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涼都六盤水專家淺析通訊介面遭遇雷擊的風險

作者│↟│:【六盤水市防雷】 時間│↟│:2015/3/21 11:37:00 瀏覽│↟│:

涼都六盤水專家淺析通訊介面遭遇雷擊的風險

在高度資訊化的今天·▩,電子裝置遍佈我們生活的每一個角落·▩,很難想象如果脫離了它們·▩,我們的生活會是怎樣的◕↟☁。

 

但是·▩,隨著電子裝置的高度整合化·▩,其耐受過電壓的能力也顯著降低·▩,如果遭受過電壓入侵·▩,將使電子裝置的使用壽命大大降低·▩,甚至會立即損壞◕↟☁。產生過電壓的原因有很多·▩,以雷電過電壓造成的危害最大◕↟☁。本文將討論雷電對裝置通訊介面造成過電壓的原因✘·、常見通訊埠遭受雷擊風險分析·▩,希望各位同仁批評指正◕↟☁。

 

1✘·、雷電對通訊介面造成過電壓的原因

 

通訊裝置如果遭受直接雷擊·▩,想要預防那是非常困難的事◕↟☁。因此·▩,我們今天的內容都是在裝置受到外部防雷保護的前提下進行討論·▩,即主要討論感應雷引起的過電壓◕↟☁。

 

雷電對通訊介面造成過電壓的原因主要有兩方面│↟│:一是通訊線感應雷電過電壓;二是外部防雷裝置遭受直擊雷引起地電位反擊◕↟☁。下面·▩,我們對這兩方面進行分析◕↟☁。

 

1.1✘·、通訊線感應雷電過電壓


通訊線感應雷電過電壓示意圖)

1顯示了通訊線感應雷電過電壓的兩種方式│↟│:①通訊線間形成環路·▩,引起線間形成差模過電壓;②通訊線和地之間形成環路·▩,引起每根線和接地之間形成共模過電壓◕↟☁。

線間差模過電壓│↟│:對於裝置具體的某個介面而言·▩,其通訊線往往是成對的而且以雙絞線形式出現·▩,因此在雷雨天氣·▩,其線間感應的差模過電壓較小◕↟☁。當然·▩,也有例外情況·▩,對於影片線同軸線纜來說·▩,大部分的感應雷電過電壓在外遮蔽層·▩,因此外遮蔽層和芯線之間形成很大的過電壓◕↟☁。

-地之間共模過電壓│↟│:同樣對於裝置的某個介面而言·▩,通訊線和地之間形成很大的環路·▩,其感應的過電壓往往非常高·▩,也是感應雷造成裝置埠損壞的主要原因◕↟☁。

1.2✘·、外部防雷裝置遭受直擊雷產生地電位反擊

地電位反擊這個名詞對於我們絕大多數同仁來說·▩,已經非常熟悉了·▩,這裡不再贅述◕↟☁。地電位抬高後·▩,通訊埠各芯線和地之間形成巨大的過電壓·▩,造成埠被擊壞◕↟☁。

 

2✘·、常見通訊埠遭受雷擊風險分析

2.1✘·、網路埠

 

   我們以常見的Realtek瑞昱RTL8019(圖2所示)為例│↟│:


2  RTL8019區域性電路圖)

一共八個腳·▩,其中4個為通訊腳·▩,分別為TPOUT+,TPOUT-,TPIN+TPIN-·▩,前2個腳和晶片之間透過10Ω隔離電阻相連·▩,並跟訊號地之間有電容相連·▩,後2個腳直接與晶片相連並與訊號地之間有電阻和電容相連◕↟☁。

分析│↟│:網線由4對(或2對)雙絞線組成·▩,線間差模過電壓很小·▩,可忽略不計·▩,雷擊風險主要為線-地之間的共模過電壓以及雷電流◕↟☁。當發生感應雷時·▩,由於每個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·▩,因此線和地之間為通路·▩,雷電流透過網線連線的2個埠入地·▩,8個與訊號地相連的電容易被過壓擊穿·▩,4個通訊腳連線的電阻在透過雷電流時容易被燒壞·▩,造成通訊故障◕↟☁。當發生地電位反擊時·▩,8個與訊號地相連的電容易被過壓擊穿·▩,由於電容不可能同時被擊穿·▩,因此晶片各腳之間存在電位差·▩,晶片也容易被打壞◕↟☁。

 

   3顯示受損的整合電路板◕↟☁。用化學腐蝕掉該晶片表面的塑膠使模組裸露·▩,然後用光學顯微鏡檢查並照像·▩,從圖3中可以看到典型的區域性損壞◕↟☁。


雷擊導致傳輸晶片損壞)

2.2✘·、影片埠

 

   影片埠的典型電路如圖4所示│↟│:


影片埠電路)

分析│↟│:由於影片線通訊線為內部芯線和外部遮蔽層·▩,外部遮蔽層接訊號地·▩,因此不論是感應雷還是地電位反擊·▩,都容易造成中間芯線和地之間存在過電壓·▩,該過電壓容易將三極體擊穿✘·、燒壞芯線和地之間的電阻·▩,如果過電壓很大·▩,甚至會打壞供電電源內部元器件◕↟☁。

2.3✘·、工控4-20mA

 

工控4-20mA埠電路)

分析│↟│:工控4-20mA訊號線一般都有外遮蔽層·▩,在最新標準SH/T3164-2012《石油化工儀表系統防雷設計規範》裡要求雙遮蔽層·▩,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·▩,接地和芯線之間存在過電壓·▩,裝置內部三極體✘·、處理晶片以及運算放大器易被打壞◕↟☁。

2.4✘·、485介面

 

485介面電路如圖6所示│↟│:


6 485介面電路)

6485訊號線分別透過20Ω的隔離電阻連線SN751766✘·、7腳·▩,芯線之間連線有120Ω的電阻·▩,並分別透過3.3kΩ的上拉和下拉電阻與+5V電源以及接地相連◕↟☁。

分析│↟│:芯線之間的差模過電壓風險較小·▩,主要風險為芯線與地之間的共模過電壓·▩,無保護時·▩,電阻和晶片乃至5V電源容易燒壞◕↟☁。

2.5 小結

 

透過上面對各種訊號介面的分析·▩,我們不難發現·▩,發生雷擊過電壓時·▩,訊號線之間的差模過電壓較小·▩,而訊號線與接地之間的共模過電壓是造成裝置損壞的主要風險◕↟☁。影片線的外遮蔽層接地·▩,實際可看成是中間的1根芯線與地之間的過電壓◕↟☁。訊號線防雷器往往由多種防雷元器件組成·▩,並在芯線與芯線之間以及芯線和地線之間並聯組合·▩,在選擇防雷器時·▩,應當重點考慮芯線和地之間的洩流能力·▩,其次是芯線之間的洩流能力◕↟☁。

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