信号隔离器的抗干扰技术和应用

信号隔离器的抗干扰技术和应用 发布时间 2012 6 11 19 43 发布者 1770309616 关键词 EMC 工业通信 工业网络 信号隔离 出产过程监督和控制中要用到多种自动化仪表 面临越来越恶劣的环境 为解决干扰 仪表接进 的隔离端子必需达到两个基本要求 第一是解决各种设备 仪表 地 之间的差 即信号参考点的 电位差 第二是电磁兼容 一一 电气隔离和电磁兼容电气隔离和电磁兼容 隔离端子抗干扰的基本要求隔离端子抗干扰的基本要求 1 电气隔离的两个原则 不同设备仪表的 带有不同共模的信号输进到 DCS PLC 等控制系统 如果不加处理而直接联进 可能泛起因信号具有 共模不同 的干扰 所谓 共模不同 主要指信号间的参考点电位差 隔离端 子的输进 输出电气隔离特性使它按捺共模信号的能力很强 它可将带有共模的信号经由隔离输出 成为不含共模的信号 所以只要在每路外部信号和控制系统的采集板之间插进隔离端子就能解决这 个标题题目 还有一种情况 要求一个信号既能向显示仪表输送信号 又能传送给变频器之类的设备 这时除 了输进和输出隔离之外 要求 2 个输出之间相互隔离以消除设备互扰 此时可使用隔离式信号分配 器 如图 1 的 WS15242 综上所述 解决参考点电位差类型的干扰要遵循两个原则 第一 外部设备信号与中央处理系统 例如 PLC DCS 之间要进行电气隔离 第二 外部信号 对系统的接口而言 不管是接收来的信号仍是向外发出的信号 之间要相互电气 隔离 系统安装遵循了这两个原则 就能完全克服因为参考点电位差引进的干扰 大多数隔离端子都要外加工作电源 一般为 DC 24V 或 AC 220V 这个电源在为输进 输出部门供 电时必需确保在电气上与输进 输出两个部门隔离 这种输进 输出 外加工作电源之间相互隔离的产品 称为全隔离端子 从理论上讲 这种供电方式无论隔离端子数量多少 均可用一台电源供电 这样的 连接符合上述两个原则 2 电磁兼容 根据国际电工委员会 IEC 定义 电磁兼容 EMC 是电子设备的一种功能 电子设备在电磁环境中 能完成其功能 而不产生不能容忍的干扰 按 EMC 尺度 要求隔离端子达到 在电磁干扰环境中能正常工作 无机能降低或故障 保证精确 度 不乱性等参数变化在划定范围内 同时隔离端子作为电磁骚扰源而产生的电磁强度也要控制在划 定范围内 减弱它对环境的电磁污染 国际电工委员会 IEC 在 1997 年和 1999 年发布了关于工业环境中的抗扰度试验 工业环境中的 发射尺度作为电磁兼容通用尺度 我国也发布了与它等同的文件 GB T17799 2 2003 和 GB17799 4 2001 欧盟 CE 也有同样尺度 规范进进欧盟市场的产品 这些文件也是隔离端子应该达到的尺度 形成电磁干扰后果必需具备 3 个基本要素 即电磁骚扰源 耦合通道 敏感设备 EMC 设计的任 务就是减弱骚扰源能量 堵截耦合通道 提高设备对电磁干扰的抵挡能力 隔离端子的 EMC 也要从设 计做起 因为它属于处理信号的仪表 功率小 对外发射能量也低 在设计上只要稍加注意减弱产品 对环境的电磁污染 工业环境中的发射尺度 要求比较等闲达到 它的设计重点在提高对电磁骚扰的 抵挡能力 图 2 给出两种隔离端子在射频调幅电磁场试验中输出信号的变化情况 用以说明电磁兼容 的重要性 二二 应用选择应用选择 1 依据接口选择产品 工业过程控制中最常见的信号是 4 20mA 0 10V 压力 温度 流量等物理量要转换成 4 20mA 0 10V 信号送计算机处理 将这些物理量转换为 4 20mA 0 10V 信号的设备称为变送器 图 3 为隔 离温度变送器应用连线图 图中 Pt100 是以电阻变化体现温度变化的温度传感器 所以连接线的引线 电阻会引进误差 WS9050 WS2050 这类变送器具有长线补偿功能 可消除引线电阻的误差并有线性化 功能 确保转换精确度 WS2050 这类二线制变送器 它的电源与输出共 地 没有隔离 当多个 Pt100 经由多路 WS2050 输送到 PLC 时 虽然输出共用一个 24V 电源 只要输出接到有共同参考点的模拟量输进板 这种连接 就符合本文上述指出的两个原则 需要注意的是 多路 WS2050 接到不同的 PLC 就要使用各自的 24V 电源 针对变送器的隔离还有另一种方式 传感器和变送器为一体而又必需放置在现场指定地点 此时 一般把隔离端子安顿在中央控制室机柜中 由机柜中的隔离端子为现场变送器配送电源 图 4 给出了 针对不同接口的两种产品连线图 使用哪一种要根据 PLC 接口情况决定 现场调试也会泛起仪表和 PLC 接口不匹配 发送设备为四线制变送器输出 4 20mA 而接收端 4 20mA 的接口为二线回路供电方式 图 5 中 24V 电源和 RL 方式 若直接连接将造成电源冲突 解决方法 是采用隔离端子将现场的 4 20mA 接收并隔离 在隔离端子内部输出部门安装一个专用电路用以匹配 和 PLC 的二线回路供电接口方式 见图 5 这种隔离端子也可以处理 0 10V 0 5A AC 等输进 电压电流信号 图 3 至图 5 表明选择隔离端子首先依据输进端口是接传感器仍是电压电流信号 或者是接二线制 变送器 其次输出是电压仍是电流 如果输出是 4 20mA 电流还要确定是图 4 的 PLC 两种接收方式的 哪一种 一般 4 20mA 电流信号隔离器需要外接工作电源 这里推荐一种不用另外再加电源的隔离器 WS1562 如图 6 WS1562 的最大特点是无需外接电源 接线简捷 功耗低 可靠机能高 多路连 接符合上述两个原则 图 7 是 WS1562 在输出为 20mA 前提下 输出负载和输进端电压关系曲线 VIN 表示输进端电压 RL 表示输出负载电阻 VO 表示输出负载电阻上的电压 图 8 给出两种无源隔离器输出负载对线性度曲线 其中实线描绘的机能较好 输出负载电阻 RL 从 0 500 变化 线性度都在 0 2 以内 2 主要参数选取 选择隔离端子除了要确定功能 注意适应前后端接口外 尚有精确度 功耗 噪音 尽缘强度 总线通信功能等良多参数需要使用者慎选 精确度长短常重要的参数 与它有关系的参数良多 时间漂移和温度漂移 2 个参数表明了 精确度的不乱程度 要求这 2 个参数值越小越好 另一个对精确度产生影响的参数是噪音 因为隔离端子一般采用 DC DC 产生隔离电源给产品内部 电路供电 而输进信号也要先被调制成脉冲再经由隔离带 光耦或变压器 然后解调到输出 以 CPU 为 核心的隔离端子也存在脉冲信号 这些工作脉冲的频率多在 20kHz 500kHz 范围 它的边缘陡峭 谐 波丰硕 对信号的污染很难消除 如果噪音幅度高 数据采集器收集到信号的误差就大 所以噪音的 峰值和能量越小越好 功耗是指隔离端子工作时消耗的电能 它和产品的内部热量温度有关 图 9 给出两种具有不同功 耗的隔离端子按 2 种排列方式 独立放置 10 只一排紧密排列前提下 内部温度和环境温度 产品仿 单上称为 工作温度 的关系曲线 图 9 中 D 曲线表明当产品本身消耗功率较大 处于紧密排列 环境温度较高时 产品内部温度就 高 长时间的高温环境将使产品内部集成电路参数