防雷電路實例分析
防雷保護(hù)電路在工業(yè)電路板上是十分常見的應(yīng)用電路,今天就讓我們一探究竟。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201706/346952.htm廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的環(huán)境動力監(jiān)控系統(tǒng)中,對所有的端口都進(jìn)行了防雷保護(hù)設(shè)計,其中包括220V交流電源防雷設(shè)計、以太網(wǎng)防雷保護(hù)、DI輸入端口防雷保護(hù)、AI輸入端口防雷保護(hù)、RS232/RS485防雷保護(hù),下面將對這些防雷保護(hù)電路一一進(jìn)行分析。
1.1.1220V交流電源防雷保護(hù)
環(huán)境動力監(jiān)控系統(tǒng)中電源采用220V交流電源供電,前端所使用的防雷保護(hù)電路詳見圖1
圖1 220V交流電源防雷保護(hù)電路
由于采用了復(fù)合對稱電路與共模、差模全保護(hù),因此L、N可以隨便接,安全。即便壓敏電阻短路失效后與電路脫離,一般也不會引起火災(zāi)。根據(jù)實際的使用經(jīng)驗U2最容易遭受雷擊損壞,由于壓敏電阻本身的老化或承受暫時過電壓的多次沖擊,壓敏電阻的漏電流迅速增加發(fā)熱導(dǎo)致短路失效。壓敏的短路失效將造成整個供電線路的短路故障,并引起著火、爆炸等威脅到人身和財產(chǎn)安全的嚴(yán)重事故。本電路由于采用了金屬氧化鋅壓敏電阻U2,因此能有效地避免傳統(tǒng)的氧化鋅壓敏電阻因短路失效可能帶來的火災(zāi)等安全隱患。與此同時,如果因為雷擊損壞時,其隔離的熔斷保險絲將同時熔斷,主機CPU可以在LS_Check端檢測到相應(yīng)的信號,從而起到雷擊損壞報警功能。
表1 壓敏電阻值選擇一覽表
壓敏電阻的壓敏電壓值可參考表1選取,壓敏電壓值可以適當(dāng)選高一點,這樣更安全、耐用,故障率低,但殘壓略高。然后根據(jù)通流容量要求選擇外形尺寸和封裝形式,或采用幾個壓敏電阻并聯(lián),注意應(yīng)挑選壓敏電壓值相近的并聯(lián),每個壓敏電阻都要單獨串聯(lián)溫度保險管,以延長使用壽命和確保安全。
陶瓷氣體放電管的通流容量根據(jù)要求的通流容量選擇,直流擊穿電壓為470V~600V。當(dāng)要求的通流容量≤3KA時,可以用玻璃放電管代替。
壓敏電阻和氣體放電管都必須按沖擊10次以上的降額值計算通流容量(壓敏電阻為一次沖擊通流容量的三分之一左右,氣體放電管為最大通流容量的一半左右)。
1.1.2以太網(wǎng)防雷保護(hù)
隨著以太網(wǎng)技術(shù)在基站和機房監(jiān)控中的應(yīng)用,帶網(wǎng)口的采集設(shè)備越來越多,以前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備大都用在機房和大樓的里面,機房和大樓本樓的防雷措施很充分,所以以前的帶網(wǎng)口的設(shè)備基本沒有考慮防雷的問題,至多在網(wǎng)口處加一些瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)防浪涌,其保護(hù)指標(biāo)很低(差模500V,共模1000V),當(dāng)設(shè)備使用在基站中時,因如上述原因,大量網(wǎng)絡(luò)采集設(shè)備在基站中因被雷擊而損壞。
面臨這種問題,用戶的處理策略是在網(wǎng)口外加信號防雷器,以提高設(shè)備的防雷性能。但是,外加防雷器有很多不便,例如,需要重新做設(shè)備和防雷器直接的連接線,這樣連接點從原來的1個,增加為3個,故障率也增加了3倍。同時網(wǎng)口傳輸?shù)氖?0M/100M高速信號,而外加防雷器的分布電容很大,對網(wǎng)絡(luò)信號的傳輸會有影響,這種方式是以犧牲傳輸距離和速度來提高設(shè)備的防雷效果。
在環(huán)境動力監(jiān)控系統(tǒng)中,提供并采用了一種既能提高防雷效果,防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因雷擊損壞,又不會影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能,可以保證網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和速度的監(jiān)控采集設(shè)備網(wǎng)口防雷電路。詳見圖2。
圖2 以太網(wǎng)口防雷電路
在如圖2所示的網(wǎng)口防雷電路中,在網(wǎng)絡(luò)變壓器和網(wǎng)口插座之間增加放電管和雙向瞬態(tài)電壓泄放電路組成的兩級防護(hù)電路,極大的增強了網(wǎng)口的差模防護(hù)能力。第一限流電阻R80、R82、R84、R88和氣體放電管EA16、EA17組成了一級防護(hù)電路,對雷擊的浪涌電壓進(jìn)行第一級保護(hù),具有泄放雷電暫態(tài)過電流和限流過電壓作用。一級防護(hù)電路可以產(chǎn)生很大的泄放電流(3KA),大部分入侵能量通過地泄放。在此基礎(chǔ)上,由U31和R81、R83、R85、R89組成的雙向瞬態(tài)電壓泄放電路組成了二級防護(hù)電路,對差分信號進(jìn)行雙向殘壓吸收,對雷擊的浪涌電壓進(jìn)行第二級保護(hù),剩余能量經(jīng)過雙向瞬態(tài)電壓泄放電路泄放,到網(wǎng)絡(luò)變壓器的能量就很小了。在兩級防護(hù)電路的作用下,本電路具有良好的防雷效果,可以防止網(wǎng)絡(luò)設(shè)備因雷擊而造成的損壞。
在一級防護(hù)電路中,氣體放電管的寄生電容很??;在二級防護(hù)電路中,采用了由二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管串連組成的瞬態(tài)電壓泄放集成IC,大大降低了二級防護(hù)電路中TVS管過大的結(jié)電容。所以,本網(wǎng)口防雷電路不會影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能,可以保證原來的網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和傳輸速度,網(wǎng)絡(luò)傳輸距離和網(wǎng)口波形均可滿足規(guī)范要求,同時具有良好的防雷效果。
在如圖2所示的網(wǎng)口防雷電路中,在器件選型方面,為了不影響網(wǎng)絡(luò)波形和傳輸性能,第一限流電阻的阻值為歐姆級,在本電路中R80、R82、R84、R88的電阻值為4.7Ω。為了保護(hù)網(wǎng)絡(luò)變壓器,又不影響網(wǎng)絡(luò)傳輸性能,第二限流電阻(R81、R83、R85、R89)的阻值可以在0Ω至10Ω之間,最好在2Ω至3Ω之間,在本電路中R81、R83、R85、R89的電阻值為2.2Ω。為了降低電路的體積同時減少分布電容的影響,本電路采用了由二極管、瞬態(tài)電壓抑制二極管、二極管串連組成的瞬態(tài)電壓泄放集成IC(UFS08A2.8L04),因UFS08A2.8L04中含有4條由第一二極管、瞬態(tài)單向電壓抑制二極管、第二二極管依次串聯(lián)組成的瞬態(tài)電壓泄放支路,所以每路網(wǎng)口發(fā)送信號線的防雷電路和接收信號線的防雷電路可以共用一個UFS08A2.8L04芯片,大大的減小了電路的體積和分布電容的影響。
1.1.3AI/DI輸入端口防雷保護(hù)
在基站環(huán)境中由于AI/DI輸入端口是通過長距離的線纜與傳感器相連,因此AI/DI端口同樣存在防雷保護(hù)問題(主要為感應(yīng)雷),在RMS-500系統(tǒng)中我們采用氣體放電管加TVS管組成的兩級防護(hù)電路,詳見圖3和圖4。
在圖3和圖4中,我們可以看到AI防雷保護(hù)電路與DI防雷保護(hù)電路存在的區(qū)別,在DI防雷保護(hù)電路中我們使用了功率電阻R1(7.5Ω/2W),R1應(yīng)滿足R1≥(U1 -U2) /I1,其中U1為測得空氣放電管的沖擊擊穿電壓值,U2為TVS管最高鉗位電壓,I1為查TVS器件手冊得到TVS管8/20us沖擊電流下的最大通流量。在AI防雷電路中由于需要對4~20mA電流和電壓進(jìn)行測量,因此我們在精度范圍內(nèi)采用電感L1而沒有使用電阻,L1應(yīng)滿足L1≥(U1 -U2) × (T2 -T1) / (I1 /2),電感L1的取值計算方法為:以 8/20us 沖擊電流為準(zhǔn),測得在設(shè)計通流容量下壓敏電阻的殘壓值 U1,查 TVS 器件手冊得到 8/20us 沖擊電流作用下TVS管的最大通流量I1、以及TVS管最高鉗位電壓U2,8/20us 沖擊電流的視在波頭時間T1=8us,視在半峰值時間T 2=20us。
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