CN106786468A - 一种rs485通信防雷及监测电路 - Google Patents

一种rs485通信防雷及监测电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种RS485通信防雷及监测电路，包括直流供电防雷电路、RS485通信防雷电路、采样电路、信号处理电路、直流电源输入端、DC/DC模块、RS485端口和RS485通信驱动电路，直流供电防雷电路连接在直流电源输入端与DC/DC模块之间，RS485通信防雷电路连接在RS485端口与RS485通信驱动电路之间，直流供电防雷电路和RS485端口均分别通过采样电路与信号处理电路连接，RS485通信驱动电路与信号处理电路连接。本发明具有良好的防雷效果，抗干扰、抗静电能力强，便于维护人员及时快速地进行维修，提高了维护及时性，降低了维护成本，可广泛应用于RS485通信的产品或设备中。

Description

一种RS485通信防雷及监测电路
技术领域
本发明涉及RS485通信领域，特别是涉及一种RS485通信防雷及监测电路。
背景技术
RS485端口因其接口简单，组网方便，传输距离远等特点，在工业控制、仪器仪表、LED灯光亮化、智能楼宇控制等场合得到了广泛应用，RS485接口组成的半双工网络，一般采用两线制。在实际使用过程中，上述的应用场合经常会受到静电放电、雷击浪涌、瞬态脉冲等的干扰，这些干扰不仅会造成RS485接口器件的损坏，也会引起设备的工作异常。针对这一情况，厂家一般都在RS485通信端口设计防雷电路，但由于电路设计的差异或不规范，造成设备应对恶劣环境的能力较差，抗干扰、防雷击、防静电效果不明显，而且维护人员无法及时掌握防雷电路的工作状态，往往要到设备受到雷击损坏而不能工作后才进行维修、维护，造成了维护的滞后及维护成本的增加。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供一种RS485通信防雷及监测电路。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种RS485通信防雷及监测电路，包括直流供电防雷电路、RS485通信防雷电路、采样电路、信号处理电路、直流电源输入端、DC/DC模块、RS485端口和RS485通信驱动电路，所述直流供电防雷电路连接在直流电源输入端与DC/DC模块之间，所述RS485通信防雷电路连接在RS485端口与RS485通信驱动电路之间，所述直流供电防雷电路和RS485端口均分别通过采样电路与信号处理电路连接，所述RS485通信驱动电路与信号处理电路连接，所述信号处理电路用于监测直流供电防雷电路和RS485通信防雷电路的工作状态。
进一步，所述直流供电防雷电路包括第一片式压敏电阻、第一自恢复保险丝、双向TVS管和第一固体放电管，所述第一片式压敏电阻的两端分别与直流电源输入端的电源正极与电源地连接，所述第一自恢复保险丝的一端与电源正极连接，另一端分别与DC/DC模块的输入端和双向TVS管的一端连接，所述双向TVS管的另一端通过第一固体放电管接地。
进一步，所述RS485通信防雷电路包括第二片式压敏电阻、第二自恢复保险丝、第三自恢复保险丝、第二二极管、第四二极管、第二固体放电管和第三固体放电管，所述第二片式压敏电阻的两端分别与RS485端口的A端与B端连接，所述第二自恢复保险丝的一端与RS485端口的A端连接，另一端分别与RS485通信驱动电路的A端和第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极通过第二固体放电管接地，所述第三自恢复保险丝的一端与RS485端口的B端连接，另一端分别与RS485通信驱动电路的B端和第四二极管的正极连接，所述第四二极管的负极通过第三固体放电管接地。
进一步，所述采样电路包括第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻和整形放大电路，所述第一热敏电阻、第二热敏电阻和第三热敏电阻的一端均接地，另一端均与整形放大电路连接，所述整形放大电路与信号处理电路连接，所述第一热敏电阻与第一自恢复保险丝配对贴合安装，所述第二热敏电阻与第二自恢复保险丝配对贴合安装，所述第三热敏电阻与第三自恢复保险丝配对贴合安装。
进一步，所述第一热敏电阻、第二热敏电阻和第三热敏电阻均采用轴向引线玻璃封装型NTC热敏电阻。
进一步，还包括固体放电管监测电路，所述固体放电管监测电路包括第一二极管、第三二极管、第五二极管和光电耦合器，所述第一二极管的负极与双向TVS管和第一固体放电管之间的连接节点连接，所述第三二极管的负极与第二二极管和第二固体放电管之间的连接节点连接，所述第五二极管的负极与第四二极管和第三固体放电管之间的连接节点连接，所述第一二极管的正极、第三二极管的正极和第五二极管的正极连接后与光电耦合器的输入端的负引脚连接，所述光电耦合器的输出端的发射极接地，集电极与信号处理电路连接。
进一步，所述固体放电管监测电路还包括第一限流电阻、第二限流电阻和发光二极管，所述光电耦合器的输入端的正引脚通过第一限流电阻与工作电源连接，所述光电耦合器的输出端的集电极与发光二极管的负极连接，所述发光二极管的正极通过第二限流电阻与工作电源连接。
本发明的有益效果是：本发明的一种RS485通信防雷及监测电路，包括直流供电防雷电路、RS485通信防雷电路、采样电路、信号处理电路、直流电源输入端、DC/DC模块、RS485端口和RS485通信驱动电路，直流供电防雷电路连接在直流电源输入端与DC/DC模块之间，RS485通信防雷电路连接在RS485端口与RS485通信驱动电路之间，直流供电防雷电路和RS485端口均分别通过采样电路与信号处理电路连接，RS485通信驱动电路与信号处理电路连接。本发明具有良好的防雷效果，抗干扰、抗静电能力强，还可以统计电路遭受雷击的次数，评估雷击的能量级别，同时监测防雷电路的工作状态，及时发现防雷电路的故障，便于维护人员及时快速地进行维修，提高了维护及时性，降低了维护成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的一种RS485通信防雷及监测电路的模拟电路图。
具体实施方式
参照图1，一种RS485通信防雷及监测电路，包括直流供电防雷电路、RS485通信防雷电路、采样电路、信号处理电路U5、直流电源输入端、DC/DC模块U1、RS485端口和RS485通信驱动电路U3，所述直流供电防雷电路连接在直流电源输入端与DC/DC模块U1之间，所述RS485通信防雷电路连接在RS485端口与RS485通信驱动电路U3之间，所述直流供电防雷电路和RS485端口均分别通过采样电路与信号处理电路U5连接，所述RS485通信驱动电路U3与信号处理电路U5连接，进行信号的接收、发送和处理。RS485通信驱动电路U3的A端与的信号处理电路U5的第二连接端连接，RS485通信驱动电路U3的B端与的信号处理电路U5的第三连接端连接，所述信号处理电路U5用于监测直流供电防雷电路和RS485通信防雷电路的工作状态。
进一步作为优选的实施方式，所述直流供电防雷电路包括第一片式压敏电阻VAR1、第一自恢复保险丝PTC1、双向TVS管TVS1和第一固体放电管VZ1，所述第一片式压敏电阻VAR1的两端分别与直流电源输入端的电源正极VCC与电源地连接，所述第一自恢复保险丝PTC1的一端与电源正极VCC连接，另一端分别与DC/DC模块U1的输入端和双向TVS管TVS1的一端连接，所述双向TVS管TVS1的另一端通过第一固体放电管VZ1接地，DC/DC模块U1的输入侧接地端与直流电源输入端共地。直流供电防雷电路采用两级防雷结构，直流电源输入端采用片式压敏电阻VAR1接于电源正极VCC与电源地之间作为第一级防雷保护，双向TVS管TVS1与第一固体放电管VZ1组成第二级防雷电路，可以过滤静电放电、雷击浪涌、瞬态脉冲等的干扰。VAR1的参数根据输入电压进行适当的选择；PTC1的参数根据电源回路的最大输入电流进行适当的选择，采用通孔型引脚封装；TVS1是双向的TVS管，VZ1是固体放电管，固体放电管能双方向吸收正负极性的瞬变电压，TVS1与VZ1的参数相互配合选择，两者的直流持续工作电压相加应大于等于电源的输入电压。
进一步作为优选的实施方式，所述RS485通信防雷电路包括第二片式压敏电阻VAR2、第二自恢复保险丝PTC2、第三自恢复保险丝PTC3、第二二极管D2、第四二极管D4、第二固体放电管VZ2和第三固体放电管VZ3，所述第二片式压敏电阻VAR2的两端分别与RS485端口的A端与B端连接，所述第二自恢复保险丝PTC2的一端与RS485端口的A端连接，另一端分别与RS485通信驱动电路U3的A端和第二二极管D2的正极连接，所述第二二极管D2的负极通过第二固体放电管VZ2接地，所述第三自恢复保险丝PTC3的一端与RS485端口的B端连接，另一端分别与RS485通信驱动电路U3的B端和第四二极管D4的正极连接，所述第四二极管D4的负极通过第三固体放电管VZ3接地。第二二极管D2和第四二极管D4采用快速恢复二极管。RS485通信防雷电路也采用两级防雷结构，片式压敏电阻VAR2并接于RS485端口的AB两端形成第一级防雷电路，第二二极管D2和第二固体放电管VZ2组成第二级防雷电路，可以过滤静电放电、雷击浪涌、瞬态脉冲等的干扰过滤静电放电、雷击浪涌、瞬态脉冲等的干扰。VAR2选用结电容小于500pF、直流工作电压为8V的片式压敏电阻；PTC2、PTC3选用最大工作电压为15V、常温电阻在10-15欧姆之间的PTC电阻，采用通孔型引脚封装；VZ2、VZ3选用直流持续工作电流为6V的固体放电管。本实施例中，通过在直流电源输入端的直流供电回路中设置直流供电防雷电路，在RS485端口和RS485通信驱动电路U3构成的RS485通信回路中设置RS485通信防雷电路，且直流供电防雷电路和RS485通信防雷电路均采用两级防雷结构，可以实现良好的防雷效果，而且具有良好的抗干扰抗静电能力。
进一步作为优选的实施方式，所述采样电路包括第一热敏电阻RT1、第二热敏电阻RT2、第三热敏电阻RT3和整形放大电路U2，所述第一热敏电阻RT1、第二热敏电阻RT2和第三热敏电阻RT3的一端均接地，另一端均与整形放大电路U2的输入端连接，U2的输入端具有三个输入端口，分别连接一热敏电阻，所述整形放大电路U2的输出端与信号处理电路U5的第一连接端连接，所述第一热敏电阻RT1与第一自恢复保险丝PTC1配对贴合安装，所述第二热敏电阻RT2与第二自恢复保险丝PTC2配对贴合安装，所述第三热敏电阻RT3与第三自恢复保险丝PTC3配对贴合安装。三对热敏电阻和自恢复保险丝之间通过散热硅脂进行热传导。监测采样电路的基本原理是：当外部有雷击浪涌脉冲进入电路时，相应回路的固体放电管进入通态，回路电流迅速增加，相应的PTC徒然发热，通过散热硅脂的热传导，相近贴合的热敏电阻的阻值发生变化，U2的输入取样电压发生变化，通过U2的整形放大，把变化信号送至信号处理电路U5进行处理、分析和记录。
进一步作为优选的实施方式，所述第一热敏电阻RT1、第二热敏电阻RT2和第三热敏电阻RT3均采用轴向引线玻璃封装型NTC热敏电阻，方便与PTC进行贴合安装。
进一步作为优选的实施方式，还包括固体放电管监测电路，所述固体放电管监测电路包括第一二极管D1、第三二极管D3、第五二极管D5和光电耦合器U4，所述第一二极管D1的负极与双向TVS管TVS1和第一固体放电管VZ1之间的连接节点连接，所述第三二极管D3的负极与第二二极管D2和第二固体放电管VZ2之间的连接节点连接，所述第五二极管D5的负极与第四二极管D4和第三固体放电管VZ3之间的连接节点连接，所述第一二极管D1的正极、第三二极管D3的正极和第五二极管D5的正极连接后与光电耦合器U4的输入端的负引脚连接。优选的，本实施例中，所述固体放电管监测电路还包括第一限流电阻R1、第二限流电阻R2和发光二极管，所述光电耦合器U4的输入端的正引脚通过第一限流电阻R1与5V工作电源连接，所述光电耦合器U4的输出端的发射极接地，集电极分别与发光二极管LED1的负极和信号处理电路U5的第四连接端连接，所述发光二极管LED1的正极通过第二限流电阻R2与5V工作电源连接。固体放电管监测电路的基本原理是：固体放电管VZ1、VZ2或VZ3是一种新型的瞬变电压吸收器件，在固体放电管击穿之前，固体放电管两端处于高阻关断状态，光电耦合器U4的光电耦合输入回路没有电流流过，U4输出端集电极呈高电平，LED1不亮；当受到外部高压脉冲冲击时，固体放电管两端处于导通状态，两端压降为4V左右，光电耦合输入回路仍没有电流流过，光电耦合输出端集电极呈高电平，LED1不亮；固体放电管的失效模式主要是短路失效模式，当固体放电管失效时，固体放电管两端处于短路状态，U4的光电耦合输入回路有电流流过，光电耦合器U4输出端集电极呈低电平，LED1点亮，信号处理电路U5检测到电平的变化可以获知固体放电管的状态，而发光二极管LED1能方便维护人员直接观察防雷电路的工作状态。
U2、U4的检测信号送到信号处理器U5后，经过U5的处理、分析，确定电源输入回路及RS485通信回路是否受到雷击浪涌的冲击，结合算法进行计算，可以确定遭受雷击的能量级别、统计雷击次数、判断固体放电管的工作状态，并把这些数据记录保存，通过第五连接端连接RS485通信线路，可以把这些数据反馈给后台主机，实现雷击及防雷电路的远程监控，主动报警，为设备的维护带来了极大的便利。本实施例的采样电路和信号处理电路可以统计电路遭受雷击的次数，评估雷击的能量级别，同时监测固体放电管的工作状态，及时发现防雷电路的故障。该电路能获得较好防雷效果的同时，能及时反馈电路所在区域的雷击情况，能让维护人员及时掌握设备的防雷效果及工作状态，便于维护人员及时快速地进行维修，提高了维护及时性，降低了维护成本。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，包括直流供电防雷电路、RS485通信防雷电路、采样电路、信号处理电路、直流电源输入端、DC/DC模块、RS485端口和RS485通信驱动电路，所述直流供电防雷电路连接在直流电源输入端与DC/DC模块之间，所述RS485通信防雷电路连接在RS485端口与RS485通信驱动电路之间，所述直流供电防雷电路和RS485端口均分别通过采样电路与信号处理电路连接，所述RS485通信驱动电路与信号处理电路连接，所述信号处理电路用于监测直流供电防雷电路和RS485通信防雷电路的工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，所述直流供电防雷电路包括第一片式压敏电阻、第一自恢复保险丝、双向TVS管和第一固体放电管，所述第一片式压敏电阻的两端分别与直流电源输入端的电源正极与电源地连接，所述第一自恢复保险丝的一端与电源正极连接，另一端分别与DC/DC模块的输入端和双向TVS管的一端连接，所述双向TVS管的另一端通过第一固体放电管接地。
3.根据权利要求2所述的一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，所述RS485通信防雷电路包括第二片式压敏电阻、第二自恢复保险丝、第三自恢复保险丝、第二二极管、第四二极管、第二固体放电管和第三固体放电管，所述第二片式压敏电阻的两端分别与RS485端口的A端与B端连接，所述第二自恢复保险丝的一端与RS485端口的A端连接，另一端分别与RS485通信驱动电路的A端和第二二极管的正极连接，所述第二二极管的负极通过第二固体放电管接地，所述第三自恢复保险丝的一端与RS485端口的B端连接，另一端分别与RS485通信驱动电路的B端和第四二极管的正极连接，所述第四二极管的负极通过第三固体放电管接地。
4.根据权利要求3所述的一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，所述采样电路包括第一热敏电阻、第二热敏电阻、第三热敏电阻和整形放大电路，所述第一热敏电阻、第二热敏电阻和第三热敏电阻的一端均接地，另一端均与整形放大电路连接，所述整形放大电路与信号处理电路连接，所述第一热敏电阻与第一自恢复保险丝配对贴合安装，所述第二热敏电阻与第二自恢复保险丝配对贴合安装，所述第三热敏电阻与第三自恢复保险丝配对贴合安装。
5.根据权利要求4所述的一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，所述第一热敏电阻、第二热敏电阻和第三热敏电阻均采用轴向引线玻璃封装型NTC热敏电阻。
6.根据权利要求4所述的一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，还包括固体放电管监测电路，所述固体放电管监测电路包括第一二极管、第三二极管、第五二极管和光电耦合器，所述第一二极管的负极与双向TVS管和第一固体放电管之间的连接节点连接，所述第三二极管的负极与第二二极管和第二固体放电管之间的连接节点连接，所述第五二极管的负极与第四二极管和第三固体放电管之间的连接节点连接，所述第一二极管的正极、第三二极管的正极和第五二极管的正极连接后与光电耦合器的输入端的负引脚连接，所述光电耦合器的输出端的发射极接地，集电极与信号处理电路连接。
7.根据权利要求6所述的一种RS485通信防雷及监测电路，其特征在于，所述固体放电管监测电路还包括第一限流电阻、第二限流电阻和发光二极管，所述光电耦合器的输入端的正引脚通过第一限流电阻与工作电源连接，所述光电耦合器的输出端的集电极与发光二极管的负极连接，所述发光二极管的正极通过第二限流电阻与工作电源连接。
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