CN201983705U - 串口电磁脉冲防护器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种串口电磁脉冲防护器，包括：至少一个放电管；至少两个瞬态电压抑制二极管；至少两个电阻；入口接口；和出口接口；其中至少两个瞬态电压抑制二极管串联，之后与至少一个放电管并联，在至少一个放电管与至少两个瞬态电压抑制二极管中的第一个之间连接有至少两个电阻中的一个，在至少一个放电管与至少两个瞬态电压抑制二极管中的第二个之间连接有至少两个电阻中的另一个，至少一个放电管的一端接地，其余两端接所述入口接口，瞬态至少两个电压抑制二极管的每个的一极接地，另一极接所述出口接口。

Description

串口电磁脉冲防护器

技术领域

本实用新型涉及一种电磁脉冲防护器，更具体而言，涉及一种串口电磁脉冲防护器。

背景技术

未来信息化战争，武器装备面临的电磁环境将极为复杂，不仅有武器平台自身的雷达、无线通信等设备干扰等，还要面临敌我双方的电子对抗、以及电磁脉冲弹、高功率微波武器的电磁干扰，此外还有雷电、静电干扰，这使得高科技战场的电磁环境趋于恶劣和复杂化。作为通讯指挥系统的军用电子方舱应具备对复杂电磁环境的适应能力。而目前国内还没有能够有效提高武器装备应对复杂电磁效应环境的能力，并实现良好经济效益的产品。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种串口电磁脉冲防护装置，有效提高武器装备应对复杂电磁效应环境的能力，并实现良好经济效益。

本实用新型公开一种串口电磁脉冲防护器，从而有效保护电路电子器件由于电源线、信号线耦合导致的损坏。

根据一个实施例，一种串口电磁脉冲防护器可包括：至少一个放电管；至少两个瞬态电压抑制二极管；至少两个电阻；入口接口；和出口接口；其中所述至少两个瞬态电压抑制二极管串联，之后与所述至少一个放电管并联，在所述至少一个放电管与所述至少两个瞬态电压抑制二极管中的第一个之间连接有所述至少两个电阻中的一个，在所述至少一个放电管与所述至少两个瞬态电压抑制二极管中的第二个之间连接有所述至少两个电阻中的另一个，所述至少一个放电管的一端接地，其余两端接所述入口接口，所述瞬态至少两个电压抑制二极管的每个的一极接地，另一极接所述出口接口。

根据另一实施例，一种串口电磁脉冲防护器可包括：第一放电管和第二放电管；第一瞬态电压抑制二极管，第二瞬态电压抑制二极管，第三瞬态电压抑制二极管和第四瞬态电压抑制二极管；第一电阻，第二电阻，第三电阻和第四电阻；入口接口；和出口接口；其中所述第一瞬态电压抑制二极管和所述第二瞬态电压抑制二极管串联后与所述第一放电管并联，在所述第一放电管与所述第一瞬态电压抑制二极管之间连接有所述第一电阻，在所述第一放电管与所述第二瞬态电压抑制二极管之间连接有第二电阻，所述第三瞬态电压抑制二极管与所述第四瞬态电压抑制二极管串联后与所述第二放电管并联，在所述第二放电管与所述第三瞬态电压抑制二极管之间连接有第三电阻，在所述第二放电管与所述第四瞬态电压抑制二极管之间连接有第四电阻，所述第一放电管和所述第二放电管的每个的一端接地，其余两端接所述入口接口，所述第一瞬态电压抑制二极管，所述第二瞬态电压抑制二极管，所述第三瞬态电压抑制二极管和所述第四瞬态电压抑制所述出口接口。

优选地，所述放电管为气体放电管。

优选地，所述气体放电管为三端插针式。

优选地，所述至少两个瞬态电压抑制二极管为两极插针式。

附图说明

通过参照所附附图对示例性实施例进行的详细描述，以上及其它特征和优点对于本领域技术人员来说将变得更加明显，附图中：

图1示出电磁脉冲对通信系统的耦合途径。

图2示出根据本发明一个实施例的串口电磁脉冲防护器的电路示意图。

具体实施方式

本实用新型提供一种串口电磁脉冲防护装置，目前国内还没有类似产品，产品的成功研发可以填补国内产品空白，有效提高武器装备应对复杂电磁效应环境的能力，并实现良好经济效益。

强电磁脉冲特性

目前，对高空核电磁脉冲(HEMP)辐射环境的描述有多种，多是以双指数的形式作为辐射波形的数学表达式，其时域表达式如公式(1)所示：

E(t)＝E₀k(e^-αt-e^-βt)     公式(1)

K是修正系数，E₀是峰值场强，β、α是表征脉冲前、后沿的参数。

在一个实施例中，公式(1)中的各可取值为E₀＝50kV/m，α＝4×10⁷/s，β＝6×10⁸/s，k＝1.3。

强电磁脉冲具有以下几个特点：

(1)幅度大。电磁脉冲的电场强度在几公里范围内可达1～10万伏/米。

(2)作用时间短。核电磁脉冲(NEMP)的电场变化迅速，在0.01-0.03微秒的时间内即可上升到最大值，从发生到结束也只有几十微秒的时间，比闪电快50倍。

(3)频谱宽。电磁脉冲的频率范围宽(频率从几赫兹到100兆赫兹)，对军用或民用超低频(VLF)、高频(HF)、超高频(VHF)无线电通讯影响极大。

(4)作用范围广。高空核爆炸时，由于其源区是在离地面几十公里的上空，覆盖着地球广大的面积，从如此大面积的源区向下发射的NEMP，其场强在广大区域内变化不大。当核爆炸发生在地面或靠近地面时，源区的覆盖半径约3-8km，但辐射出来的电磁脉冲信号可以传到很远的地方；当核爆炸发生在3-25公里高度时，源区半径约2-8公里；当核爆炸在30公里以上空气稀薄的高空发生时，由于γ射线衰减较慢，因而透过的距离较长，作用范围更广，以致核电磁脉冲的破坏作用可达数千公里，地球上凡能看到爆点的地方皆能受到电磁脉冲的覆盖。

电磁脉冲的耦合机理

电磁脉冲(EMP)通过电子设备的前门耦合或者后门耦合进入系统内部，会对通信电子系统产生严重的破坏作用。前门耦合是指电磁脉冲通过无的天线系统耦合到系统的内部。天线系统用于把功率耦合进、出设备，因此给脉冲功率源提供了一条进入设备并产生破坏的有效路径。后门耦合是指电磁脉冲通过设备的固定电气连线和设备互联的电缆上产生大的瞬态电流或电驻波，这些能量进入设备内部会造成电路的损坏。图1为电磁脉冲对通信系统的耦合途径。如图1所示，通信系统的后门耦合主要是通过天线、电源线、信号线、机箱孔缝耦合到系统的内部。

天线耦合

电磁脉冲耦合到通信系统的收发天线就会感应出电压或电流，当然还要考虑该天线的频段响应和增益，频率很高时在很短的天线上就能感应很大的电压。这些电压或电流通过线缆传输到系统内部就会影响系统的正常工作，严重时将会损毁电子线路及其元器件。

电源线、信号线耦合

电磁脉冲通过通信系统的电源线、输入端和输出端信号线，耦合电磁脉冲能量而产生一定强度的电压或电流信号，然后又以传导耦合的方式进入通信系统。

机箱孔缝耦合

由于通风散热和进出机箱的电缆线，需要在屏蔽机箱上开孔。当孔缝的尺寸大于电磁波波长的二分之一时，电磁波可以进入机箱内部，机箱的屏蔽效能将大为降低。当小孔中有贯通导线穿过时，若电磁脉冲入射电场与贯通导线在机箱外的部分平行，则贯通导线可直接从入射场中耦合电磁能量并将其引入机箱内电路，从而使机箱内电路上的耦合电流显著增强。另外，屏蔽机箱外壳感应电流形成的散射场通过与贯通导线耦合，也能在机箱内电路上产生较强的耦合电流，而且耦合电流峰值可随贯通导线外露于机箱部分长度的增加而增加。

抑制电磁脉冲的机理和方法

常用的浪涌抑制器件为气体放电管、瞬态电压抑制器、压敏电阻、半导体二极管等。它们的工作原理不同，但有相似的伏安特性，即两端电压低于规定电压时，通过电流很小，而当两端电压高于规定电压后，通过电流会呈指数规律增长。这一伏安特性使其能同时满足浪涌抑制泄流和限幅的要求，因而也就成为浪涌抑制的主导器件。

各种电磁脉冲抑制器件的共同特点为器件在阈值电压以下都呈现高阻抗，一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，都对尖峰电压有一定的抑制作用，但各自都有缺点。因此根据具体的应用场合，一般采用上述器件中的一个或者几个的组合来组建相应的保护电路。

气体放电管可以用于数据线、有线电视、交流电源、电话系统等方面进行浪涌保护，一般器件电压范围从75～10000V，耐冲击峰值电流20000A，可承受高达几千焦耳的放电。气体放电管的优点是通流量容量大，绝缘电阻高，漏电流小。

气体放电管的主要参数：

1)反应时间，指从外加电压超过击穿电压到产生击穿现象的时间，气体放电管反应时间一般在μs数量级。

2)功率容量，指气体放电管所能承受及散发的最大能量，其定义为在固定的8×20μs电流波形下，所能承受及散发的电流。

3)电容量，指在特定的1MHz频率下测得的气体放电管两极间电容量。气体放电管电容量很小，一般为≤1pF。

4)直流击穿电压，当外施电压以500V/s的速率上升，放电管产生火花时的电压为击穿电压。气体放电管具有多种不同规格的直流击穿电压，其值取决于气体的种类和电极间的距离等因素。

5)温度范围，其工作温度范围一般在一55℃～+125℃之间。

瞬态抑制二极管亦称为齐纳二极管，是一种专门用于抑制过电压的器件。其核心部分是具有较大截面积的PN结，该PN结工作在雪崩状态时，具有较强的脉冲吸收能力。其优点是残压低，动作精度高，反应时间快(＜1ns)，无跟随电流(续流)；其缺点是耐流能力差，通流容量小，一般只有几百安培。

本实用新型在上述气体放电管以及瞬态抑制二极管的基础上，提供一种串口电磁脉冲防护器，用于防止由于电源线、信号线等耦合造成线路的损坏。

图2示出根据本发明一个实施例的串口电磁脉冲防护器的电路示意图。从图2可见，串口电磁脉冲防护器包括两个气体放电管GDT1和GDT2、4个瞬态电压抑制二极管D1-D4、电阻R1-R4、入口接口和出口接口。其中瞬态电压抑制二极管D1与D2串联后与气体放电管GDT1并联，在GDT1与瞬态电压抑制二极管D1之间连接有电阻R1，在GDT1与瞬态电压抑制二极管D2之间连接有电阻R2，瞬态电压抑制二极管D3与D4串联后与气体放电管GDT2并联，在GDT2与瞬态电压抑制二极管D3之间连接有电阻R3，在GDT2与瞬态电压抑制二极管D4之间连接有电阻R4，GDT1和GDT2的每个一端接地，其余两端接串口电磁脉冲防护器的入口接口，瞬态电压抑制二极管D1-D4的每个的一极接地，另一极接串口电磁脉冲防护器的出口接口。其中附图标记1、2、3、4为入口接口，1’、2’、3’、4’为出口接口。

串口电磁脉冲防护器采用两级防护的方案。串口电磁脉冲防护器的入口接口连接要求保护的线路的输入端，即气体放电管或者半导体放电管放在线路输入端，作为第一级电磁脉冲保护器件，承受较大的电流；瞬态电压抑制二极管作为二级保护器件，对高灵敏的电子电路提供保护，在皮秒级时间范围内对电磁脉冲产生响应，能够可靠保护诸如RS485、RS422或CAN总线等数据线路，确保通信和控制系统的有效运行。

在一个实施例中，气体放电管的型号可为EPCOS 3R097CXMA，工作参数可为90V，10KA，可为三端插针式；瞬态电压抑制二极管的型号可为P6KE18CA，导通电压可为15.3V，可为两极插针式；电阻可为5欧姆，1/2W，插针式。

在另一个实施例中，可采用一个瞬态电压抑制二极管、两个气体放电管和两个电阻来组建串口电磁脉冲防护器。其结构可相当于上述实施例的一半。

在一个实施例中，串口电磁脉冲防护器的具体技术指标可为下表1中所示。

表1

虽然在本实施例中列出被保护线路有RS485、RS422或CAN总线等，但该串口电磁脉冲防护器可用于保护其它电源线或信号线等受线路耦合的损害。并且，虽然本文所述实施例中使用了具体的气体放电管、瞬态电压抑制二极管和电阻，并给出了串口电磁脉冲防护器的具体技术指标，但本使用新型并不限于此。因此，本领域普通技术人员会理解，在不超出所附权利要求记载的本发明的精神和范围的情况下，可以做各种形式上和细节上的改变。

Claims (8)

1.一种串口电磁脉冲防护器，其特征在于，包括：

至少一个放电管；

至少两个瞬态电压抑制二极管；

至少两个电阻；

入口接口；和

出口接口；

其中所述至少两个瞬态电压抑制二极管串联，之后与所述至少一个放电管并联，在所述至少一个放电管与所述至少两个瞬态电压抑制二极管中的第一个之间连接有所述至少两个电阻中的一个，在所述至少一个放电管与所述至少两个瞬态电压抑制二极管中的第二个之间连接有所述至少两个电阻中的另一个，所述至少一个放电管的一端接地，其余两端接所述入口接口，所述至少两个瞬态电压抑制二极管的每个的一极接地，另一极接所述出口接口。

2.如权利要求1所述的串口电磁脉冲防护器，其特征在于，所述至少一个放电管为至少一个气体放电管。

3.如权利要求2所述的串口电磁脉冲防护器，其特征在于，所述至少一个气体放电管为三端插针式气体放电管。

4.如权利要求1所述的串口电磁脉冲防护器，其特征在于，所述至少两个瞬态电压抑制二极管为两极插针式。

5.一种串口电磁脉冲防护器，其特征在于，包括：

第一放电管和第二放电管；

第一瞬态电压抑制二极管，第二瞬态电压抑制二极管，第三瞬态电压抑制二极管和第四瞬态电压抑制二极管；

第一电阻，第二电阻，第三电阻和第四电阻；

入口接口；和

出口接口；

其中所述第一瞬态电压抑制二极管和所述第二瞬态电压抑制二极管串联后与所述第一放电管并联，在所述第一放电管与所述第一瞬态电压抑制二极管之间连接有所述第一电阻，在所述第一放电管与所述第二瞬态电压抑制二极管之间连接有第二电阻，所述第三瞬态电压抑制二极管与所述第四瞬态电压抑制二极管串联后与所述第二放电管并联，在所述第二放电管与所述第三瞬态电压抑制二极管之间连接有第三电阻，在所述第二放电管与所述第四瞬态电压抑制二极管之间连接有第四电阻，所述第一放电管和所述第二放电管的每个的一端接地，其余两端接所述入口接口，所述第一瞬态电压抑制二极管，所述第二瞬态电压抑制二极管，所述第三瞬态电压抑制二极管和所述第四瞬态电压抑制所述出口接口。

6.如权利要求5所述的串口电磁脉冲防护器，其特征在于，所述至少一个放电管为至少一个气体放电管。

7.如权利要求6所述的串口电磁脉冲防护器，其特征在于，所述至少一个气体放电管为三端插针式气体放电管。

8.如权利要求5所述的串口电磁脉冲防护器，其特征在于，所述至少两个瞬态电压抑制二极管为两极插针式。

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