间，另一端分别连接到接收信号接出端OR和第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7以及第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8之间。第一电阻R1、R3、R5和第二电阻R2、R4、R6均为高精度金属氧化膜功率电阻，电阻值一般为1～5Ω，本实施例取值为2Ω，功率值为2W。第一电阻R1、R3、R5和第二电阻R2、R4、R6起到能量匹配作用，当防雷电路遭到雷击时，第一电阻R1、R3、R5和第二电阻R2、R4、R6分别对雷击电流进行限流和在第一级保护电路和第二级精细保护电路之间进行能量匹配。

本防雷电路的防雷原理如下：

当无雷击时，三条防雷电路均呈高阻抗，但是RS485信号收发器接收和发射的通信信号能够在防雷电路中正常传输而不受干扰。

当发生雷击时，防雷电路的第二级精细保护电路在雷击10ns内响应，第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7、第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8和第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9分别将第一端电压U₁、第二端电压U₂和第三端电压U₃钳制在被保护信号的标称范围内即安全范围内。本实施例中，该标称范围为30V以下。

当雷击产生的电流过大，即大于5000A时，该雷击电流通过第一电阻R1、R3、R5和第二电阻R2、R4、R6传导到第一级保护电路，气体放电管GDT1、GDT2、GDT3立即导通，将该雷击电流通过信号地PE导向大地。因此，第二级保护电路的作用在于钳制电压，第一级保护电路的作用在于泄放电流。

连接在防雷电路三个发射信号接出端OT与三个接收信号接出端0R之间的第一瞬态电压抑制器TVS1、TVS4、TVS7对三个RS485信号收发器提供的是信号差模保护；连接在防雷电路三个接收信号接出端0R与信号地PE之间的第二瞬态电压抑制器TVS2、TVS5、TVS8和三个发射信号接出端OT与信号地PE之间的第三瞬态电压抑制器TVS3、TVS6、TVS9和对三个RS485信号收发器提供的是信号共模保护。

如图3所示，防雷器3是通过以下步骤组装起来的：

步骤一、分别将两块PCB电路板9相向焊接在电路板支架10的两个侧面上。

步骤二、将接地导电片11固定焊接于两块PCB电路板9对应的接地端PE上。

步骤三、用固定螺钉将两个安装外壳12与电路板支架10安装紧固在一起。

步骤四、分别在电路板支架10上的三个发射信号接入端IT、三个发射信号接出端OT、三个接收信号接入端IR、三个接收信号接出端OR、接地端PE对应的位置贴上相应的标签。

实施例的作用与效果

根据本发明防雷器，因为该防雷器采用三组瞬态电压抑制器和气体放电管，所以能够为RS485信号收发器提供信号共模和差模全面的防雷保护，通流容量大，插入损耗小，响应速度快、传输速率高，而且钳位低，保护可靠。

另外，因为本发明采用TH35标准平导轨和TH32标准高低导轨，所以便于各种安装方式的优化组合，外型美观，安装维护快捷方便。本发明整体采用标准化的结构设计，适于大规模生产。

另外，因为本发明有三条电路结构相同的防雷电路，可以同时对三只RS485信号收发器提供共模和差模全面的防雷保护，所以在有限的材料成本和安装空间条件下，能够节省一半的空间占用和材料消耗。

进一步，本发明还可根据防雷工程需要更容易地实现多组信号的扩展设计，制作多信道集中式网络通信线路防雷器。

Claims (5)

1.一种防雷器，用于对RS485信号收发器提供防雷保护，其特征在于，包括：

至少三条具有相同电路结构的防雷电路，三条所述防雷电路均与所述三个RS485信号收发器对应相连，

其中，所述防雷电路均具有：

未受防雷保护的所述三个RS485发射信号接入端（IT），与所述三个RS485信号收发器的发射信号端连接；

未受防雷保护的所述三个RS485接收信号接入端（IR），与所述三个RS485信号收发器的接收信号端连接；

受到防雷保护的所述三个RS485发射信号接出端（0T），一端通过第一电阻（R1、R3、R5）与所述三个发射信号接入端（IT）连接，另一端与所述三个RS485信号收发器的所述发射信号端连接；

受到防雷保护的所述三个RS485接收信号接出端（0R），一端通过第二电阻（R2、R4、R6）与所述三个接收信号接入端（IR）相连，另一端与所述三个RS485信号收发器的所述接收信号端连接；

通过两个端线分别与所述三个发射信号接入端（IT）和所述三个接收信号接入端（IR）相连，公共端接信号地（PE）的气体放电管（GDT1、GDT2、GDT3）；

连接在所述三个发射信号接出端（0T）与所述三个接收信号接出端（0R）之间的第一瞬态电压抑制器（TVS1、TVS4、TVS7）；

连接在所述三个接收信号接出端（0R）与所述信号地（PE）之间的第二瞬态电压抑制器（TVS2、TVS5、TVS8）；以及连接在所述三个发射信号接出端（0T）与所述信号地（PE）之间的第三瞬态电压抑制器（TVS3、TVS6、TVS9）。

2.根据权利要求1所述的防雷器，其特征在于：

其中，所述第一电阻（R1、R3、R5）和所述第二电阻（R2、R4、R6）均为高精度金属氧化膜功率电阻，电阻值为1～5Ω。

3.根据权利要求1所述的防雷器，其特征在于：

其中，所述第一瞬态电压抑制器（TVS1、TVS4、TVS7）、所述第二瞬态电压抑制器（TVS2、TVS5、TVS8）、所述第三瞬态电压抑制器（TVS3、TVS6、TVS9）均为两个反向并联的单向瞬态抑制二极管。

4.根据权利要求1所述的防雷器，其特征在于：

其中，所述气体放电管（GDT1、GDT2、GDT3）为三端陶瓷气体放电管。

5.根据权利要求1所述的防雷器，其特征在于：

其中，三条所述防雷电路为并联，共用信号地（PE）接地。

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