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涼都六盤(pán)水專(zhuān)家淺析通信接口遭遇雷擊的風(fēng)險

作者:【六盤(pán)水市防雷】 時(shí)間:2015/3/21 11:37:00 瀏覽:

涼都六盤(pán)水專(zhuān)家淺析通信接口遭遇雷擊的風(fēng)險

在高度信息化的今天,電子設備遍布我們生活的每一個(gè)角落,很難想象如果脫離了它們,我們的生活會(huì )是怎樣的。

 

但是,隨著(zhù)電子設備的高度集成化,其耐受過(guò)電壓的能力也顯著(zhù)降低,如果遭受過(guò)電壓入侵,將使電子設備的使用壽命大大降低,甚至會(huì )立即損壞。產(chǎn)生過(guò)電壓的原因有很多,以雷電過(guò)電壓造成的危害最大。本文將討論雷電對設備通信接口造成過(guò)電壓的原因、常見(jiàn)通信端口遭受雷擊風(fēng)險分析,希望各位同仁批評指正。

 

1、雷電對通信接口造成過(guò)電壓的原因

 

通信設備如果遭受直接雷擊,想要預防那是非常困難的事。因此,我們今天的內容都是在設備受到外部防雷保護的前提下進(jìn)行討論,即主要討論感應雷引起的過(guò)電壓。

 

雷電對通信接口造成過(guò)電壓的原因主要有兩方面:一是通信線(xiàn)感應雷電過(guò)電壓;二是外部防雷裝置遭受直擊雷引起地電位反擊。下面,我們對這兩方面進(jìn)行分析。

 

1.1、通信線(xiàn)感應雷電過(guò)電壓


通信線(xiàn)感應雷電過(guò)電壓示意圖)

1顯示了通信線(xiàn)感應雷電過(guò)電壓的兩種方式:①通信線(xiàn)間形成環(huán)路,引起線(xiàn)間形成差模過(guò)電壓;②通信線(xiàn)和地之間形成環(huán)路,引起每根線(xiàn)和接地之間形成共模過(guò)電壓。

線(xiàn)間差模過(guò)電壓:對于設備具體的某個(gè)接口而言,其通信線(xiàn)往往是成對的而且以雙絞線(xiàn)形式出現,因此在雷雨天氣,其線(xiàn)間感應的差模過(guò)電壓較小。當然,也有例外情況,對于視頻線(xiàn)同軸線(xiàn)纜來(lái)說(shuō),大部分的感應雷電過(guò)電壓在外屏蔽層,因此外屏蔽層和芯線(xiàn)之間形成很大的過(guò)電壓。

線(xiàn)-地之間共模過(guò)電壓:同樣對于設備的某個(gè)接口而言,通信線(xiàn)和地之間形成很大的環(huán)路,其感應的過(guò)電壓往往非常高,也是感應雷造成設備端口損壞的主要原因。

1.2、外部防雷裝置遭受直擊雷產(chǎn)生地電位反擊

地電位反擊這個(gè)名詞對于我們絕大多數同仁來(lái)說(shuō),已經(jīng)非常熟悉了,這里不再贅述。地電位抬高后,通信端口各芯線(xiàn)和地之間形成巨大的過(guò)電壓,造成端口被擊壞。

 

2、常見(jiàn)通信端口遭受雷擊風(fēng)險分析

2.1、網(wǎng)絡(luò )端口

 

   我們以常見(jiàn)的Realtek瑞昱RTL8019(圖2所示)為例:


2  RTL8019局部電路圖)

一共八個(gè)腳,其中4個(gè)為通信腳,分別為TPOUT+,TPOUT-,TPIN+TPIN-,前2個(gè)腳和芯片之間通過(guò)10Ω隔離電阻相連,并跟信號地之間有電容相連,后2個(gè)腳直接與芯片相連并與信號地之間有電阻和電容相連。

分析:網(wǎng)線(xiàn)由4對(或2對)雙絞線(xiàn)組成,線(xiàn)間差模過(guò)電壓很小,可忽略不計,雷擊風(fēng)險主要為線(xiàn)-地之間的共模過(guò)電壓以及雷電流。當發(fā)生感應雷時(shí),由于每個(gè)腳都與地之間有電容相連,電容通交流阻直流,而雷電流為高頻電流,因此線(xiàn)和地之間為通路,雷電流通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接的2個(gè)端口入地,8個(gè)與信號地相連的電容易被過(guò)壓擊穿,4個(gè)通信腳連接的電阻在通過(guò)雷電流時(shí)容易被燒壞,造成通信故障。當發(fā)生地電位反擊時(shí),8個(gè)與信號地相連的電容易被過(guò)壓擊穿,由于電容不可能同時(shí)被擊穿,因此芯片各腳之間存在電位差,芯片也容易被打壞。

 

   3顯示受損的集成電路板。用化學(xué)腐蝕掉該芯片表面的塑料使模塊裸露,然后用光學(xué)顯微鏡檢查并照像,從圖3中可以看到典型的局部損壞。


雷擊導致傳輸芯片損壞)

2.2、視頻端口

 

   視頻端口的典型電路如圖4所示:


視頻端口電路)

分析:由于視頻線(xiàn)通信線(xiàn)為內部芯線(xiàn)和外部屏蔽層,外部屏蔽層接信號地,因此不論是感應雷還是地電位反擊,都容易造成中間芯線(xiàn)和地之間存在過(guò)電壓,該過(guò)電壓容易將三極管擊穿、燒壞芯線(xiàn)和地之間的電阻,如果過(guò)電壓很大,甚至會(huì )打壞供電電源內部元器件。

2.3、工控4-20mA端口

 

工控4-20mA端口電路)

分析:工控4-20mA信號線(xiàn)一般都有外屏蔽層,在最新標準SH/T3164-2012《石油化工儀表系統防雷設計規范》里要求雙屏蔽層,因此,感應雷造成的危害不大,需防地電位反擊,當地電位抬高時(shí),接地和芯線(xiàn)之間存在過(guò)電壓,設備內部三極管、處理芯片以及運算放大器易被打壞。

2.4、485接口

 

485接口電路如圖6所示:


6 485接口電路)

6485信號線(xiàn)分別通過(guò)20Ω的隔離電阻連接SN751766、7腳,芯線(xiàn)之間連接有120Ω的電阻,并分別通過(guò)3.3kΩ的上拉和下拉電阻與+5V電源以及接地相連。

分析:芯線(xiàn)之間的差模過(guò)電壓風(fēng)險較小,主要風(fēng)險為芯線(xiàn)與地之間的共模過(guò)電壓,無(wú)保護時(shí),電阻和芯片乃至5V電源容易燒壞。

2.5 小結

 

通過(guò)上面對各種信號接口的分析,我們不難發(fā)現,發(fā)生雷擊過(guò)電壓時(shí),信號線(xiàn)之間的差模過(guò)電壓較小,而信號線(xiàn)與接地之間的共模過(guò)電壓是造成設備損壞的主要風(fēng)險。視頻線(xiàn)的外屏蔽層接地,實(shí)際可看成是中間的1根芯線(xiàn)與地之間的過(guò)電壓。信號線(xiàn)防雷器往往由多種防雷元器件組成,并在芯線(xiàn)與芯線(xiàn)之間以及芯線(xiàn)和地線(xiàn)之間并聯(lián)組合,在選擇防雷器時(shí),應當重點(diǎn)考慮芯線(xiàn)和地之間的泄流能力,其次是芯線(xiàn)之間的泄流能力。