隔离端子的抗干扰和应用选择 - 工业/测控 - 电子工程师俱

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生产过程监视和控制中要用到多种自动化仪表、面对越来越恶劣的环境，为解决干扰，仪表接入的隔离端子必须达到两个基本要求：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 电气隔离和电磁兼容--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入到DCS、PLC等控制系统，如果不加处理而直接联入，可能出现因信号具有"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。隔离端子的输入/输出电气隔离特性使它抑制共模信号的能力很强，它可将带有共模的信号经过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入隔离端子就能解决这个问题。
　　
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。这时除了输入和输出隔离之外，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，无论是接收来的信号还是向外发出的信号)之间要相互电气隔离。系统安装遵循了这两个原则，就能完全克服由于参考点电位差引入的干扰。
　　
大多数隔离端子都要外加工作电源，一般为DC 24V或AC 220V。这个电源在为输入、输出部分供电时必须确保在电气上与输入/输出两个部分隔离。这种输入/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，这种供电方式不管隔离端子数量多少，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标准，要求隔离端子达到：在电磁干扰环境中能正常工作，无性能降低或故障，保证精确度、稳定性等参数变化在规定范围内。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规定范围内，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、工业环境中的发射标准作为电磁兼容通用标准。我国也发布了与它等同的文件：GB/T17799.2-2003和GB17799.4-2001。欧盟CE也有同样标准，规范进入欧盟市场的产品。这些文件也是隔离端子应该达到的标准。
　　
形成电磁干扰后果必须具备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、切断耦合通道、提高设备对电磁干扰的抵抗能力。隔离端子的EMC也要从设计做起。由于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，"工业环境中的发射标准"要求比较容易达到。它的设计重点在提高对电磁骚扰的抵抗能力。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 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入误差。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入板，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须放置在现场指定地点。此时一般把隔离端子安置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。
　　
现场调试也会出现仪表和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分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等输入电压电流信号。
图3至图5表明选择隔离端子首先依据输入端口是接传感器还是电压电流信号、或者是接二线制变送器，其次输出是电压还是电流，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、可靠性能高，多路连接符合上述两个原则。

　　
图7是WS1562在输出为20mA条件下，输出负载和输入端电压关系曲线。VIN表示输入端电压、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，其中实线描绘的性能较好，输出负载电阻RL从0～500Ω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、绝缘强度、总线通信功能等许多参数需要使用者慎选精确度是非常重要的参数。与它有关系的参数很多。时间漂移和温度漂移2个参数表明了精确度的稳定程度，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。由于隔离端子一般采用DC/DC产生隔离电源给产品内部电路供电，而输入信号也要先被调制成脉冲再经过隔离带(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、谐波丰富，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只一排紧密排列条件下，内部温度和环境温度(产品说明书上称为：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蜕变、电阻阻值变化、电容漏电增大等，导致产品性能下降、可靠性降低、甚至失效。

隔离端子设计日趋小型化，其目的就是少占空间，允许密集安装。密集安装就存在散热问题，进一步讲，必须降低产品工作电流，降低产品内部温度，这是提高产品可靠性的措施之一。
　　
隔离端子采用导轨安装，连接采用端子接线，适用安装在机柜中，它的接线拆换方便。