数 字 隔 离 器 光 耦 隔 离 器 或 者 电 磁 隔 离 器 用 来 将 系 统 现 场 的 ADC DAC 和 信 号 调 理 电 路 与 数 字 端 的 控 制 器 隔 离 开 来 如 果 模 拟 端 的 系 统 也 必 须 实 现 充 分 隔 离 的 话, 在 输 入 或 者 输 出 的

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1 图 1 PLC 系 统 架 构, 示 出 了 各 种 不 同 的 I/O 模 块 功 能 PLC 系 统 包 含 输 入 模 块 输 出 模 块 和 输 入 / 输 出 模 块 因 为 许 多 输 入 和 输 出 都 涉 及 现 实 世 界 中 的 模 拟 变 量 而 控 制 器 是 数 字 式 的 PLC 系 统 硬 件 设 计 任 务 将 主 要 围 绕 如 下 方 面 展 开 : 数 模 转 换 器 (DAC) 模 数 转 换 器 (ADC) 输 入 和 输 出 信 号 调 理 输 入 / 输 出 模 块 的 电 气 连 线 与 控 制 器 之 间 以 及 模 块 相 互 之 间 的 隔 离 问 题 I/O 模 块 的 分 辨 率 范 围 从 12 位 到 16 位, 在 整 个 工 业 级 温 度 范 围 的 精 度 为 0.1% 模 拟 输 出 电 压 范 围 通 常 为 ± 5V ± 10V 或 者 0V~5V 0V~10V, 电 流 范 围 为 4~20mA 或 0~20mA 对 DAC 的 稳 定 时 间 要 求, 从 10ms 一 直 到 100ms, 具 体 则 取 决 于 应 用 的 实 际 要 求 模 拟 输 入 范 围 广 泛, 由 电 桥 传 感 器 输 出 的 ± 10mV 微 弱 电 压 信 号 ; 也 有 电 机 控 制 器 ± 10V 的 电 压 信 号, 或 者 工 业 过 程 控 制 系 统 的 4~20mA 电 流 转 换 时 间 则 取 决 于 所 要 求 的 精 度 和 所 选 用 的 ADC 架 构, 从 10SPS 到 几 百 KSPS

2 数 字 隔 离 器 光 耦 隔 离 器 或 者 电 磁 隔 离 器 用 来 将 系 统 现 场 的 ADC DAC 和 信 号 调 理 电 路 与 数 字 端 的 控 制 器 隔 离 开 来 如 果 模 拟 端 的 系 统 也 必 须 实 现 充 分 隔 离 的 话, 在 输 入 或 者 输 出 的 每 个 通 道 必 须 采 用 转 换 器 以 便 最 大 限 度 提 高 通 道 间 的 隔 离 度 电 源 的 隔 离 也 是 必 需 的 icmos 工 艺 icmos 技 术 是 一 种 新 型 的 高 性 能 制 造 工 艺, 它 将 高 压 的 集 成 电 路 与 亚 微 米 级 CMOS 和 互 补 双 极 型 工 艺 融 为 一 体, 在 PLC 设 计 的 输 入 输 出 部 分 所 使 用 icmos 技 术 使 得 单 芯 片 的 设 计 能 够 融 合 5V CMOS 并 实 现 其 与 电 压 更 高 的 (16 24 或 者 30V)CMOS 电 路 的 匹 配 于 是 同 一 块 芯 片 将 拥 有 多 路 不 同 电 压 的 电 源 由 于 能 够 如 此 灵 活 地 将 各 种 元 件 和 工 作 电 压 集 成 到 一 起, 亚 微 米 的 icmos 器 件 具 有 更 高 的 性 能, 其 集 成 的 功 能 更 多, 而 功 耗 更 低 而 且 所 需 要 的 电 路 板 面 积 大 大 小 于 前 几 代 高 压 产 品 其 中 的 双 极 型 工 艺 为 ADC DAC 和 低 失 调 放 大 器 提 供 了 精 确 的 基 准 源, 出 色 的 匹 配 特 性 和 高 度 的 稳 定 性 薄 膜 电 阻 具 有 高 达 12 位 的 初 始 匹 配 特 性, 经 过 修 调 后 可 以 实 现 16 位 的 匹 配, 温 度 和 电 压 系 数 与 传 统 的 多 晶 硅 的 电 阻 相 比, 改 善 了 20 倍, 是 高 准 确 度 高 精 度 的 数 模 转 换 器 的 理 想 选 择 片 上 的 薄

3 膜 熔 断 器 使 得 高 精 度 转 换 器 的 积 分 非 线 性 偏 置 和 增 益 等 性 能 可 以 用 数 字 化 的 技 术 来 校 准 PLC 输 出 模 块 PLC 系 统 的 模 拟 输 出 通 常 用 于 控 制 工 业 环 境 中 的 执 行 器 阀 和 电 机 使 用 了 标 准 的 模 拟 输 出 范 围, 如 ±5 ± 10V 0V~5V 0V~10V 4~20mA 或 者 0~20mA 模 拟 输 出 的 信 号 链 常 常 包 括 了 数 字 隔 离 将 控 制 器 的 数 字 输 出 与 DAC 和 模 拟 信 号 调 理 部 分 隔 离 开 来 在 数 字 化 隔 离 的 系 统 中 所 使 用 的 转 换 器 主 要 使 用 3 线 或 者 4 线 串 行 接 口 来 最 大 限 度 减 小 所 要 求 的 数 字 隔 离 器 或 者 光 耦 隔 离 器 的 数 量 PLC 系 统 的 模 拟 输 出 模 块 通 常 采 用 两 种 架 构 : 每 个 通 道 一 个 DAC 的 架 构 和 每 个 通 道 一 个 采 样 保 持 器 的 架 构 第 一 种 架 构 中, 每 个 通 道 使 用 一 个 专 用 的 DAC 来 产 生 模 拟 控 制 电 压 或 者 电 流 现 在 有 许 多 多 通 道 DAC 可 供 选 择, 在 空 间 占 用 上 更 少, 通 道 单 位 成 本 更 低, 但 那 些 需 要 通 道 相 互 隔 离 的 往 往 采 用 了 单 通 道 DAC 架 构 图 2 是 每 通 道 使 用 一 个 DAC 的 典 型 配 置 这 种 最 简 单 DAC 是 低 压 单 电 源 型 的, 采 用 2.5V~5.5V 电 源 供 电, 输 出 范 围 是 0~VREF, 输 出 信 号 经 过 调 理 后 可 以 产 生 所 需 的 任 意 电 压 或 者 电 流 范 围 双 极 性 输 出 转 换 器 采 用 双 电 源 供 电, 可 以 用 于 必 须 输 出 双 极 性 电 压 范 围 的 输 出 模 块

4 图 2 每 通 道 一 个 DAC 的 架 构 四 路 D/A 转 换 器 是 非 隔 离 型 的 多 通 道 输 出 设 计 的 理 想 选 择, 通 过 外 接 信 号 调 理 电 路 的 方 法 可 以 实 现 多 达 4 路 的 不 同 的 输 出 配 置 例 如, 图 3 示 出 了 16bit 4 路 电 压 输 出 型 DACAD5664R 是 如 何 提 供 0~5V 的 输 出 范 围 的 它 也 可 以 通 过 不 同 的 连 接 方 式 提 供 各 种 标 准 所 需 的 输 出 电 压 范 围, 或 者 通 过 外 接 的 四 运 放 构 成 灌 电 流 输 出 在 配 制 成 双 极 性 输 出 时, 其 内 部 基 准 源 的 对 外 输 出 可 以 提 供 必 要 的 跟 踪 偏 置 电 压

5 图 3 利 用 多 通 道 D/A 变 换 器 实 现 ± 5V ± 10V 0V~10V 0V~5V 等 电 压 和 电 流 沉 输 出 图 4 示 出 了 隔 离 4~20mA 电 流 环 控 制 电 路 中 所 使 用 的 一 个 单 通 道 转 换 器 AD5662 采 用 SOT-23 封 装, 适 用 于 那 些 需 要 在 模 拟 输 出 之 间 充 分 隔 离 的 应 用 图 4 一 个 4~20mA 电 流 控 制 电 路 图 4 中,AD5662 最 大 的 输 出 电 压 摆 幅 为 5V, 该 电 压 由 ADR02 电 压 基 准 来 提 供, 它 可 以 从 变 化 的 回 路 电 压 中 稳 压 出 一 路 精 密 的 电 源 5V 的 DAC 输 出 则 通 过 一 个 运 算 放 大 器 和 晶 体 管 构 成 的 混 合 电 路 转 换 成 4~20mA 的 电 流 输 出 因 为 运 算 放 大 器 的 同 向 端 输 入 处 于 虚 地 电 位, 运 放 就 可 以 调 节 电 流 Is, 以 维 持 在 RS 和 R3 上 的 电 压 相 等 的 关 系, 于 是 有 RSIS=R3I3 N2 端 的 电 流 的 总 和 构 成 了 环 路 电 流 : 电 流 在 N1 点 相 加, 于 是 有 :

6 环 路 电 流 中 的 4mA 的 偏 移 分 量 是 由 基 准 电 压 所 提 供 : 环 路 电 流 中 可 编 程 0~16mA 电 流 则 是 由 DAC 提 供 : 每 通 道 配 置 采 样 - 保 持 电 路 另 一 种 可 选 的 架 构 是 利 用 开 关 电 容 和 缓 冲 器 来 构 成 采 样 - 保 持 放 大 器 (HA), 以 储 存 高 性 能 单 DAC 的 输 出 信 号, 如 图 5 所 示 这 些 采 样 值 通 过 模 拟 多 路 复 用 器 在 不 同 的 电 容 器 之 间 切 换 因 为 系 统 的 保 持 精 度 由 电 容 的 下 降 速 率 所 决 定, 所 以 需 要 对 这 些 通 道 进 行 频 繁 的 刷 新 以 维 持 所 需 要 的 精 度 根 据 输 出 的 要 求, 可 采 用 低 压 单 电 源 DAC, 也 可 以 使 用 双 极 性 输 出 DAC 缓 冲 器 可 以 提 供 信 号 调 理, 对 电 容 而 言 呈 现 一 个 很 高 的 输 入 阻 抗, 并 能 提 供 很 低 的 输 出 阻 抗, 以 驱 动 负 载 图 5 单 DAC 架 构 电 源 和 数 字 信 号 的 电 流 隔 离 在 PLC 过 程 控 制 数 据 采 集 以 及 控 制 系 统 中, 各 种 传 感 器 产 生 的 数 字 信 号 都 传 送 到 一 个 中 央 控 制 器, 进 行 处 理 和 分 析 为 了 保 证 用 户 接 口 端 电 压 的 安 全 性, 也 为 了 防 止 瞬 态 尖 峰 的 传 输, 需 要 实 现 电

7 流 隔 离 最 常 用 的 隔 离 器 件 是 光 耦 器 基 于 变 压 器 的 隔 离 器 和 电 容 耦 合 式 隔 离 器 通 用 的 光 耦 器 利 用 发 光 二 极 管 (LED) 来 将 电 气 信 号 转 换 成 对 应 的 光 强 度, 并 用 光 电 探 测 器 将 光 信 号 转 换 成 电 信 号 一 般 说 来, 它 们 的 LED 普 遍 存 在 转 换 效 率 低 的 问 题, 而 且 光 电 探 测 器 的 响 应 速 度 较 慢 ; 光 耦 隔 离 器 的 寿 命 有 限, 随 着 温 度 工 作 速 度 和 功 耗 的 变 化 而 会 出 现 过 大 的 性 能 波 动 它 们 一 般 局 限 于 1 或 2 通 道 结 构, 需 要 外 接 元 件 才 能 实 现 完 整 的 功 能 ADI 目 前 开 发 出 一 种 新 的 隔 离 方 法, 它 将 芯 片 级 的 变 压 器 技 术 与 集 成 化 的 CMOS 输 入 与 输 出 电 路 结 合 起 来 这 些 icoupler 器 件 在 尺 寸 成 本 和 功 耗 方 面 都 低 于 光 耦 隔 离 器, 同 时, 有 多 种 多 样 的 通 道 配 置 和 性 能 水 平, 并 带 有 标 准 的 CMOS 接 口, 且 无 需 外 接 元 件 且 能 在 全 温 度 电 源 范 围 和 寿 命 期 中 保 持 其 高 性 能 和 稳 定 性 icoupler 的 数 据 率 和 定 时 精 度 比 常 见 的 高 速 光 耦 合 器 高 2~4 倍, 而 它 们 用 的 功 耗 仅 为 光 耦 合 器 的 1/50, 发 热 更 小, 而 可 靠 性 得 以 提 高, 成 本 则 更 低 在 完 全 隔 离 的 系 统 中, 从 系 统 端 向 现 场 端 提 供 隔 离 的 电 源 是 另 一 个 要 面 对 的 挑 战, 而 在 这 一 方 面 目 前 也 涌 现 了 新 的 解 决 方 案 传 统 上, 将 电 源 从 隔 离 的 一 端 传 递 到 另 一 端 所 用 的 技 术 包 括 使 用 单 独 的

8 尺 寸 较 大 的 昂 贵 的 DC/DC 变 换 器, 或 者 设 计 及 接 口 困 难 的 分 立 器 件 目 前 出 现 的 一 种 更 新 和 更 好 的 方 法 是 采 用 完 整 的 全 部 集 成 化 的 隔 离 解 决 方 案, 这 种 方 案 可 以 通 过 微 变 压 器 实 现 跨 越 隔 离 点 的 信 号 和 电 源 传 输, 其 供 电 能 力 高 达 50mW 单 个 ADuM524x isopower 系 列 产 品 元 件 可 以 提 供 高 达 5kV 的 信 号 和 电 源 隔 离 度, 这 避 免 了 采 用 分 立 的 隔 离 的 电 源 的 必 要, 显 著 的 降 低 了 总 的 隔 离 系 统 的 成 本 电 路 板 面 积 和 设 计 时 间 所 有 isopower 产 品 都 已 经 实 现 了 UL CSA 和 VDE 安 全 性 认 证 PLC 输 入 模 块 PLC 系 统 的 架 构 和 输 入 模 块 的 选 择 取 决 于 所 需 要 监 测 的 输 入 信 号 电 平 的 高 低 各 种 类 型 的 传 感 器 和 待 监 测 的 过 程 控 制 变 量 所 产 生 的 信 号, 其 范 围 从 ± 10mV 一 直 到 ± 10V 许 多 种 结 构 的 ADC 都 可 以 应 用 于 工 业 和 PLC 应 用, 包 括 逐 次 逼 近 型 (SAR) Flash/Parallel 积 分 ( 包 括 S-D), 以 及 斜 坡 / 计 数 型 针 对 特 定 应 用 选 择 ADC 时, 首 要 考 虑 的 因 素 是 输 入 信 号 范 围, 同 时 还 应 该 考 虑 所 要 求 的 精 度 信 号 频 率 分 量 最 大 的 信 号 电 平 以 及 动 态 范 围 使 用 最 广 泛 的 是 逐 次 逼 近 型 ADC 和 S-D ADC

9 逐 次 逼 近 型 ADC 可 以 提 供 12bit 到 18bit 的 分 辨 率, 而 且 具 有 高 吞 吐 率 ; 它 们 是 多 通 道 复 用 应 用 的 理 想 选 择, 而 这 些 应 用 需 要 以 较 高 的 采 样 速 率 对 大 量 的 输 入 通 道 进 行 监 测 S-D 架 构 的 ADC 所 能 提 供 的 分 辨 率 为 16bit~24bit 它 们 具 有 很 高 的 过 采 样 速 率 和 数 字 滤 波 能 力, 以 实 现 很 高 的 分 辨 率 和 精 度, 但 相 对 于 SAR 型 ADC, 采 样 速 率 较 低 S-D 架 构 一 般 在 前 端 处 集 成 了 可 编 程 增 益 放 大 器 (PGA); 在 每 通 道 配 备 转 换 器 的 应 用 中, 这 可 以 实 现 传 感 器 与 ADC 之 间 的 直 接 接 口, 而 无 需 外 部 信 号 调 理 对 热 电 偶 应 变 计 和 电 桥 型 压 力 传 感 器 输 出 的 低 电 平 信 号 进 行 测 量 时, 一 个 关 键 的 要 求 是 能 够 执 行 差 分 式 测 量, 以 抑 制 共 模 干 扰, 并 在 出 现 噪 声 的 情 况 下 提 供 更 稳 定 的 读 数 例 如, 在 工 业 应 用 常 常 采 用 差 分 输 入, 以 抑 制 电 机 AC 电 源 线 或 者 其 他 影 响 ADC 输 入 的 共 模 噪 声 单 端 输 入 的 成 本 更 低, 在 引 脚 数 量 相 同 的 情 况 下, 所 能 提 供 的 通 道 可 以 增 加 一 倍, 这 是 因 为 它 们 每 个 通 道 只 需 要 一 路 模 拟 的 输 入, 而 且 这 些 输 入 都 以 同 一 个 接 地 点 为 基 准 它 们 主 要 用 于 具 有 高 信 号 电 平 低 噪 声 和 稳 定 的 公 共 地 电 位 的 应 用 中 图 6 所 示 的 是 在 分 立 隔 离 型 PLC 输 入 模 块 中 使 用 的 各 个 单 元, 包 括 激 励 输 入 信 号 调 理 接 收 多 路 输 入 信 号 的 故 障 保 护 多 路 复 用 器

10 一 个 可 编 程 增 益 放 大 器 和 一 个 A/D 变 换 器 在 传 统 方 案 中, 这 些 大 多 数 是 通 过 分 立 的 IC 和 无 源 器 件 来 实 现 的, 如 今 则 集 成 在 ADC 和 模 拟 前 端 中 图 6 典 型 的 分 立 PLC 输 入 模 块 所 能 实 现 的 功 能 这 些 ADC 可 以 直 接 与 多 种 应 用 中 的 传 感 器 接 口 直 接 连 接, 包 括 PLC 温 度 测 量 称 重 压 力 和 流 量 测 量 以 及 通 用 测 量 设 备 它 们 的 刷 新 速 率 可 以 在 4Hz~500Hz 的 范 围 内 编 程 设 定, 可 以 以 所 选 择 的 刷 新 速 率 同 时 对 50Hz 和 60Hz 信 号 进 行 同 时 的 抑 制 结 语 PLC 的 工 业 系 统 设 计 者 继 续 致 力 于 在 预 算 和 电 路 板 面 积 不 断 缩 小 的 情 况 下, 推 动 产 品 性 能 和 功 能 度 的 不 断 提 高 为 了 提 供 能 满 足 这 些 严 格 要 求 的 集 成 电 路, 并 努 力 争 取 信 号 链 上 的 每 个 重 要 位 置, Analog Devices 已 经 开 发 了 重 要 的 新 制 造 工 艺 流 程 这 一 被 称 为 icmos 的 工 艺 技 术 将 高 压 硅 集 成 电 路 技 术 与 亚 微 米 的 CMOS 和 互 补 双 极 型 技 术 结 合 起 来, 从 而 实 现 能 提 供 30V 工 作 的 模 拟 IC( 许 多 工 业

11 应 用 均 有 需 求 ), 而 所 需 的 平 面 尺 寸 更 小 性 能 更 高 且 成 本 更 低 基 于 芯 片 级 变 压 器 ( 而 非 LED 和 光 电 二 极 管 ) 的 icoupler 隔 离 技 术 可 以 与 CMOS 半 导 体 功 能 结 合, 提 供 低 成 本 的 隔 离 功 能 ipolar 沟 槽 隔 离 工 艺 则 使 得 电 压 可 以 高 达 ± 18 V 的 电 源 电 压 下 工 作, 其 性 能 远 远 优 于 传 统 的 双 极 型 放 大 器, 而 功 耗 则 减 半, 封 装 尺 寸 也 减 小 了 75% 这 些 技 术 能 很 好 地 满 足 当 前 的 需 求, 并 能 笑 迎 辉 煌 的 未 来 文 章 录 入 :admin 责 任 编 辑 :admin 上 一 篇 文 章 : ADI 电 容 数 字 转 换 器 /CapTouch 控 制 器 AD7147 下 一 篇 文 章 : 基 于 微 差 原 理 的 A/D 转 换 方 法 分 析 应 用 相 关 文 章 : 视 频 : ADP1046 数 字 功 率 控 制 器 故 障 排 除 视 频 : ADI 在 线 研 讨 会 : 您 不 知 道 的 关 于 DAC 的 五 件 事 视 频 : ADP1046 数 字 电 源 控 制 器 的 一 般 设 置 视 频 : ADP1046 数 字 电 源 控 制 器 的 PWM 设 置 视 频 : CN0185: 低 成 本 模 拟 输 入 模 拟 输 出 的 全 隔 离 电 路 发 表 评 论 加 入 收 藏 告 诉 好 友 打 印 此 文 关 闭 窗 口 版 权 所 有 : 北 京 东 方 迪 码 科 技 有 限 公 专 业 的

12 个 生 产 效 率 和 设 备 安 全, 只 要 其 中 某 一 环 节 出 问 题 都 将 导 致 停 产, 因 而 探 究 PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性 对 企 业 生 产 自 动 控 制 有 着 重 要 的 作 用 关 键 词 :PLC; 稳 定 性 ; 可 靠 性 中 图 分 类 号 :TP309 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 : (2012) 可 编 程 序 控 制 器 ( 以 下 简 称 PLC) 是 在 程 序 控 制 器 和 微 机 控 制 器 的 基 础 上 发 展 起 来 的 微 机 技 术 和 继 电 器 控 制 相 结 合 的 产 物 从 广 义 上 讲, PLC 是 一 种 计 算 机 系 统, 比 一 般 计 算 机 具 有 更 强 的 与 工 业 生 产 相 连 接 的 输 入 输 出 接 口, 成 为 自 动 化 控 制 系 统 的 基 本 装 置 对 于 提 高 PLC 控 制 系 统 稳 定 性 的 措 施 有 了 更 严 格 的 要 求 1 PLC 控 制 系 统 的 安 全 设 计 方 法 作 为 一 个 系 统 来 说,PLC 的 运 行 是 相 对 安 全 可 靠 的, 系 统 安 全 设 计 要 充 分 利 用 PLC 的 功 能 特 点, 使 PLC 的 运 行 能 真 正 达 到 安 全 可 靠 1) 硬 件 保 护 主 要 包 括 : 硬 联 锁 保 护 和 急 停 保 护 等 2) 软 件 保 护

13 主 要 包 括 : 程 序 上 联 锁 保 护 限 时 保 护 和 自 检 保 护 等 PLC 是 利 用 存 储 程 序 对 设 备 进 行 控 制, 用 存 储 的 程 序 进 行 安 装 保 护, 也 可 以 使 其 只 执 行 正 确 的 操 作, 而 拒 绝 执 行 错 误 的 命 令 2 影 响 PLC 控 制 系 统 稳 定 性 的 主 要 原 因 PLC 控 制 系 统 平 均 无 故 障 时 间 可 达 3~5 万 小 时, 据 统 计,90% 的 故 障 现 象 发 生 在 外 围 设 备 中, 只 有 10% 左 右 的 故 障 发 生 在 PLC 控 制 器 中 因 此 整 个 PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性, 一 定 程 度 上 主 要 取 决 于 PLC 的 外 围 设 备 如 何 提 高 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 进 行 一 些 探 讨 2.1 影 响 输 入 信 号 给 PLC 出 错 的 主 要 因 素 1) 由 于 传 输 信 号 线 短 路 或 断 路, 或 者 信 号 干 扰, 当 传 输 信 号 线 出 现 故 障 时, 输 入 信 号 无 法 传 送 给 PLC 控 制 系 统, 不 能 实 时 测 得 现 场 的 实 际 信

14 号, 给 系 统 控 制 造 成 一 定 的 故 障 点 2) 点 抖 动, 输 入 触 点 实 际 只 闭 合 一 次,PLC 控 制 系 统 错 误 的 认 为 闭 合 了 多 次, 尽 管 硬 件 上 加 了 滤 波 电 路, 软 件 增 加 微 分 指 令, 由 于 PLC 扫 描 周 期 太 短, 仍 可 能 在 计 数 累 加 移 位 等 指 令 中 出 错, 造 成 控 制 错 误 3) 现 场 变 送 器, 机 械 开 关 自 身 故 障, 如 变 送 器 触 点 接 触 不 良, 变 送 器 反 映 现 场 非 电 量 偏 差 较 大, 这 些 故 障 会 造 成 PLC 控 制 系 统 不 稳 定 2.2 影 响 电 气 执 行 部 分 出 错 的 主 要 原 因 1) 控 制 负 载 的 接 触 动 作 不 稳 定, 尽 管 PLC 发 出 了 动 作 指 令, 但 执 行 机 构 并 没 完 全 按 要 求 动 作 如 果 输 入 给 PLC 的 开 关 量 信 号 出 现 错 误, 活 在 模 拟 量 信 号 出 现 较 大 偏 差, 现 场 PLC 输 出 口 控 制 的 执 行 机 构 会 安 装 错 苏 的 信 号 执 行 动 作, 都 会 产 生 输 出 和 执 行 相 差 偏 差 较 大 2) 变 频 器 起

15 动, 由 于 变 频 器 本 身 故 障, 变 频 器 所 带 电 机 并 没 按 相 应 要 求 工 作 3) 电 动 阀 电 磁 阀 出 现 故 障, 不 能 按 照 PLC 输 出 控 制 要 求 动 作, 以 及 阀 的 开 关 到 位 信 号, 给 整 个 控 制 系 统 的 稳 定 性 造 成 了 不 利 影 响 3 在 实 际 应 用 中 提 高 PLC 自 动 控 制 系 统 稳 定 性 往 往 从 以 下 几 方 面 来 考 虑 1) 提 高 对 PLC 系 统 输 入 信 号 稳 定 性 要 提 高 从 现 场 输 入 给 PLC 信 号 的 稳 定 性, 首 先 要 选 择 可 靠 性 较 高 的 变 送 器 和 现 场 设 备 执 行 元 件, 防 止 各 种 原 因 引 起 传 送 信 号 线 短 路 断 路 或 接 触 不 良 信 号 电 缆 要 和 动 力 电 缆 隔 开, 防 止 信 号 干 扰 造 成 错 误 传 输, 另 外 在 程 序 设 计 上 增 加 数 字 滤 波 程 序, 增 加 输 入 信 号 的 可 靠 性 同 时 要 选 择 可 靠 性 较 高 的 变 送 器 和 执 行 机 构 2) 提

16 高 电 气 执 行 部 分 的 可 靠 性 当 现 场 的 信 号 准 确 地 输 入 给 PLC 后, PLC 执 行 程 序, 将 结 果 通 过 电 气 执 行 部 分 对 现 场 执 行 机 构 装 置 进 行 调 节 控 制 当 开 启 或 关 闭 电 动 阀 门 时, 根 据 阀 门 开 启 关 闭 时 间 不 同, 设 置 一 定 的 延 时 时 间, 经 过 延 时 检 测 开 到 位 或 关 到 位 检 测 信 号, 当 PLC 系 统 在 规 定 时 间 内 检 测 不 到 时, 说 明 阀 没 有 动 作, 或 者 阀 有 故 障, 为 了 直 观 的 表 述 阀 的 故 障 现 象 可 在 一 些 相 应 的 监 控 画 面 上 做 出 阀 故 障 报 警 信 号 3) 数 据 和 程 序 的 保 护 一 般 PLC 控 制 系 统 都 采 用 锂 电 池 支 持 的 RAM 来 存 储 用 户 的 应 用 程 序, 一 支 电 池 的 寿 命 为 5 年 左 右, 用 完 后 部 分 应 用 程 序 数 据 将 丢 失 因 此 一 些 重 要 的 数 据 程 序 应 常 采 用 存 储 卡 来 存 储 用 户 的 应 用 程 序 将 更 新 程 序 及 技 术 资 料 作 为 存 档 保 存 起 来, 做 好 程 序 备 份, 以 便 以 后 用 到 4) 完 善 故 障

17 报 警 系 统 要 提 高 熬 个 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 和 可 靠 性, 必 须 提 高 现 场 输 入 信 号 的 可 靠 性 和 执 行 机 构 动 作 的 准 确 性, 否 则 PLC 控 制 系 统 应 能 及 时 发 现 问 题, 用 声 光 等 报 警 办 法 提 示 给 操 作 人 员, 尽 快 排 除 故 障 隐 患, 事 PLC 控 制 系 统 安 全 可 靠 正 确 地 运 行, 设 计 完 善 的 故 障 报 警 系 统 在 自 动 控 制 系 统 的 设 计 中 设 计 了 3 级 故 障 显 示 报 警 系 统, 其 中 1 级 报 警 设 置 在 控 制 现 场 各 控 制 柜 面 板 上, 用 指 示 灯 指 示 设 备 正 常 运 行 状 况 和 故 障 显 示 情 况, 当 设 备 正 常 运 行 时 对 应 指 示 灯 亮, 否 则 指 示 灯 不 显 示,2 级 报 警 故 障 显 示 设 置 在 中 心 控 制 室 大 屏 幕 监 视 器 上, 当 PLC 控 制 系 统 控 制 的 设 备 出 现 故 障 时, 将 会 有 文 字 显 示 其 设 备 故 障 类 型, 工 艺 流 程 图 上 对 应 的 设 备 会 闪 烁, 历 史 数 据 世 间 表 中 将 记

18 录 该 设 备 故 障 3 级 报 警 故 障 显 示 设 置 在 中 心 控 制 室 信 号 箱 内, 当 设 备 出 现 故 障 时, 信 号 箱 将 用 声 光 报 警 方 式 提 示 给 工 作 人 员, 以 便 工 作 人 员 及 时 处 理 故 障, 达 到 设 备 运 行 的 稳 定 性 能 4 PLC 控 制 系 统 可 靠 性 的 管 理 4.1 对 人 员 的 管 理 人 是 一 切 设 备 元 件 的 执 行 者,PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性 很 大 程 度 上 取 决 于 人 为 因 素 随 着 现 代 科 技 的 发 展, 自 动 化 程 度 的 不 断 提 高 这 将 对 设 备 现 场 维 护 工 作 人 员 的 素 质 提 出 更 高 更 新 的 要 求 工 作 人 员 不 仅 要 熟 悉 设 备 运 行 情 况 检 修 点 检 规 划 和 设 计 等 ; 而 且 还 要 懂 得 计 算 机 知 识, 以 及 具 有 一 定 操 作 技 术 水 平 因 此, 必 须 从 设 备 维 护 人 员 的 培 训 力 度 培 训 方 式 和 培 训 内 容 等 方 面 着 手 不 断 提 高 设 备 工 作 人 员 的 业 务 素 质 和 操 作 技 术 水 平, 才 能 确 保 设 备 运 行 稳 定

19 4.2 维 护 管 理 后 期 的 维 护 管 理 工 作 对 提 高 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 具 有 很 大 的 作 用, 维 护 设 备 主 要 部 件 : 供 电 电 源, 外 部 环 境 信 号 干 扰 安 装 状 态 电 源 (Ps) 中 央 处 理 单 元 (CPU) 信 号 模 板 (SM) 及 现 场 元 件 输 入 输 出 中 间 继 电 器 等 外 围 设 备 动 作 等 5 结 束 语 PLC 控 制 系 统 的 可 靠 性 设 计 在 实 际 系 统 设 计 中 占 有 重 要 地 位, 在 实 际 设 计 中 只 有 根 据 现 场 生 产 实 际 应 用 系 统 的 具 体 特 点 和 应 用 环 境 的 具 体 条 件, 灵 活 地 选 择 行 之 有 效 的 可 靠 性 设 计 技 术, 只 有 全 面 科 学 合 理 地 考 虑 系 统 的 软 件 和 硬 件 设 计, 从 总 体 上 提 高 系 统 的 抗 干 扰 能 力 和 稳 定 性, 切 实 提 高 PLC 控 制 系 统 的 稳 定 性 参 考 文 献 : [1] 陈 立 定 等 主 编, 电 气 控 制 与 可 编 程 控 制 器, 广 州 : 华 南 理 工 大

20 学 出 版 社,2001. [2] 王 仁 祥 主 编, 常 用 低 压 电 器 继 电 器 及 其 控 制 系 统, 哈 尔 滨 : 哈 尔 滨 工 业 大 学 出 版 社,2000. [3] 方 承 远 主 编, 工 厂 电 气 控 制 技 术, 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社, [4] 胡 学 林 主 编, 可 编 程 控 制 器 教 程, 南 京 : 电 子 工 业 出 版 社, [5] 储 云 峰 主 编, 电 气 可 编 程 控 制 器 原 理 及 应 用, 北 京 : 机 械 工 业 出 版 社,2006. WBS 具 有 4 個 主 要 用 途 : WBS 是 一 個 描 述 思 路 的 規 劃 和 設 計 工 具 它 幫 助 項 目 經 理 和 項 目 團 隊 確 定 和 有 效 地 管 理 項 目 的 工 作 WBS 是 一 個 清 晰 地 表 示 各 項 目 工 作 之 間 的 相 互 聯 繫 的 結 構 設 計 工 具 WBS 是 一 個 展 現 項 目 全 貌, 詳 細 說 明 為 完 成 項 目 所 必 須 完 成 的 各 項 工 作 的 計 劃 工 具

21 WBS 定義了里程碑事件 可以向高級管理層和客戶報告項目完成 情況 作為項目狀況的報告工具 WBS 是面向項目可交付成果的成組的項目元素 這些元素定義 和組織該項目的總的工作範圍 未在 WBS 中包括的工作就不屬於該 項目的範圍 WBS 每下降一層就代表對項目工作更加詳細的定義和 描述 項目可交付成果之所以應在項目範圍定義過程中進一步被分解 為 WBS 是因為較好的工作分解可以 防止遺漏項目的可交付成果 幫助項目經理關註項目目標和澄清職責 建立可視化的項目可交付成果 以便估算工作量和分配工作 幫助改進時間 成本和資源估計的準確度 幫助項目團隊的建立和獲得項目人員的承諾 為績效測量和項目控制定義一個基準 輔助溝通清晰的工作責任 為其他項目計劃的制定建立框架 幫助分析項目的最初風險 [編輯] WBS 的種類

22 1 綱要性工作分解結構 SWBS Summary WBS 綱要性工作分解結構是指導性的 戰略性的工作分解結構 該分 解結構只有上面的三級 第一級 整個系統即防務裝備項目 如 飛機系統 電子系統 導彈系統 軍械繫統 空間系統和地面車輛系統 第二級 防務裝備項目的重大單元 如航空飛行器 艦船 系統 實驗和資料等 第三級 從屬於第二級的單元 如機體 推進裝置 資料 服務 和技術出版物等 2 項目綱要性工作分解結構 PSWBS Project SWBS 項目綱要性工作分解結構是針對某一特定項目 對綱要性工作分 解結構進行裁剪得到的工作分解結構 3 合同工作分解結構 CWBS Contract WBS 合同工作分解結構是適用於特定合同或採購活動的完整的工作 分解結構 CWBS 概括了項目的任務 確定了這些任務與項目的組 織機構 技術狀態的關係 為項目的性能 技術目標 進度和費用之 間的聯繫 確定了邏輯上的約束框架 合同工作分解結構應與合同規

23 定的層次相一致 合同應指出在合同的哪一級別上進行費用累計 承 包商為控制其費用而用到的合同 WBS 的擴延級 應具有費用累計的 追溯能力 而在其他某些具體的應用領域 常見的其他分解結構主要包括 A 合同工作分解結構 CWBS 它主要用於定義賣方提供 給買方報告的層次 通常不如賣方管理工作使用的工作分解結構 WBS 詳細 B 組織分解結構 OBS 它用於顯示各個工作元素被分配 到哪個組織單元 C 資源分解結構 RBS 它是組織分解結構的一種變異 通常在將工作元素分配到個人時使用 D 材料清單 BOM 表述了用於製造一個加工產品所需的 實際部件 組件和構件的分級層次 E 項目分解結構 PBS 它基本上與工作分解結構 WBS 的概念相同 [編輯] 工作包的特點

24 WBS 的最低層次的項目可交付成果稱為工作包(Work Package) 具有以下特點 工作包可以分配給另一位項目經理進行計劃和執行 工作包可以通過子項目的方式進一步分解為子項目的 WBS 工作包可以在制定項目進度計劃時 進一步分解為活動 工作包可以由惟一的一個部門或承包商負責 用於在組織之外分 包時 稱為委托包(Commitment Package) 工作包的定義應考慮 80 小時法則(80-HourRule)或兩周法則 (Two Week Rule) 即任何工作包的完成時間應當不超過 80 小時 在每個 80 小時或少於 80 小時結束時 只報告該工作包是否完成 通過這種定期檢查的方法 可以控制項目的變化 [編輯] 任務分解的原則 1 將主體目標逐步細化分解 最底層的日常活動可直接分派到 個人去完成 2 每個任務原則上要求分解到不能再細分為止 3 日常活動要對應到人 時間和資金投入

25 [ 編 輯 ] 任 務 分 解 的 方 法 1 採 用 樹 狀 結 構 進 行 分 解 ; 2 以 團 隊 為 中 心, 自 上 而 下 與 自 下 而 上 的 充 分 溝 通, 一 對 一 個 別 交 流 與 討 論, 分 解 單 項 工 作 [ 編 輯 ] 任 務 分 解 的 標 準 1 分 解 後 的 活 動 結 構 清 晰, 從 樹 根 到 樹 葉, 一 目 瞭 然, 儘 量 避 免 盤 根 錯 節 ; 2 邏 輯 上 形 成 一 個 大 的 活 動, 集 成 了 所 有 的 關 鍵 因 素 包 含 臨 時 的 里 程 碑 和 監 控 點, 所 有 活 動 全 部 定 義 清 楚, 要 細 化 到 人 時 間 和 資 金 投 入 在 我 們 日 常 管 理 項 目 時, 要 學 會 分 解 任 務, 只 有 將 任 務 分 解 得 足 夠 細, 足 夠 明 瞭, 才 能 統 籌 全 局, 安 排 人 力 和 財 力 資 源, 把 握 項 目 的 進 度 [ 編 輯 ]

26 創建 WBS 的基本要求 創建 WBS 時需要滿足以下幾點基本要求 某項任務應該在 WBS 中的一個地方且只應該在 WBS 中的一個地 方出現 WBS 中某項任務的內容是其下所有 WBS 項的總和 一個 WBS 項只能由一個人責任 即使許多人都可能在其上工作 也只能由一個人負責 其他人只能是參與者 WBS 必須與實際工作中的執行方式一致 應讓項目團隊成員積极參与創建 WBS 以確保 WBS 的一致性 每個 WBS 項都必須文檔化 以確保準確理解已包括和未包括的 工作範圍 WBS 必須在根據範圍說明書正常地維護項目工作內容的同時 也 能適應無法避免的變更 [編輯] WBS 的表示方式 WBS 可以由樹形的層次結構圖或者行首縮進的表格表示

27 在實際應用中 表格形式的 WBS 應用比較普遍 特別是在項目 管理軟體中 工作分解結構 分級的樹型結構 樹型結構圖的 WBS 層次清晰 非常直觀 結構性很強 但不是 很容易修改 對於大的 複雜的項目也很難表示出項目的全景 由於 主觀性 一般在小的 適中的項目中的較多 [編輯] WBS 的分解方式 WBS 的分解可以採用多種方式進行 包括 按產品的物理結構分解 按產品或項目的功能分解 按照實施過程分解 按照項目的地域分佈分解

28 按照項目的各個目標分解 按部門分解 按職能分解 [編輯] 創建 WBS 的過程 創建 WBS 的過程非常重要 因為在項目分解過程中 項目經理 項目成員和所有參與項目的職能經理都必須考慮該項目的所有方面 制定 WBS 的過程是 得到範圍說明書(Scope Statement)或工作說明書(Statement of Wok 承包子項目時) 召集有關人員 集體討論所有主要項目工作 確定項目工作分解 的方式 分解項目工作 如果有現成的模板 應該儘量利用 畫出 WBS 的層次結構圖 WBS 較高層次上的一些工作可以定義 為子項目或子生命周期階段 將主要項目可交付成果細分為更小的 易於管理的組分或工作包 工作包必須詳細到可以對該工作包進行估算(成本和歷時) 安排 進度 做出預 算 分配負責人員或組織單位

29 驗證上述分解的正確性 如果發現較低層次的項沒有必要 則修 改組成成分 如果有必要 建立一個編號系統 隨著其他計劃活動的進行 不斷地對 WBS 更新或修正 直到覆 蓋所有工作 [編輯] 檢驗 WBS 的標準 檢驗 WBS 是否定義完全 項目的所有任務是否都被完全分解可 以參考以下標準 每個任務的狀態和完成情況是可以量化的 明確定義了每個任務的開始和結束 每個任務都有一個可交付成果 工期易於估算且在可接受期限內 容易估算成本 各項任務是獨立的 [編輯] 建立 WBS 需要考慮的因素

30 付 物 (1) 確 定 適 當 的 WBS 層 次, 最 低 層 WBS 的 元 素 需 對 應 有 形 的 交 (2) 對 WBS 生 命 周 期 的 考 慮, 需 要 考 慮 在 項 目 不 同 階 段 的 活 動 發 展, 包 括 項 目 管 理 (3) 項 目 計 劃 績 效 報 告 整 體 變 更 控 制 範 圍 管 理 的 需 要 (4) 資 源 計 劃 和 風 險 管 理 的 需 要 [ 編 輯 ] WBS 的 使 用 對 WBS 需 要 建 立 WBS 詞 典 (WBS Dictionary) 來 描 述 各 個 工 作 部 分 WBS 詞 典 通 常 包 括 工 作 包 描 述 進 度 日 期 成 本 預 算 和 人 員 分 配 等 信 息 對 於 每 個 工 作 包, 應 儘 可 能 地 包 括 有 關 工 作 包 的 必 要 的 儘 量 多 的 信 息 當 WBS 與 OBS 綜 合 使 用 時, 要 建 立 賬 目 編 碼 (Code of Account) 賬 目 編 碼 是 用 於 惟 一 確 定 項 目 工 作 分 解 結 構 每 一 個 單 元 的 編 碼 系 統 成 本 和 資 源 被 分 配 到 這 一 編 碼 結 構 中 [ 編 輯 ] WBS 的 實 踐 經 驗

31 最 多 使 用 20 個 層 次, 多 於 20 層 是 過 度 的 對 於 一 些 較 小 的 項 目 4-6 層 一 般 就 足 夠 了 WBS 中 的 支 路 沒 有 必 要 全 都 分 解 到 同 一 層 次, 即 不 必 把 結 構 強 製 做 成 對 稱 的 在 任 意 支 路, 當 達 到 一 個 層 次 時, 可 以 作 出 所 要 求 準 確 性 的 估 算, 就 可 以 停 止 了 [ 編 輯 ] 工 作 分 解 結 構 的 作 用 1. 明 確 和 準 確 說 明 項 目 的 範 圍 ; 2. 為 各 獨 立 單 元 分 派 人 員, 規 定 這 些 人 員 的 相 應 職 責 ; 3. 針 對 各 獨 立 單 元, 進 行 時 間 費 用 和 資 源 需 要 量 的 估 算, 提 高 時 間 費 用 和 資 源 估 算 的 準 確 度 ; 4. 為 計 劃 成 本 進 度 計 劃 質 量 安 全 和 費 用 控 制 奠 定 共 同 基 礎, 確 定 項 目 進 度 測 量 和 控 制 的 基 準 ; 5. 將 項 目 工 作 與 項 目 的 財 務 帳 目 聯 繫 起 來 ; 6. 便 於 劃 分 和 分 派 責 任 ; 7. 確 定 工 作 內 容 和 工 作 順 序 ;

32 8 估算項目整體和全過程的費用 [編輯] 工作分解結構的優點 一 能夠為工作定義提供更有效的控制 一般來說 良好的項目管理具有下列幾個原則 1 通過設施的結構化分解來進行管理 2 關註結果 實現什麼 而不是怎樣實現 3 通過工作分解結構 技術和人員 系統和組織之間可以平衡 結果 4 在項目涉及的所有部門之間 通過定義角色 責任和工作關 係來建立一個契約 5 採用一個簡明的報告結構 使用工作分解結構可以滿足有效項目管理的五個原則中的前三 個 而避免了計劃的誤區 即只在一個詳細的層次上定義工作 以 一個結構化的方式來定義工作可以保證得到更好的結果 通過可交付 成果來進行工作定義 在項目向前進行時 只有那些對生產設施有必

33 要 的 工 作 才 做, 因 此 計 劃 也 變 得 更 加 固 定 在 環 境 不 斷 變 化 的 情 況 下, 項 目 所 需 的 工 作 可 能 發 生 變 化, 但 不 管 怎 麼 變 化, 一 定 要 對 最 終 結 果 的 產 生 有 益 ( 二 ) 把 工 作 分 配 到 相 應 的 工 作 包 中 ( 相 應 的 授 權 ) WBS 中 的 工 作 包 是 自 然 的, 因 為 WBS 的 目 的 是 生 產 產 品, 在 分 配 責 任 的 同 時 也 賦 予 每 個 產 品 或 服 務 的 單 獨 的 部 門 如 果 工 作 只 是 在 一 個 詳 細 的 層 次 上 定 義, 並 彙 集 成 工 作 包, 那 麼 這 個 工 作 包 就 不 是 自 然 的 了, 項 目 經 理 只 能 每 天 忙 於 告 訴 人 們 一 些 技 術 和 方 法, 而 不 是 讓 他 們 自 己 獨 立 去 完 成 工 作 ( 三 ) 便 於 找 到 控 制 的 最 佳 層 次 我 們 在 較 低 層 次 上 進 行 控 制 可 能 意 味 著 在 控 制 上 所 花 的 時 間 要 比 完 成 工 作 所 需 的 時 間 更 多, 而 在 較 高 層 次 上 進 行 控 制 則 意 味 著 有 些 重 要 情 況 在 我 們 不 經 意 時 會 溜 走 通 過 WBS, 我 們 可 以 找 到 控 制 的 最 佳 層 次 一 般 情 況 下, 控 制 活 動 的 長 短 應 該 與 控 制 會 議 召 開 的 頻 度 相 一 致 ( 四 ) 有 助 於 限 定 風 險 在 以 上 討 論 時 我 們 都 限 定 計 劃 和 控 制 的 範 圍 都 不 包 含 較 高 的 風 險 實 際 上 WBS 的 分 解 層 次 不 一 定 是 固 定 不 變 的,WBS 的 最 低 層

34 次 可 根 據 風 險 的 水 平 來 確 定 在 風 險 較 低 的 項 目 中, 工 作 分 解 的 最 低 層 次 可 以 是 工 作 包, 而 在 一 個 風 險 較 高 的 項 目 中, 我 們 可 以 繼 續 到 項 目 的 一 個 最 低 層 次 上 項 目 經 理 在 規 劃 和 控 制 其 工 程 項 目 的 過 程 中, 工 作 分 解 結 構 是 非 常 有 用 的 工 具 編 製 完 整 的 WBS 確 定 了 工 程 項 目 的 總 目 標, 並 確 定 了 各 項 單 獨 的 工 作 ( 部 分 ) 與 整 個 項 目 ( 整 體 ) 的 關 係 ( 五 ) 是 信 息 溝 通 的 基 礎 在 現 代 大 型 複 雜 項 目 中, 一 般 要 涉 及 大 量 的 資 源, 涉 及 許 多 公 司 供 應 商 承 包 人 等 等, 有 時 還 會 有 政 府 部 門 的 高 技 術 設 施 或 資 金 投 入, 因 而 要 求 的 綜 合 信 息 和 信 息 溝 通 的 數 量 往 往 相 當 大 這 些 大 項 目 涉 及 巨 資 並 歷 時 若 幹 年, 因 此 項 目 開 始 進 行 時 設 想 的 項 目 環 境 會 隨 著 項 目 的 進 展 而 發 生 很 大 的 變 化, 即 我 們 已 經 多 次 提 到 的 項 目 早 期 階 段 的 不 確 定 性 [pp1] 這 就 要 求 所 有 的 有 關 集 團 要 有 一 個 共 同 的 信 息 基 礎, 一 種 各 有 關 集 團 或 用 戶 從 項 目 一 開 始 到 最 後 完 成 都 能 用 來 溝 通 信 息 的 工 具 這 些 集 團 包 括 : 業 主 供 應 商 承 包 人 項 目 管 理 人 員 設 計 人 員 以 及 政 府 有 關 部 門 等 等 而 一 個 設 計 恰 當 的 工 作 分 解 結 構 將 能 夠 使 得 這 些 集 團 或 用 戶 有 一 個 較 精 確 的 信 息 溝 通 連 接 器, 成 為 一 種 相 互 交 流 的 共 同 基 礎 利 用 工 作 分 解 結 構 作 為 基 礎 來 編 製 預 算 進 度 和

35 描 述 項 目 的 其 它 方 面, 能 夠 使 所 有 的 與 項 目 有 關 的 人 員 或 集 團 都 明 瞭 為 完 成 項 目 所 需 要 做 的 各 項 工 作 以 及 項 目 的 進 展 情 況 等 ( 六 ) 為 系 統 綜 合 與 控 制 提 供 了 有 效 手 段 典 型 的 項 目 控 制 系 統 包 括 進 度 費 用 會 計 等 不 同 的 子 系 統 這 些 子 系 統 在 某 種 程 度 上 是 相 互 獨 立 的, 但 是 各 個 子 系 統 之 間 的 系 統 信 息 轉 移 是 不 可 缺 少 的, 必 須 將 這 些 子 系 統 很 好 地 綜 合 起 來, 才 能 夠 真 正 達 到 項 目 管 理 的 目 的 而 工 作 分 解 結 構 的 應 用 可 以 提 供 一 個 這 樣 的 手 段 在 WBS 的 應 用 中, 各 個 子 系 統 都 利 用 它 收 集 數 據, 這 些 系 統 都 是 在 與 WBS 有 直 接 聯 繫 的 代 碼 詞 典 和 編 碼 結 構 的 共 同 基 礎 上 來 接 受 信 息 的 由 於 WBS 代 碼 的 應 用 使 所 有 進 入 到 系 統 的 信 息 都 是 通 過 一 個 統 一 的 定 義 方 法 作 出 來 的, 這 樣 就 能 確 保 所 有 收 集 到 的 數 據 能 夠 與 同 一 基 準 相 比 較, 並 使 項 目 工 程 師 會 計 師 以 及 其 他 項 目 管 理 人 員 都 參 照 有 同 樣 意 義 的 同 種 信 息, 這 對 於 項 目 控 制 的 意 義 是 顯 而 易 見 的 例 如 : 許 多 項 目 中 的 典 型 問 題 之 一 是 會 計 系 統 和 進 度 控 制 系 統 不 是 採 用 完 全 相 同 的 分 類 或 編 碼, 但 是 在 一 個 有 組 織 的 共 同 基 礎 之 上 對 成 本 和 進 度 作 出 統 一 恰 當 的 解 釋 分 析 和 預 測 對 於 項 目 的 有 效 管 理 是 非 常 重 要 的 此 外, 各 個 子 系 統 之 間 在 WBS 基 礎 上 的 共 同 聯 繫 越

36 多 對項目控制就越有益 因為這樣可以減少或消除分析中的系統差 異 [編輯] 工作分解結構的案例分析[1] [編輯] 案例一 實施一種新的企業級別管理理念的 WBS 右圖是一個 WBS 的例子 該 WBS 描述了在組織內實施企業項 目管理(EPM)的工作 這個 WBS 是由丁斯莫爾(Dinsmore)開發的 在此作為一個應用實例

37 丁 斯 莫 爾 指 出 : 需 要 一 個 整 體 觀 念 描 繪 出 一 條 成 功 實 施 企 業 項 目 管 理 的 道 路, 所 有 這 些 都 是 從 WBS 開 始 的 丁 斯 莫 爾 將 第 二 級 中 的 WBS 元 素 定 義 如 下 : (1)EPM 項 目 群 管 理 覆 蓋 了 管 理 EPM 項 目 群 的 關 鍵 元 素, 以 確 保 足 夠 的 管 理 工 作 集 中 在 這 個 項 目 群 上 (2) 與 公 司 目 標 一 致 的 戰 略 執 行 的 工 作 要 確 保 項 目 與 公 司 目 標 一 致 (3) 文 化 改 變 執 行 的 工 作 要 改 變 做 事 的 方 法 (4) 溝 通 溝 通 戰 略 和 培 養 變 更 意 識 是 必 要 的 工 作 領 域 (5) 公 司 組 織 與 流 程 涉 及 在 組 織 範 圍 內 進 行 凋 整 和 改 變 流 程 的 工 作 (6) 人 與 人 員 問 題 有 關 的 工 作 工 作 (7) 介 面 領 域 與 那 些 存 在 與 EPM 的 介 面 的 職 能 領 域 相 關 聯 的 分 析 這 個 WBS, 這 是 一 個 服 務 項 目, 目 的 是 通 過 WBS 元 素 表 示 以 下 4 個 主 要 領 域 :

38 (1) 戰 略 目 標 對 位 (2) 文 化 改 變 (3) 公 司 組 織 與 流 程 (4) 人 以 上 每 一 項 都 有 自 己 的 可 交 付 成 果 或 輸 出, 這 些 可 交 付 成 果 或 輸 出 共 同 產 生 了 最 終 產 品 : 轉 化 為 組 織 內 部 特 征 的 文 檔 化 和 集 成 了 的 EPM 系 統 其 中 有 兩 個 橫 向 關 聯 元 素 : 溝 通 和 介 面 領 域 溝 通 元 素 是 一 個 分 析 性 元 素, 因 為 它 跨 越 了 其 他 工 作 元 素, 並 基 於 該 分 析 產 生 輸 出 介 面 領 域 下 的 元 素 是 集 成 性 元 素, 因 為 它 們 代 表 那 些 將 其 他 元 素 中 的 工 作 合 成 起 來 輸 入 到 九 個 在 第 三 級 列 出 的 職 能 領 域 最 後 一 個 WBS 元 素,EPM 項 目 群 管 理, 是 一 個 普 通 的 項 目 管 理 元 素, 該 元 素 確 認 了 項 目 管 理 辦 公 室 的 管 理 職 責 與 活 動 [ 編 輯 ]

39 案例二 應對跨文化和跨國界挑戰的 WBS 由於在文化 法律 期望以及溝通等方面的不同 國際間的項目 經常會遇到困難 不是每一個人都按美國人的方式進行思考和管理的

40 格 羅 夫 (Grove), 哈 羅 威 爾 (Hallowell) 史 密 斯 (Smith) 建 議 為 國 際 項 目 開 發 一 種 類 似 的 WBS, 實 際 上, 這 是 一 個 項 目 中 的 另 一 個 項 目? 其 目 的 是 管 理 項 目 的 國 際 性 方 面 以 減 少 對 主 要 項 目 的 影 響? 其 中 一 個 不 一 般 的 特 性 是 WBS 表 述 的 格 式, 該 項 目 的 WBS 結 構 如 右 圖 所 示 這 個 WBS 錶 面 上 看 是 活 動 的 形 式, 但 實 際 上 在 每 一 個 WBS 元 素 中 都 包 括 部 分 WBS 字 典 的 內 容 第 三 級 元 素 是 工 作 包, 描 述 了 每 一 個 元 素 將 要 完 成 什 麼 工 作 真 正 的 活 動 是 在 第 四 和 第 五 級 此 WBS 描 述 了 一 個 成 功 完 成 的 項 目, 所 以 它 很 好 地 實 現 了 其 工 作 目 標 有 幾 個 主 要 的 領 域 具 有 要 獲 得 的 輸 出 產 品 或 結 果 包 括 : 項 目 風 險 評 估 及 戰 略 的 開 發 國 外 項 目 人 員 的 定 位 和 支 持 國 內 人 員 與 國 外 項 目 負 責 人 以 及 總 公 司 人 員 的 整 合 跨 文 化 跨 邊 界 培 訓 的 提 供 傷 害 防 止 戰 略 的 開 發 等 這 種 複 雜 項 目 的 WBS 開 發 人 員 要 確 保 遵 循 百 分 之 百 規 則, 這 是 非 常 重 要 的 在 橫 向 關 聯 領 域 中, 信 息 收 集 是 一 個 分 析 性 元 素, 為 許 多 其 他 領 域 提 供 輸 入 橫 向 關 聯 的 項 目 管 理 元 素 分 為 兩 個 部 分 : 元 素 選 拔 分 配 資 助 和 督 導 CRM 團 隊 以 及 元 素 組 織 學 習

41 同一個項目的另外一種 WBS 可構造成如下圖所示的形式 每一 個二級 WBS 元素上的數字都對應於原始版本 WBS 中的 WBS 元素 這些原始版本中的元素可能被轉移或合併到新版本的元素中 以簡化 WBS 各項 調研和信息 元素是一個橫向關聯分析性元素 項目風 險 和 人員 只為主要可交付成果的產品分解提供了基礎 項目風險 元素涉及到跨文化和跨國界元素對主要項目丁作的影響 人員 元素 的輸出與針對國外項目人員 國內以及總公司人員的計劃的產品 服 務和結果有關 一位老機械設計工程師的工作心得體會 機械設計往往離不開自己的閱歷 經驗的積累固然可以從書本上學到 不少 但是事非躬親很難在腦海中留下深刻的印象 對別人的經驗 自己沒有一定的基礎 要理解吸收真的是一件很不容易的事 機械設計貫穿設計 制造 使用 維護的整個過程 設計時的疏 忽總會在這些方面反映出來 成功與否是很容易判斷的 設計的過程

42 中, 受 制 造 的 影 響 很 大, 亦 就 是 說 好 的 設 計 是 不 能 脫 離 制 造 的, 對 制 造 越 了 解, 越 有 助 於 提 高 設 計 水 平 設 計 的 圖 紙, 投 入 生 產, 我 沒 見 過 多 少 能 立 即 按 圖 加 工 裝 配, 在 審 圖 工 藝 等 過 程 發 現 大 堆 的 問 題 很 常 見, 包 括 所 謂 資 深 的 高 工, 總 工 拿 出 的 圖 紙, 還 是 經 過 多 次 開 會 研 究 反 復 討 論 的 出 來 的 結 果, 原 因 是 多 方 面 的, 繪 圖 的 規 範 性, 看 圖 者 的 水 平 是 一 方 面, 但 設 計 方 對 制 造 工 藝 的 了 解 不 深 入 是 主 要 原 因 怎 樣 判 定 自 己 對 制 造 的 了 解 程 度? 最 簡 單 的 方 法 是 隨 手 抓 一 張 自 己 設 計 的 東 西 的 圖 紙 你 是 否 能 說 出 它 的 制 造 全 過 程 鑄 鍛 車 鉗 銑 刨 磨, 只 是 這 樣 子, 肯 定 是 不 行, 在 機 械 廠 做 過 幾 年 的 誰 不 知 道? 必 須 細 分 下 去, 要 全 面 了 解 各 過 程 比 如 說 鑄 造 時 候 怎 麽 分 型, 澆 口 冒 口 怎 麽 放, 可 能 會 有 什 麽 樣 的 鑄 造 缺 陷 產 生, 零 件 結 構 在 熱 處 理 的 時 候 會 不 會 導 致 意 外 情 況 發 生 的, 怎 麽 在 零 件 結 構 上 進 行 優 化, 切 削 加 工 過 程, 在 腦 海 中 虛 擬 出 來, 總 共 用 幾 把 刀, 轉 速, 走 刀 量, 甚 至 鐵 屑 望 哪 裏 飛, 各 把 刀 使 用 的 順 序, 車 工, 銑 工, 磨 工 的 操 作 動 作 全 過 程, 如 此 等 等, 才 算 是 有 了 比 較 好 的 基 礎 不 是 說 搞 設 計 的 一 定 要 會 玩 車 床, 銑 床, 會 燒 電 焊 才 可 以, 但 是 要 知 道 這 些 作 業 特 點, 在 設 計 時 加 以 充 分 考 慮, 作 為 搞 機 械 設 計 的 人 這 樣 才 比 搖 車 床 燒 電 焊 的 強, 才 有 安 身 立 命 之 處 如 此, 在 設 計 過 程 中, 就 會 規 避 一 些 不 合 理 的 結 構, 設 計 的 質 量 自 然 提 高 不 少, 可 是 還 不 夠, 一 個 有 十 年 八 年

43 的 工 齡 的 技 工 能 提 出 比 你 更 成 熟 的 細 節 方 案 ( 盡 管 整 體 的 設 計 統 籌 他 們 做 不 了 ), 但 是 多 少 個 不 眠 的 夜 晚 設 計 出 就 這 樣 一 個 結 果, 豈 不 是 斯 文 掃 地 耶? 唯 一 的 解 決 辦 法, 多 看 書 別 人 總 結 出 來 的 通 常 與 生 產 相 結 合, 俱 是 心 血 的 結 晶 帶 著 問 題 學, 多 想 就 能 消 化 再 也 不 會 說 只 要 保 證 同 心 度 就 行 了 這 樣 愚 蠢 的 回 答, 關 鍵 是 你 已 經 指 出 保 證 同 心 度 的 方 法, 甚 至 前 輩 的 錯 誤 這 個 時 候, 沒 人 再 叫 你 小 錢 小 趙, 連 老 板 都 叫 你 錢 工 趙 工, 挺 受 尊 敬 的 吧 摸 摸 下 巴, 胡 子 長 出 來 了, 尿 布 丟 了, 孩 子 叫 媽 了, 呵 呵 成 就 感 也 來 了 可 是 設 計 總 是 為 了 使 用, 好 的 設 計 必 須 具 備 一 點 點 人 性 的, 設 計 一 套 工 藝 裝 備, 一 試 產, 效 率 高 質 量 好, 老 板 來 搞 杯 慶 功 酒 過 了 幾 天, 發 現 人 家 棄 之 不 用 了, 原 因 是 操 作 者 罵 娘 啊 用 起 來 痛 苦 啊 而 且 要 註 意 的 細 節 又 多, 別 個 就 是 個 操 作 工 他 要 是 考 慮 的 那 麽 多 因 素 就 不 會 還 在 那 裏 做 操 作 工 了 啊 設 計 不 利 於 使 用, 就 面 臨 淘 汰, 有 很 多 的 成 套 設 備, 如 汽 車 的 發 動 機 變 速 箱 之 類 正 常 運 轉 時 挺 好 的,, 可 其 中 一 個 小 鍵 槽, 一 個 軸 承 位, 什 麽 的 地 方 壞 了, 整 個 就 不 能 用, 廠 方 只 賣 整 件, 要 配 件 不 賣, 自 己 加 強 還 真 的 沒 地 方 加 了, 換 了 幾 個 廠 去 買, 擺 了 一 堆, 用 戶 只 好 敬 而 遠 之, 立 了 個 技 改 項 目 -- 可 憐 的 技 改 這 樣 的 事 情 只 要 是 在 機 械 行 業 轉 的 久 的 都 會 有 所 見 所 聞 使 用 根 本 就 離 不 開 維 修, 好 的 設 計 更 不 能 忽 視 維 修 性 在 一 條 大 型 的 的 生 產 線 上, 關 鍵 的 設 備, 總 共 一 年 也

44 就 維 修 那 麽 兩 次, 但 是 每 此 都 要 把 設 備 大 卸 八 塊, 行 車 叉 車 千 斤 頂 撬 杠 十 八 般 兵 器 還 不 夠 用, 老 師 傅 們 還 要 自 己 專 門 動 腦 動 手 玩 幾 樣 好 用 的 專 用 家 當 來 伺 候, 導 致 停 產 的 損 失 已 經 超 過 設 備 本 身 的 價 值, 真 是 個 無 言 的 結 局 一 套 大 型 設 備 僅 因 更 換 一 只 油 封 什 麽 的, 都 要 幾 乎 將 整 機 完 全 分 解, 使 用 單 位 不 罵 設 計 幹 的 是 斷 子 絕 孫 的 玩 意 才 怪, 真 的 是 設 計 者 的 悲 哀 我 們 搞 設 計 不 光 是 要 站 在 制 造 的 基 礎 上, 還 要 有 創 新, 但 一 定 要 學 會 繼 承 現 在, 全 社 會 都 在 強 調 創 新, 但 我 們 不 能 一 強 調 創 新, 就 瞧 不 起 原 有 的 東 西 通 常 的 創 新 分 為 兩 種, 一 種 就 是 構 成 事 物 舊 有 元 素 的 重 新 組 合, 一 種 是 在 舊 有 元 素 上 加 一 些 新 的 元 素 所 以, 不 管 怎 樣, 創 新 的 東 西 總 是 含 有 一 些 舊 有 事 物 的 影 子 是 不 可 否 認 的 正 像 哲 學 中 所 講, 新 事 物 都 是 在 肯 定 中 否 定, 否 定 中 有 肯 定 中 產 生 的 比 如 我 們 人 類, 雖 然 說 是 大 自 然 的 天 之 驕 子, 但 實 際 上, 我 們 99% 的 基 因 都 是 和 大 猩 猩 一 樣 的 如 果 人 類 不 是 在 繼 承 大 猩 猩 的 基 因 基 礎 上, 有 1% 的 突 破, 人 類 的 出 現 是 難 以 想 象 的, 如 果 有 人 說 我 有 誌 氣, 不 需 要 繼 承 大 猩 猩 的 基 因, 我 自 己 搞 一 個 100% 純 人 類 基 因, 那 您 就 是 再 過 一 億 年, 也 搞 不 出 來 一 個 人 類 來 所 以 說, 不 能 為 了 創 新, 把 舊 有 的 東 西 全 盤 拋 棄 原 有 的 東 西 就 如 同 一 盤 菜, 創 新 就 如 同 一 點 點 調 料, 有 了 這 麽 一 點 調 料, 菜 的 味 道 更 加 鮮 美 但 沒 有 人 為 了 純 鮮 美,

45 不 要 菜, 光 來 一 盤 炒 調 料 的 所 以 我 們 強 調 創 新, 但 不 能 忘 記 繼 承, 只 有 繼 承, 沒 有 創 新, 那 是 因 循 守 舊, 而 只 有 創 新, 沒 有 繼 承, 那 是 空 中 樓 閣 1:1 的 克 隆 可 能 很 多 的 人 認 為 是 最 安 全 最 省 事 的 一 種 設 計 方 式 但 是 作 為 從 事 設 計 行 業 的 人 來 講, 克 隆 是 一 件 可 恥 的 事 情 所 謂 一 抄 二 改 三 創 造 簡 練 的 概 括 了 設 計 人 員 的 成 長 之 路 剛 入 門 的 時 候, 只 能 照 抄, 但 是 在 抄 襲 的 同 時 要 拼 命 的 去 理 解 原 設 計 者 的 意 圖 和 思 維, 理 解 整 個 機 器 的 傳 動, 各 個 裝 置 之 間 的 相 互 關 聯, 每 個 零 件 的 相 互 關 系, 理 解 了 之 後 就 可 以 出 圖, 圖 紙 上 就 可 以 有 明 確 的 尺 寸 配 合 要 求, 形 位 公 差 約 束 只 知 道 畫 下 來, 隨 手 胡 扯 幾 根 線 條 上 去, 大 概 感 覺 機 器 精 度 比 較 高, 就 玩 命 的 把 精 度 往 上 提 動 不 動 就 0.005,0.002, 在 圖 紙 上 大 言 不 慚 的 簽 名 在 設 計 欄 號 稱 自 己 搞 的 東 西 是 很 精 密 的 這 種 不 知 所 謂 的 號 稱 機 械 機 械 設 計 工 程 師 的 信 手 拈 來 滿 地 都 是 模 仿 優 秀 的 作 品 是 每 一 個 設 計 師 的 必 走 之 路 但 是 做 設 計, 一 定 要 有 自 己 的 想 法, 人 也 要 有 自 己 鮮 明 的 個 性, 久 了, 就 形 成 了 自 己 的 風 格, 風 格 的 養 成 與 一 個 人 的 藝 術 素 養 和 個 人 修 養 有 直 接 關 系 羅 嗦 的 人 搞 出 來 的 東 西 就 是 那 麽 羅 嗦 的, 小 氣 的 人 搞 出 來 的 東 西 就 是 一 副 小 家 子 氣, 不 負 責 任 的 人 搞 出 來 的 機 器 就 跟 那 人 的 德 行 一 樣 的 不 負 責

46 任 能 有 自 己 的 設 計 理 念, 設 計 風 格, 就 是 不 一 樣, 這 樣 搗 騰 出 來 的 東 西 就 有 了 獨 特 的 靈 魂 行 家 一 看 就 知 道, 這 是 用 心 的 傑 作 在 抄 襲 的 時 候 積 累 了 經 驗 就 要 抱 著 否 定 的 態 度 學 習 查 閱 資 料, 多 看 些 經 典 的 設 計 案 例, 和 設 計 的 禁 忌, 與 自 己 接 觸 過 的 一 些 東 西 進 行 對 比, 就 有 了 大 的 提 高 就 可 以 在 現 有 的 機 器 上 動 手 術 如 : 提 高 機 器 的 附 加 值, 完 善 更 多 的 功 能, 讓 整 機 具 備 更 高 的 可 靠 度 從 而 迎 合 高 端 的 客 戶 ; 或 者 進 行 結 構 精 簡, 保 留 一 些 常 用 功 能, 降 低 成 本, 滿 足 些 買 不 起 那 麽 也 用 不 上 多 功 能 的 客 戶 的 需 求 做 到 這 樣 就 可 以 稱 的 上 做 機 械 設 計 開 始 入 門 了 能 不 能 成 為 世 界 級 的 發 明 家 這 個 事 情 很 難 說 的, 呵 呵 但 是 憑 自 己 多 年 經 歷 見 識, 將 一 些 結 構 進 行 組 合, 變 異, 嫁 接, 創 造 一 些 新 的 東 西 是 不 難 的 與 其 用 一 生 的 時 間 去 研 究 永 動 機 之 類 的 高 深 課 題, 或 者 搞 一 些 莫 名 其 妙 不 能 創 造 任 何 價 值 的 所 謂 專 利, 不 如 用 自 己 有 限 的 生 命 去 做 些 能 在 這 個 美 麗 的 星 球 上 留 下 點 印 記 的 事 情 到 時 候 老 得 快 死 了, 臨 終 的 時 候 還 會 想 到, 活 了 這 麽 多 年, 搗 騰 了 那 麽 多 機 器 在 地 球 上 跑, 足 以 含 笑 九 泉 一 個 真 正 談 的 能 稱 之 為 機 械 設 計 工 程 師, 需 要 十 年 甚 至 十 年 以 上 的 磨 礪 還 要 有 相 當 的 天 分 以 及 勤 奮 和 能 造 就 人 的 環 境 天 才 等 於 99% 的 勤 奮 +1% 的 努 力 其 實 說 的 並 不 是 只 要 下 苦 工 就 會 有 成 就 這 句

47 話 說 的 是 若 一 個 人 對 某 個 職 業 沒 有 那 1% 天 分, 再 勤 奮 也 是 沒 有 用 的 勤 奮 是 一 個 發 掘 自 己 天 分 的 一 個 途 徑, 是 有 所 成 就 的 必 須 條 件 之 一, 而 不 是 全 部 絕 對 不 是 機 械 零 件 材 料 選 用 的 原 則 要 考 慮 三 個 方 面 的 要 求 1. 使 用 要 求 ( 首 要 考 慮 ): 1) 零 件 的 工 況 ( 震 動, 衝 擊, 高 溫, 低 溫, 高 速, 高 載 都 應 當 慎 重 對 待 ); 2) 對 零 件 尺 寸 和 質 量 的 限 制 ; 3) 零 件 的 重 要 程 度 ( 對 於 整 機 可 靠 度 的 相 對 重 要 性 ) 2. 工 藝 要 求 : 1) 毛 坯 制 造 ( 鑄 造, 鍛 打, 切 板, 切 棒 ); 2) 機 械 加 工 ; 3) 熱 處 理 ; 4) 表 面 處 理 3. 經 濟 性 要 求 : 1) 材 料 價 格 ( 普 通 圓 鋼 與 冷 拉 型 材, 精 密 鑄 造, 精 密 鍛 造 的 毛 坯 成 本 與 加 工 成 本 的 對 比,); 2) 加 工 批 量 和 加 工 費 用 ; 3) 材 料 的 利 用 率 ;( 如 板 材, 棒 料, 型 材 的 規 格, 合 理 的 加 以 利

48 用 ) 4) 替 代 ( 盡 量 用 廉 價 材 料 來 代 替 價 格 相 對 昂 貴 的 稀 有 材 料, 如 在 一 些 耐 磨 部 位 的 套 用 球 墨 替 代 銅 套, 用 含 油 軸 承 替 代 車 削 加 工 的 一 些 套, 速 度 負 載 不 大 的 情 況 下, 用 尼 龍 替 代 鋼 件 齒 輪 或 者 銅 蝸 輪 等 等 ) 另 外, 還 要 考 慮 當 地 材 料 的 供 應 情 況 機 械 設 計 的 基 本 要 求 a) 對 機 器 使 用 功 能 方 面 的 要 求 要 註 意 協 調 平 衡! 防 止 木 桶 效 應 的 出 現 b) 對 機 器 經 濟 性 的 要 求 設 計 經 濟 性, 在 短 的 時 間 裏 投 產 上 市, 撈 回 開 發 期 間 的 消 耗, 甚 至 邊 設 計 邊 制 造 使 用 經 濟 性 要 有 最 佳 的 性 能 價 格 比 ( 產 品 在 小 批 量 做 開 始 賺 了, 再 來 改 的 更 好 ) 2. 對 機 械 零 件 設 計 的 基 本 要 求 a) 在 預 定 工 作 期 限 內 正 常 可 靠 地 工 作, 保 證 機 器 的 各 種 功 能 b) 要 盡 量 降 低 零 件 的 生 產 制 造 成 本 c) 盡 可 能 多 的 采 用 市 場 常 見 標 準 件 d) 對 可 能 系 列 化 的 產 品, 盡 可 能 的 在 開 始 設 計 的 時 候 考 慮 零 件 的 通 用 性, 無 法 通 用 的 也 要 盡 可 能 的 在 結 構 上 類 似, 以 減 少 制 造 過 程 的 工 藝 編 排, 夾 具 工 裝 設 計 的 工 作 量

49 隔离器, 信号隔离器; signal isolator, signal converter 系统产生干扰的原因 在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表 控制系统和执行机 数字隔离器 构 它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级 微安级的小信号 又有几十伏 甚至数 千伏 数百安培的大信号 既有低频直流信号 也有高频脉冲信号等等 构成系统后往往发 现在仪表和设备之间信号传输互相干扰 造成系统不稳定甚至误操作 出现这种情况除了每 个仪表 设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外 还有一个十分重要的因素就是由于仪表 和设备之间的信号参考点之间存在电势差 因而形成 接地环路 造成信号传输过程中失真 因此 要保证系统稳定和可靠的运行 接地环路 问题是在系统信号处理过程中必须解决的 问题 解决 接地环路 的方法 根据理论和实践分析 有三种解决方案 第一种方案 所有现场设备不接地 使所有过程环路只有一个接地点 不能形成回路 这种方法看似简单 但在实际应用中往往很难实现 因为某些设备要求必须接地才能保证测 量精度或确保人身安全 某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接 地点 第二种方案 使两接地点的电势相同 但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等 众多因素的影响 这种方案其实在实际中无法完全做到 第三种方案 在各个过程环路中使用信号隔离方法 断开过程环路 同时又不影响过 程信号的正常传输 从而彻底解决接地环路问题 2 技术特点 本产品采用了先进的数字化技术 在对高 低频干扰信号的抑制方面均有着优异表现 即使在大功率变频控制系统中依然能够可靠应用 内部采用数字化调校 无零点及满度电位 器 自动动态校准零点 温度漂移自动补偿等诸多先进技术 并符合 IEC 这一

50 系列技术的应用使产品的稳定性及可靠性得到科学的保证 以上各项技术领先国际先进水平 适用性: 智能隔离器可以与单元组合仪表及 DCS PLC 等系统配套使用 在油田 石化 制造 电力 冶金等行业的重大工程中有着广泛应用 3 抗干扰 1 供电系统的抗干扰设计 对传感器 仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉 冲干扰 产生尖峰干扰的用电设备有 电焊机 大电机 可控机 继电接触器 带镇流器的 充气照明灯等 尖峰干扰可用硬件 软件结合的办法来抑制 干扰控制器 1 用硬件线路抑制尖峰干扰的影响 常用办法主要有三种 ①在仪器交流电源输 入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器 将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上 从而减弱其破坏性 ②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器 利用铁磁共振原理抑制 尖峰脉冲 ③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻 利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以 降低仪器从电源分得的电压 从而削弱干扰的影响 2 利用软件方法抑制尖峰干扰 对于周期性干扰 可以采用编程进行时间滤波 也 就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样 从而有效地消除干扰 3 采用硬 软件结合的看门狗 watchdog 技术抑制尖峰脉冲的影响 软件 在 定时器定时到之前 CPU 访问一次定时器 让定时器重新开始计时 正常程序运行 该定 时器不会产生溢出脉冲 watchdog 也就不会起作用 一旦尖峰干扰出现了 飞程序 则 CPU 就不会在定时到之前访问定时器 因而定时信号就会出现 从而引起系统复位中断 保证智 能仪器回到正常程序上来 4 实行电源分组供电 例如 将执行电机的驱动电源与控制电源分开 以防止设备 间的干扰 5 采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰 该措施对 以上几种干扰现象都可以有效地抑制 4 变压器 6 采用隔离变压器 考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初 次级线圈的互感耦 合 而是靠初 次级寄生电容耦合的 因此隔离变压器的初 次级之间均用屏蔽层隔离 减 少其分布电容 以提高抵抗共模干扰能力 7 采用高抗干扰性能的电源 如利用频谱 均衡法设计的高抗干扰电源 这种电源抵抗随机干扰非常有效 它能把高尖峰的扰动电压脉 冲转换成低电压峰值 电压峰值小于 TTL 电平 的电压 但干扰脉冲的能量不变 从而可

51 以提高传感器 仪器仪表的抗干扰能力 结构 隔离器一般由输入信号处理单元 隔离单元 输出信号处理单元 电源等 4 部份构成 虽然实际应用中的隔离器基本上都是由上述四个单元构成 但输入 输出的类型和数量的不 同 组成了种类繁多的型号 下面的表格大致进行了归纳 输入处理单元大致类型 序号 类型 1 标准 4-20MA 1-5V 信号 2 热阻 热偶型号 3 开关量信号 4 通信信号 5 交流信号 6 其它非标准信号 0~10V -10~10V) 输出信号的大致类型 序号 类型 1 标准 4-20MA 1-5V 信号 2 开关量输出 3 通信信号 隔离单元的大致类型 序号 类型 1 磁隔离 2 光隔离 电源类型 均为隔离电源 序号 类型 1 自激式 2 它激式 5 低功耗 产品的功耗是各个功能单元功耗的总和 只有降低各个功能单元的功耗才能使得总得 功耗降低 增加产品的热稳定性和寿命 隔离器主要在输入 输出 电源 隔离四个单元进 行技术改进 1 输出单元模块的自适应负载技术 输出模块可以根据负载的大小动态调整输出模块的输出功率 从而减少自身的发热

52 传统的负载设计是根据额定负载的大小设计输出功率 当输出负载非常小时 多余的负载功 率就耗散在仪表内部 从而时仪表自身发热 假设一台隔离器的输出负载设计为 750 欧姆 那么输出驱动功率一般设计为 0.5W 如果在实际应用中此隔离器的负载使用在 50 欧姆的 环境下 那么就有 0.5W 0.02W = 0.48W 的功率转换为仪表自身的发热 如果时多路输 出将产生更多的热量 而降低输出模块的额定功率在实际应用中又难以应付市场的复杂状况 2 隔离单元模块的低功耗改进 隔离单元是决定产品技术指标的重要单元 目前隔离技术主要有磁隔离与光隔离两大类 隔离电路形式有直接调制耦合 反馈调 制耦合等多种形式 具体采用什么形式要根据产品的技术指标而定 总的来讲可以大致分为 开关量信号采用光隔离 模拟量信号采用磁隔离的方式 从技术复杂程度来看 磁隔离比光 隔离处理技术复杂 采用磁隔离技术 设计者可以根据技术指标采用合适的设计方案 隔离 的线性 精度可以根据产品的要求灵活控制 而光隔离的线性 精度只能依赖器件厂家提供 的技术指标 设计人员可以调整的方式很少 也不可能超过厂家提供的技术指标 由于功耗 大 光电隔离也不能实现无源隔离 磁隔离模式有电流互感模式 电流互感反馈模式 电压 互感模式 电压互感反馈模式 电流互感功率补偿模式等 电流互感功率补偿模式是相对来 说功耗最低的模式 3 电源模块 电源的技术指标是基础 决定产品的性能 目前流行的电源拓扑形式虽然非常多 也 很成熟 6 优越性 在各个过程环路中使用信号隔离办法可以用 DCS 或 PLC 等隔离卡件或者现场带隔离 的变送器 部分设备可以做到 也可以使用信号隔离器来实现 比较起来 用信号隔离器 有以下优点 绝大部分情况 采用信号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜 信号隔离器比隔离卡件在隔离能力 抗电磁干扰等方面性能更加优越 信号隔离器应用灵活 而且它还有型号转换和 信号分配功能 使用起来更加方便 信号隔离器通常有单通道 双通道 一入二出等通道形式 通道间相互完全独立 构成系统的配置 日常维护更加方便 智能隔离器的说明 SKGL 型智能隔离器是将输入单路或双路的电流或电压信号 变送输出隔离的单路或 双路线性的电流或电压信号 并提高输入 输出 电源之间的电气隔离性能 7 供电方式

53 隔离器常见的供电方式有独立供电 回路供电和输出回路供电 独立供电的隔离器 需要配备独立 20~35VDC 的直流电源 这种方式的优点是隔离传输精度高 电源 输 入 输出之间完全隔离 多路系统供电电源不需隔离 可保证高抗干扰性能 输入信号可以 变换为其它类型的型号 回路供电的隔离器 在实际工业监控系统中 DCS PLC 或其他显示仪表具有卡件内部供电的使用越来越 广泛 回路供电型隔离器又往往不能满足这些卡件对信号隔离传输精度要求高和二线制变送 器配电电压要求高的条件 因此 输出回路供电型的隔离器既保留了独立供电型隔离器的优 越性能 又满足输出回路供电接口的要求 8 技术参数 系统传输准确度 ±0.2% F S 温度漂移 0.005%F S/ 工作温度 工业级标准 输入阻抗 电流 100Ω 电压 500KV 电流输出允许外接的负载阻抗 4-20mA 输出时 0 500Ω 0-10mA 输出时 0 1KΩ,需要更大的负载能力请在订货时 说明 电磁兼容 符合 IEC 中所规定的第四类 恶劣工业现场 环境对产 品的抗电磁干扰要求 输入/输出/电源/通讯/双路间绝缘强度 1500AAC 储运环境温度 相对湿度 10-90%RH 40 时 供电电源 交流 AC V 直流 DC12V 32V 反接保护 输入功率 W 与型号有关 详见本手册附录中关于输入功率的计算方法 通讯接口 RS232 或 RS485 MODBUS 软件协议 选配 外形尺寸 宽 高 深 mm 9 产品选购 在隔离器选型时除了要确定隔离器的功能 适应前后端接口外 还有精度 输出纹波 温度漂移 功耗 响应时间等许多参数需要用户谨慎选择 步骤/方法

54 精度 隔离器的精度是非常重要的参数 精度的高低直接关系到隔离器能否正常使用 隔离 器的精度体现了隔离器的设计 制造水平 顺连电子生产的隔离器除小信号 小量程等特殊 输入信号的隔离变送器精度为±0.2%以外 其余的精度均为±0.1% 用户在选用时应该选用 精度高的产品 输出纹波 对隔离器精度产生影响的参数还有输出纹波 输出纹波的产生是由于隔离器使用 DC/DC 电路对隔离器的工作电源进行隔离给隔离器内部电路供电 输入信号也要先使用 DC/DC 电路调制成交流信号然后经过隔离部分电路进行信号隔离 隔离后的信号经解调后 再转换成直流信号输出 以 CPU 为核心的隔离器也存在脉冲信号 隔离器内部存在的这种 高频的交流分量 就是产生输出纹波的原因 这些高频的交流分量它们的频率一般都有几百 KHZ 谐波较多 对信号的污染很难完全清除 如果输出纹波较高 控制系统模拟量输入模 板采集到信号的误差就大 对于高速输入的模拟量输入模板更是如此 所以选择隔离器时应 要求输出纹波的峰-峰值越小越好 顺连电子的各种系列隔离器均采用高效的滤波电路 较 好的抑制了输出纹波 帕罗肯隔离器的输出纹波指标是 输出纹波峰-峰值小于 10mV 或者 小于 16μA 这个指标已经达到目前世界一流产品的水平 用户在选用时应该选用纹波小的 产品 温度漂移 温度漂移是由于隔离器工作时产生热量 导致隔离器内所使用的电子元器件性能指标 下降造成隔离器的输出值发生变化 选择隔离器时应要求温度漂移的值越小越好 为了防止 温度漂移 帕罗肯隔离器产品进行了低功耗 微功耗设计 使得隔离器工作时本身的发热量 很小甚至于不发热 这样就能防止因产品工作时发热引起所使用元器件的性能指标下降 防 止造成温度漂移 帕罗肯隔离器的温度漂移指标是 ±0.015%/ 以下 用户在选用时应该 选用温度漂移小的产品 低功耗 功耗是指隔离器工作时所消耗的电能 它涉及到产品在工作时的发热量 这个参数与 隔离器的使用寿命 可靠性和隔离器的外形 安装方式都有密切的关系 在选用隔离器时应 选择功耗低的产品 隔离器的电路设计上采用了新技术是 输出部分可以根据负载的大小动 态调整输出功率的自适应负载技术 隔离部分的电流互感功率补偿技术 电源部分的参数式 开关稳压电源技术 目前我们公司隔离器的功耗只有目前世界一流品牌产品功耗的一半以下

55 若产品的功耗大 在产品工作时产生的热量就大 造成产品壳体内的温度高 组成产品 的电子元器件长期的处于高温环境下 会导致运算放大器参数蜕变 电阻阻值变化 电容漏 电增大等 这些问题将使产品性能下降 甚至导致产品故障 失效 没有低功耗设计的保证 产品就不可能做到隔离器的超薄型 小型化 端子化 我们公 司推出了国内最薄的低功耗 MZ 系列产品 微功耗的 MZ 二线制系列产品和无源系列产品 目前国内的主流产品厚度一般都在 20mm 30mm 之间 国外最新产品的厚度为 6.0mm 帕罗肯产品达到了国外最新产品的水平 产品的单台厚度为 6.2mm 并允许密集安装 可 直接当端子使用 为了节约控制系统的控制柜 电源 接线端子 连接线和人工成本等工程费用 用户在 选用时应该选用低功耗的产品 响应时间 响应时间是指产品的输入量发生变化到产品的输出量正确的将变化量反映的输出上的 时间 响应时间越短 就能够越真实的正确反映出输入量的变化 有效的监视和控制生产过 程 在选择隔离器时响应时间要求越短越好 我们公司产品的响应时间为 0 90%满量程 小于 1s 这个指标达到了目前国际主流产品的水平 用户在选用时应该选用响应时间小的 产品 10 技术发展 当前随着科技的发展 隔离端子的设计日趋小型化 而小型化的目的就是少占空间 当然应该允许用户密集安装 密集安装则存在散热问题 那么必须降低内部功耗 因此内部 功耗的数值在选用时也应注意 金湖明通相关人士认为 现在市场上出现了许多以 CPU 为核心的隔离端子 具有现场 可编及通信功能 有很高的灵活性 对顾客来讲可以减少库存数量,降低资金积压 以 CPU 为核心的隔离端子必将成为这个领域主流 而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 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 使用哪一种要根据 PLC 接口情况决定 现场调试也许会出现仪表和 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 若直接连接将造成电源冲突 交流供電的醫療電子系統安全標準要求直流電(DC)的隔離 以保護病人和操作員免於觸 電的危險 由於導體直接連接儀器和病人 其上附著的液體和凝膠更增加了觸電風險 因此這些用於系統的隔離器必須耐用和可靠

56 光 耦 合 器 和 變 壓 器 通 常 用 於 醫 療 系 統 的 隔 離 電 路, 但 其 不 足 之 處 也 是 設 計 界 所 熟 知 的, 光 耦 合 器 速 度 慢, 在 溫 度 和 老 化 變 化 過 程 中 性 能 很 不 穩 定, 且 都 是 單 端 裝 置, 因 此 共 模 瞬 變 抗 干 擾 能 力 (CMTI) 較 差 此 外, 光 耦 合 器 基 於 砷 化 鎵 (GaAs) 製 程 技 術, 固 有 的 內 在 損 耗 導 致 於 高 溫 和 或 發 光 二 極 體 (LED) 大 電 流 條 件 下 發 光 強 度 降 低 此 種 衰 減 降 低 光 耦 合 器 的 可 靠 性 效 能 和 使 用 壽 命, 雖 然 變 壓 器 提 供 優 於 光 電 耦 合 器 的 高 速 度 和 可 靠 性, 但 變 壓 器 無 法 通 過 直 流 和 低 頻 訊 號, 因 此 在 系 統 定 時 如 開 啟 時 間 和 工 作 週 期, 應 用 中 使 用 頗 受 限, 而 且 變 壓 器 一 般 體 積 大 效 率 低, 往 往 需 要 額 外 的 核 心 重 定 電 路 CMOS 隔 離 器 兼 具 高 效 能 與 高 穩 定 不 同 於 光 耦 合 器, 互 補 式 金 屬 氧 化 物 半 導 體 (CMOS) 隔 離 器 提 供 更 好 的 效 能 可 靠 性 穩 定 性 省 電 效 能 和 整 合 度 CMOS 隔 離 器 支 援 直 流 電 150Mbit/s, 占 用 電 路 板 空 間 更 少 且 每 個 封 裝 最 多 有 六 個 隔 離 通 道, 而 擁 有 更 高 效 率, 上 述 特 性 係 通 過 以 下 CMOS 隔 離 器 基 礎 技 術 實 現. 主 流 / 低 功 耗 CMOS 製 程 技 術 代 替 GaAs CMOS 是 目 前 最 成 熟 並 廣 泛 應 用 於 全 球 的 製 程 技 術 先 進 的 電 路 設 計 技 術 和 CMOS 技 術 使 隔 離 器 可 達 150Mbit/s 資 料 傳 輸 速 率 10 奈 秒 (ns) 傳 播 延 遲 每 通 道 5.6 毫 瓦 (mw) 的 功 耗, 以 及 領 先 業 界 的 效 能 規 格 CMOS 隔 離 器 在 最 大 操 作 電 壓 和 溫 度 下 平 均 無 故 障 時 間 (MTTF) 超 過 1,000 年, 是 光 耦 合 器 的 十 倍.RF 載 波 代 替 光 射 頻 (RF) 技 術 進 一 步 降 低 隔 離 器 操 作 功 耗, 高 度 精 確 的 頻 率 提 高 了 雜 訊 抑 制, 元 件 封 裝 也 比 光 耦 合 器 更 簡 單. 差 動 隔 離 代 替 單 端 隔 離 差 動 訊 號 路 徑 和 接 收 靈 敏 度 使 得 在 無 差 錯 操 作 下 CMTI 超 過 25kV/μs, 良 好 的 外 部 射 頻 抗 干 擾 特 性 可 達 300V/m, 而 磁 場 抗 擾 度 可 在 超 過 1,000A/m 之 下 操 作 零 誤 差, 以 上 這 些 特 性 使 得 CMOS 隔 離 器 也 適 用 於 惡 劣 的 工 作 環 境, 如 強 電 場 和 磁 場. 專 利 EMI 抑 制 CMOS 隔 離 器 滿 美 國 聯 邦 電 信 委 員 會 (FCC) 的 B 部 分 規 範, 並 通 過 汽 車 J1750 CISPR 測 試

57 CMOS 隔 離 器 符 合 UL/IEC 安 全 認 證 從 系 統 觀 點 來 看, 醫 療 設 備 根 據 操 作 電 壓 可 分 為 不 同 的 級 別 I 類 設 備 工 作 於 70 伏 特 或 更 少 電 壓 時, 只 須 要 對 可 接 觸 部 分 採 用 基 本 絕 緣 和 保 護 接 地 II 類 設 備 工 作 於 70 伏 特 電 壓 以 上, 要 求 增 強 或 雙 倍 的 絕 緣 III 類 設 備 操 作 在 25VAC 或 60VDC 以 下, 常 稱 為 安 全 電 壓 (SELV),III 類 設 備 不 須 要 隔 離 圖 1 爬 電 距 離 和 電 氣 間 隙 從 元 件 觀 點 來 看, 隔 離 器 封 裝 尺 寸 在 防 止 電 弧 跨 越 封 裝 表 面 時 非 常 重 要, 因 此, 安 全 機 構 規 定 了 特 定 測 試 電 壓 下 的 爬 電 距 離 (Creepage) 和 電 氣 間 隙 (Clearance) 距 離 如 圖 1, 爬 電 距 離 是 指 沿 絕 緣 表 面 放 電 的 最 小 距 離, 電 氣 間 隙 是 指 通 過 空 氣 放 電 的 最 短 距 離 隔 離 器 的 核 心 是 絕 緣 體, 電 介 質 強 度 決 定 隔 離 器 的 電 壓 等 級, 隔 離 分 類 包 括 基 本 型 和 增 強 型 基 本 型 隔 離 提 供 對 電 擊 的 保 護 特 性, 但 沒 有 考 慮 安 全 失 效 (Failsafe) 狀 況, 即 故 障 不 會 導 致 系 統 自 動 轉 變 到 一 個 安 全 可 靠 的 狀 態 ; 基 本 型 隔 離 裝 置 能 夠 被 用 戶 使 用, 但 必 須 被 包 含 於 系 統 之 內 對 於 基 本 型 隔 離 設 備 的 認 證 測 試 是 在 1 分 鐘 1.6kVRMS 電 壓 下, 最 小 爬 電 距 離 4 毫 米 (mm) 增 強 型 隔 離 為 破 壞 安 全 操 作 提 供 兩 級 保 護, 並 允 許 用 戶 接 入 增 強 型 隔 離 設 備 的 認 證 測 試 是 在 1 分 鐘 4.8kVRMS 電 壓 下, 最 小 爬 電 間 距 8 毫 米 醫 療 電 子 系 統 幾 乎 總 是 需 要 增 強 型 隔 離 特 性, 因 為 它 要 求 具 備 安 全 失 效 保 護 特 性 增 強 型 CMOS 隔 離 器 符 合 國 際 標 準 IEC/EN/DIN EN ,CMOS 隔 離 器 也 符 合 IEC 醫 療 標 準 絕 緣 要 求, 該 標 準 須 要 先 通 過 Underwriters Laboratories--UL 1577 或 IEC 標 準 認 證 IEC 為 基 本 型 和 增 強 型 隔 離 規 定 了 電 介 質 強 度 測 試 認 證 準 則, 包 括 爬 電 距 離 和 電 氣 間 隙 限 制, 還 有 電 壓 和 持 續 時 間 ( 表 1)

58 光 耦 合 器 使 用 塑 膠 複 合 化 合 物 作 為 它 們 的 主 要 絕 緣 材 料, 因 此 必 須 滿 足 內 部 間 距 規 範, 又 稱 絕 緣 穿 透 距 離 (DTI), 該 規 範 可 參 考 IEC 對 於 光 耦 合 器,DTI 是 LED 和 光 接 收 器 晶 粒 之 間 的 距 離, 典 型 最 小 距 離 為 0.4 毫 米 CMOS 隔 離 器 使 用 半 導 體 氧 化 物 作 為 它 們 的 主 要 絕 緣 材 料, 比 使 用 複 合 化 合 物 封 裝 有 更 好 的 電 介 質 強 度 和 一 致 性, 因 此 占 用 更 少 空 間 為 了 通 過 IEC 認 證, 安 全 監 管 機 構 執 行 DTI 測 試, 使 CMOS 隔 離 器 在 125 和 250VACRMS 外 加 電 壓 下 進 行 十 週 測 試, 然 後 在 4.8kVACRMS 下 進 行 1 分 鐘 測 試, 須 注 意 對 於 CMOS 隔 離 器 的 DTI 評 測 比 光 耦 合 器 更 加 嚴 格 醫 療 電 子 系 統 必 須 對 外 部 干 擾 有 免 疫 能 力, 如 來 自 局 部 磁 場 靜 電 電 源 線 擾 動 ( 如 線 路 電 壓 暫 降 浪 湧 和 瞬 變 ) 因 此, 無 論 是 光 耦 合 器 還 是 CMOS 隔 離 器 都 必 須 通 過 IEC 標 準 使 用 測 試 限 度 見 IEC 規 範 ( 表 2), 如 靜 電 放 電 (ESD) 須 符 合 IEC 規 範, 並 使 用 由 IEC 規 定 的 測 試 限 度

59 射 頻 輻 射 及 電 源 線 擾 動 測 試 使 用 CISPR11 測 試 方 法, 其 是 J1750 汽 車 規 範 的 子 集,CISPR 不 指 定 測 試 限 度, 其 為 一 種 測 試 方 法 的 標 準 對 於 輻 射 和 電 源 線 敏 感 性 的 限 制 須 符 合 IEC 規 範 通 過 這 些 測 試 的 要 求 非 常 嚴 格 ; 包 括 系 統 不 能 有 任 何 元 件 故 障 參 數 變 化 配 置 錯 誤 或 誤 報 除 了 外 場 免 疫 力, 測 試 系 統 自 身 不 能 產 生 顯 著 射 頻 或 傳 導 輻 射 可 靠 為 醫 療 設 備 應 用 關 鍵 CMOS 隔 離 器 適 用 於 心 電 圖 (ECG) 應 用 ( 圖 2), 來 自 設 備 放 大 器 的 類 比 輸 出 經 過 高 通 濾 波 器, 然 後 通 過 串 列 類 比 數 位 轉 換 器 (ADC) 轉 換 成 數 位 格 式 轉 換 後 的 資 料 通 過 增 強 型 5kV 特 數 位 隔 離 器 進 入 控 制 器 進 行 處 理 該 數 位 隔 離 器 每 個 通 道 都 可 進 行 高 達 150Mbit/s 無 瓶 頸 資 料 傳 輸 如 果 採 用 並 行 多 個 ADC 輸 出, 假 設 16 位 元 ADC, 則 隔 離 功 能 可 以 使 用 少 於 四 個 六 通 道 隔 離 器 實 現

60 圖 2 心 電 圖 前 端 示 意 圖 此 外,CMOS 隔 離 器 也 可 應 用 於 除 顫 器, 圖 3 顯 示 了 除 顫 器 電 源 部 分, 兩 個 高 側 / 低 側 隔 離 閘 極 驅 動 器 驅 動 全 橋 電 路 注 意, 此 電 路 僅 需 要 兩 個 標 準 高 側 閘 極 驅 動 器 電 路 實 現 全 橋 驅 動 解 決 方 案 每 個 閘 極 驅 動 器 具 有 片 上 輸 入 訊 號 調 整 電 路, 包 括 史 密 特 觸 發 器 (Schmitt-trigger) 輸 入 欠 壓 閉 鎖 (UVLO) 保 護 輸 入 輸 出 重 疊 保 護 和 死 區 空 載 時 間 產 生 器 對 於 安 全 性 至 關 重 要 的 醫 療 系 統 來 說, 這 些 功 能 對 於 可 靠 運 行 相 當 關 鍵 圖 3 基 於 ISOdriver 的 除 顫 器 電 源 隔 離 輸 入 端 之 後 是 增 強 型 雙 通 道 數 字 隔 離 器, 其 輸 出 連 接 到 閘 極 驅 動 器, 每 一 個 都 相 互 隔 離,

61 同 時 也 與 輸 入 隔 離 電 阻 RDT1 和 RDT2 決 定 了 添 加 到 每 個 迴 路 中 的 空 載 時 間 如 果 空 載 時 間 不 需 要,DT 輸 入 端 接 腳 應 當 連 接 到 本 地 VDD 除 了 提 供 邏 輯 輸 入 閘 極 驅 動 器, 芯 科 實 驗 室 (Silicon Labs) 也 提 供 增 強 的 功 能 相 容 光 耦 合 驅 動 器 的 替 代 產 品 Si822x 隔 離 閘 極 驅 動 器 能 夠 模 仿 光 耦 合 器 LED 行 為 的 輸 入 階 段, 可 直 接 替 換 諸 如 HCPL-3120 的 閘 極 驅 動 器 產 品, 也 提 供 低 功 耗 操 作, 工 作 溫 度 範 圍 內 有 更 好 的 效 能 和 可 靠 性 新 型 隔 離 技 術 加 持 系 統 安 全 性 倍 增 圖 4 為 相 移 調 變 全 橋 應 用, 典 型 的 用 於 龐 大 醫 療 系 統 中 的 供 電 系 統, 例 如 臨 床 核 磁 共 振 影 像 (MRI) 此 類 系 統 通 常 使 用 電 流 感 應 變 壓 器, 需 要 外 部 核 心 重 定 電 路 和 特 殊 的 布 局, 其 也 有 低 幅 度 的 輸 出 波 形, 通 常 導 致 低 的 電 磁 干 擾 效 能 圖 4 相 移 全 橋 應 用 中 的 乒 乓 模 式 隔 離 的 交 流 電 流 感 測 器, 例 如 芯 科 實 驗 室 的 Si850x/1x 元 件 提 供 整 合 的 重 定 電 路, 高 2VP-P 的 滿 刻 度 輸 出 訊 號, 測 量 精 度 5%, 小 尺 寸 和 低 功 耗 工 作, 可 支 援 50k~1MHz 頻 率 範 圍, 全 測 量 範 圍 為 5 10 和 20 安 培, 並 有 1kV 和 5kV 的 額 定 隔 離 電 壓 此 類 元 件 具 有 1.3 毫 歐 姆 (m) 低 功 耗 輸 入 阻 抗 和 2nH 的 串 聯 電 感 以 降 低 振 鈴 震 盪 圖 4 中 的 電 流 感 測 器 有 乒 乓 的 輸 出 模 式, 從 橋 式 4 接 腳 出 來 的 訊 號 可 供 分 開 的 輸 出 2 端 作 為 訊 號 監 控 機 制 當 Q1 和 Q4 處 於 開 啟 狀 態 時, 測 量 電 流 在 OUT2 接 腳 出 現 ; 當 Q2 和 Q3 處 於 開 啟 狀 態 時, 電 流 從 OUT1 輸 出 當 電 流 發 生 循 環 時, 積 分 器 重 定 觸 發 -- 即 當 Q1 和 Q2 同 時 打 開, 或 Q3 和 Q4 同 時 打 開 時

62 上述示例說明如何應用 CMOS 隔離器的電路級於電子醫療系統上 其他系統可能使用 CMOS 隔離器於不同的電路功能 如電壓電平轉換或消除接地迴路雜訊 表 3 顯示醫療 電子系統從 CMOS 隔離技術中獲益的部分列表 這些或其他應用程式的隔離需求導致大 量 CMOS 隔離器使用案例 醫療電子市場不斷發展過程中 CMOS 隔離器技術終將取代 傳統隔離技術 電子醫療系統必須具備可靠的整合隔離 確保病人和操作者的安全 嚴格的國際安全管 理機構為了得到一致的安全特性 根據其規範發放醫療電子系統認證 在這些系統中 隔離具有關鍵的作用 且必須是強健和可靠的 並且可節省空間和成本 光耦合器和變壓器已經為醫療系統形成了各式各樣的隔離電路方案 然而隨著技術的發 展 更小 更可靠和高效能隔離元件應運而生 如單封裝 多通道數位隔離器 交流電 流感應器和隔離閘極驅動器 這些隔離產品採用主流 CMOS 技術 與傳統方案相比 具 有顯著的優勢 其失誤率僅為光耦合器的十分之一 COMS 隔離產品是眾多電子醫療系 統的理想選擇 Silicon Labs 推 出 可 替 代 光 耦 合 器 的 數 位 隔 離 器 2012/10/11-李 懿 修 高 效 能 類 比 與 混 合 訊 號 IC 領 導 廠 商 Silicon Laboratories( 芯 科 實 驗 室 有 限 公 司 N A S D A Q S L A B ) 近 日 宣 布 推 出 業 界 首 款 光 耦 合 器 的 替 代 產 品 Si87xx 數 位 隔 離 器 其 基 於 主 流 CMOS 技 術 並 具 有 創 新 的 發 光 二 極 體 (LED)模 擬 輸 入 新 型 Si87xx 數 位 隔 離 器 提 供 完 美 的 接 腳 配 置 IC 封 裝 型 式 可 相 容 於

63 多 種 光 耦 合 器 產 品 其 卓 越 的 抗 雜 訊 能 力 更 高 效 能 和 可 靠 性 非 常 適 合 太 陽 能 逆 變 器 交 換 式 電 源 供 應 器 (SMPS) 不 斷 電 供 應 系 統 (UPS) 工 業 驅 動 器 可 程 式 邏 輯 控 制 器 (PLC) 高 壓 醫 療 設 備 以 及 其 他 使 用 光 耦合器的應用 放大 S i l i co n Labs 推 出 可 直 接 替 代 光 耦 合 器 的 數 位 隔 離 器 基 於 CMOS 技 術 的 Si87xx 隔 離 器 提 供 更 長 使 用 壽 命 和 卓 越 可 靠 性 使 製 造 商 可延長產品品質保證期 光 耦 合 器 的 使 用 歷 史 已 超 過 4 0 年 由 於 本 質 上 受 限 於 過 時 的 L E D 技 術 導 致 其 輸 出 訊 號 對 於 輸 入 電 流 溫 度 和 老 化 的 變 動 非 常 敏 感 輸 出 變 化 將 降 低 光 耦 合 器 生 命 週 期 中 的 運 行 效 能 和 可 靠 性 因 此 增 加 設 計 的 複 雜 度 縮 短 最 終 產 品 的 壽 命 受 其 老 化 的 影 響 光 耦 合 器 的 使 用 壽 命 通 常 僅 約 1 0 年 對 於 想 要 開 發 具 有 2 0 年 以 上 產 品 品 質 保 證 的 工 業 系 統 設 計 人員來說 是非常嚴重的問題 Silicon Labs 公 司 Si87xx 光 耦 替 代 元 件 採 用 基 於 CMOS 技 術 的 專 利 隔 離 架 構 完 全 消 除 基 於 LED 的 光 耦 合 器 特 有 的 敏 感 性 基 於 CMOS 製 程 的 電 容 隔 離 技 術 可 提 供 的 平 均 故 障 間 隔 時 間 (MTTF)是 光 耦 合 器 的 10 倍 以 上 透 過 提 供 更 長 的 產 品 壽 命 和 更 高 的 可 靠 性 Si87xx 隔 離 器 允 許 系 統 製 造 商 支 援 更 長 的 終 端 產 品 保 證 期 並 降 低 維 修 或 更 換 產 品 的 成 本 特 別 是 在 輸 入 導 通 電 流 時 極 小 的 變 化 特 性 簡 化 系 統 設 計 因 此 在 使 用 Si87xx 元 件 時 工 程 師 不 再 需 要 考 慮 老 化 對 設 備 產 生 的 影 響 Si87xx 系 列 產 品 基 於 Silicon Labs 公 司 業 界 領 先 的 電 容 隔 離 技 術 隔 離 等 級 高 達 5 k V 並 完 全 符 合 I E C 規 範 包 括 1 0 k V 電 湧 保 護 該 系 列 產 品 滿 足 I E C ( 增 強 絕 緣 ) 的 要 求 並 提 供 高 達 1,200V 工 作 電 壓 和 超 過 60 年 的 使 用 壽 命 除 了 其 特 有 對 於 溫 度 老 化 和 輸 入 電 流 影 響 的 抗 干 擾 能 力 之 外 Si87xx

64 隔 離 器 還 具 有 比 其 他 光 耦 合 器 更 顯 著 的 效 能 優 勢 1. Si87xx 元 件 輸 入 接 通 電 流 降 低 50% 輸 出 靜 態 電 流 降 低 10 倍 可 有 效 降 低 整 體 系 統 功 耗 2. Si87xx 數 位 隔 離 架 構 具 有 極 小 的 寄 生 電 容 可 提 升 共 模 瞬 變 抑 制 能 力 (CMTI)高 達 75% 因 此 可 提 高 系 統 資 料 的 完 整 性 而 基 於 LED 架 構 的 光 耦 合 器 存 在 高 寄 生 電 容 其 CMTI 較 差 因 此 可 能 導 致 隔 離 器 傳 遞 錯 誤 的 資 料 3. S i 8 7 x x 隔 離 器 優 於 光 耦 合 器 的 關 鍵 在 於 時 序 規 範 如 傳 播 延 遲 和 脈 衝 寬 度 失 真 因 此 可 實 現 更 快 更 準 確 並 且 更 高 效 的 資 料傳輸 Silicon Labs 副 總 裁 暨 存 取 電 源 和 感 測 器 產 品 總 經 理 Mark Thompson 表 示 新 型 S i 8 7 x x 系 列 產 品 說 明 了 業 界 於 隔 離 器 產 品 上 的 重 大 演 進 此 一 完 美 的 光 耦 替 代 產 品 其 IC 封 裝 型 式 及 接 腳 相 容 於 廣 泛 的 光 耦 合 器 產 品 對 於 現 今 使 用 過 時 光 耦 合 器 的 系 統 來 說 我 們 的 新 型 光 耦 替 代 解 決 方 案 可 以 顯 著 改 善 電 源 效 率 效 能 可 靠 性 和 產 品 壽 命 是 最 佳 的 選擇 所 有 Silicon Labs Si87xx 隔 離 器 均 採 用 創 新 的 LED 模 擬 輸 入 提 供 新 的 封 裝 選 擇 可 為 許 多 現 有 光 耦 合 器 提 供 完 全 相 容 的 立 即 升 級 Si8710 基 本 的 元 件 包 括 LED 模 擬 輸 入 和 開 路 集 極 式 (open-collector)輸 出 另 外 有 2 個 額 外 的 配 置 可 供 選 擇 Si8711 增 加 整 合 的 上 拉 電 阻 器 Si8712 包含專用的啟用接腳 可以非同步控制輸出 DIGITIMES 中 文 網 原 文 網 址 : Silicon Labs 推 出 可 替 代 光 耦 合 器 的 數 位隔離器 Cat1=&id=304975#ixzz2n8jVdOg0 光電耦合元件[編輯] 維基百科 自由的百科全書 LED 與光電耦合元件的概要圖

65 光電耦合元件是以光作為媒體來傳輸電信號的一組裝置 其功能是平時維持電信號輸入 輸出間有良 好的隔離作用 需要時可以使電信號通過隔離層的傳送方式 光電耦合元件 英語 Opto-isolator, 英語 optical coupler 或縮寫為 OC 亦稱光耦合器 光隔離器以及光電隔離器 簡稱光耦 光電耦合元件可分為類比與數位兩種 主要由光發射器和光偵測器組成 兩種元件通常會整合到同一 個封裝 但它們之間除了光束之外不會有任何電氣或實體連接 光電耦合元件的光發射器大都是發光二極體 LED 光偵測器的種類比較多 但多半由光電二極體 或光電晶體擔任 目錄 [隱藏] 1 結構 2 應用 3 種類 4 參看 5 外部聯結 結構[編輯] 光耦合器一般由三部分組成 光的發射 光的接收及信號放大 輸入的電信號驅動發光二極體 使之發出一定波長的光 被光探測器接收而產生光電流 再經過進一 步放大後輸出 這就完成了電 光 電的轉換 從而起到輸入 輸出 隔離的作用 由於光耦合器輸 入輸出間互相隔離 電信號傳輸具有單向性等特點 因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力 又由 於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件 因而具有很強的共模抑制能力 所以 它在長線傳 輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比 在電腦數位通信及即時控制中作為信號隔離的介面 器件 可以大大增加其工作之可靠性 應用[編輯] 光電耦合元件廣泛用於電氣絕緣 電平轉換 級間耦合 驅動電路 開關電路 斬波器 多諧振盪器 信號隔離 級間隔離 脈衝放大電路 數位儀錶 遠距離信號傳輸 脈衝放大 固態繼電器(SSR) 儀器儀錶 通信設備及微機電介面中 在單片開關電源中 利用線性光耦合器可構成光耦回饋電路 通過調節控制端電流來改變占空比 達 到精密穩壓目的 種類[編輯] 電晶體耦合器 具有較高的換能效率 高耐壓性 低輸入驅動能力

66 高速積體電路輸出耦合器 它有提供高速集成光能力的接收元件 速度為 1 10 兆赫茲 三端雙向可控矽耦合器 這種類型的耦合器主要用來控制 AC 載荷 例如發動機和螺線管 光控繼電器 能轉換類比信號 因為在一個輸出處裏裝配一個 MOSFET 有線性輸出特徵 參看[編輯] 光電 Galvanic isolation 外部聯結 摘 要 线性光耦合器是目前国际上正推广应用的一种新型光电隔离器件 文中介绍其性能特 点 产品分类 以及它在单片开关电源中的应用 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器或光电耦合 器 简称光耦 它是以光为媒介来传输电信号的器件 通常把发光器 红外线发光二极管 LED 与受光器 光敏半导体管 封装在同一管壳内 当输入端加电信号时发光器发出光线 受光器接受光线之后就产生光电流 从输出端流出 从而实现了 电 光 电 转换 普通 光耦合器只能传输数字 开关 信号 不适合传输模拟信号 近年来问世的线性光耦合器能 够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号 使其应用领域大为拓宽 1 光耦合器的类型及性能特点 1.1 光耦合器的类型 光耦合器有双列直插式 管式 光导纤维式等多种封装形式 其种类达数十种 光 耦合器的分类及内部电路如图 1 所示 图中是 8 种典型产品的型号 (a)通用型(无基极引线) (b)通用型(有基极引线) (c)达林顿型 (d)高速型 (e)光集成电路 (f)光纤型 (g)光敏 晶闸管型 (h)光敏场效应管型 1.2 光耦合器的性能特点 光耦合器的主要优点是单向传输信号 输入端与输出端完全实现了电气隔离 抗干 扰能力强 使用寿命长 传输效率高 它广泛用于电平转换 信号隔离 级间隔离 开关 电路 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器(SSR) 仪器仪表 通信设备及微机接口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改变占 空比 达到精密稳压目的

67 1.3 光 耦 合 器 的 技 术 参 数 主 要 有 发 光 二 极 管 正 向 压 降 VF 正 向 电 流 IF 电 流 传 输 比 CTR 输 入 级 与 输 出 级 之 间 的 绝 缘 电 阻 集 电 极 - 发 射 极 反 向 击 穿 电 压 V(BR)CEO 集 电 极 - 发 射 极 饱 和 压 降 VCE(sat) 此 外, 在 传 输 数 字 信 号 时 还 需 考 虑 上 升 时 间 下 降 时 间 延 迟 时 间 和 存 储 时 间 等 参 数 常 用 参 数 : 正 向 压 降 VF: 二 极 管 通 过 的 正 向 电 流 为 规 定 值 时, 正 负 极 之 间 所 产 生 的 电 压 降 正 向 电 流 IF: 在 被 测 管 两 端 加 一 定 的 正 向 电 压 时 二 极 管 中 流 过 的 电 流 反 向 电 流 IR: 在 被 测 管 两 端 加 规 定 反 向 工 作 电 压 VR 时, 二 极 管 中 流 过 的 电 流 反 向 击 穿 电 压 VBR:: 被 测 管 通 过 的 反 向 电 流 IR 为 规 定 值 时, 在 两 极 间 所 产 生 的 电 压 降 结 电 容 CJ: 在 规 定 偏 压 下, 被 测 管 两 端 的 电 容 值 反 向 击 穿 电 压 V(BR)CEO: 发 光 二 极 管 开 路, 集 电 极 电 流 IC 为 规 定 值, 集 电 极 与 发 射 集 间 的 电 压 降 输 出 饱 和 压 降 VCE(sat): 发 光 二 极 管 工 作 电 流 IF 和 集 电 极 电 流 IC 为 规 定 值 时, 并 保 持 IC/IF CTRmin 时 (CTRmin 在 被 测 管 技 术 条 件 中 规 定 ) 集 电 极 与 发 射 极 之 间 的 电 压 降 反 向 截 止 电 流 ICEO: 发 光 二 极 管 开 路, 集 电 极 至 发 射 极 间 的 电 压 为 规 定 值 时, 流 过 集 电 极 的 电 流 为 反 向 截 止 电 流 电 流 传 输 比 CTR: 输 出 管 的 工 作 电 压 为 规 定 值 时, 输 出 电 流 和 发 光 二 极 管 正 向 电 流 之 比 为 电 流 传 输 比 CTR 脉 冲 上 升 时 间 tr 下 降 时 间 tf: 光 耦 合 器 在 规 定 工 作 条 件 下, 发 光 二 极 管 输 入 规 定 电 流 IFP 的 脉 冲 波, 输 出 端 管 则 输 出 相 应 的 脉 冲 波, 从 输 出 脉 冲 前 沿 幅 度 的 10% 到 90%, 所 需 时 间 为 脉 冲 上 升 时 间 tr 从 输 出 脉 冲 后 沿 幅 度 的 90% 到 10%, 所 需 时 间 为 脉 冲 下 降 时 间 tf 传 输 延 迟 时 间 tphl tplh: 光 耦 合 器 在 规 定 工 作 条 件 下, 发 光 二 极 管 输 入 规 定 电 流 IFP 的 脉 冲 波, 输 出 端 管 则 输 出 相 应 的 脉 冲 波, 从 输 入 脉 冲 前 沿 幅 度 的 50% 到 输 出 脉 冲 电 平 下 降 到 1.5V 时 所 需 时 间 为 传 输 延 迟 时 间 tphl 从 输 入 脉 冲 后 沿 幅 度 的 50% 到 输 出 脉 冲 电 平 上 升 到 1.5V 时 所 需 时 间 为 传 输 延 迟 时 间 tplh 入 出 间 隔 离 电 容 CIO: 光 耦 合 器 件 输 入 端 和 输 出 端 之 间 的 电 容 值 入 出 间 隔 离 电 阻 RIO: 半 导 体 光 耦 合 器 输 入 端 和 输 出 端 之 间 的 绝 缘 电 阻 值 入 出 间 隔 离 电 压 VIO: 光 耦 合 器 输 入 端 和 输 出 端 之 间 绝 缘

68 电 流 传 输 比 是 光 耦 合 器 的 重 要 参 数, 通 常 用 直 流 电 流 传 输 比 来 表 示 当 输 出 电 压 保 持 恒 定 时, 它 等 于 直 流 输 出 电 流 IC 与 直 流 输 入 电 流 IF 的 百 分 比 采 用 一 只 光 敏 三 极 管 的 光 耦 合 器,CTR 的 范 围 大 多 为 20%~300%( 如 4N35), 而 PC817 则 为 80%~160%, 达 林 顿 型 光 耦 合 器 ( 如 4N30) 可 达 100%~5000% 这 表 明 欲 获 得 同 样 的 输 出 电 流, 后 者 只 需 较 小 的 输 入 电 流 因 此,CTR 参 数 与 晶 体 管 的 hfe 有 某 种 相 似 之 处 线 性 光 耦 合 器 与 普 通 光 耦 合 器 典 型 的 CTR-IF 特 性 曲 线, 分 别 如 图 2 中 的 虚 线 和 实 线 所 示 普 通 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 线 呈 非 线 性, 在 IF 较 小 时 的 非 线 性 失 真 尤 为 严 重, 因 此 它 不 适 合 传 输 模 拟 信 号 线 性 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 线 具 有 良 好 的 线 性 度, 特 别 是 在 传 输 小 信 号 时, 其 交 流 电 流 传 输 比 (ΔCTR=ΔIC/ΔIF) 很 接 近 于 直 流 电 流 传 输 比 CTR 值 因 此, 它 适 合 传 输 模 拟 电 压 或 电 流 信 号, 能 使 输 出 与 输 入 之 间 呈 线 性 关 系 这 是 其 重 要 特 性 2 线 性 光 耦 合 器 的 产 品 分 类 及 选 取 原 则 2.1 线 性 光 耦 合 器 的 产 品 分 类 线 性 光 耦 合 器 的 典 型 产 品 及 主 要 参 数 见 表 1, 这 些 光 耦 均 以 光 敏 三 极 管 作 为 接 收 管 2.2 线 性 光 耦 合 器 的 选 取 原 则 在 设 计 光 耦 反 馈 式 开 关 电 源 时 必 须 正 确 选 择 线 性 光 耦 合 器 的 型 号 及 参 数, 选 取 原 则 如 下 : 1 光 耦 合 器 的 电 流 传 输 比 (CTR) 的 允 许 范 围 是 50%~200% 这 是 因 为 当 CTR<50% 时, 光 耦 中 的 LED 就 需 要 较 大 的 工 作 电 流 (IF>5.0mA), 才 能 正 常 控 制 单 片 开 关 电 源 IC 的 占 空 比, 这 会 增 大 光 耦 的 功 耗 若 CTR>200%, 在 启 动 电 路 或 者 当 负 载 发 生 突 变 时, 有 可 能 将 单 片 开 关 电 源 误 触 发, 影 响 正 常 输 出 2 推 荐 采 用 线 性 光 耦 合 器, 其 特 点 是 CTR 值 能 够 在 一 定 范 围 内 做 线 性 调 整 3 由 英 国 埃 索 柯 姆 (Isocom) 公 司 美 国 摩 托 罗 拉 公 司 生 产 的 4N 系 列 ( 如 4N25 4N26 4N35) 光 耦 合 器, 目 前 在 国 内 应 用 地 十 分 普 遍 鉴 于 此 类 光 耦 合 器 呈 现 开 关 特 性, 其 线 性 度 差, 适 宜 传 输 数 字 信 号 ( 高 低 电 平 ), 因 此 不 推 荐 用 在 开 关 电 源 中 光 电 偶 合 器 件 ( 简 称 光 耦 ) 是 把 发 光 器 件 ( 如 发 光 二 极 体 ) 和 光 敏 器 件 ( 如 光 敏 三 极 管 ) 组 装 在 一 起, 通 过 光 线 实 现 耦 合 构 成 电 光 和 光 电 的 转 换 器 件 光 电 耦 合 器 分 为 很 多 种 类, 图 1 所 示 为 常 用 的 三 极 管 型 光 电 耦 合 器 原 理 图 当 电 信 号 送 入 光 电 耦 合 器 的 输 入 端 时, 发 光 二 极 体 通 过 电 流 而 发 光, 光 敏 元 件 受 到 光 照 后 产 生 电 流,CE 导 通 ; 当 输 入 端 无 信 号, 发 光 二 极 体 不 亮, 光 敏 三 极 管 截 止,CE 不 通 对 于 数

69 位 量, 当 输 入 为 低 电 平 0 时, 光 敏 三 极 管 截 止, 输 出 为 高 电 平 1 ; 当 输 入 为 高 电 平 1 时, 光 敏 三 极 管 饱 和 导 通, 输 出 为 低 电 平 0 若 基 极 有 引 出 线 则 可 满 足 温 度 补 偿 检 测 调 制 要 求 这 种 光 耦 合 器 性 能 较 好, 价 格 便 宜, 因 而 应 用 广 泛 图 一 最 常 用 的 光 电 耦 合 器 之 内 部 结 构 图 三 极 管 接 收 型 4 脚 封 装

70 本 文 相 關 DataSheet: 引 言 在 電 力 電 子 裝 置 中, 經 常 需 要 在 兩 個 不 同 的 模 塊 之 間 傳 送, 並 且 要 保 證 安 全 可 靠 地 傳 送 通 常 兩 個 不 同 模 塊 之 間 的 電 位 可 以 相 差 幾 百 伏 乃 至 幾 千 伏, 比 如 電 機 控 製 中 的 隔 離 電 樞 電 流 和 電 壓 傳 感 器, 電 動 機 地 與 控 製 係 統 地 的 隔 離 等 特 別 在 一 些 以 微 處 理 器 為 核 心 的 電 力 電 子 裝 置 中, 需 要 傳 送 代 表 輸 出 特 性 的 參 考 信 號, 而 運 行 於 高 頻 開 關 狀 態 的 功 率 電 路 與 控 製 電 路 往 往 不 在 同 一 電 路 板 上, 為 了 防 止 強 電 磁 幹 擾 串 到 微 機 係 統 導 致 係 統 運 行 異 常, 並 降 低 EMI 和 工 頻 幹 擾, 在 信 號 傳 送 的 時 候 需 要 嚴 格 隔 離 在 工 業 過 程 控 製 與 測 量 係 統 中 更 是 普 遍 需 要 用 到 模 擬 量 隔 離 傳 輸 技 術, 如 熱 電 偶 壓 力 電 橋 應 變 計 傳 感 器 的 數 據 隔 離 放 大 均 是 例 子 因 此, 研 究 精 確 可 靠 的 傳 輸 方 案 對 於 保 證 係 統 的 整 體 性 能 具 有 重 要 意 義 本 文 以 數 控 精 密 高 頻 開 關 逆 變 電 源 係 統 為 例, 研 究 了 電 力 電 子 裝 置 中 模 擬 信 號 的 精 確 隔 離 傳 輸 的 方 法

71 1 隔 離 傳 輸 方 法 及 其 比 較 實 現 電 氣 上 隔 離 的 方 法 從 耦 合 方 式 來 看, 可 以 分 為 磁 耦 合 隔 離 方 法 光 電 耦 合 隔 離 方 法 電 容 耦 合 隔 離 方 法 等 磁 耦 合 隔 離 方 法 是 最 常 用 的 耦 合 隔 離 方 法 圖 1 所 示 的 是 AD 公 司 生 產 的 隔 離 放 大 器 AD202 的 內 部 結 構 示 意 圖, 是 一 個 典 型 的 變 壓 器 耦 合 二 端 隔 離 放 大 器, 采 用 了 調 幅 與 解 調 技 術 將 直 流 或 交 流 信 號 通 過 變 壓 器 耦 合 到 輸 出 級, 輸 入 級 內 置 一 個 獨 立 的 運 放 作 為 信 號 預 處 理, 可 進 行 緩 衝 濾 波 等 功 能 輸 出 級 是 對 信 號 進 行 解 調, 濾 波 與 放 大 內 置 的 DC/DC 變 換 器 可 以 提 供 電 源 給 輸 入 側 的 運 放 調 製 器 或 其 他 電 路 點 擊 看 原 圖 圖 2

72 另 外, 還 有 三 點 隔 離 的 變 壓 器 耦 合 隔 離 放 大 器, 如 BB 公 司 的 3656, 可 以 實 現 輸 入 級 和 輸 出 級 隔 離, 而 且 供 電 電 源 與 放 大 器 隔 離, 真 正 實 現 了 信 號 和 電 源 完 全 隔 離 電 容 耦 合 隔 離 方 法 是 比 較 先 進 的, 采 用 了 頻 率 調 製 技 術, 通 過 對 輸 入 電 壓 數 字 編 碼 和 差 動 電 容 勢 壘 耦 合, 準 確 地 隔 離 和 傳 輸 模 擬 信 號 圖 2 所 示 的 是 BB 公 司 電 容 耦 合 隔 離 放 大 器 ISO122 的 框 圖, 隔 離 放 大 器 輸 入 和 輸 出 之 間 通 過 2 個 1pF 的 隔 離 電 容 進 行 信 號 耦 合 在 調 製 端, 輸 入 放 大 器 對 輸 入 電 流 和 一 個 可 切 換 的 電 流 源 之 間 的 差 值 進 行 積 分 假 設 VIN 為 0V, 積 分 器 將 以 單 向 的 斜 率 上 升 直 到 超 過 比 較 器 的 閾 值 內 部 的 壓 控 振 蕩 器 使 電 流 源 以 500kHz 的 頻 率 切 換, 輸 出 調 製 的 數 字 電 平 以 差 動 形 式 加 在 勢 壘 電 容 上 同 時 外 加 隔 離 電 壓 呈 共 模 形 式 輸 出 端 的 放 大 器 檢 測 出 來 的 差 動 信 號 作 為 另 一 個 電 流 源 到 積 分 器 A2 的 切 換 控 製, 信 號 解 調 產 生 一 個 平 均 值 等 於 VIN 的 VOUT, 經 過 低 通 濾 波 器 濾 掉 餘 下 的 載 波 噪 聲 之 後, 就 成 為 隔 離 放 大 器 的 輸 出 由 於 采 用 了 數 字 化 調 製 手 段, 隔 離 柵 的 性 能 不 會 影 響 到 模 擬 信 號 的 完 整 性, 所 以 有 較 高 的 可 靠 性 和 良 好 的 頻 率 特 性 光 電 耦 合 器 是 通 過 光 信 號 的 傳 送 實 現 耦 合 的, 輸 入 和 輸 出 之 間 沒 有 直 接 的 電 氣 聯 係, 具 有 很 強 的 隔 離 作 用, 在 實 際 中 應 用 很 廣 泛 光 電 耦 合 器 件 具 有 非 線 性 電 流 傳 輸 的 特 性, 如 果 直 接 用 於 模 擬 量 的 傳 輸, 則 線 性 度 和 精 度 都 很 差 於 是 很 多 公 司 相 繼 推 出 線 性 光 耦 隔 離 放 大 器, 如 BB 公 司 的 ISO100, 利 用 發 光 二 極 管 LED 與 兩 個 光 電 二 極 管 進 行 耦 合, 一 路 反 饋 到 輸 入 端, 一 路 耦 合 到 輸 出 端, 經 過 激 光 調 整 精 心 匹 配, 線 性 度 和 穩 定 度 都 很 好

73 2 開 關 式 與 串 行 方 式 針 對 光 電 耦 合 器 能 夠 相 當 可 靠 地 傳 遞 開 關 量 信 號, 因 此, 在 實 際 應 用 中 考 慮 數 字 隔 離 的 方 法, 即 將 模 擬 信 號 通 過 A/D 轉 換 變 成 數 字 信 號, 再 采 用 光 電 耦 合 器 進 行 數 字 隔 離 2.1 PWM 的 調 製 及 解 調 方 式 一 種 開 關 量 隔 離 方 式, 集 成 PWM 或 微 處 理 器 輸 出 信 號 調 製 的 PWM 波 形, 傳 送 信 號 的 瞬 時 電 平 與 脈 寬 成 正 比, 經 過 光 電 隔 離 後 對 PWM 信 號 低 通 濾 波, 恢 複 成 模 擬 信 號 2.2 V/F 方 式 另 一 種 A/D 轉 換 常 用 方 法 如 圖 3 所 示 它 采 用 電 壓 / 頻 率 變 換 即 V/F 變 換, 設 計 的 模 擬 信 號 隔 離 傳 送 電 路 如 圖 3 所 示 傳 感 器 輸 出 的 微 弱 信 號 放 大 到 伏 級, 送 入 LM331 構 成 的 V/F 轉 換 電 路 變 成 脈 衝 信 號, 信 號 頻 率 與 輸 入 電 壓 成 正 比 ; 可 以 進 行 長 距 離 傳 輸, 而 後 經 過 光 電 耦 合 器 切 斷 前 後 電 路 電 氣 聯 係, 隔 離 後 的 脈 衝 信 號 再 送 入 同 樣 由 LM331 構 成 的 F/V 轉 換 電 路 得 到 複 原 的 模 擬 電 壓 信 號

74 綜 上 比 較 各 種 隔 離 方 法 的 傳 輸 特 性, 其 性 能 綜 合 對 比 如 表 1 所 列 表 1 各 種 隔 離 方 法 的 傳 輸 性 能 對 比 耦 合 方 式 傳 送 精 度 噪 聲 濾 波 結 構 複 雜 度 傳 送 距 離 電 平 死 區 變 壓 器 耦 合 中 需 要 高 短 有 電 容 耦 合 較 好 需 要 高 短 有 線 性 光 電 耦 合 較 好 不 需 要 中 短 有 PWM 低 需 要 低 長 無 V/F 中 需 要 中 長 有 本 文 相 關 DataSheet: 前 麵 幾 種 隔 離 方 法 都 采 用 了 集 成 的 結 構, 性 能 得 以 保 證, 但 是, 由 於 隔 離 是 在 芯 片 內 部 實 現, 輸 入 級 與 輸 出 級 間 距 很 短, 對 於 信 號 傳 輸 空 間 上 有 一 定 距 離 的 應 用 場 合, 效 果 並 不 是

75 很 好 ; 同 時 在 調 製 與 解 調 過 程 中 不 可 避 免 地 會 有 一 些 噪 聲 產 生, 因 此 輸 出 級 要 設 置 相 應 的 濾 波 電 路, 導 致 準 確 度 下 降, 線 性 光 耦 當 輸 入 信 號 較 小 時, 驅 動 電 流 可 能 小 到 無 法 令 光 電 管 檢 測, 存 在 死 區 ; 後 來 的 V/F 開 關 轉 換 方 法 傳 輸 可 靠, 但 是 隔 離 的 兩 端 都 需 要 V/F 芯 片, 電 路 仍 顯 複 雜, 另 外, 工 作 頻 帶 受 限 製, 低 端 因 為 紋 波 大 而 準 確 度 下 降, 高 端 信 號 亦 受 濾 波 器 頻 帶 限 製 點 擊 看 原 圖 圖 5

76 要 解 決 或 改 善 上 述 的 不 足 單 從 電 路 結 構 完 善 上 已 經 餘 地 不 大, 唯 有 考 慮 引 入 數 字 式 的 傳 輸 手 段 2.3 直 接 數 字 信 號 傳 輸 方 式 對 於 模 擬 信 號 要 求 較 高 的 場 合, 可 以 采 用 數 字 式 信 號 傳 輸, 優 點 是 精 度 高, 抗 幹 擾 性 強 和 可 靠 性 好, 能 夠 實 現 任 意 波 形 的 信 號 傳 送 在 有 些 應 用 場 合 中 是 通 過 微 處 理 器 直 接 生 成 數 字 信 號, 則 更 有 理 由 采 用 數 字 式 傳 輸 將 數 字 信 號 轉 換 到 的 方 法 可 以 有 多 種, 如 PWM 信 號 濾 波, 數 字 電 位 器 從 信 號 的 準 確 度 和 驅 動 穩 定 度 來 看, 專 用 的 DAC 芯 片 最 為 可 靠 專 用 的 DAC 芯 片, 是 通 過 數 據 線 輸 入, 轉 換 成 模 擬 信 號 輸 出, 一 般 8~12 位 的 精 度 已 經 可 以 達 到 大 多 數 傳 送 要 求 的 準 確 度, 因 為 輸 入 是 數 字 電 平, 所 以 可 以 進 行 光 電 隔 離, 還 能 通 過 遠 距 離 傳 送, 這 樣 就 可 以 實 現 在 兩 個 不 同 的 電 網 絡 之 間 傳 送 模 擬 信 號 DAC 芯 片 通 常 有 串 行 和 並 行 之 分, 並 行 的 DAC 芯 片 應 用 較 多, 編 程 簡 便, 但 是, 應 用 時 候 需 要 把 所 有 數 據 線 以 及 讀 寫 控 製 線 全 部 進 行 隔 離, 這 樣 需 要 的 光 電 耦 合 器 的 數 量 就 較 多, 長 距 離 傳 輸 的 時 候 電 路 結 構 也 比 較 複 雜, 優 點 隻 是 信 號 變 換 速 率 較 快

77 點 擊 看 原 圖 圖 串 行 D/A 數 字 隔 離 的 辦 法 對 於 速 率 傳 輸 並 非 很 快 的 場 合, 采 用 串 行 的 D/A 芯 片 就 能 夠 很 好 地 適 應 應 用 的 要 求 各 大 芯 片 廠 商 都 已 推 出 了 串 行 接 口 的 D/A 芯 片, 通 常 輸 入 端 采 用 串 行 方 式 接 收 數 據, 如 SPI 或 者 I2C 總 線 時 序 微 機 接 收 來 自 各 類 傳 感 器 的 模 擬 信 號, 配 合 外 圍 或 者 自 帶 的 A/D 轉 換 器, 將 模 擬 信 號 變 換 成 數 字 信 號, 再 通 過 軟 件 進 行 濾 波 放 大 等 數 據 處 理, 由 程 序 將 需 要 輸 出 的 數 據 加 上 若 幹 控 製 位 組 合 成 串 行 數 據 列, 通 過 微 機 I/O 口, 經 過 光 耦 隔 離 輸 入 到 串 行 D/A 芯 片, 變 換 成 模 擬 信 號 輸 出 圖 4 所 示 的 是 通 過 光 耦 實 現 的 串 行 的 一 個 方 案 這 樣 便 可 以 將 控 製 電 路 與 高 電 壓 電 路 完 全 隔 離 起 來, 隻 要 將 串 行 D/A 芯 片 置 於 功 率 電 路 端 因 為 中 間 完 全 是 數 字 信 號 傳 輸, 所 以 能 夠 較 好 地 解 決 傳 輸 幹 擾, 連 線 也 相 當 簡 單, 一 般 不 超 過 4 根 線, 使 電 路 的 結 構 得 以 簡 化 圖 5 所 示 的 是 實 際 的 電 路

78 3 串 行 D/A 隔 離 信 號 傳 輸 的 設 計 與 實 驗 結 果 作 者 設 計 的 數 控 開 關 電 源 中 需 要 提 供 多 路 精 確 的 25Hz 參 考 信 號, 並 且 需 要 與 主 功 率 電 路 與 驅 動 電 路 完 全 隔 離, 為 此, 采 用 了 本 文 提 出 的 方 法 在 以 微 處 理 器 80C196KC 為 核 心 的 實 驗 電 源 係 統 中, 逆 變 的 參 考 信 號 是 通 過 微 機 控 製 串 行 D/A 生 成, 傳 送 到 隔 離 側 的 功 率 控 製 電 路 本 文 采 用 MAXIM 公 司 的 串 行 8 位 DAC, 電 壓 輸 出, 整 個 封 裝 為 8 腳, 結 構 簡 單 其 中 微 處 理 器 與 芯 片 之 間 的 SPI 總 線 控 製 通 過 軟 件 來 實 現, 輸 入 端 的 口 線 用 高 速 光 耦 6N137 分 別 隔 離 因 為,80C196KC 係 列 沒 有 單 口 線 操 作 指 令, 所 以, 各 口 線 時 序 以 並 行 方 式 同 步 輸 出 輸 入 線 包 含 片 選 線 時 鍾 線 和 數 據 線, 首 先, 軟 件 時 序 操 作 令 片 選 有 效, 然 後, 程 序 就 可 以 向 芯 片 發 送 整 合 的 數 據 包 時 鍾 線 上 輸 出 的 是 一 定 頻 率 的 脈 衝 信 號, 在 每 個 時 鍾 的 上 升 沿 後, 將 數 據 包 中 的 各 位 按 次 序 送 到 數 據 線 上, 當 時 鍾 變 為 下 降 沿 時 刻, 數 據 輸 入 到 DA 的 寄 存 器 內 具 體 時 序 如 圖 6 所 示 要 完 成 一 次 數 據 的 發 送, 串 行 芯 片 需 要 接 收 到 16 個 數 據 位, 也 就 是 至 少 需 要 16 個 時 鍾 周 期, 對 於 MAX522 的 時 鍾 頻 率 可 達 5MHz, 故 數 據 的 發 送 周 期 最 短 大 約 為 200ns, 對 於 其 他 串 行 芯 片 可 以 類 推, 但 是 一 般 微 處 理 器 指 令 執 行 速 率 達 不 到 這 麼 快

79 實 驗 中 輸 出 25Hz 波 形, 輸 出 點 數 為 256, 采 樣 頻 率 達 到 6kHz, 已 經 能 夠 滿 足 精 密 工 頻 逆 變 電 源 的 波 形 控 製 要 求 如 果 采 用 更 高 速 的 處 理 器 可 傳 輸 頻 率 更 高 的 模 擬 信 號 用 這 種 方 法 可 以 實 現 多 路 信 號 的 同 步 傳 輸, 隻 要 將 各 串 行 芯 片 的 片 選 端 和 時 鍾 端 分 別 相 連, 從 數 據 端 發 送 不 同 的 數 據 位, 就 可 以 在 隔 離 的 另 一 側 輸 出 同 步 波 形 圖 7 所 示 的 是 通 過 這 種 方 法 生 成 的 兩 路 參 考 波 形, 相 位 差 90 實 驗 證 明 這 種 隔 離 方 法 能 夠 使 微 機 控 製 電 路 受 到 的 幹 擾 大 大 降 低, 由 於 采 用 數 字 信 號 的 方 式, 無 須 濾 波, 可 以 適 應 信 號 發 生 突 變 的 應 用 要 求 本 文 相 關 DataSheet: 4 結 語 采 用 串 行 D/A 實 現 的 數 字, 電 路 簡 單, 精 度 高, 在 強 電 強 磁 的 幹 擾 下 能 夠 保 證 模 擬 信 號 可 靠 傳 送, 在 複 雜 的 電 力 電 子 係 統 中, 對 提 升 電 路 的 整 體 性 能 具 有 重 要 的 意 義

80 光电耦合器的应用电路 图 时间 浏览 327 应用于逻辑电路 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维 修-作用-参数-电子元器件符号 广告 IC 信息 SPI-4RD-335L LXH466 TLE6216G HX11400V(400 MC54ALS33J BCV27-D87Z DM2223TD H11B3T CBW322513U18 MU9C2480L-90 使用光耦器件时 可输入不同电位之信号 简单地构成逻辑电路 图 1 所示者为 AND 电路之例 除此之外 OR NAND NOR 等逻辑电路也可以简单容易地加以构成 FFp838 电子-技术资 料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 FFp838 电子-技术资料-电 子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 图 1 AND 电路图 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理 -维修-作用-参数-电子元器件符号 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数 -电子元器件符号 应用于电源电路 838 电子 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本 知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号

81 光 耦 合 组 件 广 泛 适 用 于 直 流 电 源 之 稳 定 化, 如 图 2 所 示, 可 以 将 输 出 电 压 与 基 准 电 压 作 比 较, 而 利 用 光 电 变 换 组 件 予 以 反 馈 (Fead back), 使 电 源 保 持 稳 定 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 2 直 流 电 源 电 路 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 应 用 于 固 态 继 电 器 :FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 将 光 耦 合 组 件 闸 流 体 与 门 路 控 制 体 组 合 起 来, 可 以 构 成 完 全 固 态 化 的 继 电 器 大 功 率 用 光 电 耦 合 器 件 中, 也 有 具 备 检 出 负 载 电 力 面 在 0V 时 施 行 交 换 之 机 能 的 光 耦 合 组 件, 图 3 表 示 固 态 继 电 器 之 方 框 图 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号

82 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 3 固 态 继 电 器 之 方 框 图 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 使 用 作 为 噪 声 遏 止 器 (Noise suppressor):ffp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 使 用 发 光 二 极 管 之 光 耦 合 器 组 件 之 输 入 阻 抗 比 较 小, 而 且 可 利 用 电 流 模 态 予 以 驱 动, 因 此 输 出 阻 抗 较 大 之 噪 声 可 以 简 单 予 以 除 去, 故 输 入 端 之 噪 声 不 会 在 输 出 端 显 现 出 来 又 在 光 耦 合 组 件 中, 信 号 只 是 透 过 光 线 由 输 入 端 传 送 到 输 出 端, 故 输 出 入 间 之 耦 合 电 容 比 较 小 (0.5~2pF), 绝 缘 电 阻 比 较 大 (10^11~10^13Ω),838 电 子 故 输 出 端 之 噪 声 不 致 于 反 馈 至 输 入 端 以 下 是 其 二 三 例 :FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 应 用 于 逻 辑 电 路 间 之 分 界 面 (Interface):FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号

83 将 光 耦 合 组 件 使 用 于 电 源 不 同 之 TTL 与 HNIL 之 分 界 面 时, 电 路 的 构 造 非 常 简 单, 在 图 4 所 示 的 情 况 中,HNIL 侧 之 噪 声 对 TTL 侧 不 会 有 不 良 的 影 响 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 4 HNIL 与 TTL 之 分 界 面 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 截 波 器 : 新 艺 图 库 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 处 理 微 小 电 流 之 截 波 型 放 大 器, 如 果 使 用 机 械 性 的 截 波 电 路 或 场 效 晶 体 管 时, 会 有 响 应 速 度 不 良 及 波 尖 噪 声 对 信 号 电 路 产 生 不 良 影 响 之 缺 点, 但 如 使 用 光 耦 合 组 件, 则 无 此 问 题, 截 波 电 路 之 例 如 图 5 所 示 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 5 使 用 光 耦 合 组 件 之 截 波 器 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号

84 用 以 除 去 负 载 所 发 生 之 噪 声 :FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 6 表 示 利 用 逻 辑 电 路 所 发 生 之 控 制 信 号 来 驱 动 SCR, 以 便 转 接 感 应 性 负 载 之 电 路 在 此 电 路 中, 利 用 光 耦 合 组 件 来 防 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 止 负 载 侧 所 发 生 之 波 尖 噪 声 反 馈 至 逻 辑 电 路 侧 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 6 单 向 可 控 硅 感 应 性 负 载 之 转 接 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号

85 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 7 由 三 只 光 电 耦 合 器 组 成 的 自 保 式 开 关 电 路 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号 图 8 几 种 常 用 的 光 耦 合 开 关 等 效 电 路 FFp838 电 子 - 技 术 资 料 - 电 子 元 件 - 电 路 图 - 技 术 应 用 网 站 - 基 本 知 识 - 原 理 - 维 修 - 作 用 - 参 数 - 电 子 元 器 件 符 号

86 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件 符号 图 9 在线性电路中的应用 光电耦合器用于交流耦合线性放大电路中 则要求电流传输比 为常数 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用参数-电子元器件符号 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数 -电子元器件符号 FFp838 电子技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 图 10 采用光电耦合器组成的稳压电路 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术 应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 FFp838 电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数 -电子元器件符号 作者 Jeremy Seah Eng Lee Alexander Jaus Patrick Sullivan 和 Chua Teck Bee 安華高科技隔離產品部 第 406 期 內容

87 在 工 業 自 動 化 企 業 中, 無 論 出 現 的 問 題 是 大 是 小, 經 常 都 會 使 自 動 化 生 產 系 統 停 工 而 停 工 又 可 能 導 致 了 數 百 萬 美 元 和 機 會 成 本 的 損 失, 為 了 讓 系 統 重 新 開 始 運 轉, 還 需 要 投 入 額 外 的 資 源 和 資 金 這 些 停 機 的 情 況 有 時 實 際 上 是 由 於 最 初 設 計 考 慮 不 周 造 成 的, 因 為 忽 略 了 電 磁 干 擾 高 壓 電 湧 甚 至 安 全 標 準 等 方 面 的 因 素 隨 著 乙 太 網 的 發 展 及 其 在 工 業 環 境 中 的 應 用 日 漸 廣 泛, 硬 體 也 經 歷 著 變 革, 從 曾 經 的 適 用 於 辦 公 配 置 硬 體, 到 用 於 生 產 廠 區 的 結 實 耐 用 的 硬 體, 這 一 轉 變 無 疑 將 帶 來 巨 大 的 挑 戰 將 這 些 硬 體 從 Fieldbus 和 設 備 級 集 成 到 乙 太 網 集 成 中, 接 收 端 搜 集 到 的 資 料 的 準 確 性 比 以 往 任 何 時 候 都 要 重 要 的 多 出 於 很 多 原 因, 光 電 耦 合 器 在 工 業 聯 網 系 統 得 到 了 廣 泛 的 應 用, 利 用 光 電 耦 合 器, 可 以 使 工 作 於 不 同 電 壓 電 平 的 各 個 電 路 作 為 一 個 系 統 一 起 協 作, 並 同 時 保 持 彼 此 間 的 電 氣 隔 離 或 電 流 隔 離 還 可 將 光 電 耦 合 器 用 於 確 保 資 料 無 錯 誤 傳 輸 保 持 資 料 完 整 性 以 及 保 護 相 互 連 接 的 設 備 以 進 行 高 速 資 料 Fieldbus 通 信 光 電 耦 合 器 在 工 業 通 信 方 面 的 應 用 包 括 輸 入 / 輸 出 系 統 感 應 器 溫 度 控 制 系 統 電 源 調 節 系 統 電 動 機 控 制 驅 動 系 統 儀 器 儀 錶 以 及 醫 藥 系 統 本 文 將 討 論 在 構 建 安 全 穩 定 的 工 業 系 統 時 必 須 引 起 注 意 的 一 些 重 要 因 素 一 光 電 耦 合 器 基 礎 基 本 的 光 電 耦 合 器 由 發 光 二 極 體 (LED) 光 電 探 測 器 和 光 學 透 明 的 電 絕 緣 薄 膜 或 電 介 質 組 成 有 電 流 通 過 LED 時, 它 會 發 光, 然 後 發 出 的 光 將 通 過 電 介 質 耦 合 到 光 電 探 測 器 光 電 探 測 器 隨 即 會 產 生 與 耦 合 光 相 稱 的 電 流 可 以 通 過 使 用 各 種 電 路 對 此 電 流 進 行 操 作, 從 而 執 行 特 定 功 能 光 電 耦 合 器 的 主 要 功 能 是 防 止 電 路 一 側 出 現 的 高 壓 或 電 壓 頻 繁 波 動 對 另 一 側 的 元 件 造 成 損 壞 或 使 傳 輸 失 真 這 是 通 過 以 光 的 形 式 傳 遞 所 需 的 信 號 來 實 現 的, 而 在 此 過 程 中 兩 個 系 統 間 將 保 持 電 隔 離 圖 1. 安 華 高 科 技 光 電 耦 合 器 剖 面 圖

88 圖 2. 光 電 耦 合 器 側 視 圖 電 路 設 計 者 在 設 計 其 應 用 時, 通 常 會 遇 到 三 種 與 隔 離 相 關 的 問 題 : 電 壓 瞬 變 : 指 潛 在 的 高 電 流 或 電 壓 湧 動, 會 引 起 電 擊 從 而 損 壞 元 件 且 可 能 危 及 人 身 安 全 通 常 是 發 生 在 兩 個 電 路 或 系 統 間 的 短 暫 且 強 大 的 電 湧 接 地 環 路 電 流 : 指 存 在 於 不 同 接 地 電 位 的 互 連 點 間 的 多 餘 信 號, 會 造 成 破 壞 性 的 接 地 環 路 此 類 情 況 經 常 出 現 在 各 種 連 接 節 點 處 具 有 不 同 接 地 的 通 信 網 路 中 這 些 接 地 間 的 電 勢 差 可 以 是 交 流 電 壓 (ac) 或 直 流 電 壓 (dc), 且 反 映 該 通 信 系 統 中 的 各 種 干 擾 成 分 的 雜 合 如 果 電 壓 足 夠 大, 則 可 能 會 導 致 設 備 損 壞 ( 如 通 信 埠 ) 傳 輸 錯 誤 或 資 料 信 號 畸 變 長 期 下 去, 可 能 會 引 起 電 路 板 發 熱 甚 至 燒 壞 電 路 板, 從 而 損 壞 元 件 和 引 起 電 擊, 某 些 情 況 下 還 會 對 人 體 造 成 潛 在 的 致 命 威 脅 高 壓 電 平 移 位 : 隨 著 數 位 IC 的 操 作 電 壓 越 來 越 低, 將 設 備 的 敏 感 電 子 元 件 與 高 壓 電 子 元 件 分 開 的 需 求 日 益 增 長 為 了 確 保 資 訊 交 換 的 可 靠 性, 防 止 在 不 同 接 地 參 考 電 壓 間 形 成 電 流, 需 要 使 用 隔 離 技 術 例 如, 在 電 機 控 制 應 用 中, 電 機 的 電 氣 系 統 由 兩 部 分 組 成, 即 低 壓 控 制 器 和 動 力 模 組 在 這 樣 的 系 統 內 部, 保 護 這 兩 部 分 並 使 其 免 受 切 換 瞬 變 和 公 用 模 組 電 壓 波 動 的 影 響 至 關 重 要 同 時, 還 有 必 要 提 供 介 面 控 制 和 反 饋 回 路 的 電 平 轉 換 和 信 號 隔 離 二 選 擇 光 電 耦 合 器 1 隔 離 設 備 的 安 全 標 準 為 確 保 安 全 設 備 與 產 品 的 一 致 性, 已 發 佈 了 國 際 安 全 標 準 這 些 標 準 意 在 保 護 電 擊 機 械 傷 害 火 災 和 電 磁 干 擾 等 諸 多 環 境 下 的 公 眾 的 人 身 安 全 在 系 統 級 和 元 件 級 也 有 許 多 隔 離 安 全 標 準, 其 適 用 性 因 地 域 和 各 種 設 備 應 用 的 不 同 而 存 在 一 定 的 差 異 在 工 業 市 場, 系 統 級 安 全 標 準 包 括 作 為 全 球 標 準 或 國 際 標 準 的 IEC 6043( 國 際 電 工 技 術 委 員 會 ) 和 適 用 於 美 國 的 UL5084 ( 美 國 保 險 商 實 驗 所 ) 及 在 歐 洲 適 用 的 EN ( 歐 盟 ) 元 件 級 適 合 光 電 耦 合 器 的 安 全 標 準 包 括 IEC ( 全 球 適 用 ) UL 1577( 適 用 於 美 國 ) 以 及 EN ( 適 用 於 歐 洲 ) 為 了 進 一 步 發 展 和 完 善 光 電 耦 合 器 標 準, 國 際 電 工 技 術 委 員 會 (IEC) 將 不 斷 對 其 標 準 進 行 修 繕, 以 使 其 成 為 更 為 通 用 的 標 準 為 了 獲 得 IEC 認 證, 光 電 耦 合 器 元 件 接 受 了 大 量 特 殊 且 嚴 格 的 鑒 定 測 試, 包 括 環 境 測 試 機 械 測 試 隔 離 測 試 及 電 氣 測 試 元 件 通 過 測 試 的 條 件 是 通 過 上 限 嚴 格 控 制 在 5pC 內 的 局 部 放 電 測 試 絕 緣 性 被 定 義 為 材 料 可 以 抵 抗 電 流 直 至 元 件 被 擊 穿 的 特 性 因 此, 絕 緣 性 是 產 品 安 全 設 計 方 面 需 考 慮 的 一 個 重

89 要 因 素 產 品 安 全 設 計 最 基 本 的 原 則 是 電 路 隔 離, 將 可 能 被 其 他 電 路 電 擊 破 壞 的 電 路 隔 離 開, 或 者 將 用 戶 可 能 接 觸 或 連 接 到 其 他 設 備 的 特 定 部 分 隔 離 開 電 路 必 須 是 安 全 的, 不 僅 是 在 正 常 使 用 時 如 此, 在 出 現 故 障 的 情 況 下 也 應 同 樣 安 全 兩 種 主 要 的 絕 緣 級 別 為 基 本 絕 緣 6 和 加 強 絕 緣 7, 其 安 全 性 方 面 存 在 著 明 顯 的 差 別 (1) 基 本 絕 緣 自 2004 年 1 月 起, 德 國 光 電 耦 合 器 安 全 標 準 規 範 VDE 0884 由 IEC/EN/DIN EN 取 代, 此 安 全 標 準 直 接 適 用 於 光 隔 離 設 備 儘 管 此 標 準 僅 適 用 於 光 隔 離 器, 但 使 用 其 他 隔 離 技 術 的 設 備 ( 如 磁 隔 離 柵 或 電 容 隔 離 柵 ) 仍 意 外 甚 至 錯 誤 地 得 到 了 光 電 耦 合 器 安 全 標 準 認 證 不 過, 這 些 產 品 的 認 證 僅 限 於 基 本 絕 緣, 這 種 絕 緣 級 別 不 可 能 提 供 故 障 安 全 運 行 這 意 味 著 經 IEC/EN/DIN EN 鑒 定 和 認 證 的 符 合 基 本 絕 緣 的 設 備 僅 提 供 抗 電 擊 的 基 本 防 護 無 法 將 其 視 為 故 障 保 護 9, 因 此 不 應 將 這 種 設 備 提 供 給 用 戶 我 們 的 一 個 競 爭 對 手 提 供 一 種 使 用 單 片 積 體 電 路 空 心 變 壓 器 的 隔 離 技 術, 他 們 的 絕 緣 特 性 資 料 表 的 註 腳 中 有 這 樣 一 句 話 : 此 隔 離 器 僅 適 用 於 基 本 電 氣 隔 離 由 於 此 技 術 不 是 符 合 IEC/EN/DIN EN 標 準 的 光 隔 離 技 術, 因 此 鑒 定 機 構 將 其 鑒 定 和 認 證 為 適 用 於 基 本 電 氣 隔 離 如 前 所 述, 從 定 義 而 言, 基 本 絕 緣 在 單 一 故 障 情 況 下 易 出 現 故 障 或 短 路 (2) 加 強 絕 緣 所 需 的 絕 緣 水 平 在 很 大 程 度 上 依 賴 於 元 件 的 故 障 情 況 下 的 故 障 模 式 僅 具 有 故 障 保 護 的 元 件 才 能 獲 得 加 強 絕 緣 的 認 證 這 意 味 著 加 強 絕 緣 不 僅 提 供 抗 電 擊 保 護, 而 且 採 用 實 現 用 戶 可 及 性 的 故 障 保 護 設 計 安 華 高 科 技 科 技 提 供 的 產 品 的 最 高 絕 緣 工 作 電 壓 為 1414Vpeak, 所 有 光 電 耦 合 器 都 得 到 了 元 件 級 安 全 標 準 的 認 證 和 認 可, 這 些 標 準 包 括 UL1577( 美 國 保 險 商 實 驗 所 ) CSA( 加 拿 大 標 準 協 會 ) 和 IEC/EN/DIN EN ( 國 際 電 工 技 術 委 員 會 歐 盟 德 國 國 家 標 準 ) UL 和 CSA 的 等 級 測 定 基 於 一 分 鐘 內 的 短 期 電 介 質 電 壓 承 受 能 力, 而 IEC/EN/DIN EN 的 等 級 測 定 則 基 於 持 續 工 作 電 壓 和 暫 態 過 電 壓 如 圖 3 中 所 示, 安 華 高 科 技 的 光 電 耦 合 器 能 提 供 故 障 保 護 級 的 高 壓 絕 緣, 具 體 請 參 見 所 有 光 電 耦 合 器 產 品 的 資 料 表

90 圖 3. 安 華 高 科 技 光 電 耦 合 器 HCPL-0720 資 料 表 單 2 高 壓 絕 緣 的 可 靠 性 光 電 耦 合 器 經 常 在 存 在 高 壓 的 環 境 下 使 用 儘 管 制 定 了 很 多 安 全 標 準 規 範, 將 其 作 為 使 用 高 壓 的 行 業 提 供 指 導 方 針, 但 由 於 對 電 應 力 和 熱 應 力 導 致 老 化 和 出 現 故 障 的 機 制 不 甚 瞭 解, 人 們 對 此 類 絕 緣 體 的 主 要 問 題 就 是 不 能 確 定 其 可 靠 性 最 近 進 行 的 評 估 測 試 可 以 確 定 隔 離 設 備 的 持 續 工 作 時 間, 在 這 段 時 間 內, 可 以 成 功 將 其 隔 離 柵 的 一 側 與 另 一 側 上 的 高 壓 進 行 隔 離 進 行 此 測 試, 目 的 是 為 了 評 估 在 高 壓 環 境 中 設 備 的 可 靠 性 和 絕 緣 完 整 性 高 壓 有 效 工 作 時 長 測 試 是 破 壞 性 測 試, 我 們 給 競 爭 對 手 的 (A) 設 備 所 加 電 壓 為 2.5KV 穩 定 電 壓, 而 對 安 華 高 科 技 的 光 電 耦 合 器 則 按 照 資 料 表 中 的 規 範 參 數 施 加 3.75KV 的 電 壓 之 後 監 視 這 些 單 元 的 有 效 工 作 時 長 ( 按 小 時 計 ), 直 到 隔 離 柵 失 效 或 測 試 設 備 損 壞 為 止 表 1. 高 壓 有 效 工 作 時 長 測 試 結 果

91 測 試 中 所 選 的 競 爭 對 手 (A) 的 磁 隔 離 器 部 件 都 是 隨 機 選 取 的 如 表 1 所 示, 測 試 結 果 清 楚 地 表 明, 這 些 設 備 在 8.5 小 時 到 10.5 小 時 後 都 被 損 壞 了 另 一 方 面, 安 華 高 科 技 的 光 電 耦 合 器 在 3.75KV 高 壓 下 最 短 的 有 效 工 作 時 長 為 168 小 時 這 一 點 通 過 我 們 對 安 華 高 科 技 光 電 耦 合 器 系 列 所 做 的 可 靠 性 測 試 得 到 了 印 證, 表 1 所 示 為 競 爭 對 手 (A) 和 安 華 高 科 技 的 設 備 的 測 試 小 結 3 靜 電 放 電 在 高 速 邏 輯 電 路 中, 導 致 元 件 故 障 的 主 要 原 因 之 一 就 是 靜 電 放 電 (ESD) 各 種 情 況 下 都 會 出 現 靜 電 放 電, 設 備 或 電 路 板 處 理 不 當 介 面 設 計 不 合 理 或 閃 電 或 其 他 會 導 致 設 備 介 面 出 現 大 範 圍 電 壓 擊 穿 的 現 象 等 都 會 引 起 靜 電 放 電 設 備 被 靜 電 放 電 損 壞 時, 受 影 響 的 設 備 可 能 會 停 止 工 作 出 現 參 數 畸 變 或 故 障 率 升 高 唯 一 修 復 的 辦 法 就 是 更 換 損 壞 的 元 件 光 電 耦 合 器 能 非 常 有 效 地 防 止 靜 電 放 電 問 題, 特 別 是 在 易 遭 受 電 氣 損 壞 的 環 境 中 將 兩 套 系 統 連 接 起 來 的 情 況 下, 光 電 耦 合 器 的 表 現 非 常 出 眾 光 電 耦 合 器 可 以 實 現 隔 離, 這 樣, 即 使 系 統 在 電 氣 干 擾 嚴 重 的 環 境 中 使 用, 它 們 還 是 可 以 在 自 身 內 實 現 電 中 性 此 類 領 域 包 括 電 機 控 制 電 源 切 換 工 業 網 路 和 醫 藥 應 用 最 近 進 行 了 ESD 測 試, 以 評 估 光 學 技 術 和 磁 技 術 的 性 能 該 測 試 評 估 了 ESD 脈 衝 對 兩 種 不 同 技 術 的 介 電 材 料 的 影 響 按 照 IEC 標 準 的 測 試 要 求, 隨 機 選 取 了 競 爭 對 手 (A) 的 五 個 部 件 樣 本 作 為 測 試 單 元, 在 其 輸 入 端 注 入 ESD 脈 衝, 並 同 時 分 別 將 輸 入 端 和 輸 出 端 的 所 有 針 腳 短 接 在 一 起, 如 圖 4 中 的 步 驟 1 所 示 然 後 測 量 輸 入 和 輸 出 之 間 的 電 阻 ( 圖 4 中 的 步 驟 2), 結 果 如 表 2 中 所 示 如 前 面 所 提 到 的, 該 測 試 在 競 爭 對 手 (A) 的 五 個 測 試 單 元 上 注 入 ESD 脈 衝, 然 後 從 5.5KV 開 始 以 0.5KV 為 間 隔 加 大 ESD 電 壓, 直 到 測 試 單 元 出 現 故 障 或 失 效 為 止 這 意 味 著, 當 測 量 輸 入 和 輸 出 間 的 電 阻 時, 所 得 到 的 度 數 會 十 分 接 近 零 歐 姆 這 說 明 被 測 試 的 設 備 已 經 短 路 接 下 來, 也 採 用 同 樣 的 方 法 對 三 個 安 華 高 科 技 光 電 耦 合 器 單 元 進 行 了 測 試, 測 試 結 果 表 明, 甚 至 在 ESD 電 壓 達 到 11KV 時, 安 華 高 科 技 的 光 電 耦 合 器 也 沒 有 出 現 介 電 故 障 不 過, 當 ESD 電 壓 水 平 為 大 約 11.5KV 時, 出 現 了 外 部 電 弧 放 電, 因 而 無 法 進 行 進 一 步 測 試 觀 察 表 2, 我 們 會 發 現, 競 爭 對 手 (A) 的 五 個 測 試 單 元 中 有 三 個 在 大 約 10KV 時 出 現 了 介 電 故 障, 而 另 外 兩 個 在 更 低 的 ESD 電 壓 ( 分 別 為 6.5KV 和 8.0KV) 就 出 現 了 故 障 這 表 明 競 爭 對 手 (A) 的 產 品 比 安 華 高 科 技 的 光 電 耦 合 器 更 容 易 受 ESD 應 力 影 響 此 測 試 還 表 明, 在 整 個 測 試 過 程 中, 光 電 耦 合 器 的 絕 緣 功 能 沒 有 受 ESD 應 力 的 影 響 為 了 瞭 解 所 測 試 的 部 件 出 現 故 障 的 原 因, 對 測 試 單 元 進 行 了 拆 卸 在 圖 5 中 可 以 看 到, 在 變 壓 器 IC 和 驅 動 IC

92 上 有 灼 痕 這 說 明 了 靜 電 放 電 對 磁 性 設 備 的 影 響 會 導 致 出 現 穿 通, 從 而 損 壞 所 測 試 的 設 備 圖 4. ESD 測 試 4 電 磁 干 擾 (EMI) 電 磁 干 擾 (EMI) 可 以 定 義 為 任 何 使 用 可 以 被 接 受 的 電 子 發 射 進 行 干 擾 降 級 或 干 涉 的 電 磁 騷 擾, 此 騷 擾 會 限 制 電 子 電 氣 設 備 的 有 效 性 能 電 磁 干 擾 可 以 是 人 為 有 意 製 造 的 ( 如 在 一 些 電 子 戰 中 ), 也 可 以 是 由 雜 散 發 射 和 回 應 互 調 產 品 大 氣 干 擾 ( 如 閃 電 ) 以 及 地 球 外 來 源 ( 如 太 陽 黑 子 ) 等 非 人 為 原 因 產 生 的 射 頻 干 擾 (RFI) 是 一 類 特 殊 的 EMI, 其 中 的 射 頻 傳 輸 ( 通 常 稱 為 窄 帶 ) 可 能 會 給 設 備 操 作 帶 來 意 想 不 到 的 問 題 射 頻 干 擾 的 來 源 廣 泛, 如 移 動 電 話 或 電 力 線 變 壓 器 醫 療 設 備 機 電 開 關 以 及 其 他 在 工 業 環 境 中 常 見 的 非 人 為 有 意 放 置 的 發 射 體 EMI 有 兩 種 形 式, 即 輻 射 EMI 和 傳 導 EMI 輻 射 EMI 從 發 射 源 通 過 空 氣 傳 播 到 達 接 收 源, 而 傳 導 EMI 則 沿 傳 導 路 徑 傳 播 這 兩 種 干 擾 都 可 以 發 射 出 有 害 的 電 子 信 號, 傳 播 可 被 接 受 的 信 號, 從 而 通 過 更 改 設 備 的 正 常 工 作 參 數 來 干 擾 設 備 的 正 常 運 轉 這 些 故 障 通 常 被 歸 類 為 電 磁 干 擾 或 EMI 故 障 處 理 EMI 問 題 是 一 個 大 的 挑 戰 當 懷 疑 發 生 電 磁 干 擾 時, 解 決 問 題 的 第 一 步 是 確 定 受 影 響 設 備 的 能 量 傳 遞 機 制 : 輻 射 傳 導 或 感 應 可 以 通 過 以 下 措 施 緩 解 該 問 題 : 限 制 感 應 能 量 的 數 量, 或 者 排 除 根 本 原 因 ( 物 理 隔 離 ) 或 對 發 生 故 障 的 設 備 加 以 保 護 ( 例 如, 在 通 訊 區 內 進 行 遮 罩 ) 此 過 程 還 會 產 生 關 聯 成 本 避 免 潛 在 EMI 問 題 的 最 佳 方 法 是 : 選 擇 低 敏 感 度 設 備 或 免 疫 設 備, 優 化 設 備 的 佈 置 以 便 最 大 程 度 地 降 低 耦 合 效 應 並 正 確 進 行 遮 罩 表 2. 測 試 結 果

93 市 場 上 存 在 的 各 種 隔 離 器 和 耦 合 器 都 由 集 成 CMOS 或 雙 極 IC 組 成 耦 合 部 件 是 當 今 幾 種 不 同 技 術 的 主 要 區 別 所 在, 它 可 以 是 光 耦 合 隔 離 器 ( 光 電 耦 合 器 ) 磁 耦 合 隔 離 器 ( 磁 耦 合 器 ) 和 電 容 耦 合 隔 離 器 ( 電 容 耦 合 器 ) 在 強 電 磁 場 中, 它 們 的 行 為 各 不 相 同 光 電 耦 合 器 LED/ 光 電 二 極 體 組 合 以 不 受 電 磁 干 擾 而 著 稱 ( 因 為 其 採 用 光 耦 合 路 徑 ), 而 磁 隔 離 器 卻 由 於 自 身 微 觀 結 構 和 磁 耦 合 的 原 因, 在 EMI 方 面 確 實 有 一 些 限 制 在 DC 級 磁 場 (0Hz) 和 磁 場 強 度 不 同 級 別 的 不 同 頻 率 下, 磁 耦 合 器 可 能 會 發 生 故 障 圖 5. 競 爭 對 手 A 部 件 上 的 灼 痕 驅 動 IC 及 有 灼 痕 變 壓 器 IC 設 計 人 員 的 主 要 考 慮 因 素 是 避 免 其 應 用 或 設 備 ( 特 別 是 用 於 工 業 環 境 和 靠 近 發 動 機 控 制 的 設 備 ) 在 以 後 存 在 潛 在 的 EMI 問 題 光 電 耦 合 器 是 最 佳 的 選 擇, 因 為 與 當 前 市 場 中 的 所 有 其 他 隔 離 器 相 比 之 下, 還 能 承 受 更 高 的 電 磁 場 三 總 結

94 在設計良好的工業系統的過程中 特別是在涉及高電壓的情況下 DC48V AC110V 以上 設備和元件的安全至 關重要 這是主要的考慮因素之一 這些類型的系統通常處於電機起動器 伺服驅動器 可編程邏輯控制器 功率轉換器之間 因此 為工作人員提供一個安全的工作環境在系統設計中舉足輕重 此外 如引言部分所述 由元件失效導致的機器故障會給企業帶來重大損失 故而系統關鍵應用還應該具備故障保護功能 儘管設計人員通常在最初選擇隔離產品時考慮大小 低功率和成本 但是必須要記住隔離的基本要求實際上是 隔離有害的信號 同時實現高壓絕緣 因此 在設計安全可靠的工業系統時 應當牢記四個不可或缺的選擇標 準 隔離設備的各種安全標準 請注意 選擇光電耦合器具有 加強絕緣 功能 可以提供故障偏安運行 高電壓絕緣的可靠性 這會使由於系統中的高電壓衝擊而使元件失效的幾率降至最低 靜電放電 ESD 會使系統降低性能或不能正常工作 電磁干擾 EMI 也是可以導致工業系統出現故障的另一個因素 相關術語 乙太網 一種將電腦相互連接到高速網路的技術 最初由 Xerox 公司開發 由於乙太網能將各種電腦聯網 而且不是專用的網路 其元件可以從各種商業途徑購買 故而乙太網技術在局域網領域得到了廣泛的應用 電流隔離 指一種能保證絕緣層電壓和干擾隔離的設計技術或材料技術 IEC 604 設備和機器的工業國際標準 網址為 UL 508 針對機器的美國工業標準 網址為 EN 針對工業設備的歐洲標準 網址為 基本絕緣 帶電部分上對電擊起基本防護作用的絕緣系統 加強絕緣 在 IEC 規定的條件下 能對帶電部分提供相當於雙重絕緣電擊保護程度的單一絕緣系統 IEC/EN/DIN EN 參考網址 故障保護 一種系統終止模式 在出現故障或在系統中檢測到故障時 此模式將自動使系統進程和元件進入 安全模式 由于光电耦合器的组成方式不尽相同 所以在检测时应针对不同的结构特点 采取不同的检 测方法 例如 在检测普通光电耦合器的输入端时 一般均参照红外发光二极管的检测方法 进行 对于光敏三极管输出型的光电耦合器 检测输出端时应参照光敏三极管的检测方法进 行 1.万用表检测法 这里以 MF50 型指针式万用表和 4 脚 PC817 型光电耦合器为例 说明具体检测方法 首先 按照图 1 a 所示 将指针式万用表置于 R 100 或 R 1k 电阻挡 红 黑表笔 分别接光电耦合器输入端发光二极管的两个引脚 如果有一次表针指数为无穷大 但红 黑 表笔互换后有几千至十几千欧姆的电阻值 则此时黑表笔所接的引脚即为发光二极管的正极 红表笔所接的引脚为发光二极管的负极

95 然 后, 按 照 图 1(b) 所 示, 在 光 电 耦 合 器 输 入 端 接 入 正 向 电 压, 将 指 针 式 万 用 表 仍 然 置 于 R 100 电 阻 挡, 红 黑 表 笔 分 别 接 光 电 耦 合 器 输 出 端 的 两 个 引 脚 如 果 有 一 次 表 针 指 数 为 无 穷 大 ( 或 电 阻 值 较 大 ), 但 红 黑 表 笔 互 换 后 却 有 很 小 的 电 阻 值 (<100Ω), 则 此 时 黑 表 笔 所 接 的 引 脚 即 为 内 部 NPN 型 光 敏 三 极 管 的 集 电 极 c 红 表 笔 所 接 的 引 脚 为 发 射 极 e 当 切 断 输 入 端 正 向 电 压 时, 光 敏 三 极 管 应 截 止, 万 用 表 指 数 应 为 无 穷 大 这 样, 不 仅 确 定 了 4 脚 光 电 耦 合 器 PC817 的 引 脚 排 列, 而 且 还 检 测 出 它 的 光 传 输 特 性 正 常 如 果 检 测 时 万 用 表 指 针 始 终 不 摆 动, 则 说 明 光 电 耦 合 器 已 损 坏 图 1 光 电 耦 合 器 的 检 测 需 要 说 明 的 是 : 光 电 耦 合 器 中 常 用 红 外 发 光 二 极 管 的 正 向 导 通 电 压 较 普 通 发 光 二 极 管 要 低, 一 般 在 1.3V 以 下, 所 以 可 以 用 指 针 式 万 用 表 的 R 100 电 阻 挡 直 接 测 量, 并 且 图 1(b) 中 的 电 池 G 电 压 取 1.5V( 用 1 节 5 号 电 池 ) 即 可 还 可 用 图 1(a) 所 示 的 万 用 表 接 线 直 接

96 取 代 图 1(b) 所 示 的 输 入 端 所 接 正 向 电 压 ( 即 电 阻 器 R 和 电 池 G), 使 测 量 更 方 便, 只 不 过 需 要 增 加 一 块 万 用 表 至 于 多 通 道 光 电 耦 合 器 的 检 测, 应 首 先 将 所 有 发 光 二 极 管 的 管 脚 判 别 出 来, 然 后 再 确 定 对 应 的 光 敏 三 极 管 的 管 脚 对 于 在 线 路 的 光 电 耦 合 器, 最 好 的 检 测 方 法 是 比 较 法, 即 拆 下 怀 疑 有 问 题 的 光 电 耦 合 器, 用 万 用 表 测 量 其 内 部 二 极 管 三 极 管 的 正 向 和 反 向 电 阻 值, 并 与 好 的 同 型 号 光 电 耦 合 器 对 应 脚 的 测 量 值 进 行 比 较, 若 阻 值 相 差 较 大, 则 说 明 被 测 光 电 耦 合 器 已 损 坏 2. 鉴 别 器 检 测 法 笔 者 多 年 前 曾 根 据 光 电 耦 合 器 的 原 理, 设 计 制 作 了 一 个 能 够 快 速 判 断 光 电 耦 合 器 好 坏 的 小 巧 鉴 别 器, 其 电 路 如 图 2 所 示 当 将 光 电 耦 合 器 的 输 入 输 出 引 脚 分 清 极 性 后 正 确 插 入 鉴 别 器 的 4 个 相 应 插 孔 内 时, 如 果 发 光 二 极 管 VD1 VD2 同 步 闪 烁 发 光, 则 证 明 光 电 耦 合 器 完 好 如 果 VD1 不 闪 烁 发 光, 则 说 明 光 电 耦 合 器 内 部 发 光 管 已 开 路 ; 如 果 VD1 闪 烁 发 光, 但 VD2 不 亮 或 恒 定 发 光, 说 明 光 电 耦 合 器 内 部 不 是 发 光 管 失 效 就 是 光 敏 晶 体 管 已 开 路 或 击 穿 损 坏 图 2 光 电 耦 合 器 鉴 别 器 电 路 图

97 图 3 自制光电耦合器 制作时 VD1 用红色闪烁发光二极管 VD2 用绿色普通发光二极管 R 用 RTX-1/8W 型碳膜电 阻器 4 个管脚插孔可用 0.4mm 0.6mm 的裸铜丝 在一枚 2 号大头针上密绕十几圈 并在 尾端留出长度大于 3cm 的焊接引线 应套上绝缘管 然后脱胎而成 G 用 4 节 5 号干电池 串联 6V 而成 如用 4F20-6V 型叠层干电池会更方便 整个电路可焊装在一个体积合适的 塑料小盒内 面板开孔伸出两个发光二极管的管帽和 4 个插孔 注意 输入和输出插孔的间 距不要超过 1cm 各插孔伸出的引线长度不要小于 2cm 便于灵活互换位置 以适应不同型 号和引脚排列的光电耦合器检测 本装置不设电源开关 用毕拔掉光电耦合器 电源即被自 动切 光电耦合器原理及应用 :44:40 分类 默认分类 字号 订阅 光电耦合器原理及应用 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电转换器件 它由发光源 和受光器两部分组成 把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内 彼此间用 透明绝缘体隔离 发光源的引脚为输入端 受光器的引脚为输出端 常见的发 光源为发光二极管 受光器为光敏二极管 光敏三极管等等 光电耦合器的种 类较多 常见有光电二极管型 光电三极管型 光敏电阻型 光控晶闸管型 光电达林顿型 集成电路型等 如下图 1 外形有金属圆壳封装 塑封双列直插 等 工作原理

98 在 光 电 耦 合 器 输 入 端 加 电 信 号 使 发 光 源 发 光, 光 的 强 度 取 决 于 激 励 电 流 的 大 小, 此 光 照 射 到 封 装 在 一 起 的 受 光 器 上 后, 因 光 电 效 应 而 产 生 了 光 电 流, 由 受 光 器 输 出 端 引 出, 这 样 就 实 现 了 电 一 光 一 电 的 转 换 基 本 工 作 特 性 ( 以 光 敏 三 极 管 为 例 ) 1 共 模 抑 制 比 很 高 在 光 电 耦 合 器 内 部, 由 于 发 光 管 和 受 光 器 之 间 的 耦 合 电 容 很 小 (2pF 以 内 ) 所 以 共 模 输 入 电 压 通 过 极 间 耦 合 电 容 对 输 出 电 流 的 影 响 很 小, 因 而 共 模 抑 制 比 很 高 2 输 出 特 性 光 电 耦 合 器 的 输 出 特 性 是 指 在 一 定 的 发 光 电 流 IF 下, 光 敏 管 所 加 偏 置 电 压 VCE 与 输 出 电 流 IC 之 间 的 关 系, 当 IF=0 时, 发 光 二 极 管 不 发 光, 此 时 的 光 敏 晶 体 管 集 电 极 输 出 电 流 称 为 暗 电 流, 一 般 很 小 当 IF>0 时, 在 一 定 的 IF 作 用 下, 所 对 应 的 IC 基 本 上 与 VCE 无 关 IC 与 IF 之 间 的 变 化 成 线 性 关 系, 用 半 导 体 管 特 性 图 示 仪 测 出 的 光 电 耦 合 器 的 输 出 特 性 与 普 通 晶 体 三 极 管 输 出 特 性 相 似 其 测 试 连 线 如 图 2, 图 中 D C E 三 根 线 分 别 对 应 B C E 极, 接 在 仪 器 插 座 上 3 光 电 耦 合 器 可 作 为 线 性 耦 合 器 使 用 在 发 光 二 极 管 上 提 供 一 个 偏 置 电 流, 再 把 信 号 电 压 通 过 电 阻 耦 合 到 发 光 二 极 管 上, 这 样 光 电 晶 体 管 接 收 到 的 是 在 偏 置 电 流 上 增 减 变 化 的 光 信 号, 其 输 出 电 流 将 随 输 入 的 信 号 电 压 作 线 性 变 化 光 电 耦 合 器 也 可 工 作 于 开 关 状 态, 传 输 脉 冲 信 号 在 传 输 脉 冲 信 号 时, 输 入 信 号 和 输 出 信 号 之 间 存 在 一 定 的 延 迟 时 间, 不 同 结 构 的 光 电 耦 合 器 输 入 输 出 延 迟 时 间 相 差 很 大 光 电 耦 合 器 的 测 试 1 用 万 用 表 判 断 好 坏, 如 图 3, 断 开 输 入 端 电 源, 用 R 1k 档 测 1 2 脚 电 阻, 正 向 电 阻 为 几 百 欧, 反 向 电 阻 几 十 千 欧,3 4 脚 间 电 阻 应 为 无 限 大 1 2 脚 与 3 4 脚 间 任 意 一 组, 阻 值 为 无 限 大, 输 入 端 接 通 电 源 后,3 4 脚 的 电 阻 很 小 调 节 RP,3 4 间 脚 电 阻 发 生 变 化, 说 明 该 器 件 是 好 的 注 : 不 能 用 R 10k 档, 否 则 导 致 发 射 管 击 穿 2 简 易 测 试 电 路, 如 图 (4), 当 接 通 电 源 后,LED 不 发 光, 按 下 SB,LED 会 发 光, 调 节 RP LED 的 发 光 强 度 会 发 生 变 化, 说 明 被 测 光 电 耦 合 器 是 好 的 光 电 耦 合 器 具 体 应 用 1. 组 成 开 关 电 路 图 1 电 路 中, 当 输 入 信 号 ui 为 低 电 平 时, 晶 体 管 V1 处 于 截 止 状 态, 光 电 耦 合 器 B1 中 发 光 二 极 管 的 电 流 近 似 为 零, 输 出 端 Q11 Q12 间 的 电 阻 很 大, 相 当 于 开 关 " 断 开 "; 当 ui 为 高 电 平 时,v1 导 通,B1 中 发 光 二 极 管 发 光,Q11 Q12 间 的 电 阻 变 小, 相 当 于 开 关 " 接 通 ". 该 电 路 因 Ui 为 低 电 平 时, 开 关 不 通, 故 为 高 电 平 导 通 状 态. 同 理, 图 2 电 路 中, 因 无 信 号 (Ui 为 低 电 平 ) 时, 开 关 导 通, 故 为 低 电 平 导 通 状 态. 2. 组 成 逻 辑 电 路

99 图 3 电 路 为 " 与 门 " 逻 辑 电 路 其 逻 辑 表 达 式 为 P=A.B. 图 中 两 只 光 敏 管 串 联, 只 有 当 输 入 逻 辑 电 平 A=1 B=1 时, 输 出 P=1. 同 理, 还 可 以 组 成 " 或 门 " " 与 非 门 " " 或 非 门 " 等 逻 辑 电 路. 3. 组 成 隔 离 耦 合 电 路 电 路 如 图 4 所 示. 这 是 一 个 典 型 的 交 流 耦 合 放 大 电 路. 适 当 选 取 发 光 回 路 限 流 电 阻 Rl, 使 B4 的 电 流 传 输 比 为 一 常 数, 即 可 保 证 该 电 路 的 线 性 放 大 作 用 4. 组 成 高 压 稳 压 电 路 电 略 如 图 5 所 示. 驱 动 管 需 采 用 耐 压 较 高 的 晶 体 管 ( 图 中 驱 动 管 为 3DG27) 当 输 出 电 压 增 大 时,V55 的 偏 压 增 加,B5 中 发 光 二 极 管 的 正 向 电 流 增 大, 使 光 敏 管 极 间 电 压 减 小, 调 整 管 be 结 偏 压 降 低 而 内 阻 增 大, 使 输 出 电 压 降 低, 而 保 持 输 出 电 压 的 稳 定. 5. 组 成 门 厅 照 明 灯 自 动 控 制 电 路 电 路 如 图 6 所 示 A 是 四 组 模 拟 电 子 开 关 (S1~S4):S1,S2,S3 并 联 ( 可 增 加 驱 动 功 率 及 抗 干 扰 能 力 ) 用 于 延 时 电 路, 当 其 接 通 电 源 后 经 R4,B6 驱 动 双 向 可 控 硅 VT,VT 直 接 控 制 门 厅 照 明 灯 H;S4 与 外 接 光 敏 电 阻 Rl 等 构 成 环 境 光 线 检 测 电 路 当 门 关 闭 时, 安 装 在 门 框 上 的 常 闭 型 干 簧 管 KD 受 到 门 上 磁 铁 作 用, 其 触 点 断 开,S1,S2,S3 处 于 数 据 开 状 态 晚 间 主 人 回 家 打 开 门, 磁 铁 远 离 KD, KD 触 点 闭 合 此 时 9V 电 源 整 流 后 经 R1 向 C1 充 电,C1 两 端 电 压 很 快 上 升 到 9V, 整 流 电 压 经 S1,S2,S3 和 R4 使 B6 内 发 光 管 发 光 从 而 触 发 双 向 可 控 硅 导 通,VT 亦 导 通,H 点 亮, 实 现 自 动 照 明 控 制 作 用 房 门 关 闭 后, 磁 铁 控 制 KD, 触 点 断 开,9V 电 源 停 止 对 C1 充 电, 电 路 进 入 延 时 状 态 C1 开 始 对 R3 放 电, 经 一 段 时 间 延 迟 后,C1 两 端 电 压 逐 渐 下 降 到 S1,S2,S3 的 开 启 电 压 (1.5v) 以 下,S1, S2,S3 恢 复 断 开 状 态, 导 致 B6 截 止,VT 亦 截 止,H 熄 来, 实 现 延 时 关 灯 功 能 因 为 是 考 试 用, 所 以 粘 的 比 较 详 细, 慢 慢 看 ` 释 懷 o( :08 您 已 经 评 价 过! 好 :0 您 已 经 评 价 过! 不 好 :0 光 电 耦 合 器 原 理 及 应 用 光 电 耦 合 器 是 以 光 为 媒 介 传 输 电 信 号 的 一 种 电 一 光 一 电 转 换 器 件 它 由 发 光 源

100 和 受 光 器 两 部 分 组 成 把 发 光 源 和 受 光 器 组 装 在 同 一 密 闭 的 壳 体 内, 彼 此 间 用 透 明 绝 缘 体 隔 离 发 光 源 的 引 脚 为 输 入 端, 受 光 器 的 引 脚 为 输 出 端, 常 见 的 发 光 源 为 发 光 二 极 管, 受 光 器 为 光 敏 二 极 管 光 敏 三 极 管 等 等 光 电 耦 合 器 的 种 类 较 多, 常 见 有 光 电 二 极 管 型 光 电 三 极 管 型 光 敏 电 阻 型 光 控 晶 闸 管 型 光 电 达 林 顿 型 集 成 电 路 型 等 如 下 图 1( 外 形 有 金 属 圆 壳 封 装, 塑 封 双 列 直 插 等 ) 工 作 原 理 在 光 电 耦 合 器 输 入 端 加 电 信 号 使 发 光 源 发 光, 光 的 强 度 取 决 于 激 励 电 流 的 大 小, 此 光 照 射 到 封 装 在 一 起 的 受 光 器 上 后, 因 光 电 效 应 而 产 生 了 光 电 流, 由 受 光 器 输 出 端 引 出, 这 样 就 实 现 了 电 一 光 一 电 的 转 换 基 本 工 作 特 性 ( 以 光 敏 三 极 管 为 例 ) 1 共 模 抑 制 比 很 高 在 光 电 耦 合 器 内 部, 由 于 发 光 管 和 受 光 器 之 间 的 耦 合 电 容 很 小 (2pF 以 内 ) 所 以 共 模 输 入 电 压 通 过 极 间 耦 合 电 容 对 输 出 电 流 的 影 响 很 小, 因 而 共 模 抑 制 比 很 高 2 输 出 特 性 光 电 耦 合 器 的 输 出 特 性 是 指 在 一 定 的 发 光 电 流 IF 下, 光 敏 管 所 加 偏 置 电 压 VCE 与 输 出 电 流 IC 之 间 的 关 系, 当 IF=0 时, 发 光 二 极 管 不 发 光, 此 时 的 光 敏 晶 体 管 集 电 极 输 出 电 流 称 为 暗 电 流, 一 般 很 小 当 IF>0 时, 在 一 定 的 IF 作 用 下, 所 对 应 的 IC 基 本 上 与 VCE 无 关 IC 与 IF 之 间 的 变 化 成 线 性 关 系, 用 半 导 体 管 特 性 图 示 仪 测 出 的 光 电 耦 合 器 的 输 出 特 性 与 普 通 晶 体 三 极 管 输 出 特 性 相 似 其 测 试 连 线 如 图 2, 图 中 D C E 三 根 线 分 别 对 应 B C E 极, 接 在 仪 器 插 座 上 3 光 电 耦 合 器 可 作 为 线 性 耦 合 器 使 用 在 发 光 二 极 管 上 提 供 一 个 偏 置 电 流, 再 把 信 号 电 压 通 过 电 阻 耦 合 到 发 光 二 极 管 上, 这 样 光 电 晶 体 管 接 收 到 的 是 在 偏 置 电 流 上 增 减 变 化 的 光 信 号, 其 输 出 电 流 将 随 输 入 的 信 号 电 压 作 线 性 变 化 光 电 耦 合 器 也 可 工 作 于 开 关 状 态, 传 输 脉 冲 信 号 在 传 输 脉 冲 信 号 时, 输 入 信 号 和 输 出 信 号 之 间 存 在 一 定 的 延 迟 时 间, 不 同 结 构 的 光 电 耦 合 器 输 入 输 出 延 迟 时 间 相 差 很 大 光 电 耦 合 器 的 测 试 1 用 万 用 表 判 断 好 坏, 如 图 3, 断 开 输 入 端 电 源, 用 R 1k 档 测 1 2 脚 电 阻, 正 向 电 阻 为 几 百 欧, 反 向 电 阻 几 十 千 欧,3 4 脚 间 电 阻 应 为 无 限 大 1 2 脚 与 3 4 脚 间 任 意 一 组, 阻 值 为 无 限 大, 输 入 端 接 通 电 源 后,3 4 脚 的 电 阻 很 小 调 节 RP,3 4 间 脚 电 阻 发 生 变 化, 说 明 该 器 件 是 好 的 注 : 不 能 用 R 10k 档, 否 则 导 致 发 射 管 击 穿 2 简 易 测 试 电 路, 如 图 (4), 当 接 通 电 源 后,LED 不 发 光, 按 下 SB,LED 会 发 光, 调 节 RP LED 的 发 光 强 度 会 发 生 变 化, 说 明 被 测 光 电 耦 合 器 是 好 的 光 电 耦 合 器 具 体 应 用 1. 组 成 开 关 电 路

101 图 1 电 路 中, 当 输 入 信 号 ui 为 低 电 平 时, 晶 体 管 V1 处 于 截 止 状 态, 光 电 耦 合 器 B1 中 发 光 二 极 管 的 电 流 近 似 为 零, 输 出 端 Q11 Q12 间 的 电 阻 很 大, 相 当 于 开 关 " 断 开 "; 当 ui 为 高 电 平 时,v1 导 通,B1 中 发 光 二 极 管 发 光,Q11 Q12 间 的 电 阻 变 小, 相 当 于 开 关 " 接 通 ". 该 电 路 因 Ui 为 低 电 平 时, 开 关 不 通, 故 为 高 电 平 导 通 状 态. 同 理, 图 2 电 路 中, 因 无 信 号 (Ui 为 低 电 平 ) 时, 开 关 导 通, 故 为 低 电 平 导 通 状 态. 2. 组 成 逻 辑 电 路 图 3 电 路 为 " 与 门 " 逻 辑 电 路 其 逻 辑 表 达 式 为 P=A.B. 图 中 两 只 光 敏 管 串 联, 只 有 当 输 入 逻 辑 电 平 A=1 B=1 时, 输 出 P=1. 同 理, 还 可 以 组 成 " 或 门 " " 与 非 门 " " 或 非 门 " 等 逻 辑 电 路. 3. 组 成 隔 离 耦 合 电 路 电 路 如 图 4 所 示. 这 是 一 个 典 型 的 交 流 耦 合 放 大 电 路. 适 当 选 取 发 光 回 路 限 流 电 阻 Rl, 使 B4 的 电 流 传 输 比 为 一 常 数, 即 可 保 证 该 电 路 的 线 性 放 大 作 用 4. 组 成 高 压 稳 压 电 路 电 略 如 图 5 所 示. 驱 动 管 需 采 用 耐 压 较 高 的 晶 体 管 ( 图 中 驱 动 管 为 3DG27) 当 输 出 电 压 增 大 时,V55 的 偏 压 增 加,B5 中 发 光 二 极 管 的 正 向 电 流 增 大, 使 光 敏 管 极 间 电 压 减 小, 调 整 管 be 结 偏 压 降 低 而 内 阻 增 大, 使 输 出 电 压 降 低, 而 保 持 输 出 电 压 的 稳 定. 5. 组 成 门 厅 照 明 灯 自 动 控 制 电 路 电 路 如 图 6 所 示 A 是 四 组 模 拟 电 子 开 关 (S1~S4):S1,S2,S3 并 联 ( 可 增 加 驱 动 功 率 及 抗 干 扰 能 力 ) 用 于 延 时 电 路, 当 其 接 通 电 源 后 经 R4,B6 驱 动 双 向 可 控 硅 VT,VT 直 接 控 制 门 厅 照 明 灯 H;S4 与 外 接 光 敏 电 阻 Rl 等 构 成 环 境 光 线 检 测 电 路 当 门 关 闭 时, 安 装 在 门 框 上 的 常 闭 型 干 簧 管 KD 受 到 门 上 磁 铁 作 用, 其 触 点 断 开,S1,S2,S3 处 于 数 据 开 状 态 晚 间 主 人 回 家 打 开 门, 磁 铁 远 离 KD, KD 触 点 闭 合 此 时 9V 电 源 整 流 后 经 R1 向 C1 充 电,C1 两 端 电 压 很 快 上 升 到 9V, 整 流 电 压 经 S1,S2,S3 和 R4 使 B6 内 发 光 管 发 光 从 而 触 发 双 向 可 控 硅 导 通,VT 亦 导 通,H 点 亮, 实 现 自 动 照 明 控 制 作 用 房 门 关 闭 后, 磁 铁 控 制 KD, 触 点 断 开,9V 电 源 停 止 对 C1 充 电, 电 路 进 入 延 时 状 态 C1 开 始 对 R3 放 电, 经 一 段 时 间 延 迟 后,C1 两 端 电 压 逐 渐 下 降 到 S1,S2,S3 的 开 启 电 压 (1.5v) 以 下,S1, S2,S3 恢 复 断 开 状 态, 导 致 B6 截 止,VT 亦 截 止,H 熄 来, 实 现 随 着 全 球 制 造 业 自 动 化 程 度 的 提 高, 工 业 传 感 器 成 为 提 高 生 产 能 力 和 增 强 安 全 的 关 键 所 在 工 业 传 感 器 有 各 种 尺 寸 形 状 和 技 术 最 常 见 的 是 用 电 感 电 容 光 电 磁 力 超 声 波 技 术 设 计 的 传 感 器 每 一 种 技 术 各 有 其 长 短, 因 此 要 根 据 应 用 的 要 求 来 确 定 采 用 哪 一 种 传 感 器 而 光 电 式 传 感 器 在 检 测 和 控 制 中 应 用 非 常 广 泛 由 光 通 量 对 光 电 元 件 的 作 用 原 理 不 同 所 制 成 的 光 学 测 控 系 统 是 多 种 多 样 的, 按 光 电 元 件 ( 光 学 测 控 系 统 ) 输 出 量 性 质 可 分 二 类, 即 模 拟 式 光 电 传 感 器 和 脉 冲 ( 开 关 ) 式 光 电 传 感 器 为 此 本 文 着 重 介 绍 工 控 捡 测 系 统 中 新 型 模 拟 式 光 电 传 感 器 的 组 成 与 特 点 使 用 及 有 关 应 用 举 例

102 模 拟 式 光 电 传 感 器 是 将 被 测 量 转 换 成 连 续 变 化 的 光 电 流, 它 与 被 测 量 间 呈 单 值 关 系 模 拟 式 光 电 传 感 器 按 被 测 量 ( 检 测 目 标 物 体 ) 方 法 可 分 为 透 射 ( 吸 收 ) 式 漫 反 射 式 遮 光 式 ( 光 束 阻 档 ) 三 大 类 所 谓 透 射 式 是 指 被 测 物 体 放 在 光 路 中, 恒 光 源 发 出 的 光 能 量 穿 过 被 测 物, 部 份 被 吸 收 后, 透 射 光 投 射 到 光 电 元 件 上 ; 所 谓 漫 反 射 式 是 指 恒 光 源 发 出 的 光 投 射 到 被 测 物 上, 再 从 被 测 物 体 表 面 反 射 后 投 射 到 光 电 元 件 上 ; 所 谓 遮 光 式 是 指 当 光 源 发 出 的 光 通 量 经 被 测 物 光 遮 其 中 一 部 份, 使 投 射 刭 光 电 元 件 上 的 光 通 量 改 变, 改 变 的 程 度 与 被 测 物 体 在 光 路 位 置 有 关 1 光 电 式 传 感 器 的 组 成 光 电 式 传 感 器 中 必 须 采 用 一 定 的 光 学 元 件, 并 按 照 一 些 光 学 定 律 和 原 理 构 成 各 种 各 样 的 波, 光 学 元 件 有 各 种 反 射 镜 和 透 镜 有 一 些 基 本 的 光 电 传 感 器 检 测 的 是 光 强 的 变 化 一 般 地 讲, 它 检 测 的 是 传 感 器 自 己 的 光 源 发 射 出 来 的 光 线, 或 者 检 测 的 并 不 是 传 感 器 自 己 的 光 源 发 射 出 来 的 光 线 光 线 的 类 型 以 及 检 测 的 方 法 有 很 多 种, 不 同 的 传 感 器 使 用 的 光 线 和 检 测 方 法 是 不 同 的 光 电 传 感 器 由 光 源 ( 发 光 二 极 管 ) 接 收 器 ( 光 敏 三 极 管 ) 放 大 器 ( 或 比 较 器 ) 及 信 号 转 换 器 ( 或 斯 密 特 触 发 器 ) 充 组 成 光 敏 三 极 管 对 进 来 的 光 线 进 行 分 析, 看 看 它 是 不 是 从 发 光 二 极 管 产 生 的 光, 并 且 产 生 输 出 信 号, 基 本 组 成 原 理 示 意 见 图 1 所 示 其 光 源 ( 发 光 二 极 管 ) 还 己 乞 包 括 振 荡 器 与 供 电 源 ; 光 源 与 接 收 器 ( 光 敏 三 极 管 ) 是 不 共 地, 二 者 之 间 无 电 的 联 系 以 提 高 抗 干 扰 ; 光 源 ( 发 光 器 ) 与 接 收 器 可 以 一 个 机 壳 内 也 可 以 分 开 与 其 他 传 感 器 技 术 相 比, 这 种 传 感 器 技 术 有 很 多 优 点 例 如, 光 电 传 感 器 的 敏 感 范 围 远 远 超 过 了 电 感 电 容 磁 力 超 声 波 传 感 器 的 敏 感 范 围 此 外, 光 电 传 感 器 的 体 积 很 小, 而 敏 感 范 围 很 宽, 加 上 机 壳 有 很 多 样 式, 几 乎 可 以 到 处 使 用 最 后, 随 着 技 术 的 不 断 发 展, 光 电 传 感 器 在 价 钱 方 面 可 以 同 用 其 他 技 术 制 造 的 传 感 器 竞 争 1.1 透 射 式 光 电 传 感 器 在 烟 尘 浊 度 监 测 上 的 应 用 防 止 工 业 烟 尘 污 染 是 环 保 的 重 要 任 务 之 一 为 了 消 除 工 业 烟 尘 污 染, 首 先 要 知 道 烟 尘 排 放 量, 因 此 必 须 对 烟 尘 源 进 行 监 测 自 动 显 示 和 超 标 报 警

103 烟 道 里 的 烟 尘 浊 度 是 通 过 光 在 烟 道 在 传 输 过 程 中 的 变 化 大 小 来 检 测 的 如 果 烟 道 浊 度 增 加, 光 源 发 出 的 光 被 烟 尘 颗 粒 的 吸 收 和 折 射 增 加, 到 达 光 检 测 器 的 光 减 少 因 此 光 检 测 器 输 出 信 号 的 强 弱 便 可 反 映 烟 道 浊 度 的 变 化 本 应 中 应 用 奥 托 尼 克 斯 (Autonics) 公 司 的 BYD3M-TDT 透 射 式 小 型 光 电 传 感 器, 其 光 源 ( 发 光 器 ) 与 接 收 器 不 一 个 机 壳 内, 见 图 2(a) 使 用 示 意 图 : 先 将 发 射 器 和 接 收 器 对 准 并 固 定 好 后 才 可 以 通 电 (12-24)VDC; 接 着 在 ON 状 态 设 定 好 发 射 器 的 中 心 位 置, 然 后 左 右 上 下 方 向 调 节 接 收 器 和 发 射 器 的 位 置 ; 最 后 检 测 目 标 稳 定 后 固 定 好 发 射 器 和 接 收 器 图 2(b) 是 式 烟 尘 浊 度 监 测 系 统 的 组 成 框 图 : 为 了 检 测 出 烟 尘 中 对 人 体 危 害 性 最 大 的 亚 微 米 颗 粒 的 浊 度 和 避 免 水 蒸 气 与 二 氧 二 碳 对 光 源 衰 减 的 影 响, 选 取 可 见 光 作 光 源 ( nm 波 长 的 白 炽 光 ) 光 检 测 器 光 谱 响 应 范 围 为 nm 的 光 电 管, 获 取 随 浊 度 变 化 的 相 应 电 信 号 为 了 提 高 检 测 灵 敏 度, 采 用 具 有 高 增 闪 高 输 入 阻 抗 低 零 漂 高 共 模 抑 制 比 的 运 算 放 大 器, 对 信 号 进 行 放 大 刻 度 校 正 被 用 来 进 行 调 零 与 调 满 刻 度, 以 保 证 测 试 准 确 性 显 示 器 可 显 示 浊 度 瞬 时 值 报 警 电 路 由 多 谐 振 荡 器 组 成, 当 运 算 放 大 器 输 出 浊 度 信 号 超 过 规 定 时, 多 谐 振 荡 器 工 作, 输 出 信 号 经 放 大 后 推 动 喇 叭 发 出 报 警 信 号 2. 漫 反 射 型 光 电 传 感 器 漫 射 型 光 电 传 感 器 有 时 也 称 作 接 近 传 感 器 在 这 种 传 感 器 中, 发 光 器 和 接 收 器 装 在 同 一 个 机 壳 中 发 光 器 发 出 的 光 线 射 到 目 标 物 体 上, 目 标 物 体 光 线 反 射 回 来, 什 么 角 度 的 反 射 光 都 有 反 射 光 中 有 一 部 分 送 回 到 接 收 器, 于 是 便 把 目 标 物 体 检 测 出 来 了 由 于 目 标 物 体 的 角 度 以 及 反 射 性 能, 发 光 器 产 生 的 能 量 大 部 分 是 损 失 掉, 所 以 与 镜 面 反 射 ( 回 射 ) 型 和 光 束 阻 档 型 光 电 传 感 器 相 比, 漫 射 型 光 电 传 感 器 的 敏 感 范 围 比 较 小

104 虽 然 该 类 传 感 器 装 简 单 置, 即 它 不 需 要 其 他 的 元 器 件, 例 如 反 射 镜 或 者 单 独 的 接 收 器 但 敏 感 范 围 及 接 收 器 的 能 力 受 目 标 物 体 的 颜 色 尺 寸 表 面 光 洁 度 等 因 素 的 影 响 较 大, 故 值 此 着 重 研 究 其 漫 射 - 聚 焦 型 传 感 器 2.1 漫 射 - 聚 焦 型 传 感 器 漫 射 - 聚 焦 型 传 感 器 是 效 率 较 高 的 一 种 漫 射 型 光 电 传 感 器 发 光 器 透 镜 聚 焦 在 传 感 器 前 面 固 定 的 一 点 上 接 收 器 透 镜 也 是 聚 焦 在 同 一 点 上 敏 感 的 范 围 是 固 定 的, 取 决 于 聚 焦 点 的 位 置 这 种 传 感 器 能 够 检 测 在 焦 点 上 的 物 体, 允 许 物 体 前 后 偏 离 焦 点 一 定 距 离, 这 个 距 离 称 作 " 敏 感 窗 口 " 当 物 体 在 敏 感 窗 口 以 外, 在 焦 点 之 前 或 者 之 后 时 便 检 测 不 到 敏 感 窗 口 取 决 于 目 标 的 反 射 性 能 和 灵 敏 度 的 调 节 状 况 因 为 所 射 出 来 的 光 能 是 聚 焦 在 一 个 点 上 面, 增 益 增 大 了 很 多, 于 是 传 感 器 很 容 易 地 就 检 测 到 窄 小 的 物 体 或 者 反 射 性 能 差 的 物 体, 其 原 理 示 意 图 见 3 所 示 具 有 背 景 光 抑 制 功 能 的 漫 射 型 光 电 传 感 器 只 能 检 测 一 定 距 离 的 目 标 物 体, 在 这 个 距 离 以 外 的 物 体 它 便 检 测 不 到 在 各 种 漫 射 型 光 电 传 感 器 中, 这 种 类 型 的 传 感 器 敏 感 目 标 物 体 颜 色 的 灵 敏 度 是 最 低 的 这 种 传 感 器 的 一 个 主 要 优 点 是, 它 不 会 检 测 背 景 物 体 而 普 通 的 漫 射 型 光 电 传 感 器 往 往 会 把 背 景 物 体 误 认 为 是 目 标 物 体 含 有 背 景 光 抑 制 功 能 的 漫 射 型 光 电 传 感 器 可 以 在 距 离 固 定 的 情 况 下 使 用, 也 可 以 在 距 离 变 化 的 情 况 下 使 用 抑 制 背 景 光 的 方 法 从 技 术 上 讲 有 两 种 : 一 种 是 机 械 的 方 法, 另 一 种 是 电 子 的 方 法 对 于 具 有 机 械 式 背 景 光 抑 制 功 能 的 漫 射 型 光 电 传 感 器, 它 里 面 有 两 个 接 收 元 件 : 一 个 接 收 来 自 目 标 物 体 的 光, 另 一 个 接 收 背 景 光 目 标 接 收 器 E1 上 的 反 射 光 的 强 度 超 过 背 景 光 接 收 器 E2 上 的 反 射 光 时, 便 把 目

105 标 检 测 出 来, 产 生 输 出 信 号 当 背 景 光 接 收 器 上 的 反 射 光 的 强 度 超 过 目 标 接 收 器 上 的 反 射 光 时, 不 检 测 目 标, 输 出 状 态 不 发 生 变 化 在 距 离 可 变 的 传 感 器 中, 焦 点 可 以 用 机 械 的 方 法 进 行 调 节 对 于 具 有 电 子 式 背 景 光 抑 制 功 能 的 漫 射 型 传 感 器, 在 传 感 器 中 使 用 一 只 位 置 敏 感 元 件 (PSD) 而 不 是 使 用 机 械 元 件 发 光 器 发 出 一 束 光 线, 光 束 反 射 回 来, 从 目 标 物 体 反 射 回 来 的 光 线 和 从 背 景 物 体 反 射 回 来 的 光 线 到 达 位 置 敏 感 元 件 的 两 个 不 同 位 置 传 感 器 对 到 达 位 置 敏 感 元 件 这 两 点 的 光 进 行 比 较, 并 将 这 个 信 号 与 事 先 设 定 的 数 值 进 行 比 较, 从 而 决 定 输 出 的 状 见 图 4 所 示 2.2 一 种 实 用 背 景 抑 制 漫 反 射 光 电 传 感 器 见 图 5(a) 所 示 这 感 器 发 光 器 和 接 收 器 装 在 同 一 个 机 壳 中, 采 用 背 景 抑 制 技 术, 将 由 目 标 之 外 的 物 体 反 射 光 引 起 假 切 换 的 危 险 降 低 到 最 小 反 射 光 通 过 传 感 器 内 一 系 列 接 收 元 件 收 集, 并 给 出 一 个 输 出 如 果 目 标 移 动 并 且 从 离 预 设 距 离 更 远 的 物 体 上 得 到 反 射 时, 接 收 的 光 线 角 度 将 改 变 反 过 来 将 影 响 接 收 元 件 的 输 出, 并 且 传 感 器 不 响 应 该 背 景 抑 制 漫 射 光 电 传 感 器 控 制 (NPN) 输 出 线 路 图 如 5(b) 所 示 图 中 的 光 电 传 感 器 内 部 线 路 与 图 1(a) 相 似, 区 别 在 于 有 个 过 电 流 保 护 电 路

106 其 使 用 说 明 见 图 5(c) 所 示 : 漫 反 射 光 电 传 感 器 先 可 以 设 定 在 最 大 位 置, 由 于 反 射 背 景 的 存 在, 其 灵 敏 度 是 必 须 要 调 整 的 ; 然 后 将 目 标 设 定 在 光 通 过 的 位 置 上, 然 后 调 节 调 整 从 最 小 位 置 调 节 到 a; 笫 三 步 移 走 目 标 然 后 有 邻 近 物 体 时 调 节 到 b 位 置 指 示 灯 变 亮, 如 果 指 示 灯 不 亮 调 节 到 最 大 位 置, 可 在 a,b, 位 置 中 间 设 定 调 节 结 构 紧 凑 的 坚 固 金 属 外 壳, 这 些 微 型 传 感 器 带 有 预 接 电 缆 ( 尺 寸 2: 传 感 距 离 mm 可 调 ) 或 带 有 4 管 脚 微 变 化 连 接 器 ( 尺 寸 1: 传 感 距 离 mm 可 调 ) 以 便 于 一 旦 出 现 损 坏 能 够 快 速 更 换 可 供 NPN 或 PNP 常 开 + 常 闭 输 出 结 构 型 特 点 是 可 调 传 感 距 离, 亮 / 暗 开 关 选 择 ( 常 开 或 常 闭 连 接 )LED 输 出 状 态 指 示 和 脉 冲 可 见 红 色 光 束 ( 可 使 得 安 装 简 便 ) 具 有 短 路 和 反 接 保 护 适 用 于 包 装 生 产 线, 需 要 不 在 场 传 感 或 用 于 自 动 装 配 机 器 中, 只 需 要 尺 寸 2 型 窄 光 束 即 可 精 确 定 位 2.3 镜 面 反 射 ( 回 射 ) 式 传 感 器 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器, 它 的 发 光 器 和 接 收 器 装 在 同 一 个 机 壳 中, 这 与 漫 射 型 传 感 器 是 一 样 的 但 是 它 使 用 一 只 反 射 镜 把 发 光 器 产 生 的 光 线 反 射 到 接 收 器 上 当 目 标 物 体 阻 挡 了 光 电 传 感 器 送 往 反 射 镜 的 光 线 时, 便 把 目 标 物 体 检 测 出 来, 见 图 6(a) 所 示 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 工 作 原 理 图 一 般 地 讲, 与 漫 射 型 传 感 器 相 比, 镜 面 反 射 式 传 感 器 的 敏 感 距 离 比 较 大, 这 是 因 为, 与 大 多 数 目 标 物 体 的 反 射 率 相 比, 反 射 镜 的 反 射 效 率 很 高 在 镜 面 反 射 式 传 感 器 中, 目 标 物 体 的 颜 色 和 表 面 光 洁 度 不 会 影 响 敏 感 距 离, 然 而 在 漫 射 型 传 感 器 中, 目 标 物 体 的 颜 色 和 表 面 光 洁 度 会 影 响 敏 感 距 离

107 图 6(b) 为 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 使 用 示 意 图 : 应 先 将 传 感 器 和 反 射 镜 面 对 面 安 装 后, 连 接 电 源 ; 后 再 调 节 传 感 器 或 反 射 镜 面 的 上 下 左 右 位 置, 使 传 感 器 的 指 示 灯 变 亮 ; 最 后 可 靠 安 装 两 者 后, 并 校 对 使 其 检 测 到 目 标 ; 如 果 被 测 物 的 反 射 率 比 发 射 镜 面 高, 它 会 发 生 误 动 作, 因 此, 在 传 感 器 和 被 测 物 留 有 足 够 的 空 间, 或 把 被 测 物 和 光 轴 成 度 的 角 度 2.4 有 偏 光 镜 的 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 有 些 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 是 带 有 偏 光 镜 的 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 当 发 射 器 发 出 的 光 线 通 过 偏 光 镜 时, 它 将 被 改 变 成 水 平 横 向 的 光 并 达 到 反 射 镜 MS-2, 然 后 它 又 因 反 射 镜 改 变 成 为 垂 直 的 光 并 达 到 接 收 器 的 偏 光 镜 见 图 6(c) 所 示 在 用 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 检 测 清 晰 的 物 体 时, 在 传 感 器 中 用 一 个 滞 环 电 路 来 检 测 光 线 中 的 微 弱 变 化 在 敏 感 清 晰 的 物 体 时, 光 线 往 往 存 在 这 种 微 小 的 变 化 在 用 于 检 测 清 晰 物 体 的 传 感 器 中, 发 光 器 和 接 收 器 上 都 有 偏 振 滤 光 器, 目 的 是 为 了 减 少 来 自 目 标 物 体 的 反 射 所 成 的 错 误 响 应 有 的 镜 面 反 射 式 光 电 传 感 器 具 有 抑 制 前 景 的 功 能 在 一 定 距 离 或 者 死 区 范 围 内 时, 这 种 传 感 器 不 会 把 明 亮 的 目 标 物 体 误 认 为 是 反 射 镜 它 适 合 于 检 测 货 盘 3 遮 光 式 光 电 传 感 器

108 遮 光 式 光 电 传 感 器 是 第 三 种 也 是 最 后 一 种 用 光 电 方 法 进 行 检 测 的 光 电 传 感 器 这 种 传 感 器 需 要 两 个 独 立 的 机 壳, 一 个 机 壳 中 安 装 发 光 器, 另 一 个 机 壳 中 安 装 接 收 器 发 光 器 射 出 来 的 光 线 对 准 接 收 器, 当 有 目 标 物 体 把 光 线 挡 住 时, 接 收 器 的 输 出 便 发 生 变 化 在 三 种 光 电 检 测 技 术 中, 光 束 阻 挡 型 传 感 器 的 效 率 最 高, 能 够 进 行 检 测 的 范 围 也 是 最 大 的 遮 光 式 光 电 传 感 器 有 很 多 类 型 最 常 见 的 是 用 一 只 发 光 器 一 只 接 收 器, 在 发 光 器 与 接 收 器 之 间 只 有 一 束 光 线 另 一 种 是 " 槽 式 " 或 " 叉 式 " 光 电 传 感 器, 这 时, 发 光 器 和 接 收 器 都 装 在 同 一 个 机 壳 中, 不 存 在 对 准 的 问 题 光 栅 是 由 很 多 不 同 的 发 光 器 和 不 同 的 接 收 器 排 列 起 来 组 成 的, 发 光 器 装 在 一 个 机 壳 中, 接 收 器 装 在 另 一 个 机 壳 中, 当 它 们 互 相 对 准 时, 便 形 成 一 片 光 束 光 电 式 传 感 器 的 形 式 工 作 原 理 : 首 先 把 被 测 量 的 变 化 转 换 成 光 信 号 的 变 化, 然 后 通 过 光 电 转 换 元 件 变 换 成 电 信 号 应 用 : 分 类 : 按 其 接 收 状 态 可 分 为 模 拟 式 光 电 传 感 器 和 脉 冲 光 电 传 感 器 吸 收 式, 根 据 被 测 物 对 光 的 吸 收 程 度 或 对 其 谱 线 的 选 择 来 测 定 被 测 参 数 如 测 量 液 体 气 体 的 透 明 度 混 浊 度, 对 气 体 进 行 成 分 分 析, 测 定 液 体 中 某 种 物 质 的 含 量 等 反 射 式, 被 测 物 体 把 部 分 光 通 量 反 射 到 光 电 元 件 上, 根 据 反 射 的 光 通 量 多 少 测 定 被 测 物 表 面 状 态 和 性 质 例 如 测 量 零 件 的 表 面 粗 糙 度 表 面 缺 陷 表 面 位 移 等 遮 光 式, 光 源 发 出 的 光 通 量 经 被 测 物 遮 去 其 一 部 分, 使 作 用 在 光 电 元 件 上 的 光 通 量 减 弱, 减 弱 的 程 度 与 被 测 物 在 光 学 通 路 中 的 位 置 有 关 利 用 这 一 原 理 可 以 测 量 长 度 厚 度 线 位 移 角 位 移 振 动 等 辐 射 式

109 CCD 和 CIS 的 成 像 原 理 作 者 : 佚 名 来 源 : 发 布 时 间 : :40:03 [ 收 藏 ] [ 评 论 ] CCD 和 CIS 的 成 像 原 理 CIS 是 ContactImageSensor " 接 触 式 图 像 感 测 器 ",CIS 是 由 光 源 系 统 和 感 光 系 统 的 单 件 构 成 的 集 成 模 组 CCD 和 CIS 的 主 要 不 同 在 于 成 像 结 构 上 : CCD 成 像 系 统 如 下 :

110 待 扫 瞄 文 件 所 反 射 的 光 线 经 由 一 组 镜 片 群 系 统 反 射 到 一 个 透 镜, 而 这 个 透 镜 的 工 作 则 是 将 图 形 送 到 CCD 探 测 器 这 是 个 脆 弱, 精 准 且 相 当 昂 贵 的 系 统, 因 为 镜 片 群 必 须 随 时 保 持 准 确 校 正 而 透 镜 必 须 拥 有 最 高 的 品 质 CIS 成 像 系 统 : 成 像 原 理 : 发 光 二 级 管 发 出 的 光 直 接 将 光 照 射 到 原 稿 上 三 种 颜 色 发 光 二 极 体 ( 红 绿 蓝 ) 通 过 快 速 的 切 换 发 光 提 供 扫 描 所 需 要 的 三 原 色 值 得 注 意 的 是 在 光 学 系 统 和 感 光 系 统 中 没 有 滤 色 装 置, CIS 扫 描 器 的 色 彩 范 围 是 由 每 组 发 光 二 极 体 的 光 谱 决 定, 而 不 像 CCD 扫 描 器 是 通 过 滤 色 装 置 来 处 理 的 由 于 滤 色 技 术 要 比 发 光 二 极 体 技 术 先 进 的 多, 因 此 CIS 扫 描 器 在 色 彩 范 围 上 也 就 不 如 CCD 扫 描 器 好

111 系 统 结 构 :

112 感 光 系 统 材 料 表 面 部 分 被 分 割 成 能 分 若 干 个 正 方 形 感 光 单 元, 每 个 感 光 单 元 的 大 小 取 决 于 每 英 寸 单 元 数 量, 英 寸 单 元 数 量 又 取 决 于 扫 描 解 析 度 光 学 系 统 是 一 个 条 形 的 透 镜 列 阵 它 直 接 将 扫 描 原 稿 表 面 投 射 到 矽 材 料 表 面, 以 1..1 的 比 例 对 原 稿 进 行 扫 描, 从 而 没 有 放 大 或 缩 小 原 稿, 因 此 就 节 省 能 源 和 几 何 精 度 而 言 能 够 更 好 的 重 现 原 稿 AD9822 及 其 在 面 阵 CCD 系 统 中 的 应 用 作 者 : 侯 新 梅, 李 自 田, 胡 炳 樑 来 源 : 现 代 电 子 技 术 发 布 时 间 : :30:02 [ 收 藏 ] [ 评 论 ] 0 引 言 CCD 图 像 传 感 器 是 20 世 纪 70 年 代 出 现 的 新 型 半 导 体 光 电 转 换 器 件, 经 历 了 30 多 年 的 发 展 直 到 今 日, 它 的 技 术 已 经 成 熟 近 几 十 年 来,CCD 在 图 像 传 感 信 号 处 理 数 字 存 储 等 领 域 取 得 了 重 大 发 展 CCD 具 有 灵 敏 度 高 分 辨 率 高 噪 声 小 动 态 范 围 大 等 优 势, 具 有 非 常 广 阔 的 应 用 前 景 随 着 CCD 性 能 的 不 断 提 高, 对 其 信 号 处 理 芯 片 也 提 出 了 更 高 的 要 求 CCD 视 频 信 号 处 理 的 设 计 重 点 在 于 信 号 处 理 器 对 CCD 输 出 的 视 频 信 号

113 进 行 放 大 相 关 双 采 样 A/D 变 换 等 处 理, 形 成 数 字 化 的 图 像 数 据, 以 进 行 后 续 的 图 像 处 理 该 部 分 的 设 计 要 求 分 析 CCD 输 出 数 字 视 频 信 号 的 特 点, 从 而 选 择 满 足 高 速 率 要 求 的 专 用 CCD 视 频 信 号 处 理 芯 片 在 此 选 用 了 CCD 视 频 信 号 处 理 芯 片 AD9822 设 计 了 CCD 视 频 信 号 处 理 电 路 在 分 析 了 该 芯 片 的 电 路 结 构 和 工 作 原 理 后, 基 于 现 场 可 编 程 门 器 件 (FPGA) 技 术 完 成 了 该 芯 片 的 初 始 化 设 置 和 寄 存 器 配 置, 并 结 合 Xilinx 公 司 的 FPGA 芯 片 XC3S50 完 成 了 硬 件 电 路 的 设 计 1 CCD 视 频 信 号 的 特 点 及 其 处 理 方 法 CCD 输 出 信 号 必 须 进 行 视 频 处 理 才 能 为 后 续 电 路 使 用 一 方 面, 是 为 了 尽 可 能 地 消 除 各 种 噪 声 和 干 扰 同 时 又 不 损 失 图 像 细 节, 并 且 保 证 在 CCD 的 动 态 范 围 内 图 像 信 号 随 目 标 亮 度 成 线 性 变 化 ; 另 一 方 面, 要 对 CCD 输 出 信 号 进 行 数 字 化 处 理, 以 便 于 计 算 机 处 理 这 里 介 绍 一 下 CCD 输 出 信 号 的 特 点 CCD 器 件 输 出 的 信 号 比 较 特 殊, 其 输 出 信 号 波 形 如 图 1 所 示 从 图 1 中 可 以 看 出, 这 些 信 号 就 其 幅 值 来 讲 是 模 拟 信 号, 其 幅 值 可 以 反 映 出 每 个 像 素 单 元 受 光 后 感 生 电 荷 的 多 少, 是 模 拟 量, 同 时 在 信 号 输 出 和 感 测 过 程 中 的 非 线 性 以 及 信 号 转 移 过 程 中 的 电 荷 损 失, 都 说 明 了 CCD 器 件 输 出 信 号 具 有 模 拟 信 号 的 特 点 但 是, 在 时 间 关 系 上, 这 些 信 号 又 受 精 确 稳 定 的 时 钟 控 制, 并 在 时 钟 脉 冲 的 作 用 下 移 位 输 出, 类 似 于 数 字 移 位 寄 存 器 根 据 检 测 结 果 可 知, 每 个 像 素 中 光 生 电 荷 的 有 无 才 是 重 要 的, 而 非 电 荷 量 的 多 少 综 合 两 方 面 的 情 况, 说 明 CCD 信 号 具 有 模 拟 性 和 数 字 性, 为 数 字 视 频 信 号 因 此, 对 这 种 信 号 的 处 理 也 有 别 于 普 通 的 模 拟 信 号 传 统 的 CCD 相 机 视 频 处 理 的 组 成 由 各 自 独 立 的 器 件 完 成, 其 电 路 复 杂 调 试 困 难 价 格 昂 贵 专 用 视 频 信 号 处 理 器 将 相 关 双 采 样 可 编 程 增 益 控 制 暗 电 平 补 偿 ADC 模 数 转 换 等 功 能 集 成 在 一 片 芯 片 上, 集 成 度 高, 功 能 强 大, 性 能 优 越, 价 格 便 宜, 满 足 CCD 相 机 朝 着 轻 量 化 小 型 化 方 向 发 展 的 需 求, 是 本 文 设 计 CCD 成 像 系 统 视 频 处 理 电 路 的 首 选 器 件 2 AD9822 的 结 构 及 其 工 作 原 理 2.1 AD9822 简 介 AD9822 是 美 国 ADI 公 司 的 一 款 面 向 CCD 的 完 善 的 低 功 耗 单 通 道 模 拟 信 号 处 理 器, 内 含 最 高 15 MSPS 的 相 关 双 采 样 (CDS) 电 路 可 编 程 增 益 放 大 器 (PGA) 14 位 精 度 的 最 高 采 样 率 为 15 MSPS 的 A/D 转 换 器,

114 可 以 对 面 阵 CCD 信 号 和 模 拟 视 频 信 号 进 行 A/D 转 换 AD9822 以 其 高 精 度 高 速 度 的 模 数 转 换 能 力, 广 泛 应 用 在 工 业 控 制 医 疗 仪 器 科 学 研 究 等 领 域 的 高 精 度 图 像 采 集 系 统 中 图 2 为 AD9822 的 内 部 结 构, 它 提 供 三 通 道 的 信 号 输 入, 每 个 通 道 由 输 入 箝 位 相 关 双 采 样 DAC 补 偿 以 及 可 编 程 增 益 放 大 器 PGA 和 高 精 度 A/D 转 换 器 构 成 CCD 输 出 信 号 先 后 在 相 关 双 采 样 处 理 单 元 增 益 控 制 处 理 单 元 以 及 A/D 转 换 处 理 单 元 作 用 下, 转 换 成 数 字 信 号 输 出 2.2 AD9822 的 工 作 原 理 本 设 计 采 用 的 是 单 路 CDS 模 式,CCD 视 频 信 号 在 进 入 AD9822 之 前, 首 先 要 进 行 交 流 耦 合 由 于 CCD 的 输 出 信 号 包 含 了 一 个 较 大 的 直 流 成 分, 这 个 直 流 量 会 超 出 后 接 信 号 处 理 芯 片 允 许 的 输 入 信 号 电 压 范 围, 因 此, 需 要 从 信 号 中 去 除 这 个 大 的 直 流 分 量 在 实 际 电 路 中, 将 CCD 的 输 出 信 号 经 过 一 个 O.1μF 的 耦 合 电 容 连 接 到 AD9822 的 CCD 信 号 输 入 引 脚 在 本 设 计 中, 由 于 CCD 输 出 信 号 的 幅 值 为 1.9 V, 而 AD9822 允 许 的 输 入 信 号 幅 值 为 2 V, 所 以, 经 过 交 流 耦 合 后,CCD 输 出 信 号 可 直 接 进 入 AD9822 之 后, 视 频 信 号 首 先 经 过 的 是 输 入 箝 位 电 路, 箝 位 电 路 用 来 消 除 信 号 链 中 的 残 留 偏 压, 并 且 跟 踪 CCD 暗 像 素 的 频 率 成 份, 错 误 的 信 号 将 被 过 滤 掉, 所 以 噪 声 降 低, 去 掉 偏 压 还 可 减 小 对 增 益 改 变 的 影 响 经 过 箝 位 后 的 信 号 进 入 相 关 双 采 样 电 路 电 路 对 每 个 CCD 像 素 信 号 进 行 两 次 采 样, 以 提 取 视 频 信 息 和 抑 制 低 频 噪 声 由 于 CCD 每 个 像 素 的 输 出 信 号 中 既 包 含 有 光 敏 信 号, 也 包 含 有 复 位 脉 冲 电 压 信 号, 若 在 光 电 信 号 的 积 分 开 始 时 和 积 分 结 束 时, 分 别 对 输 出 信 号 采 样, 并 且 使 得 两 次 采 样 的 间 隔 时 间 远 小 于 时 间 常 数 RonC(Ron 为 复 位 管 的 导 通 电 阻 ), 则 这 样 2 次 采 样 的 噪 声 电 压 相 差 无 几, 而 这 两 次 采 样 的 时 间 又 是 相 关 的 若 将 两 次 采 样 值 相 减, 就 基 本 消 除 了 复 位 噪 声 的 干 扰, 得 到 信 号 电 平 的 实 际 有 效 幅 值 如 图 1 所 示, CDSCLK1 和 CDSCLK2 分 别 用 来 对 参 考 电 平 和 数 据 电 平 进 行 采 样,ADCCLK 为 ADC 的 采 样 时 钟 它 们 和 CCD 视 频 信 号 的 位 置 关 系 决 定 了 信 号 质 量 的 好 坏 CDSCLK1,CDSCLK2 和 ADCCLK 均 由 FPGA 实 现 经 过 相 关 双 采 样 后, 信 号 被 送 入 增 益 放 大 器 PGA 这 里 先 经 过 一 个 DAC 补 偿 的 反 馈 网 络, 以 便 更 稳 定 地 调 节 图 像 信 号 DAC offset 可 以 提 供 -350~+350 mv 的 信 号 补 偿, 步 进 阶 数 为 512, 即 9 b 的 分 辨 率 具 体 数 值 通 过 补 偿 寄 存 器 进 行 配 置 增 益 放 大 器 PGA 的 增 益 范 围 为 1~5.7 db, 步 进 阶 数 为 64 阶, 分 辨 率

115 为 6 b, 通 过 PGA 增 益 寄 存 器 进 行 配 置 PGA 的 增 益 值 和 PGA Gain 寄 存 器 中 的 值 之 间 的 关 系 如 下 : 式 中 :G 为 增 益 寄 存 器 中 的 十 进 制 的 值, 变 化 范 围 为 0~63 合 理 地 设 置 增 益 放 大 器, 可 将 信 号 调 节 至 ADC 允 许 的 最 大 量 程, 有 利 于 提 高 ADC 的 动 态 范 围, 从 而 提 高 图 像 质 量 经 过 以 上 信 号 预 处 理 后, 信 号 进 入 A/D 转 换 器,AD9822 使 用 的 是 高 性 能 14 b 模 数 转 换 器, 高 速 低 耗 差 分 非 线 性 性 能 在 O.7LsB 左 右 由 CCD 视 频 信 号 的 数 据 输 出 速 率 可 知,AD 采 样 率 为 10 MHz 因 为 AD9822 只 有 8 个 数 据 输 出 引 脚, 因 此 采 用 分 时 输 出 高 8 位 和 低 6 位 的 方 法 来 实 现 14 位 数 据 的 输 出 采 样 时 钟 ADCCLK 和 输 出 数 据 关 系 如 图 2 所 示 输 出 数 据 送 入 低 压 差 分 线 驱 动 器 DS90C031 后 转 换 为 差 分 信 号, 而 后 送 到 下 一 级 处 理 器 进 行 处 理 2.3 AD9822 内 部 寄 存 器 的 配 置 由 上 面 的 介 绍 可 知,AD9822 的 各 种 功 能 模 式 由 其 内 部 寄 存 器 控 制, 通 过 三 线 串 行 接 口 SLOAD,SDATA, SCK 对 内 部 寄 存 器 写 数 据 就 可 实 现 对 其 功 能 模 式 的 配 置 AD9822 共 有 8 个 8 b 的 内 部 寄 存 器, 各 寄 存 器 的 每 一 位 控 制 不 同 的 内 容 其 中, 配 置 寄 存 器 控 制 芯 片 的 工 作 模 式 和 偏 置 电 压 MUX 寄 存 器 控 制 采 样 通 道 的 顺 序 PGA 寄 存 器 和 补 偿 寄 存 器 各 有 3 个, 分 别 对 红 绿 蓝 3 个 通 道 做 增 益 控 制 和 信 号 补 偿 设 计 中, 由 FP-GA 提 供 三 线 串 行 接 口 的 时 序 及 数 据 3.AD9822 初 始 化 及 工 作 时 序 的 实 现 3.1 现 场 可 编 程 门 阵 列 (FPGA) 随 着 电 子 技 术 的 不 断 发 展, 电 子 系 统 的 设 计 方 法 也 发 生 了 很 大 的 变 化, 基 于 EDA 技 术 的 芯 片 设 计 已 经 代 替 了 传 统 的 设 计 方 法 成 为 电 子 系 统 设 计 的 主 流 现 场 可 编 程 门 阵 列 (FPGA) 是 应 用 极 为 广 泛 的 一 类 可 编 程 专 用 集 成 电 路 (ASIC), 工 程 师 可 以 利 用 它 在 实 验 室 里 设 计 出 所 需 的 专 用 集 成 电 路, 从 而 缩 短 产 品 的 开 发 周 期, 降 低 开 发 成 本 此 外,FPGA 还 具 有 可 重 复 编 程 和 在 系 统 重 构 的 特 性, 使 得 硬 件 的 功 能 可 以 像 软 件 一 样 通 过 编 程 来 修 改, 这 样 就 极 大 地 提 高 了 电 子 系 统 设 计 的 灵 活 性 和 通 用 性 本 文 选 用 Xilinx 公 司 的 FPGA 芯 片 XC3S50 器 件, 结 合 ISE10.1 开 发 工 具, 可 以 实 现 电 路 设 计 仿 真 器 件 编 程 等 全 部 功 能, 开 发 调 试 灵 活 3.2 AD9822 初 始 化 设 置 和 工 作 时 序 的 实 现 要 使 AD9822 正 常 工 作, 需 要 为 其 提 供 初 始 化 设 置 和 驱 动 时 序, 初 始 化 设 置 用 于 设 定 该 芯 片 的 工 作 状 态, 驱 动 时 序 为 A/D 转 换 提 供 正 确 的 采 样 时 钟 选 用 硬 件 编 程 语 言 VHDL 设 计 AD9822 的 初 始 化 设 置 和 驱 动 时 序 VHDL 采 用 自 顶 向 下 的 设 计 方 式, 具 有 很 强 的 系 统 硬 件 描 述 能 力 和 系 统 仿 真 能 力 AD9822 的 初 始 化 设 置 通 过 三 线 串 行 接 口 来 实 现, 图 3 为 向 内 部 寄 存 器 写 数 据 的 时 序 图 中,SLOAD 是 移 位 寄 存 器 使 能 端,SDATA 向 移 位 寄 存 器 写 数 据,SCLK 为 写 数 据 的 时 钟, 在 设 计 中, 频 率 选 为 1O MHz SDATA 数 据 长 度 为 2 个 字 节, 有 效 数 据 为 12 位 其 中 3 位 寄 存 器 地 址 选 通 位,9 位 寄 存 器 数 据 位 在 2 个 字 节 的 移 位 操 作 完 毕 之 后, 移 位 寄 存 器 中 的 数 据 在 SLOAD 上 升 沿 被 送 入 并 行 锁 存 寄 存 器 中, 即 在 SLOAD 上 升 沿 进 行 系 统 配 置 更 新 频 率 选 为 10 MHz

116 AD9822 的 工 作 时 序 由 CDS 驱 动 时 钟 和 A/D 转 换 时 钟 2 部 分 组 成 CDS 驱 动 时 钟 信 号 为 CDSCLK1 和 CDSCLK2, 二 者 均 在 下 降 沿 处 采 集 信 号 CDSCLK1 为 第 一 次 采 样 触 发 信 号,CDSCLK2 为 第 二 次 采 样 触 发 信 号 在 ADCCLK 下 降 沿 处 采 样 经 过 CDS 处 理 后 的 电 平 信 号 图 4 为 在 ise10.1 中 的 仿 真 波 形, 其 中, R 为 对 应 CCD 输 出 视 频 信 号 的 时 钟, 它 和 CCD 输 出 信 号 的 时 序 关 系 如 图 5 所 示 由 仿 真 结 果 可 以 看 出, 设 计 能 够 满 足 对 CCD 视 频 信 号 进 行 相 关 双 采 样 的 要 求 4 结 语 在 此 结 合 CCD 成 像 器 的 特 点 详 细 介 绍 了 AD9822 的 性 能 特 性 以 及 其 配 置 方 法, 作 为 高 性 能 的 CCD 信 号 处 理 器,AD9822 的 内 部 结 构 完 善, 可 编 程 参 数 配 置 灵 活 方 便, 其 集 成 了 CDS PGA ADC 等 电 路, 为 系 统 设 计 带 来 了 方 便 实 验 证 明,AD9822 能 较 好 地 完 成 对 高 速 面 阵 CCD 信 号 的 采 集 和 转 换, 满 足 CCD 视 频 处 理 的 要 求 光 电 编 码 器 原 理 结 构 图

117 增 量 式 光 电 旋 转 编 码 器 所 谓 编 码 器 即 是 将 某 种 物 理 量 转 换 为 数 字 格 式 的 装 置 运 动 控 制 系 统 中 的 编 码 器 的 作 用 是 将 位 置 和 角 度 等 参 数 转 换 为 数 字 量 可 采 用 电 接 触 磁 效 应 电 容 效 应 和 光 电 转 换 等 机 理, 形 成 各 种 类 型 的 编 码 器 运 动 控 制 系 统 中 最 常 见 的 编 码 器 是 光 电 编 码 器 光 电 编 码 器 根 据 其 用 途 的 不 同 分 为 旋 转 光 电 编 码 器 和 直 线 光 电 编 码 器, 分 别 用 于 测 量 旋 转 角 度 和 直 线 尺 寸 光 电 编 码 器 的 关 键 部 件 是 光 电 编 码 装 置, 在 旋 转 光 电 编 码 器 中 是 圆 形 的 码 盘 (codewheel 或 codedisk), 而 在 直 线 光 电 编 码 器 中 则 是 直 尺 形 的 码 尺 (codestrip) 码 盘 和 码 尺 根 据 用 途 和 成 本 的 需 要, 可 由 金 属 玻 璃 和 聚 合 物 等 材 料 制 作, 其 原 理 都 是 在 运 动 过 程 中 产 生 代 表 运 动 位 置 的 数 字 化 的 光 学 信 号 图 12.1 可 用 于 说 明 透 射 式 旋 转 光 电 编 码 器 的 原 理 在 与 被 测 轴 同 心 的 码 盘 上 刻 制 了 按 一 定 编 码 规 则 形 成 的 遮 光 和 透 光 部 分 的 组 合 在 码 环 的 一 边 是 发 光 二 极 管 或 白 炽 灯 光 源, 另 一 边 则 是 接 收 光 线 的 光 电 器 件 码 盘 随 着 被 测 轴 的 转 动 使 得 透 过 码 盘 的 光 束 产 生 间 断, 通 过 光 电 器 件 的 接 收 和 电 子 线 路 的 处 理, 产 生 特 定 电 信 号 的 输 出, 再 经 过 数 字 处 理 可 计 算 出 位 置 和 速 度 信 息 上 面 所 说 的 是 透 射 式 光 电 编 码 器 的 原 理 显 然 利 用 光 反 射 原 理 也 可 制 作 光 电 编 码 器 增 量 编 码 器 的 码 盘 如 图 12.2 所 示 在 现 代 高 分 辨 率 码 盘 上, 透 光 和 遮 光 部 分 都 是 很 细 的 窄 缝 和 线 条, 因 此 也 被 称 为 圆 光 栅 相 邻 的 窄 缝 之 间 的 夹 角 称 为 栅 距 角, 透 光 窄 缝 和 遮 光 部 分 大 约 各 占 栅 距 角 的 1/2 码 盘 的 分 辨 率 以 每 转 计 数 (CPR-counts per revolution) 表 示, 亦 即 码 盘 旋 转 一 周 在 光 电 检 测 部 分 可 产 生 的 脉 冲 数 例 如 某 码 盘 的 CPR 为 2048, 则 可 以 分 辨 的 角 度 为 10,311.8" 在 码 盘 上, 往 往 还 另 外 安 排 一 个 ( 或 一 组 ) 特 殊 的 窄 缝, 用 于 产 生 定 位 (index) 或 零 位 (zero) 信 号 测 量 装 置 或 运 动 控 制 系 统 可 利 用 这 个 信 号 产 生 回 零 或 复 位 操 作

118 从 原 理 分 析, 光 电 器 件 输 出 的 电 信 号 应 该 是 三 角 波 但 是 由 于 运 动 部 分 和 静 止 部 分 之 间 的 间 隙 所 导 致 的 光 线 衍 射 和 光 电 器 件 的 特 性, 使 得 到 的 波 形 近 似 于 正 弦 波, 而 且 其 幅 度 与 码 盘 的 分 辨 率 无 关 在 图 12.1 的 设 计 中 安 排 了 六 组 这 样 的 挡 板 和 光 电 器 件 组 合, 其 中 两 组 用 于 产 生 定 位 (index) 脉 冲 信 号 I ( 有 的 文 献 中 为 Z) 其 他 四 组 由 于 位 置 的 安 排, 产 生 4 个 在 相 位 上 依 次 相 差 90 的 准 正 弦 波 信 号, 分 别 称 为 A B A 和 B 将 相 位 相 差 180 的 A 和 A 送 到 一 个 比 较 器 的 两 个 输 入 端, 则 在 比 较 器 的 输 出 端 得 到 占 空 比 为 50% 的 方 波 信 号 A 同 理, 由 B 和 B 也 可 得 到 方 波 信 号 B 这 样 通 过 光 电 检 测 器 件 位 置 的 特 殊 安 排, 得 到 了 双 通 道 的 光 电 脉 冲 输 出 信 号 A 和 B( 见 图 12.3) 这 两 个 信 号 有 如 下 特 点 : (1) 两 者 的 占 空 比 均 为 so%; 图 12.3 双 通 道 信 号 的 形 成 (2) 如 果 朝 一 个 方 向 旋 转 时 A 信 号 在 相 位 上 领 先 于 B 信 号 90 的 话, 那 么 旋 转 方 向 反 过 来 的 时 候,B 信 号 在 相 位 上 领 先 于 A 信 号 90

119 这 种 双 通 道 信 号 的 特 点 为 测 量 分 辨 率 的 提 高 和 方 向 信 号 的 获 取 提 供 了 条 件 占 空 比 为 so% 的 方 波 信 号 A 和 B 中 有 4 个 特 殊 的 时 刻, 就 是 它 们 波 形 的 前 沿 和 后 沿 两 个 信 号 的 前 后 信 号 在 波 形 的 一 个 周 期 中 是 按 90 平 均 分 布 的 将 这 些 沿 信 号 取 出 并 加 以 利 用, 可 得 到 4 倍 频 的 脉 冲 信 号, 这 样 就 可 把 光 电 编 码 器 的 分 辨 率 提 高 到 4 倍 图 12.4 是 一 个 由 数 字 电 路 组 成 的 处 理 电 路, 在 这 个 电 路 中 采 用 了 施 密 特 输 入 的 反 相 器 异 或 门 或 门 和 D 触 发 器 电 路 中 各 处 波 形 如 图 所 示, 用 虚 线 隔 开 分 别 表 示 正 转 和 反 转 两 种 情 况 下 的 波 形 可 以 看 到 该 电 路 产 生 4 倍 频 计 数 信 号 和 方 向 信 号 使 用 这 些 信 号 再 加 上 定 位 脉 冲 的 配 合, 电 子 线 路 就 可 以 通 过 对 脉 冲 的 计 数 来 确 定 运 动 系 统 的 位 置 可 以 采 用 计 数 器 使 得 其 在 转 轴 朝 某 一 方 向 旋 转 时 进 行 增 数, 而 在 朝 相 反 方 向 旋 转 时 进 行 减 数, 这 样 就 可 以 在 不 掉 电 的 前 提 下 保 持 对 绝 对 位 置 的 记 忆 望 远 镜 的 轴 角 位 置 指 示

120 图 3.17 一 个 八 位 编 码 器 的 (a) 码 盘 和 (b) 编 码 器 的 工 作 原 理 图 近 代 工 业 已 经 为 望 远 镜 的 轴 角 系 统 提 供 了 一 系 列 的 轴 角 位 置 指 示 装 置 这 些 装 置 包 括 光 电 编 码 器, 圆 感 应 同 步 器 以 及 光 栅 刻 尺 (1) 光 电 编 码 器 光 电 编 码 器 是 一 种 二 进 制 光 电 位 置 指 示 器, 其 基 本 原 理 是 由 不 同 等 分 的 明 暗 相 间 的 条 纹, 通 过 光 电 元 件 取 得 角 度 位 置 的 二 进 制 数 字 信 号, 最 后 进 行 解 码 取 得 角 度 位 置 的 绝 对 值 或 相 对 值 绝 对 编 码 器 的 码 形 总 是 唯 一 的, 这 种 码 形 给 出 了 长 度 或 角 度 的 位 置 光 电 编 码 器 由 光 源, 码 盘 和 光 电 接 收 器 所 组 成 码 盘 是 编 码 器 中 的 最 重 要 的 器 件 图 3.17 是 一 个 八 位 编 码 器 的 码 盘 和 编 码 器 的 工 作 原 理 图 这 里 的 码 盘 是 一 种 自 然 码 盘 绝 对 编 码 器 的 码 形 有 多 种 形 式 一 种 叫 做 格 瑞 码 的 码 盘 特 别 适 用 于 光 学 编 码 器 ( 见 图 3.18(a)) 这 种 码 盘 每 进 一 格 仅 改 变 一 个 数 码, 不 易 产 生 错 码 现 象

121 图 3.19 增 量 编 码 器 码 盘 脉 冲 信 息 细 分 的 工 作 原 理, 图 中 z 表 示 零 位 光 电 编 码 器 的 另 一 类 是 增 量 编 码 器 增 量 编 码 器 的 码 盘 如 图 3.18(b) 所 示 它 的 码 盘 是 由 明 暗 相 间 的 条 纹 所 构 成 一 般 来 讲 同 样 分 辨 精 度 的 增 量 编 码 器 要 比 绝 对 编 码 器 便 宜 得 多 增 量 编 码 器 还 有 一 些 提 高 分 辨 精 度 的 方 法 通 常 增 量 光 栅 码 盘 有 四 个 刻 道, 其 中 两 个 是 明 暗 相 间 的 条 纹 码, 另 外 两 个 是 电 源 亮 度 指 示 码 这 两 个 条 纹 码 之 间 相 互 错 开, 这 样 这 种 码 盘 的 编 码 器 就 不 但 可 以 给 出 码 盘 运 动 的 角 度 和 大 小, 而 且 可 以 给 出 码 盘 运 动 的 方 向 同 时 当 光 栅 码 盘 的 方 波 脉 冲 信 息 输 入 到 顺 时 针 和 逆 时 针 的 增 减 计 数 器 中 时, 这 种 两 个 条 纹 码 的 方 波 信 息 就 可 以 分 解 为 一 倍 两 倍 或 四 倍 的 精 细 信 号 以 提 高 编 码 器 的 分 辨 本 领 如 果 光 栅 码 盘 的 质 量 好, 这 种 精 细 的 四 倍 的 信 号 可 以 精 确 到 每 一 个 信 号 脉 冲 的 二 分 之 一 为 了 获 得 更 为 精 细 的 分 辨 本 领 一 种 用 光 栅 读 头 的 方 法 可 以 达 到 这 个 目 的 ( 见 图 3.20) 这 时 在 旋 转 光 栅 的 后 面 加 上 了 一 个 小 的 子 光 栅 当 相 干 光 照 射 在 光 栅 盘 上 时, 在 子 光 栅 面 上 的 光 强 为 (leki,1999):

122 图 3.20 增 量 编 码 器 中 子 光 栅 码 盘 细 分 的 工 作 原 理 图 (leki,1999) 式 中 t1 是 光 栅 的 投 射 率 如 果 第 一 个 光 栅 的 周 期 是 p, 第 二 个 光 栅 的 周 期 也 是 p 用 w 作 为 在 焦 面 上 的 空 间 频 率, 则 在 焦 面 上 的 光 能 量 为 :

123 图 3.21 增 量 编 码 器 中 子 光 栅 码 盘 细 分 的 光 强 信 号 和 位 移 的 关 系,A.U 表 示 任 意 单 位 (leki,1999) Reprinted with permission from Taylor & Francis, Inc. 当 M=0 时 这 一 信 号 的 光 能 量 可 以 表 示 为 一 个 级 数 形 式 如 果 只 取 前 面 的 两 项 的 话, 则 焦 点 的 光 能 是 的 余 弦 函 数 这 样 通 过 电 细 分, 我 们 还 可 能 获 得 更 为 精 细 的 分 辨 精 度 在 实 际 应 用 中 可 以 用 四 组 子 光 栅, 同 时 用 于 上 下 两 组 条 纹 上 以 提 高 电 细 分 的 精 度 但 是 正 如 图 3.21 所 示 周 期 光 栅 的 焦 点 能 量 并 不 是 真 正 的 余 弦 曲 线, 所 以 如 果 采 用 如 图 3.22 所 示 的 调 制 子 光 栅 其 焦 点 能 量 才 是 真 正 的 余 弦 曲 线, 则 细 分 后 的 分 辨 率 精 度 就 会 更 为 准 确 另 外 应 用 调 制 平 行 光 源 的 方 法, 使 用 两 个 面 积 不 同 的 面 光 源 也 可 以 使 焦 点 能 量 成 为 正 确 的 余 弦 函 数 通 过 应 用 不 同 分 辨 率 的 增 量 光 栅 的 组 合, 可 以 获 得 不 同 频 率 的 正 弦 和 余 弦 的 值, 这 样 就 可 制 成 精 度 非 常 高 的 绝 对 编 码 器 一 般 这 种 高 精 度 的 编 码 器 总 有 多 个 码 道, 它 们 是 直 流 参 考 码 以 及 三 至 十 五 位 的 正 余 弦 码

124 图 3.22 增 量 编 码 器 的 两 种 调 制 子 光 栅 的 光 栅 具 体 尺 寸 (leki,1999) 现 代 光 栅 技 术 结 合 的 本 身 的 精 度 也 可 以 极 大 地 提 高 光 电 编 码 器 的 精 度 一 个 16 位 的 增 量 编 码 器, 如 在 其 码 盘 上 加 上 16 位 的 绝 对 码 图 案, 通 过 使 增 量 码 两 相 邻 条 纹 同 时 成 像, 则 会 给 出 码 盘 的 精 确 位 置, 以 至 于 获 得 24 位 以 上 的 绝 对 编 码 器 的 精 度, 这 是 十 分 重 要 的 技 术 进 展 (2) 圆 感 应 同 步 器 另 一 种 类 似 的 轴 角 编 码 装 置 是 圆 感 应 同 步 器 与 光 电 编 码 器 不 同, 圆 感 应 同 步 器 是 一 种 模 拟 装 置 各 个 数 值 的 变 化 是 连 续 的, 而 不 是 跳 动 式 的 圆 感 应 同 步 器 的 基 本 原 理 如 图 3.23 所 示, 它 由 定 子 和 动 子 所 组 成 它 的 动 子 只 有 一 个 线 圈, 而 在 它 的 定 子 上, 有 个 线 圈 构 成 个 极 它 的 每 一 个 线 圈 之 间 的 夹 角 是 度 当 在 动 子 中 输 入 交 流 电 压, 并 且 动 子 轴 线 和 定 子 的 零 点 偏 离 一 定 角 度 时, 则 在 定 子 上 的 各 个 线 圈 内 就 会 产 生 不 同 量 的 电 流 如 图 3.24 中 所 示, 有 : 图 3.23 圆 感 应 同 步 器 的 基 本 原 理 图 3.24 圆 感 应 同 步 器 定 子 上 的 各 个 线 圈 内 的 输 出 电 压 式 中 是 一 比 例 常 数 如 果 将 定 子 上 的 线 圈 如 图 3.23 中 所 示 互 相 连 结 起 来, 则 在 定 子 上 就 会 产 生 如 下 的 电 流 :

125 利 用 圆 感 应 同 步 器 这 一 特 性, 就 可 以 用 来 测 定 微 小 角 度 的 变 化 在 使 用 圆 感 应 同 步 器 时 为 了 测 定 角 度 的 绝 对 位 置, 还 要 加 上 一 个 粗 码 盘 比 较 光 电 编 码 器, 圆 感 应 同 步 器 有 如 下 几 个 好 处 :(a) 线 圈 动 定 盘 比 较 便 宜, (b) 对 环 境 要 求 较 低, 可 以 用 于 温 度 变 化 和 有 振 动 的 场 合 (3) 编 码 器 的 应 用 和 其 它 角 度 测 定 方 法 应 用 光 电 编 码 器 在 控 制 回 路 中 要 采 用 数 模 转 换 装 置, 而 圆 感 应 同 步 器 可 以 直 接 用 于 同 步 驱 动 的 控 制 不 过 它 们 两 种 都 能 实 现 轴 角 位 置 的 绝 对 指 示 或 者 增 量 指 示 它 们 的 位 置 精 度 高, 误 差 的 重 复 性 能 好, 只 是 高 位 数 的 指 示 器 价 格 较 高 光 栅 带 尺 加 摩 尔 条 纹 的 轴 角 指 示 方 法 是 近 年 新 发 展 起 来 的, 这 种 方 法 特 别 适 用 于 大 口 径 的 望 远 镜 这 种 光 栅 带 尺 的 精 度 约 小 于 1 微 米, 一 般 是 均 匀 地 粘 贴 在 大 型 驱 动 轮 的 边 缘, 并 通 过 摩 尔 条 纹 给 出 高 达 的 分 辨 精 度 光 栅 带 尺 的 缺 点 是 不 能 保 证 全 部 条 纹 的 一 致 性, 这 需 要 在 计 算 机 控 制 中 使 用 列 表 法 予 以 校 正 在 望 远 镜 中 光 栅 带 尺 常 用 于 位 置 的 绝 对 定 标 望 远 镜 绝 对 定 位 精 度 是 为 了 准 确 导 星 定 位 的 需 要, 而 增 量 定 位 则 是 为 了 精 确 导 星 的 要 求 因 此 增 量 编 码 器 要 求 有 较 高 的 分 辨 精 度 绝 对 编 码 器 可 以 直 接 与 望 远 镜 传 动 轴 连 接, 这 时 位 置 指 示 没 有 其 它 的 误 差 因 素 但 是 有 的 时 候 由 于 编 码 器 的 位 数 较 低 或 者 望 远 镜 传 动 轴 需 要 通 过 光 线, 也 可 以 将 编 码 器 装 置 在 第 一 级 齿 轮 付 上 这 时 编 码 器 的 分 辨 精 度 得 到 放 大, 但 同 时 齿 轮 的 误 差 也 将 影 响 角 度 绝 对 值 显 示 的 精 度 这 一 误 差 对 绝 对 位 置 定 标 有 很 大 的 影 响 但 是 近 年 来 有 不 少 望 远 镜 采 用 了 分 辨 精 度 高 的 增 量 放 大 指 示 装 置, 而 使 用 别 的 重 复 性 极 好 的 装 置, 如 高 灵 敏 度 的 水 平 仪 或 者 特 别 的 光 栅 刻 线 来 提 供 轴 角 位 置 的 绝 对 零 点, 这 样 就 不 再 需 要 昂 贵 的 绝 对 编 码 器 了 在 一 些 较 新 的 望 远 镜 中 还 有 利 用 精 密 电 磁 开 关 来 作 为 轴 角 绝 对 位 置 的 编 码, 这 种 电 磁 开 关 的 重 复 性 精 度 约 为 1 微 米 在 这 种 设 计 中 每 隔 10 或 者 15 度 就 安 装 一 个 精 密 电 磁 开 关 在 每 一 个 精 密 电 磁 开 关 之 间, 使 用 增 量 编 码 器, 甚 至 可 以 使 用 磨 擦 面 来 带 动 一 个 低 位 的 增 量 编 码 器 这 种 设 计 要 比 较 其 它 设 计 成 本 更 低 各 种 编 码 器 都 要 进 行 正 确 的 安 装, 才 能 发 挥 其 分 辩 精 度 当 编 码 器 和 轴 连 接 时, 最 重 要 的 就 是 要 避 免 在 编 码 器 轴 上 施 加 任 何 力 和 力 矩 因 此 编 码 器 的 联 轴 器 应 该 在 轴 向 和 径 向 上 强 度 比 较 低, 而 在 圆 周 方 向 上 强 度 很 高 对 于 新 型 的 六 杆 平 台 式 的 望 远 镜, 有 的 还 安 装 了 一 种 叫 光 纤 谐 振 陀 螺 仪 的 测 角 装 置 一 种 光 纤 谐 振 陀 螺 仪 总 共 包 括 三 个 光 纤 回 路 从 频 宽 很 小 的 激 光 二 极 管 向 一 根 光 纤 的 一 端 发 出 一 束 光, 同 时 这 一 光 纤 的 末 端 绕 回 到 起 始 端 并 与 起 始 端 处 的 光 纤 通 过 一 个 光 藕 合 器 藕 合, 形 成 一 个 在 两 个 方 向 上 都 有 光 线 通 过 的 回 路 在 这 个 回 路 的 中 部, 又 有 另 一 个 光 藕 合 器 使 得 第 一 个 回 路 和 第 二 个 光 纤 环 实 现 藕 合 同 时 在 第 二 个 光 纤 环 中 的 对 面 又 有 第 三 个 光 藕 合 器 以 实 现 第 二 光 纤 环 和 第 三 光 纤 回 路 的 藕 合 第 三 光 纤 回 路 是 一 个 开 环 回 路, 两 端 和 探 测 器 相 连 这 种 系 统 中 如 果 所 有 的 回 路 和 藕 合 器 均 为 固 定 的 并 且 在 第 二 个 光 纤 回 路 中 两 个 藕 合 器 正 好 位 于 回 路 的 对 称 点 上, 它 就 会 对 一 个 特 定 的 波 长 的 光 产 生 谐 振 而 当 第 二 个 回 路 相 对 于 第 一 个 回 路 有

126 一 个 很 小 的 转 角 时, 在 第 二 个 回 路 中 会 在 一 个 方 向 上 的 光 路 增 加, 而 在 另 一 个 方 向 上 的 光 路 减 少, 因 此 新 的 系 统 会 在 两 个 不 同 的 频 率 上 产 生 谐 振 比 较 原 有 的 谐 振 频 率, 其 中 一 个 频 率 要 大 些, 另 一 个 则 小 些 测 量 谐 振 频 率 的 变 化 就 可 以 来 了 解 角 度 的 变 化, 以 达 到 角 度 测 量 的 目 的 编 码 器 工 作 原 理, 光 电 编 码 器 的 工 作 原 理 分 析 作 者 : 佚 名 来 源 : 发 布 时 间 : :18:00 [ 收 藏 ] [ 评 论 ] 编 码 器 工 作 原 理, 光 电 编 码 器 的 工 作 原 理 分 析 编 码 器 工 作 原 理 绝 对 脉 冲 编 码 器 :APC 增 量 脉 冲 编 码 器 :SPC 两 者 一 般 都 应 用 于 速 度 控 制 或 位 置 控 制 系 统 的 检 测 元 件. 旋 转 编 码 器 是 用 来 测 量 转 速 的 装 置 它 分 为 单 路 输 出 和 双 路 输 出 两 种 技 术 参 数 主 要 有 每 转 脉 冲 数 ( 几 十 个 到 几 千 个 都 有 ), 和 供 电 电 压 等 单 路 输 出 是 指 旋 转 编 码 器 的 输 出 是 一 组 脉 冲, 而 双 路 输 出 的 旋 转 编 码 器 输 出 两 组 相 位 差 90 度 的 脉 冲, 通 过 这 两 组 脉 冲 不 仅 可 以 测 量 转 速, 还 可 以 判 断 旋 转 的 方 向 增 量 型 编 码 器 与 绝 对 型 编 码 器 的 区 分 编 码 器 如 以 信 号 原 理 来 分, 有 增 量 型 编 码 器, 绝 对 型 编 码 器 增 量 型 编 码 器 ( 旋 转 型 ) 工 作 原 理 :

127 由 一 个 中 心 有 轴 的 光 电 码 盘, 其 上 有 环 形 通 暗 的 刻 线, 有 光 电 发 射 和 接 收 器 件 读 取, 获 得 四 组 正 弦 波 信 号 组 合 成 A B C D, 每 个 正 弦 波 相 差 90 度 相 位 差 ( 相 对 于 一 个 周 波 为 360 度 ), 将 C D 信 号 反 向, 叠 加 在 A B 两 相 上, 可 增 强 稳 定 信 号 ; 另 每 转 输 出 一 个 Z 相 脉 冲 以 代 表 零 位 参 考 位 由 于 A B 两 相 相 差 90 度, 可 通 过 比 较 A 相 在 前 还 是 B 相 在 前, 以 判 别 编 码 器 的 正 转 与 反 转, 通 过 零 位 脉 冲, 可 获 得 编 码 器 的 零 位 参 考 位 编 码 器 码 盘 的 材 料 有 玻 璃 金 属 塑 料, 玻 璃 码 盘 是 在 玻 璃 上 沉 积 很 薄 的 刻 线, 其 热 稳 定 性 好, 精 度 高, 金 属 码 盘 直 接 以 通 和 不 通 刻 线, 不 易 碎, 但 由 于 金 属 有 一 定 的 厚 度, 精 度 就 有 限 制, 其 热 稳 定 性 就 要 比 玻 璃 的 差 一 个 数 量 级, 塑 料 码 盘 是 经 济 型 的, 其 成 本 低, 但 精 度 热 稳 定 性 寿 命 均 要 差 一 些 分 辨 率 编 码 器 以 每 旋 转 360 度 提 供 多 少 的 通 或 暗 刻 线 称 为 分 辨 率, 也 称 解 析 分 度 或 直 接 称 多 少 线, 一 般 在 每 转 分 度 5~10000 线 信 号 输 出 : 信 号 输 出 有 正 弦 波 ( 电 流 或 电 压 ), 方 波 (TTL HTL), 集 电 极 开 路 (PNP NPN), 推 拉 式 多 种 形 式, 其 中 TTL 为 长 线 差 分 驱 动 ( 对 称 A,A-;B,B-;Z,Z-),HTL 也 称 推 拉 式 推 挽 式 输 出, 编 码 器 的 信 号 接 收 设 备 接 口 应 与 编 码 器 对 应 信 号 连 接 编 码 器 的 脉 冲 信 号 一 般 连 接 计 数 器 PLC 计 算 机,PLC 和 计 算 机 连 接 的 模 块 有 低 速 模 块 与 高 速 模 块 之 分, 开 关 频 率 有 低 有 高 如 单 相 联 接, 用 于 单 方 向 计 数, 单 方 向 测 速 A.B 两 相 联 接, 用 于 正 反 向 计 数 判 断 正 反 向 和 测 速 A B Z 三 相 联 接, 用 于 带 参 考 位 修 正 的 位 置 测 量 A A-,B B-,Z Z- 连 接, 由 于 带 有 对 称 负 信 号 的 连 接, 电 流 对 于 电 缆 贡 献 的 电 磁 场 为 0, 衰 减 最 小, 抗 干 扰 最 佳, 可 传 输 较 远 的 距 离 对 于 TTL 的 带 有 对 称 负 信 号 输 出 的 编 码 器, 信 号 传 输 距 离 可 达 150 米 对 于 HTL 的 带 有 对 称 负 信 号 输 出 的 编 码 器, 信 号 传 输 距 离 可 达 300 米 编 码 器 的 定 义 与 功 能 : 在 数 字 系 统 里, 常 常 需 要 将 某 一 信 息 ( 输 入 ) 变 换 为 某 一 特 定 的 代 码 ( 输 出 ) 把 二 进 制 码 按 一 定 的 规 律 编 排, 例 如 8421 码 格 雷 码 等, 使 每 组 代 码 具 有 一 特 定 的 含 义 ( 代 表 某 个 数 字 或 控 制 信 号 ) 称 为 编 码 具 有 编 码 功 能 的 逻 辑 电 路 称 为 编 码 器 编 码 器 有 若 干 个 输 入, 在 某 一 时 刻 只 有 一 个 输 入 信 号 被 转 换 成 为 二 进 制 码 如 果 一 个 编 码 器 有 N 个 输 入 端 和 n 个 输 出 端, 则 输 出 端 与 输 入 端 之 间 应 满 足 关 系 N 2n 例 如 8 线 3 线 编 码 器 和 10 线 4 线 编 码 器 分 别 有 8 输 入 3 位 二 进 制 码 输 出 和 10 输 入 4 位 二 进 制 码 输 出 1.4 线 2 线 编 码 器 下 面 分 析 4 输 入 2 位 二 进 制 输 出 的 编 码 器 的 工 作 原 理 4 线 2 线 编 码 器 的 功 能 如 表 所 示

128 根 据 逻 辑 表 达 式 画 出 逻 辑 图 如 图 所 示 该 逻 辑 电 路 可 以 实 现 如 表 所 示 的 功 能, 即 当 I0~I3 中 某 一 个 输 入 为 1, 输 出 Y1Y0 即 为 相 对 应 的 代 码, 例 如 当 I1 为 1 时,Y1Y0 为 01 这 里 还 有 一 个 问 题 请 读 者 注 意 当 I0 为 1,I1~I3 都 为 0 和 I0~I3 均 为 0 时 Y1Y0 都 是 00, 而 这 两 种 情 况 在 实 际 中 是 必 须 加 以 区 分 的, 这 个 问 题 留 待 后 面 加 以 解 决 当 然, 编 码 器 也 可 以 设 计 为 低 电 平 有 效 2. 键 盘 输 入 8421BCD 码 编 码 器 : 计 算 机 的 键 盘 输 入 逻 辑 电 路 就 是 由 编 码 器 组 成 图 是 用 十 个 按 键 和 门 电 路 组 成 的 8421 码 编 码 器, 其 功 能 如 表 所 示, 其 中 S0~S9 代 表 十 个 按 键, 即 对 应 十 进 制 数 0~9 的 输 入 键, 它 们 对 应 的 输 出 代 码 正 好 是 8421BCD 码, 同 时 也 把 它 们 作 为 逻 辑 变 量,ABCD 为 输 出 代 码 (A 为 最 高 位 ),GS 为 控 制 使 能 标 志 对 功 能 表 和 逻 辑 电 路 进 行 分 析, 都 可 得 知 :1 该 编 码 器 为 输 入 低 电 平 有 效 ;2 在 按 下 S0~S9 中 任 意 一 个 键 时, 即 输 入 信 号 中 有 一 个 为 有 效 电 平 时,GS=1, 代 表 有 信 号 输 入, 而 只 有 S0~S9 均 为 高 电 平 时 GS=0, 代

129 表 无 信 号 输 入, 此 时 的 输 出 代 码 0000 为 无 效 代 码 由 此 解 决 了 前 面 提 出 的 如 何 区 分 两 种 情 况 下 输 出 都 是 全 0 的 问 题

130 综 上 所 述, 对 编 码 器 归 纳 为 以 下 几 点 : 1. 编 码 器 的 输 入 端 子 数 N( 要 进 行 编 码 的 信 息 的 个 数 ) 与 输 出 端 子 数 n( 所 得 编 码 的 位 数 ) 之 间 应 满 足 关 系 式 N 2n 2. 编 码 器 的 每 个 输 入 端 都 代 表 一 个 二 进 制 数 十 进 制 数 或 其 它 信 息 符 号, 而 且 在 N 个 输 入 端 中 每 次 只 允 许 有 一 个 输 入 端 输 入 信 号 ( 输 入 低 电 平 有 效 或 输 入 高 电 平 有 效 ), 输 出 为 相 应 的 二 进 制 代 码 或 二 - 十 进 制 代 码 (BCD 码 ) 3. 正 确 使 用 编 码 器 的 控 制 端, 可 以 用 来 扩 展 编 码 器 的 功 能 一 光 电 编 码 器 的 工 作 原 理 光 电 编 码 器, 是 一 种 通 过 光 电 转 换 将 输 出 轴 上 的 机 械 几 何 位 移 量 转 换 成 脉 冲 或 数 字 量 的 传 感 器 这 是 目

131 前 应 用 最 多 的 传 感 器, 光 电 编 码 器 是 由 光 栅 盘 和 光 电 检 测 装 置 组 成 光 栅 盘 是 在 一 定 直 径 的 圆 板 上 等 分 地 开 通 若 干 个 长 方 形 孔 由 于 光 电 码 盘 与 电 动 机 同 轴, 电 动 机 旋 转 时, 光 栅 盘 与 电 动 机 同 速 旋 转, 经 发 光 二 极 管 等 电 子 元 件 组 成 的 检 测 装 置 检 测 输 出 若 干 脉 冲 信 号, 其 原 理 示 意 图 如 图 1 所 示 ; 通 过 计 算 每 秒 光 电 编 码 器 输 出 脉 冲 的 个 数 就 能 反 映 当 前 电 动 机 的 转 速 此 外, 为 判 断 旋 转 方 向, 码 盘 还 可 提 供 相 位 相 差 90o 的 两 路 脉 冲 信 号 根 据 检 测 原 理, 编 码 器 可 分 为 光 学 式 磁 式 感 应 式 和 电 容 式 根 据 其 刻 度 方 法 及 信 号 输 出 形 式, 可 分 为 增 量 式 绝 对 式 以 及 混 合 式 三 种 ( 一 ) 增 量 式 编 码 器 增 量 式 编 码 器 是 直 接 利 用 光 电 转 换 原 理 输 出 三 组 方 波 脉 冲 A B 和 Z 相 ;A B 两 组 脉 冲 相 位 差 90o, 从 而 可 方 便 地 判 断 出 旋 转 方 向, 而 Z 相 为 每 转 一 个 脉 冲, 用 于 基 准 点 定 位 它 的 优 点 是 原 理 构 造 简 单, 机 械 平 均 寿 命 可 在 几 万 小 时 以 上, 抗 干 扰 能 力 强, 可 靠 性 高, 适 合 于 长 距 离 传 输 其 缺 点 是 无 法 输 出 轴 转 动 的 绝 对 位 置 信 息 ( 二 ) 绝 对 式 编 码 器 绝 对 编 码 器 是 直 接 输 出 数 字 量 的 传 感 器, 在 它 的 圆 形 码 盘 上 沿 径 向 有 若 干 同 心 码 道, 每 条 道 上 由 透 光 和 不 透 光 的 扇 形 区 相 间 组 成, 相 邻 码 道 的 扇 区 数 目 是 双 倍 关 系, 码 盘 上 的 码 道 数 就 是 它 的 二 进 制 数 码 的 位 数, 在 码 盘 的 一 侧 是 光 源, 另 一 侧 对 应 每 一 码 道 有 一 光 敏 元 件 ; 当 码 盘 处 于 不 同 位 置 时, 各 光 敏 元 件 根 据 受 光 照 与 否 转 换 出 相 应 的 电 平 信 号, 形 成 二 进 制 数 这 种 编 码 器 的 特 点 是 不 要 计 数 器, 在 转 轴 的 任 意 位 置 都 可 读 出 一 个 固 定 的 与 位 置 相 对 应 的 数 字 码 显 然, 码 道 越 多, 分 辨 率 就 越 高, 对 于 一 个 具 有 N 位 二 进 制 分 辨 率 的 编 码 器, 其 码 盘 必 须 有 N 条 码 道 目 前 国 内 已 有 16 位 的 绝 对 编 码 器 产 品 绝 对 式 编 码 器 是 利 用 自 然 二 进 制 或 循 环 二 进 制 ( 葛 莱 码 ) 方 式 进 行 光 电 转 换 的 绝 对 式 编 码 器 与 增 量 式 编 码 器 不 同 之 处 在 于 圆 盘 上 透 光 不 透 光 的 线 条 图 形, 绝 对 编 码 器 可 有 若 干 编 码, 根 据 读 出 码 盘 上 的 编

132 码, 检 测 绝 对 位 置 编 码 的 设 计 可 采 用 二 进 制 码 循 环 码 二 进 制 补 码 等 它 的 特 点 是 : 1. 可 以 直 接 读 出 角 度 坐 标 的 绝 对 值 ; 2. 没 有 累 积 误 差 ; 3. 电 源 切 除 后 位 置 信 息 不 会 丢 失 但 是 分 辨 率 是 由 二 进 制 的 位 数 来 决 定 的, 也 就 是 说 精 度 取 决 于 位 数, 目 前 有 10 位 14 位 等 多 种 ( 三 ) 混 合 式 绝 对 值 编 码 器 混 合 式 绝 对 值 编 码 器, 它 输 出 两 组 信 息 : 一 组 信 息 用 于 检 测 磁 极 位 置, 带 有 绝 对 信 息 功 能 ; 另 一 组 则 完 全 同 增 量 式 编 码 器 的 输 出 信 息 光 电 编 码 器 是 一 种 角 度 ( 角 速 度 ) 检 测 装 置, 它 将 输 入 给 轴 的 角 度 量, 利 用 光 电 转 换 原 理 转 换 成 相 应 的 电 脉 冲 或 数 字 量, 具 有 体 积 小, 精 度 高, 工 作 可 靠, 接 口 数 字 化 等 优 点 它 广 泛 应 用 于 数 控 机 床 回 转 台 伺 服 传 动 机 器 人 雷 达 军 事 目 标 测 定 等 需 要 检 测 角 度 的 装 置 和 设 备 中 二 光 电 编 码 器 的 应 用 电 路 ( 一 )EPC-755A 光 电 编 码 器 的 应 用 EPC-755A 光 电 编 码 器 具 备 良 好 的 使 用 性 能, 在 角 度 测 量 位 移 测 量 时 抗 干 扰 能 力 很 强, 并 具 有 稳 定 可 靠 的 输 出 脉 冲 信 号, 且 该 脉 冲 信 号 经 计 数 后 可 得 到 被 测 量 的 数 字 信 号 因 此, 我 们 在 研 制 汽 车 驾 驶 模 拟 器 时, 对 方 向 盘 旋 转 角 度 的 测 量 选 用 EPC-755A 光 电 编 码 器 作 为 传 感 器, 其 输 出 电 路 选 用 集 电 极 开 路 型, 输 出 分 辨 率 选 用 360 个 脉 冲 / 圈, 考 虑 到 汽 车 方 向 盘 转 动 是 双 向 的, 既 可 顺 时 针 旋 转, 也 可 逆 时 针 旋 转, 需 要 对 编 码 器 的 输 出 信 号 鉴 相 后 才 能 计 数 图 2 给 出 了 光 电 编 码 器 实 际 使 用 的 鉴 相 与 双 向 计 数 电 路, 鉴 相 电 路 用 1 个 D 触 发 器 和 2 个 与 非 门 组 成, 计 数 电 路 用 3 片 74LS193 组 成 当 光 电 编 码 器 顺 时 针 旋 转 时, 通 道 A 输 出 波 形 超 前 通 道 B 输 出 波 形 90,D 触 发 器 输 出 Q( 波 形 W1) 为 高 电

133 平,Q( 波 形 W2) 为 低 电 平, 上 面 与 非 门 打 开, 计 数 脉 冲 通 过 ( 波 形 W3), 送 至 双 向 计 数 器 74LS193 的 加 脉 冲 输 入 端 CU, 进 行 加 法 计 数 ; 此 时, 下 面 与 非 门 关 闭, 其 输 出 为 高 电 平 ( 波 形 W4) 当 光 电 编 码 器 逆 时 针 旋 转 时, 通 道 A 输 出 波 形 比 通 道 B 输 出 波 形 延 迟 90,D 触 发 器 输 出 Q( 波 形 W1) 为 低 电 平,Q( 波 形 W2 ) 为 高 电 平, 上 面 与 非 门 关 闭, 其 输 出 为 高 电 平 ( 波 形 W3); 此 时, 下 面 与 非 门 打 开, 计 数 脉 冲 通 过 ( 波 形 W4), 送 至 双 向 计 数 器 74LS193 的 减 脉 冲 输 入 端 CD, 进 行 减 法 计 数 汽 车 方 向 盘 顺 时 针 和 逆 时 针 旋 转 时, 其 最 大 旋 转 角 度 均 为 两 圈 半, 选 用 分 辨 率 为 360 个 脉 冲 / 圈 的 编 码 器, 其 最 大 输 出 脉 冲 数 为 900 个 ; 实 际 使 用 的 计 数 电 路 用 3 片 74LS193 组 成, 在 系 统 上 电 初 始 化 时, 先 对 其 进 行 复 位 (CLR 信 号 ), 再 将 其 初 值 设 为 800H, 即 2048(LD 信 号 ); 如 此, 当 方 向 盘 顺 时 针 旋 转 时, 计 数 电 路 的 输 出 范 围 为 2048~2948, 当 方 向 盘 逆 时 针 旋 转 时, 计 数 电 路 的 输 出 范 围 为 2048~1148; 计 数 电 路 的 数 据 输 出 D0~D11 送 至 数 据 处 理 电 路 实 际 使 用 时, 方 向 盘 频 繁 地 进 行 顺 时 针 和 逆 时 针 转 动, 由 于 存 在 量 化 误 差, 工 作 较 长 一 段 时 间 后, 方 向 盘 回 中 时 计 数 电 路 输 出 可 能 不 是 2048, 而 是 有 几 个 字 的 偏 差 ; 为 解 决 这 一 问 题, 我 们 增 加 了 一 个 方 向 盘 回 中 检 测 电 路, 系 统 工 作 后, 数 据 处 理 电 路 在 模 拟 器 处 于 非 操 作 状 态 时, 系 统 检 测 回 中 检 测 电 路, 若 方 向 盘 处 于 回 中 状 态, 而 计 数 电 路 的 数 据 输 出 不 是 2048, 可 对 计 数 电 路 进 行 复 位, 并 重 新 设 置 初 值 ( 二 ) 光 电 编 码 器 在 重 力 测 量 仪 中 的 应 用 采 用 旋 转 式 光 电 编 码 器, 把 它 的 转 轴 与 重 力 测 量 仪 中 补 偿 旋 钮 轴 相 连 重 力 测 量 仪 中 补 偿 旋 钮 的 角 位 移 量 转 化 为 某 种 电 信 号 量 ; 旋 转 式 光 电 编 码 器 分 两 种, 绝 对 编 码 器 和 增 量 编 码 器 增 量 编 码 器 是 以 脉 冲 形 式 输 出 的 传 感 器, 其 码 盘 比 绝 对 编 码 器 码 盘 要 简 单 得 多 且 分 辨 率 更 高 一 般 只 需 要 三 条 码 道, 这 里 的 码 道 实 际 上 已 不 具 有 绝 对 编 码 器 码 道 的 意 义, 而 是 产 生 计 数 脉 冲 它 的 码 盘 的 外 道 和 中 间 道 有 数 目 相 同 均 匀 分 布 的 透 光 和 不 透 光 的 扇 形 区 ( 光 栅 ), 但 是 两 道 扇 区 相 互 错 开 半 个 区 当 码

134 盘 转 动 时, 它 的 输 出 信 号 是 相 位 差 为 90 的 A 相 和 B 相 脉 冲 信 号 以 及 只 有 一 条 透 光 狭 缝 的 第 三 码 道 所 产 生 的 脉 冲 信 号 ( 它 作 为 码 盘 的 基 准 位 置, 给 计 数 系 统 提 供 一 个 初 始 的 零 位 信 号 ) 从 A,B 两 个 输 出 信 号 的 相 位 关 系 ( 超 前 或 滞 后 ) 可 判 断 旋 转 的 方 向 当 码 盘 正 转 时,A 道 脉 冲 波 形 比 B 道 超 前 π/2, 而 反 转 时, A 道 脉 冲 比 B 道 滞 后 π/2 是 一 实 际 电 路, 用 A 道 整 形 波 的 下 沿 触 发 单 稳 态 产 生 的 正 脉 冲 与 B 道 整 形 波 相 ' 与 ', 当 码 盘 正 转 时 只 有 正 向 口 脉 冲 输 出, 反 之, 只 有 逆 向 口 脉 冲 输 出 因 此, 增 量 编 码 器 是 根 据 输 出 脉 冲 源 和 脉 冲 计 数 来 确 定 码 盘 的 转 动 方 向 和 相 对 角 位 移 量 通 常, 若 编 码 器 有 N 个 ( 码 道 ) 输 出 信 号, 其 相 位 差 为 π/ N, 可 计 数 脉 冲 为 2N 倍 光 栅 数, 现 在 N=2 电 路 的 缺 点 是 有 时 会 产 生 误 记 脉 冲 造 成 误 差, 这 种 情 况 出 现 在 当 某 一 道 信 号 处 于 " 高 " 或 " 低 " 电 平 状 态, 而 另 一 道 信 号 正 处 于 " 高 " 和 " 低 " 之 间 的 往 返 变 化 状 态, 此 时 码 盘 虽 然 未 产 生 位 移, 但 是 会 产 生 单 方 向 的 输 出 脉 冲 例 如, 码 盘 发 生 抖 动 或 手 动 对 准 位 置 时 ( 下 面 可 以 看 到, 在 重 力 仪 测 量 时 就 会 有 这 种 情 况 ) 是 一 个 既 能 防 止 误 脉 冲 又 能 提 高 分 辨 率 的 四 倍 频 细 分 电 路 在 这 里, 采 用 了 有 记 忆 功 能 的 D 型 触 发 器 和 时 钟 发 生 电 路 每 一 道 有 两 个 D 触 发 器 串 接, 这 样, 在 时 钟 脉 冲 的 间 隔 中, 两 个 Q 端 ( 如 对 应 B 道 的 74LS175 的 第 2 7 引 脚 ) 保 持 前 两 个 时 钟 期 的 输 入 状 态, 若 两 者 相 同, 则 表 示 时 钟 间 隔 中 无 变 化 ; 否 则, 可 以 根 据 两 者 关 系 判 断 出 它 的 变 化 方 向, 从 而 产 生 ' 正 向 ' 或 ' 反 向 ' 输 出 脉 冲 当 某 道 由 于 振 动 在 ' 高 ' ' 低 ' 间 往 复 变 化 时, 将 交 替 产 生 ' 正 向 ' 和 ' 反 向 ' 脉 冲, 这 在 对 两 个 计 数 器 取 代 数 和 时 就 可 消 除 它 们 的 影 响 ( 下 面 仪 器 的 读 数 也 将 涉 及 这 点 ) 由 此 可 见, 时 钟 发 生 器 的 频 率 应 大 于 振 动 频 率 的 可 能 最 大 值 由 图 4 还 可 看 出, 在 原 一 个 脉 冲 信 号 的 周 期 内, 得 到 了 四 个 计 数 脉 冲 例 如, 原 每 圈 脉 冲 数 为 1000 的 编 码 器 可 产 生 4 倍 频 的 脉 冲 数 是 4000 个, 其 分 辨 率 为 0.09 实 际 上, 目 前 这 类 传 感 器 产 品 都 将 光 敏 元 件 输 出 信 号 的 放 大 整 形 等 电 路 与 传 感 检 测 元 件 封 装 在 一 起, 所 以 只 要 加 上 细 分 与 计 数 电 路 就 可 以 组 成 一 个 角 位 移 测 量 系 统 (74159 是 4-16 译 码 器 ) 三 应 用 中 问 题 分 析 及 改 进 措 施

135 ( 一 ) 应 用 中 问 题 分 析 光 电 检 测 装 置 的 发 射 和 接 收 装 置 都 安 装 在 生 产 现 场, 在 使 用 中 暴 露 出 许 多 缺 陷, 其 有 内 在 因 素 也 有 外 在 因 素, 主 要 表 现 在 以 下 几 个 方 面 :1. 发 射 装 置 或 接 受 装 置 因 机 械 震 动 等 原 因 而 引 起 的 移 位 或 偏 移, 导 致 接 收 装 置 不 能 可 靠 的 接 收 到 光 信 号, 而 不 能 产 生 电 信 号 例 如 ; 光 电 编 码 器 应 用 在 轧 钢 调 速 系 统 中, 因 光 电 编 码 器 是 直 接 用 螺 栓 固 定 在 电 动 机 的 外 壳 上, 光 电 编 码 器 的 轴 通 过 较 硬 的 弹 簧 片 和 电 动 机 转 轴 相 连 接, 因 电 动 机 所 带 负 载 是 冲 击 性 负 载, 当 轧 机 过 钢 时 会 引 起 电 动 机 转 轴 和 外 壳 的 振 动 经 测 定 ; 过 钢 时 光 电 编 码 器 振 动 速 度 为 2.6mm/s, 这 样 的 振 动 速 度 会 损 坏 光 电 编 码 器 的 内 部 功 能 造 成 误 发 脉 冲, 从 而 导 致 控 制 系 统 不 稳 定 或 误 动 作, 导 致 事 故 发 生 2. 因 光 电 检 测 装 置 安 装 在 生 产 现 场, 受 生 产 现 场 环 境 因 素 影 响 导 致 光 电 检 测 装 置 不 能 可 靠 的 工 作 如 安 装 部 位 温 度 高 湿 度 大, 导 致 光 电 检 测 装 置 内 部 的 电 子 元 件 特 性 改 变 或 损 坏 例 如 在 连 铸 机 送 引 锭 跟 踪 系 统, 由 于 光 电 检 测 装 置 安 装 的 位 置 靠 近 铸 坯, 环 境 温 度 高 而 导 致 光 电 检 测 装 置 误 发 出 信 号 或 损 坏, 而 引 发 生 产 或 人 身 事 故 3. 生 产 现 场 的 各 种 电 磁 干 扰 源, 对 光 电 检 测 装 置 产 生 的 干 扰, 导 致 光 电 检 测 装 置 输 出 波 形 发 生 畸 变 失 真, 使 系 统 误 动 或 引 发 生 产 事 故 例 如 ; 光 电 检 测 装 置 安 装 在 生 产 设 备 本 体, 其 信 号 经 电 缆 传 输 至 控 制 系 统 的 距 离 一 般 在 20m~100m, 传 输 电 缆 虽 然 一 般 都 选 用 多 芯 屏 蔽 电 缆, 但 由 于 电 缆 的 导 线 电 阻 及 线 间 电 容 的 影 响 再 加 上 和 其 他 电 缆 同 在 一 起 敷 设, 极 易 受 到 各 种 电 磁 干 扰 的 影 响, 因 此 引 起 波 形 失 真, 从 而 使 反 馈 到 调 速 系 统 的 信 号 与 实 际 值 的 偏 差, 而 导 致 系 统 精 度 下 降 ( 二 ) 改 进 措 施 1. 改 变 光 电 编 码 器 的 安 装 方 式 光 电 编 码 器 不 在 安 装 在 电 动 机 外 壳 上, 而 是 在 电 动 机 的 基 础 上 制 作 一 固 定 支 架 来 独 立 安 装 光 电 编 码 器, 光 电 编 码 器 轴 与 电 动 机 轴 中 心 必 须 处 于 同 一 水 平 高 度, 两 轴 采 用 软 橡 胶 或 尼 龙 软 管 相 连 接, 以 减 轻 电 动 机 冲 击 负 载 对 光 电 编 码 器 的 机 械 冲 击 采 用 此 方 式 后 经 测 振 仪 检 测, 其 振 动 速 度 降 至 1.2mm/s

136 2. 合 理 选 择 光 电 检 测 装 置 输 出 信 号 传 输 介 质, 采 用 双 绞 屏 蔽 电 缆 取 代 普 通 屏 蔽 电 缆 双 绞 屏 蔽 电 缆 具 有 两 个 重 要 的 技 术 特 性, 一 是 对 电 缆 受 到 的 电 磁 干 扰 具 有 较 强 的 防 护 能 力, 因 为 空 间 电 磁 场 在 线 上 产 生 的 干 扰 电 流 可 以 互 相 抵 消 双 绞 屏 蔽 电 缆 的 另 一 个 技 术 特 点 是 互 绞 后 两 线 间 距 很 小, 两 线 对 干 扰 线 路 的 距 离 基 本 相 等, 两 线 对 屏 蔽 网 的 分 布 电 容 也 基 本 相 同, 这 对 抑 制 共 模 干 扰 效 果 更 加 明 显 3. 利 用 PLC 软 件 监 控 或 干 涉 在 连 铸 生 产 的 送 引 锭 过 程 要 求 光 电 检 测 装 置 产 生 有 时 序 性 的 电 信 号, 同 时, 该 信 号 与 整 个 过 程 不 同 阶 段 相 对 应 如 图 5 (1) 送 引 锭 过 程 启 动 前, 光 电 信 号 1 为 "1" (2) 送 引 锭 过 程 启 动 后, 在 A 阶 段, 辊 道 启 动, 引 锭 杆 上 送 当 引 锭 杆 挡 住 光 电 装 置 发 射 出 的 红 外 光 时, 光 电 信 号 为 "0"; 当 红 外 光 透 过 引 锭 杆 中 部 2 个 小 圆 孔 时, 光 电 装 置 发 出 信 号 2 和 3, 均 为 "1" (3) 送 引 锭 过 程 在 B 阶 段, 光 电 信 号 为 "0", 辊 道 停 下, 引 锭 杆 暂 停 上 送, 扇 形 10 段 压 下, 启 动 拉 矫 机 和 " 同 步 1", 引 锭 杆 继 续 上 送 (4) 送 引 锭 过 程 在 C 阶 段, 引 锭 杆 上 送, 并 不 再 挡 住 红 外 光, 光 电 信 号 4 为 "1", 启 动 " 同 步 2", 停 下 " 同 步 1", 引 锭 杆 继 续 上 送 至 此 光 电 装 置 工 作 过 程 结 束 根 据 光 检 测 电 装 置 的 工 作 过 程, 只 要 现 场 测 定 送 引 锭 过 程 中 各 个 光 电 信 号 发 生 的 时 间, 结 合 送 引 锭 过 程 与 光 电 信 号 的 关 系, 利 用 PLC 应 用 程 序 中 的 相 关 数 据, 编 制 符 合 要 求 的 PLC 程 序, 将 PLC 程 序 输 出 信 号 输 入 至 PLC 的 输 入 模 块, 替 代 原 光 电 信 号 的 输 入 信 号 其 程 序 框 图 如 图 6 所 示 什 么 叫 光 电 编 码 器 光 电 编 码 器 是 通 过 读 取 光 电 编 码 盘 上 的 图 案 或 编 码 信 息 来 表 示 与 光 电 编 码 器 相 连 的 电 机 转 子 的 位 置 信 息 的 根 据 光 电 编 码 器 的 工 作 原 理 可 以 将 光 电 编 码 器 分 为 绝 对 式 光 电 编 码 器 与 增 量 式 光 电 编 码 器, 下 面 简 单 介 绍 下 下 绝 对 式 光 电 编 码 器 的 的 结 构 与 工 作 原 理 做 介 绍 绝 对 式 光 电 编 码 器 的 结 构 与 工 作 原 理 绝 对 式 光 电 编 码 器 如 图 所 示, 他 是 通 过 读 取 编 码 盘 上 的 二 进 制 的 编 码 信 息 来 表 示 绝 对 位 置 信 息 的

137 编 码 盘 是 按 照 一 定 的 编 码 形 式 制 成 的 圆 盘 图 1 是 二 进 制 的 编 码 盘, 图 中 空 白 部 分 是 透 光 的, 用 "0" 来 表 示 ; 涂 黑 的 部 分 是 不 透 光 的, 用 "1" 来 表 示 通 常 将 组 成 编 码 的 圈 称 为 码 道, 每 个 码 道 表 示 二 进 制 数 的 一 位, 其 中 最 外 侧 的 是 最 低 位, 最 里 侧 的 是 最 高 位 如 果 编 码 盘 有 4 个 码 道, 则 由 里 向 外 的 码 道 分 别 表 示 为 二 进 制 的 和 20,4 位 二 进 制 可 形 成 16 个 二 进 制 数, 因 此 就 将 圆 盘 划 分 16 个 扇 区, 每 个 扇 区 对 应 一 个 4 位 二 进 制 数, 如 图 1 按 照 码 盘 上 形 成 的 码 道 配 置 相 应 的 光 电 传 感 器, 包 括 光 源 透 镜 码 盘 光 敏 二 极 管 和 驱 动 电 子 线 路 当 码 盘 转 到 一 定 的 角 度 时, 扇 区 中 透 光 的 码 道 对 应 的 光 敏 二 极 管 导 通, 输 出 低 电 平 "0", 遮 光 的 码 道 对 应 的 光 敏 二 极 管 不 导 通, 输 出 高 电 平 "1", 这 样 形 成 与 编 码 方 式 一 致 的 高 低 电 平 输 出, 从 而 获 得 扇 区 的 位 置 脚 光 电 编 码 器 原 理 光 电 编 码 器, 是 一 种 通 过 光 电 转 换 将 输 出 轴 上 的 机 械 几 何 位 移 量 转 换 成 脉 冲 或 数 字 量 的 传 感 器, 是 目 前 应 用 最 多 的 传 感 器 一 般 的 光 电 编 码 器 主 要 由 光 栅 盘 和 光 电 检 测 装 置 组 成 在 伺 服 系 统 中, 由 于 光 电 码 盘 与 电 动 机 同 轴, 电 动 机 旋 转 时, 光 栅 盘 与 电 动 机 同 速 旋 转. 经 发 光 二 极 管 等 电 子 元 件 组 成 的 检 测 装 置 检 测 输 出 若 干 脉 冲 信 号, 其 原 理 如 图 所 示 通 过 计 算 每 秒 光 电 编 码 器 输 出 脉 冲 的 个 数 就 能 反 映 当 前 电 动 机 的 转 速 此 外, 为 判 断 旋 转 方 向, 码 盘 还 可 提 供 相 位 相 差 90 的 2 个 通 道 的 光 码 输 出, 根 据 双 通 道 光 码 的 状 态 变 化 确 定 电 机 的 转 向 根 据 检 测 原 理, 编 码 器 可 分 为 光 学 式 磁 式 感 应 式 和 电 容 式 根 据 其 刻 度 方 法 及 信 号 输 出 形 式, 可 分 为 增 量 式 绝 对 式 以 及 混 合 式 3 种 编 码 器 原 理 光 电 编 码 器, 是 一 种 通 过 光 电 转 换 将 输 出 轴 上 的 机 械 几 何 位 移 量 转 换 成 脉 冲 或 数 字 量 的 传 感 器 这 是 目 前 应 用 最 多 的 传 感 器, 光 电 编 码 器 是 由 光 栅 盘 和 光 电 检 测 装 置 组 成 光 栅 盘 是 在 一 定 直 径 的 圆 板 上 等 分 地 开 通 若 干 个 长 方 形 孔 由 于 光 电 码 盘 与 电 动 机 同 轴, 电 动 机 旋 转 时, 光 栅 盘 与 电 动 机 同 速 旋 转, 经 发 光 二 极

138 管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号 其原理示意图如图 1 所示 通过计算每秒光电编码 器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速 1.1 增量式编码器 增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A B 和 Z 相 A B 两组脉冲相位差 90 海佣煞 奖愕嘏卸铣鲂较颍鳽相为每转一个脉冲 用于基准点定位 它的优点是原理构造简单 机械平均寿命可在 几万小时以上 抗干扰能力强 可靠性高 适合于长距离传输 其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息 1.2 绝对式编码器 绝对编码器是直接输出数字量的传感器 在它的圆形码盘上沿径向有若干同心码道 每条道上由透光和不 透光的扇形区相间组成 相邻码道的扇区数目是双倍关系 码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数 在码盘的一侧是光源 另一侧对应每一码道有一光敏元件 当码盘处于不同位置时 各光敏元件根据受光 照与否转换出相应的电平信号 形成二进制数 这种编码器的特点是不要计数器 在转轴的任意位置都可 读出一个固定的与位置相对应的数字码 显然 码道越多 分辨率就越高 对于一个具有 N 位二进制分辨 率的编码器 其码盘必须有 N 条码道 目前国内已有 16 位的绝对编码器产品 绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制 葛莱码 方式进行光电转换的 绝对式编码器与增量式编 码器不同之处在于圆盘上透光 不透光的线条图形 绝对编码器可有若干编码 根据读出码盘上的编码 检测绝对位置 编码的设计可采用二进制码 循环码 二进制补码等 它的特点是 可以直接读出角度坐标的绝对值 没有累积误差 电源切除后位置信息不会丢失 但是分辨率是由二进制的位数来决定的 也就是说精度取决于位数 目前有 10 位 14 位等多种 1.3 混合式绝对值编码器 混合式绝对值编码器 它输出两组信息 一组信息用于检测磁极位置 带有绝对信息功能 另一组则完全 同增量式编码器的输出信息 光电编码器是一种角度 角速度 检测装置 它将输入给轴的角度量 利用光电转换原理转换成相应的电 脉冲或数字量 具有体积小 精度高 工作可靠,接口数字化等优点 它广泛应用于数控机床 回转台 伺 服传动 机器人 雷达 军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中 核心提示 目前极大多数的光耦输入部分采用砷化镓红外发光二极管 输出部分采用硅光电 二极管 硅光电三极管及光触发可控硅 这是因为峰值波长 nm 的砷化镓红外发 光二极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合 可获得较高的信号传输效率 目前极大多数的光耦输入部分采用砷化镓红外发光二极管 输出部分采用硅光电二极管 硅光电三极管及光触发可控硅 这是因为峰值波长 nm 的砷化镓红外发光二 极管能与硅光电器件的响应峰值波长相吻合 可获得较高的信号传输效率 光电耦合器(以下简称光耦)是一种发光器件和光敏器件组成的光电器件 它能实现电

139 光 电 信 号 的 变 换, 并 且 输 入 信 号 与 输 出 信 号 是 隔 离 的 光 耦 的 内 部 结 构 ( 剖 面 ) 如 图 1 所 示 光 耦 输 入 部 分 大 都 是 红 外 发 光 二 极 管, 输 出 部 分 有 不 同 的 光 敏 器 件, 如 图 2 所 示 这 里 要 说 明 的 是, 图 2(c) 的 输 入 部 分 有 两 个 背 对 背 的 红 外 发 光 二 极 管, 它 用 于 交 流 输 入 的 场 合 ; 图 2(d) 采 用 达 林 顿 输 出 结 构, 它 可 使 输 出 获 得 较 大 的 电 流 ; 图 2(e) 2(f) 的 输 出 由 光 触 发 双 向 可 控 硅 组 成, 它 们 主 要 用 来 驱 动 交 流 负 载 图 2(e) 与 图 2(f) 的 差 别 是 图 2 (f) 有 过 零 触 发 控 制 ( 图 中 的 ZC 即 过 零 的 意 思 ), 而 图 2(e) 没 有 过 零 触 发 控 制 电 路 光 耦 的 基 本 电 路 如 图 3 所 示 图 3(a) 的 负 载 电 阻 RL 接 在 发 射 极 及 地 之 间, 图 3(b) 的 负 载 阻 RL 接 在 电 源 Vdd 与 集 电 极 之 间 在 图 3(a) 中, 输 入 端 加 上 Vcc 电 压, 经 限 流 电 阻 Rin 后, 有 一 定 的 电 流 IF 流 经 红 外 发 光 二 极 管,IF 与 Vcc 发 光 二 极 管 的 正 向 压 降 VF 及 Rin 的 关 系 为 :IF=(Vcc-VF)/Rin 式 中 的 VF 取 1.3V IF 的 最 大 值 由 资 料 给 出 ( 一 般 工 作 时 IF 10mA)

140 发 光 二 极 管 发 光 后, 光 电 三 极 管 导 通, 集 电 极 电 流 Ic 由 Vdd 经 光 电 三 极 管 流 过 RL 到 地, 使 输 出 电 压 Vout=Ic RL( 或 Vout=Vdd-VCE,VCE 为 光 电 三 极 管 的 管 压 降 ) 图 3 (b) 的 工 作 原 理 与 图 3(a) 相 同, 不 再 重 复 图 3 中 输 入 输 出 也 可 用 各 自 的 地 从 图 3(a) 可 以 看 出 ; 输 入 端 不 加 Vcc 电 压, 输 出 端 Vout=0V, 输 入 端 加 了 Vcc 电 压, 负 载 得 电, 这 个 功 能 相 当 于 继 电 器 如 果 在 输 入 端 加 幅 值 为 5V 的 脉 冲 ( 如 图 4 所 示 ), 输 出 端 Vdd= 12V,RL=10kΩ, 则 输 出 的 脉 冲 幅 值 接 近 12V, 从 这 功 一 能 来 看, 相 当 于 变 压 器 ; 若 输 入 电 压 从 0 跃 变 到 +5V, 输 出 则 从 0 跃 变 到 接 近 12V, 它 又 可 用 作 电 平 转 换 光 耦 的 主 要 特 点 : 输 入 与 输 出 之 间 绝 缘 ( 绝 缘 电 压 可 达 数 千 伏 ); 信 号 传 输 为 单 方 向, 输 出 信 号 不 会 对 输 入 信 号 有 影 响 ; 能 传 输 模 拟 信 号 也 可 传 输 数 字 信 号 ; 抗 干 扰 能 力 强 ; 体 积 小 寿 命 长 ; 由 于 无 触 头, 因 此 抗 振 性 强 近 年 来 由 于 生 产 工 艺 改 进,SMT 的 发 展, 开 发 出 性 能 更 好 尺 寸 更 小 的 贴 片 式 光 耦, 它 由 DIP6 管 脚 封 装 改 进 成 4 管 脚 封 装, 不 仅 改 小 尺 寸, 并 且 减 小 了 干 扰, 如 图 5 所 示, 但 有 一 些 公 司 其 管 脚 仍 按 6 管 脚 排 列, 如 图 2 所 示 顶 面 有 圆 圈 者 为 第 1 管 脚, 如 图 6 所 示

141 由 于 该 类 器 件 有 上 述 特 点, 它 主 要 应 用 于 隔 离 电 路 开 关 电 路 逻 辑 电 路 信 号 长 线 传 输 线 性 放 大 电 路 隔 离 反 馈 电 路 控 制 电 路 及 电 平 转 换 电 路 等 一 些 常 用 的 贴 片 式 光 耦 及 其 主 要 参 数 主 要 参 数 如 表 1 及 表 2 所 示 这 里 要 说 明 一 下 电 流 传 输 比 (CTR) 这 个 参 数 的 意 义 CTR 是 Current Transfer Ratio 的 缩 写 它 是 在 一 定 工 作 条 件 下 (IF 及 VCE), 光 耦 的 输 出 电 流 Ic 与 输 入 电 流 IF 的 比 值, 一 般 用 百 分 比 表 示, 其 值 低 的 从 几 到 几 十, 高 的 从 几 十 到 几 百, 达 林 顿 输 出 型 可 达 上 千 C TR 大, 则 在 同 样 的 IF 下, 输 出 电 流 Ic 大, 驱 动 负 载 的 能 力 也 强 ( 或 者 说 IF 较 小 可 获 得 大 的 Ic) 这 里 顺 便 指 出, 当 用 光 电 耦 合 器 作 交 流 信 号 传 输 时, 必 须 考 虑 它 的 频 率 特 性 采 用 Ga As 发 光 二 极 管 及 硅 光 电 三 极 管 的 光 耦, 其 最 高 工 作 频 率 约 为 500kHz; 其 响 应 时 间 小 于 1 0μs 在 使 用 时 要 注 意 的 红 外 发 光 二 极 管 的 反 压 VR 一 般 是 很 低 的, 有 的 VR 仅 3V 因 此 在 使 用 时 输 入 端 不 能 接 反, 防 止 红 外 发 光 二 极 管 因 反 压 过 高 而 击 穿 ( 可 在 1 脚 3 脚 接 一 个 反 向 二 极 管 来 保 护, 如 图 4 所 示 )

142 光耦的简易测量方法 光电三极管输出的光耦是应用最广泛的 若顶面印刷字迹或圆点看不清楚 可采用指 针式三用表来测量 确认哪个管脚是 1 脚 并且也可简易测出光耦的好坏 由于它是一个二极管及一个三极管 c e 极组成的 所以用 R 1k 挡来测量是十分方 便的 只要测出一个二极管 黑表笔接二极管的阳极 红表笔接二极管的阴极 其阻值约 3 0kΩ 则黑表笔端即 1 脚 如图 7 所示 其它三种测量都应是 R= (表笔不动) 若光电三 极管的测量电阻不是 则此光耦不能用 如何进一步提高电源效率 泡泡网电源频道 7 月 12 日 对于电源基本结构和工作原理 我们已经在之前的三篇文 章中 与大家进行了分享 你了解电源吗 小白晋级不完全教程 让我们了解了电源 的基本结构以及 EMI 滤波电路对于电源的重要性 而 你了解电源吗 主动 PFC 究竟有多 重要 则让我们知道了主动 PFC 与被动 PFC 的根本区别 第三篇 你了解电源吗 整流 设计影响输出品质 则明确的告诉了我们 一颗电源质量以及成本的高低 取决于制造厂对 于电源整流电路设计水平的高低

143 其实严格的说 关于电源的工作方式以及在电脑中的重要性 在我们介绍完电源主控 开关管和二次侧整流设计之后 基本上就已经告一段落了 不过 随着高效电源技术的发展 越来越多的 IC 控制器被应用到电源当中 通过更科学更合理的调控 矫正 以提高电源交 流转换直流的工作效率和转换效率更上一层楼 那么这些 IC 控制芯片以及方案就是我们今 天所要介绍的内容 PWM 控制器 以及 主控卡关拓扑结构 相关阅读 你了解电源吗 小白晋级不完全教程 你了解电源吗 主动 PFC 究竟有多重要

144 你了解电源吗 整流设计影响输出品质 什么是 PWM 控制器 就目前说 PWM 控制器已经被应用到绝大多数的电源产品当中 其主要的作用是为 了保证电压的稳定输出 和控制传输到电源负载的能量总量 而这些都是通过调整主开关管 占空比完成 所以 PWM 控制器也可以看做一次侧主控开关电路的一部分 而使用 PWM 控制器的电源 则是让功率晶体管工作在导通和关断状态 在这两种状 态中 加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的 在导通时 电压低 电流大 关断时 电 压高 电流小 因此 功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗 型号为 CM6800 的 PFC/PWM 控制器 这些都是通过主控开关调节占空比完成 而占空比通常可以在 0%至 100%之间调整 不过通常这个范围比较小 简单的说 我们可以把输出电压值 看做输入电压与占空度的乘 积 Vout = Vin duty cycle PWM 控制器通常会使用电源理论电压值 与输出电压值不断进行比较 而在 PWM 的 IC 芯片中有个电压误差放大器 用来执行输出电压与参考电压比较电压值的增益 而根据 这种电压误差宽度比较 误差电压脉冲宽度整流器则根据在电压误差放大器中反馈的电压误 差级别来调整占空比

145 型号为 CM6800 的 PFC/PWM 控制器 除了决定主控开关的占空比 PWM 控制器通常与其它功能合并使用 可以让电源 温 柔的启动 可以有效降低启动电流的冲击 相当于一个电源过流放大器保护电源过载 并 且可以阻止由于控制器 IC 芯片电压过低 以至于无法驱动主开关管等等 光耦合器有何作用 为了从直流输出的电压反馈能直接到达 PWM 芯片的电压误差放大器 因此会需要一 个被隔离的反馈电路 而目前有两种电气隔离方法 光学的 光隔离器 和磁性的 变压器 在现代的电源中 光隔离器被使用的情况比较普遍 电压误差放大器也通常会安置在光隔离 器的二次侧附近 有时我们也将光隔离器成为 光耦合器

146 这里稍微介绍一下 光耦合器 光耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电 信号有良好的隔离作用 在一些需要通过绝缘层传送信息但却不允许物理电气接触的场合 通常需要一些隔离器件 比如 PWM 芯片中的反馈信号 光隔离器就起到一个信号传递媒介 的作用 而在开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改 变占空比 达到精密稳压目的 主控开关拓扑都有哪些结构 根据通过的峰值电流 最大工作电压 转换效率级别以及成本角度的考虑 电源制造 商对于主控开关拓扑 通常有很多项设计方案 包括单管正激 双管正激 全桥 等等 下面这个表格就列出了几类常见的主控开关拓扑 拓扑结构 输入电压 一次侧/ DC 范围 二次侧隔离 功率应用范围 典型效率 相对成本 Buck 电路 W 5-40 V 否 78% 1 Boost 电路 W 4-40 V 否 80% 1 Buck-Boost 电路 W 5-40 V 否 80% W V 是 80% W V 是 87% 1.2 Flyback 反激拓扑 Resonant Forward

147 谐振正激拓扑 1T forward 单管正激拓扑 Push-Pull 推挽拓扑 Half-bridge 半桥拓扑 Full-bridge 全桥拓扑 Quasi Resonant 准谐振拓扑 W V 是 78% W V 是 75% W V 是 75% W V 是 73% W V 是 87-92% 2.8 最近一段时间 有许多的电源制造厂开始广泛的应用另外一种拓扑结构 LLC 谐振 拓扑 这种拓扑结构 是利用谐振电感和电容器组合 主控开关 MOSFET ZVS 开通 输 出二极管 ZCS 关断 没有反向恢复问题 开关损耗小 提高转换效率 并且可以促使 RFI 和 EMI 减少 有效抑制纹波 主流主控开关拓扑结构 点击可放大 而利用 LLC 谐振转换器的主控开关速度会更快 而转换效率也可达到 93%至 95% 当然 我们关于拓扑结构的类型还有很多 不仅仅局限于上面我们所提到过的那些种类 简介 光电耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光耦 光电耦 合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所以 它在各种电

148 路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的光电器件之一 光耦合器一般由 三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光二极管 LED 使 之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成 了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光耦合器输入输出间互相隔 离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力 [1] 图 1 显示了一个典型的光电耦合器驱动电路 在该例中 右边的 5V 副边输出将会被 左边原边电路的脉宽调制器控制 比较器 A1 将 ZDl(结点 A)的参考电压和通过分压电路 R7 和 R8 的输出电压进行比较 因而控制 Q2 的导通状态 可以定义发光二极管 D1 的电流和通过光耦合在光敏晶体管 Q1 的集电极电流 然后 Q1 定义脉冲宽度和输出电压 补偿任何使输出电压改变的倾向 随着光电耦合器的使用时间增加和传输比即增益的下降 为了防止控制失灵 给 Q2 提供充足的驱动电流裕量是很有必要的 光电耦合器实物图 光电耦合器的种类较多 常见有光电二极管型 光电三极管型 光敏电阻型 光控晶 闸管型 光电达林顿型 集成电路型等 外形有金属圆壳封装 塑封双列直插等 2 工作原理 工作原理 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光 光的强度取决于激励电流的大小 此光 照射到封装在一起的受光器上后 因光电效应而产生了光电流 由受光器输出端引出 这样 就实现了电一光一电的转换 基本工作特性 光敏三极管 1 共模抑制比很高

149 在光电耦合器内部 由于发光管和受光器之间的耦合电容很小 2pF 以内 所以共模 输入电压通过极间耦合电容对输出电流的影响很小 因而共模抑制比很高 2 输出特性 光电耦合器的输出特性是指在一定的发光电流 IF 下 光敏管所加偏置电压 VCE 与输 出电流 IC 之间的关系 当 IF=0 时 发光二极管不发光 此时的光敏晶体管集电极输出电流 称为暗电流 一般很小 当 IF>0 时 在一定的 IF 作用下 所对应的 IC 基本上与 VCE 无关 IC 与 IF 之间的变化成线性关系 用半导体管特性图示仪测出的光电耦合器的输出特性与普 通晶体三极管输出特性相似 其测试连线如图 2 图中 D C E 三根线分别对应 B C E 极 接在仪器插座上 3 隔离特性 1 入出间隔离电压 Vio Isolation Voltage 光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值 2 入出间隔离电容 Cio Isolation Capacitance 光耦合器件输入端和输出端之间的电容值 3 入出间隔离电阻 Rio Isolation Resistance 半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值 4 传输特性 1 电流传输比光电耦合器 CTR Current Transfer Radio 输出管的工作电压为规定值时 输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比 CTR 2 上升时间 Tr Rise Time & 下降时间 Tf Fall Time 光耦合器在规定工作条件下 发光二极管输入规定电流 IFP 的脉冲波 输出端管则输 出相应的脉冲波 从输出脉冲前沿幅度的 10%到 90% 所需时间为脉冲上升时间 tr 从输 出脉冲后沿幅度的 90%到 10% 所需时间为脉冲下降时间 tf 其它参数诸如工作温度 耗散功率等不再一一复述 [2] 5 光电耦合器可作为线性耦合器使用 在发光二极管上提供一个偏置电流 再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上 这 样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增 减变化的光信号 其输出电流将随输入的信号电 压作线性变化 光电耦合器也可工作于开关状态 传输脉冲信号 在传输脉冲信号时 输入 信号和输出信号之间存在一定的延迟时间 不同结构的光电耦合器输入 输出延迟时间相差 很大 3 特点 具有体积小 使用寿命长 工作温度范围宽 抗干扰性能强 无触点且输入与输出在 电气上完全隔离等

150 4 仪器测试 光电耦合器的测试 1 用万用表判断好坏 如图 3 断开输入端电源 用 R 1k 档测 1 2 脚电阻 正向 电阻为几百欧 反向电阻几十千欧 3 4 脚间电阻应为无限大 1 2 脚与 3 4 脚间任意 一组 阻值为无限大 输入端接通电源后 3 4 脚的电阻很小 调节 RP 3 4 间脚电阻 发生变化 说明该器件是好的 注 不能用 R 10k 档 否则导致发射管击穿 2 简易测试电路 如图 4 当接通电源后 LED 不发光 按下 SB LED 会发光 调节 RP LED 的发光强度会发生变化 说明被测光电耦合器是好的 5 应用与机构 1 光电耦合器的定义 光电耦合器是一种把发光器件和光敏器件封装在同一壳体内 中间通过电 光 电的转换来传输电信号的半导体光电子器件 其中 发光器件一般都是发 光二极管 而光敏器件的种类较多 除光电二极管外 还有光敏三极管 光敏电阻 光电 晶闸管等 光电耦合器可根据不同要求 由不同种类的发光器件和光敏器件组合成许多系 列的光电耦合器 2 光电耦合器结构与原理 光电耦合器主要由三部分组成 光的发射 光的接收及 信号放大 光的发射部分主要由发光器件构成 发光器件一般都是发光二极管 发光二极 管加上正向电压时 能将电能转化为光能而发光 发光二极管可以用直流 交流 脉冲等电 源驱动 但发光二极管在使用时必须加正向电压 光的接收部分主要由光敏器件构成 光敏 器件一般都是光敏晶体管 光敏晶体管是利用 PN 结在施加反向电压时 在光线照射下反 向电阻由大变小的原理来工作的 光敏晶体管在使用时有二个重要的注意事项 第一 必须加反向电压 第二 光敏晶体管管壳必须保持清洁 光的信号放大部分 主要由电子电路等构成 发光器件的管脚为输入端 而光敏器件的管脚为输出端 工作时把 电信号加到输入端 使发光器件的芯体发光 而光敏器件受光照后产生光电流并经电子电 路放大后输出 实现电 光 电的转换 从而实现输入和输出电路的电器隔离 由于光电耦 合器输入与输出电路间互相隔离 且电信号在传输时具有单向性等优点 因而光电耦合器 具有良好的抗电磁波干扰能力和电绝缘能力 又由于光电耦合器的输入端是发光器件 发光器件是阻抗电流驱动性器件 而噪音是 一种高内阻微电流电压信号 因此光电耦合器件的共模抑制比很大 光电耦合器件可以很 好地抑制干扰并消除噪音 它在计算机数字通信及实时控制电路中作为信号隔离的接口元件 可以大大增加计算机工作的可靠性 在长线信息传输中作为终端隔离元件可以大幅度提高 信噪比 所以 它在各种电路中得到了广泛的应用 目前已成为种类最多 用途最广的光电 器件之一 [3] 3 光电耦合器的特点 ①光信号单向传输 输出信号对输入端无反馈 可有效 阻断电路或系统之间的电联系 但并不切断他们之间的信号传递 ②隔离性能好 输入端与

151 输出端之间完全实现了电隔离 ③光信号不受电磁波干扰 工作稳定可靠 ④光发射器件与 光敏器件的光谱匹配十分理想 响应速度快 传输效率高 ⑤抗共模干扰能力强 能很好 地抑制干扰并消除噪音 ⑥无触点 使用寿命长 体积小 耐冲击能力强 ⑦易与逻辑电 路连接 ⑧工作温度范围宽 符合工业和军用温度标准 6 应用电路 开关电路 图1 对于开关电路 往往要求控制电路和开关电路之间要有很好的电隔离 这对于一般的 电子开关来说是很难做到的 但采用光电耦合器就很容易实现了 图 1 中 a 所示电路就 是用光电耦合器组成的简单开关电路 在图 1 中 当无脉冲信号输入时 三极管 BG 处于截止状态 发光二极管无电流流过 不发光 则 a b 两端电阻非常大 相当于开关 断开 当输入端加有脉冲信号时 BG 导通 发光二极管发光 则 a b 两端电阻变得很小 相当于开关 接通 故称无信号时开关不通 为常开状态 图 1 中 b 所示电路则为 常闭 状态 因为无信号输入时 虽 BG 截止 但发光二极 管有电流通过而发光 使 a b 两端处于导通状态 相当于开关 接通 当有信号输入时 BG 导通 由于 BG 的集电结压降在 0 3V 以下 远小于发光二极管的正向导通电压 所以 发光二极管无电流流过不发光 则 a b 两端电阻极大 相当于开关 断开 故称 常闭 式 可见 开关 a b 端在电路中不受电位高低的限制 但在使用中应满足 a 端电位为正 b 端为负 并使 U&ab>3V 为好 同时还应注意 Uab 应小于光电三极管的 BVceo 依据图 1 的原理 光电耦合器可以组成如图 2 中 a b 等多种形式

152 图2 图 2 中 a 为单刀双掷开关电路 其中外接二极管 D 的作用 是保证输入正脉冲信 号时 oa 组接通 ob 组关断 图中 b 为双刀双掷开关电路 无输入信号时 BG 截止 ob 与 od 组断开 oa 与 oc 组接通 BG 导通 即有信号输入时 ob 与 od 组接通 而 oa 与 oc 组断开 它们适于自动控制和遥控设备中使用 光耦合的可控硅开关 图3 图 3 中 a 所示电路为光耦合器构成的可控硅开关电路 可控硅 SCR 的触发电压取 自电阻 R 其大小由通过光电三极管的电流决定 直接由输入电压控制 该电路简单 控制 端与输出端有可靠的电隔离 图 3 中 b 所示电路 为控制负载为纯电阻 如白炽灯泡 的开关电路 图中 R1 的 阻值由下式确定 R1=V/1 2A 1 2A 为双向开关的额定电流 当主电网电压为 220V 时 V=/2 220=308V 则 R1=308/1 2=250Ω 所以 可控硅 SCR 的规格应依 R1 的大小进行 选择 当开关电路的负载为感性负载 如电动机等 则由于流过感性负载 线圈 的电流与 电压的相位不同 需增加相应元件 方能保证开关电路的正常工作 如图 46?所示 图中双向可控硅 SCR 的触发电流 是由 R3 与 C 的不同数值而决定的 表 46 1 IG R3 及三者关系表

153 /IG(Ma)/R3(kΩ)/C(μF) /15/2.4/0.1 /30/1.2/0.2 /50/0.8/0.3/ 图 4 的开关电路 特别适于遥控时选用 图4 用于双稳态输出的光耦合 图 5 中 a 所示电路 为光电耦合器控制的双稳态输出开关电路 它的特点是由于光 电耦合开关接在两管的发射极回路上 故能有效地解决输出与负载间的隔离问题 图 5 a 图 5 b 图 5 中 b 所示电路为光电耦合开关的施密特电路 当输入电压 U1 为低电平时 光 电三极管 C e 间呈高电阻 BG1 导通 BG2 截止 则输出电压 U0 为低电平 当输入电 压 U1 大于鉴幅值时 光电三极管 c e 间呈低电阻 则 BG1 截止 BG2 导通 输出的电 压 U0 为高电平 调节电阻 R3 即改变鉴幅电平

154 电平转换电路 图6 对于不同电平的转换电路或输入 输出电路的电位需要分开时 采用光电耦合器就显 得十分方便了 中图 6 的 a 与 b 图示电路 就是 5V 电源的 TTL 集成电路与 15V 电源的 HTL 集成电路 相互连接进行电平转换的基本电路 图 a 中 TTL 门电路导通时 即输出低电平 发光二极管导通 光电三极管输出高 电平 TTL 门电路截止时 发光二极管截止 光电三极管输出低电平 图 b 中 则是利用 TTL 截止输出高电平 发光二极管导通 光电三极管输出低电 平 TTL 导通输出低电平 发光二极管截止 光电三极管输出高电平 在进行具体应用时 因 CMOS 集成电路在低电平时的电流只有 1 2mA 难以直接驱 动所接的负载 故一般需加一级三极管放大电路来驱动 高压稳压电路 图7 串联型稳压电路 比较放大管需选用耐压高的三极管 若利用光电耦合器的输入与输 出间绝缘良好的特点 便可实现高压控制 图 7 中的 a 与 b 所示的电路 就是利用光电耦合器的高压稳压电路 图 a 中 当输出电压因某种原因导致升高时 则 BG5 的偏压增加 发光二极管的

155 正向电流增大 使光电三极管集电结电压减小 即引起调整管 BG1 发射结电压下降 其集 电结电压上升 从而使原来升高的输出电压减小 保持输出电压的稳定 BG3 管为限流保 护电路 光电耦合器是工作在放大状态的 图 b 的工作原理与图 a 相同 7 具体应用 光电耦合器具体应用 组成开关电路 图 1 电路中 当输入信号 ui 为低电平时 晶体管 V1 处于截止状态 光电耦合器 B1 中发光二极管的电流近似为零 输出端 Q11 Q12 间的电阻很大 相当于开关 断开 当 ui 为高电平时 v1 导通 B1 中发光二极管发光 Q11 Q12 间的电阻变小 相当于开关 接 通 该电路因 Ui 为低电平时 开关不通 故为高电平导通状态 同理 图 2 电路中 因无 信号(Ui 为低电平)时 开关导通 故为低电平导通状态 组成逻辑电路 图 3 电路为 与门 逻辑电路 其逻辑表达式为 P=A B.图中两只光敏管串联 只有当 输入逻辑电平 A=1 B=1 时 输出 P=1 同理 还可以组成 或门 与非门 或非门 等 逻辑电路 隔离耦合电路 电路如图 4 所示 这是一个典型的交流耦合放大电路 适当选取发光回路限流电阻 Rl 使 B4 的电流传输比为一常数 即可保证该电路的线性放大作用 高压稳压电路 电路如图 5 所示 驱动管需采用耐压较高的晶体管(图中驱动管为 3DG27) 当输出电 压增大时 V55 的偏压增加 B5 中发光二极管的正向电流增大 使光敏管极间电压减小 调整管 be 结偏压降低而内阻增大 使输出电压降低 而保持输出电压的稳定

156 门厅照明灯自动控制电路 电路如图 6 所示 A 是四组模拟电子开关 S1~S4 S1 S2 S3 并联 可增加驱动 功率及抗干扰能力 用于延时电路 当其接通电源后经 R4 B6 驱动双向可控硅 VT VT 直接控制门厅照明灯 H S4 与外接光敏电阻 Rl 等构成环境光线检测电路 当门关闭时 安 装在门框上的常闭型干簧管 KD 受到门上磁铁作用 其触点断开 S1 S2 S3 处于数据开 状态 晚间主人回家打开门 磁铁远离 KD KD 触点闭合 此时 9V 电源整流后经 R1 向 C1 充电 C1 两端电压很快上升到 9V 整流电压经 S1 S2 S3 和 R4 使 B6 内发光管发 光从而触发双向可控硅导通 VT 亦导通 H 点亮 实现自动照明控制作用 房门关闭后 磁铁控制 KD 触点断开 9V 电源停止对 C1 充电 电路进入延时状态 C1 开始对 R3 放 电 经一段时间延迟后 C1 两端电压逐渐下降到 S1 S2 S3 的开启电压 1.5v)以下 S1 S2 S3 恢复断开状态 导致 B6 截止 VT 亦截止 H 熄来 实现延时关灯功能 8 分类 由于光电耦合器的品种和类型非常多 在光电子 DATA 手册中 其型号超过上千种 通常可以按以下方法进行分类 按光路径分 可分为外光路光电耦合器 又称光电断续检测器 和内光路光电耦合器 外光路光电 耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器 按输出形式分 a 光敏器件输出型 其中包括光敏二极管输出型 光敏三极管输出型 光电池输出型 光可控硅输出型等 b NPN 三极管输出型 其中包括交流输入型 直流输入型 互补输出型等 c 达林顿三极管输出型 其中包括交流输入型 直流输入型 d 逻辑门电路输出型 其中包括门电路输出型 施密特触发输出型 三态门电路输出 型等 e 低导通输出型 输出低电平毫伏数量级 f 光开关输出型 导通电阻小余 10Ω g 功率输出型 IGBT/MOSFET 等输出

157 按封装形式分 可分为同轴型 双列直插型 TO 封装型 扁平封装型 贴片封装型 以及光纤传输型 等 按传输信号分 可分为数字型光电耦合器 OC 门输出型 图腾柱输出型及三态门电路输出型等 和线 性光电耦合器 可分为低漂移型 高线性型 宽带型 单电源型 双电源型等 按速度分 可分为低速光电耦合器 光敏三极管 光电池等输出型 和高速光电耦合器 光敏二 极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型 按通道分 可分为单通道 双通道和多通道光电耦合器 按隔离特性分 可分为普通隔离光电耦合器 一般光学胶灌封低于 5000V 空封低于 2000V 和高压 隔离光电耦合器 可分为 10kV,20kV,30kV 等 按工作电压分 可分为低电源电压型光电耦合器 一般 5 15V 和高电源电压型光电耦合器 一般大 于 30V 9 选取原则 在设计光耦光电隔离电路时必须正确选择光耦合器的型号及参数 选取原则如下 (1)由于光电耦合器为信号单向传输器件 而电路中数据的传输是双向的 电路板的尺 寸要求一定 结合电路设计的实际要求 就要选择单芯片集成多路光耦的器件 (2)光耦合器的电流传输比(CTR)的允许范围是不小于 500% 因为当 CTR<500%时

158 光耦中的 LED 就需要较大的工作电流(>5.0 ma) 才能保证信号在长线传输中不发生错误 这会增大光耦的功耗 (3)光电耦合器的传输速度也是选取光耦必须遵循的原则之一 光耦开关速度过慢 无 法对输入电平做出正确反应 会影响电路的正常工作 (4)推荐采用线性光耦 其特点是 CTR 值能够在一定范围内做线性调整 设计中由于 电路输入输出均是一种高低电平信号 故此 电路工作在非线性状态 而在线性应用中 因 为信号不失真的传输 所以 应根据动态工作的要求 设置合适的静态工作点 使电路工作 在线性状态 通常情况下 单芯片集成多路光耦的器件速度都比较慢 而速度快的器件大多都是单 路的 大量的隔离器件需要占用很大布板面积 也使得设计的成本大大增加 在设计中 受 电路板尺寸 传输速度 设计成本等因素限制 无法选用速度上非常占优势的单路光耦器件 在此选用 TOSHIBA 公司的 TLP521-4 光敏三极管和普通三极管相似 也有电流放大作用 只是它的集电极电流不只是受基 极电路和电流控制 同时也受光辐射的控制 通常基极不引出 但一些光敏三极管的基极 有引出 用于温度补偿和附加控制等作用 目录 1 简介 2 优越性 3 工作原理 4 晶体管 5 光敏晶体管 6 功能 测光亮度 光电隔离 光耦合器 7 内部结构 8 技术参数

159 1 简介 光敏三极管 Phototransistor 和普通三极管相似 也有电流 Current 放大作用 只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制 同时也受光辐射的控制 通常基极不 引出 但一些光敏三极管的基极有引出 用于温度补偿 Temperature compensation 和 附加控制等作用 光敏三极管又称光电三极管 它是一种光电转换器件 其基本原理是光 照到 P-N 结上时 吸收光能并转变为电能 当光敏三极管加上反向电压时 管子中的反向 电流随着光照强度的改变而改变 光照强度越大 反向电流越大 大多数都工作在这种状态 光敏三极管 2 优越性 当具有光敏特性的 PN 结受到光辐射时 形成光电流 由此产生的光生电流由基极进 入发射极 从而在集电极回路中得到一个放大了相当于 β 倍的信号电流 不同材料制成的 光敏三极管具有不同的光谱特性 与光敏二极管相比 具有很大的光电流放大作用 即很高 的灵敏度 3 工作原理 光敏三极管和普通三极管的结构相类似 不同之处是光敏三极管必须有一个对光敏感 的 PN 结作为感光面 一般用集电结作为受光结 因此 光敏三极管实质上是一种相当于在 基极和集电极之间接有光敏二极管的普通三极管 光敏三极管与普通半导体三极管一样 是 采用半导体制作工艺制成的具有 NPN 或 PNP 结构的半导体管 它在结构上与半导体三极 管相似 它的引出电极通常只有两个 也有三个的 为适应光电转换的要求 它的基区面积 做得较大 发射区面积做得较小 入射光主要被基区吸收 和光敏二极管一样 管子的芯片 被装在带有玻璃透镜金属管壳内 当光照射时 光线通过透镜集中照射在芯片上 [1] 4 晶体管

160 晶体三极管 是半导体基本元器件之一 具有电流放大作用 是电子电路的核心元件 三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的 PN 结 两个 PN 结把正块半导体分成三 部分 中间部分是基区 两侧部分是发射区和集电区 排列方式有 PNP 和 NPN 两种 如 图从三个区引出相应的电极 分别为基极 b 发射极 e 和集电极 c 发射区和基区之间的 PN 结叫发射结 集电区和基区之间的 PN 结叫集电极 基区很 薄 而发射区较厚 杂质浓度大 PNP 型三极管发射区"发射"的是空穴 其移动方向与电流 方向一致 故发射极箭头向里 NPN 型三极管发射区"发射"的是自由电子 其移动方向与 电流方向相反 故发射极箭头向外 发射极箭头向外 发射极箭头指向也是 PN 结在正向电 压下的导通方向 硅晶体三极管和锗晶体三极管都有 PNP 型和 NPN 型两种类型 半导体 就像一个开关 可以通过导通与截止来控制电路 5 光敏晶体管 半导体通过添加一部分微量元素会使其特性发生翻天覆地的变化 光敏晶体管就是一 种重要的衍生物 视觉是人体最重要的感觉 因此 我觉得通过光来控制电路真是太精妙了 而光敏的二极管三极管恰好就完成这个任务 因为光敏三极管由于还具有放大作用 因此应 用比二极管更加广泛 光敏三极管用于测量光亮度 经常与发光二极管配合使用作为信号 接收装置 6 功能 测光亮度 在教室图书馆 很多时候日光灯白天也亮着 在宿舍里面 日光灯经常是昼夜不息 同学们对这种浪费已经麻木不仁了 有的同学早晨去教室 虽然教室很明亮但还要开灯 虽 然一盏日光灯不会浪费多少资源 但积少成多 浪费就是很大了 因此 我们可以在教室安 装一个控制电路 当亮度达到一定程度的时候 使得教室里面和宿舍里面日光灯将无法启动 我们可以利用光敏三极管附加电磁继电器来完成这个电路 采光点的选取是一个关键 因为 并不是每一个教室的明亮程度都是相同的 我们可以采用多点取样来达到这个要求 例如在 20 个教室中都安放光敏三极管 我们可以设置 如果他们全部或者大部分亮度都很高 那 么 日光灯就无法正常启动 达到节约能源的目的 还有一种情况 就是如果有一天天空布满了乌云 亮度不够 那么日光灯可以开启了 但是不久云开雾散 天气放晴 日光灯不会自动关闭 同样造成很大浪费 可以在采光点所 在的教室外面再安装一个采光点 当室内外强度的差值缩小到一定范围是 我们可以认为日 光灯的作用可以忽略了 日光灯就会自动关闭

161 另外一种情况 如果教室外面正下雨 教室里面日光灯亮着 此时窗外一个闪电 使 得外面很亮 日光灯就关闭了 这会造成麻烦 因此要避免这种问题 方法就是在电路中安 装计数器 使得亮度差维持一定时间才可以使日光灯强制关闭 综上所述 我们可以利用光敏三极管设计一个电路 使得日光灯无法正常启动或者被 强制关闭从而达到节约能源的目的 当然 这种方法的可行性从当前来讲并不是很高 电路 要改装费用可能很高都会影响实施 不过我认为的确可以通过光敏三极管的特性来得到节约 的目的 光电隔离 光敏三极管的另一个作用是传输信号 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光耦 光耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良 好的隔离作用 所以 它在各种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广 的光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电 信号驱动发光二极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再 经过进一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电绝缘 能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件 因而具有很强的 共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比 在计算 机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增加计算机工作的可靠性 光耦合器 主要优点是 信号单向传输 输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离 输出信号对 输入端无影响 抗干扰能力强 工作稳定 无触点 使用寿命长 传输效率高 光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件 现已广泛用于电气绝缘 电平转换 级间耦合 驱动电路 开关电路 斩波器 多谐振荡器 信号隔离 级间隔离 脉冲放大电路 数字仪表 远距 离信号传输 脉冲放大 固态继电器(SSR) 仪器仪表 通信设备及微机接口中 在单片开 关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电流来改变占空比 达 到精密稳压目的 工作原理 用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管 光接收器为光敏三极管 当有电 流通过发光二极管时 便形成一个光源 该光源照射到光敏三极管表面上 使光敏三极管产 生集电极电流 该电流的大小与光照的强弱 亦即流过二极管的正向电流的大小成正比 由 于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输 因而两部分之间在电气上完全隔离 没有电信号的反馈和干扰 故性能稳定 抗干扰能力强 发光管和光敏管之间的耦合电容小 2pf 左右 耐压高(2.5KV 左右) 故共模抑制比很高 输入和输出间的电隔离度取决于两

162 部分供电电源间的绝缘电阻 此外 因其输入电阻小 约 10Ω 对高内阻源的噪声相当于 被短接 因此 由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能 非接触测量转速 转矩传感器在旋转轴上安装着 60 条齿缝的测速轮 在传感器外壳上安装的一只由发光 二极管及光敏三极管组成的槽型光电开关架 测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住 时 光敏三极管就输出一个高电平 当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时 光敏管就输出一 个低电平 旋转轴每转一圈就可得到 60 个脉冲 因此 每秒钟检测到的脉冲数恰好等于每 分钟的转速值 7 内部结构 光敏三极管与光敏二极管不同的是有两个背对相接的 PN 结 与普通三极管相似的是 它也有电流增益 需要指出的是 因光敏三极管无须电参量控制 所以一般没有基极引出线 只有集电极 C 和发射极 e 两个引脚 而且外形和光敏二极管极为相似 很难区别开 需认 真看清管壳外缘标注的型号 以免混淆 [2] 8 技术参数 1 光谱特性 光敏三极管由于使用的材料不同 分为锗光敏三极管和硅光敏三极管 使用较多的是 硅光敏三极管 光敏三极管的光谱特性与光敏二极管是相同的 2 伏安特性 光敏三极管的伏安特性是指在给定的光照度下光敏三极管上的电压与光电流的关系 3 光电特性 光敏三极管的光电特性反映了当外加电压恒定时 光电流 IL 与光照度之间的关系 下 图给出了光敏三极管的光电特性曲线光敏三极管的光电特性曲线的线性度不如光敏二极管 好 且在弱光时光电流增加较慢 4 温度特性 温度对光敏三极管的暗电流及光电流都有影响 由于光电流比暗电流大得多 在一定 温度范围内温度对光电流的影响比对暗电流的影响要小 下两图中分别给出了光敏三极管的 温度特性曲线及光敏三极管相对灵敏度和温度的关系曲线 5 暗电流 ID 在无光照的情况下 集电极与发射极间的电压为规定值时 流过集电极的反向漏电流 称为光敏三极管的暗电流 6 光电流 IL 在规定光照下 当施加规定的工作电压时 流过光敏三极管的电流称为光电流 光电

163 流越大 说明光敏三极管的灵敏度越高 7 集电极一发射极击穿电压 VCE 在无光照下 集电极电流 IC 为规定值时 集电极与发射极之间的电压降称为集电极一 发射极击穿电压 8 最高工作电压 VRM 在无光照下 集电极电流 Ie 为规定的允许值时 集电极与发射极之间的电压降称为最 高工作电压 9 最大功率 PM 最大功率指光敏三极管在规定条件下能承受的最大功率 10 峰值波长 λp 当光敏三极管的光谱响应为最大时对应的波长叫做峰值波长 11 光电灵敏度 在给定波长的入射光输入单位为光功率时 光敏三极管管芯单位面积输出光电流的强 度称为光电灵敏度 12 响应时间 响应时间指光敏三极管对入射光信号的反应速度 一般为 1 X X 10-7S 訊號隔離性能顯著 光耦合器強化 EV 電池安全 2013/3 Andy Poh 光耦合器在全電動(BEV)和混合動力汽車(HEV)電子系統中扮演愈來愈重要的角色 光耦 合器由於具備極佳的訊號隔離 高雜訊抑制和系統保護能力 可避免高電壓進入可能對 駕駛或乘客帶來傷害或電擊的路徑 因而日益受到汽車電子系統開發人員的青睞 目前在全電動(BEV)或混合動力汽車(HEV)應用中 高電壓鋰電池組的管理面臨諸多挑 戰 除必須監控充電和放電迴圈外 基於安全考量 亦須要對提供數百伏特電壓的電池 組進行隔離 本文特別針對鋰電池監測需求進行討論 並探討電池監控系統 數位通訊 系統及隔離介面使用的架構和元件 在管理系統中 電池監測電路板運用兩個關鍵子系統監測電池狀態 並提供數位化結果 給掌管控制系統運作的主控處理器 為分離這些子系統 在高電壓電池感應電路和電路 板的通訊元件間採用光隔離訊號介面 以確保高電壓不會影響數位子系統 保持鋰電池穩定操作 電池管理系統扮要角 複雜的電子系統必須符合電動車在性能 安全及可靠性要求 且受到鋰電池特性的影響

164 鋰 電 池 放 電 時, 鋰 材 料 通 常 在 石 墨 陽 極 進 行 離 子 化, 接 著 這 些 鋰 離 子 藉 由 電 解 質 移 動 通 過 分 離 器 至 陰 極 造 成 電 荷 流 動, 充 電 過 程 則 是 把 整 個 程 式 反 向, 將 鋰 離 子 由 陰 極 通 過 分 離 器 帶 回 陽 極 這 個 化 學 反 能 程 式 的 性 能 和 可 靠 性 由 電 池 單 元 的 溫 度 和 電 壓 控 制 在 較 低 溫 度 時, 化 學 反 應 較 慢, 使 得 電 池 單 元 的 電 壓 較 低 ; 隨 著 溫 度 升 高, 反 應 速 度 會 提 高, 直 至 鋰 離 子 單 元 開 始 崩 潰 當 溫 度 超 過 100 時, 電 解 質 開 始 分 解, 釋 放 出 無 洩 壓 機 制 設 計 的 電 池 單 元 遇 到 壓 力 所 產 生 的 氣 體 在 夠 高 的 溫 度 下, 鋰 電 池 單 元 可 能 會 因 氧 化 物 分 解 面 臨 熱 失 控 釋 放 出 氧 氣, 進 一 步 加 速 溫 度 的 升 高 也 因 此, 保 持 鋰 電 池 的 最 佳 操 作 條 件 是 電 池 管 理 系 統 的 一 項 關 鍵 要 求, 設 計 控 制 和 管 理 系 統 時 的 主 要 挑 戰 在 於 確 保 可 靠 的 資 料 獲 取 和 分 析, 以 監 控 汽 車 中 鋰 電 池 的 狀 態, 而 這 正 是 鋰 電 池 本 身 的 特 性 問 題 在 Chevy 電 動 車 Volt 中, 電 池 組 包 含 二 百 八 十 八 個 棱 柱 形 鋰 電 池, 分 為 九 十 六 個 電 池 群, 通 過 連 接 提 供 伏 特 的 直 流 系 統 電 壓, 這 些 電 池 群 結 合 溫 度 感 應 器 和 冷 卻 單 元, 形 成 四 個 主 電 池 模 組, 連 接 到 每 個 電 池 群 的 電 壓 感 應 線 路, 再 連 接 至 每 個 電 池 模 組 上 方 時 進 行 終 端 處 理, 並 通 過 電 壓 感 應 束 帶 組 合 連 接 器, 連 接 至 每 個 電 池 模 組 上 方 的 電 池 介 面 模 組 四 個 採 用 色 彩 標 示 的 電 池 介 面 模 組 在 電 池 組 的 不 同 位 置 運 作, 分 別 對 應 四 個 模 組 直 流 電 壓 偏 位 元 的 低 中 和 高 電 壓 範 圍 電 池 介 面 模 組 提 供 的 資 料 會 送 到 電 池 能 量 控 制 模 組 中, 接 著 此 模 組 會 將 故 障 情 況 狀 態 和 診 斷 資 訊 提 供 給 作 為 車 輛 診 斷 主 控 制 器 的 混 合 動 力 控 制 模 組, 整 個 系 統 每 秒 會 運 行 超 過 五 千 次 的 系 統 診 斷, 其 中 85% 的 診 斷 聚 焦 於 電 池 組 的 安 全 性, 其 他 則 做 為 目 標 電 池 性 能 和 壽 命 控 制 光 耦 合 器 隔 離 功 能 發 威 SPI /CAN 匯 流 排 資 料 不 漏 失 2013/10 He Junhua 結 構 較 為 簡 單 的 串 列 周 邊 介 面 (Serial Peripheral Interface, SPI) 以 及 控 制 器 區 域 網 路 (Controller Area Network, CAN) 匯 流 排 是 目 前 普 遍 應 用 於 汽 車 工 業 控 制 與 通 訊 應 用 領 域 的 串 列 介 面 為 了 提 供 隔 離 並 將 接 地 迴 路 造 成 的 影 響 降 到 最 低, 光 耦 合 器 已 經 成 為 這 些 系 統 中 採 用 的 標 準 解 決 方 案, 原 因 是 它 可 以 確 保 資 料 的 完 整 性 同 時 提 供 高 雜 訊 與 惡 劣 環 境 下 的 電 氣 安 全 性 不 過, 加 入 一 個 額 外 零 組 件 到 串 列 資 料 通 道 上 也 會 影 響 資 料 的 吞 吐 量 這 篇 文 章 將 討 論

165 SPI/CAN 通 訊 協 定 的 位 元 時 序, 深 入 探 討 有 關 資 料 位 元 率 與 光 耦 合 器 傳 遞 延 遲 時 間 的 相 關 性, 並 提 供 實 際 的 計 算 範 例 來 協 助 設 計 工 程 師 針 對 特 定 的 匯 流 排 資 料 傳 輸 率 進 行 光 耦 合 器 效 能 的 最 佳 化 SPI 匯 流 排 / 光 耦 合 器 運 作 分 析 SPI 匯 流 排 提 供 了 一 個 四 線 式 的 同 步 串 列 通 訊 介 面, 通 常 應 用 於 微 控 制 器 (MCU) 與 周 邊 設 備 間, 這 四 個 連 線 訊 號 分 別 為 主 控 輸 入 / 從 屬 輸 出 (Master Input/Slave Output, MISO) 主 控 輸 出 / 從 屬 輸 入 (Master Output/Slave Input, MOSI) 串 列 時 脈 (Serial Clock, SCK) 以 及 從 屬 選 擇 或 晶 片 選 擇 (Slave Select/Chip Select, SS) SPI 系 統 中 的 主 要 控 制 元 素 為 SPI 資 料 暫 存 器 (Data Register), 實 際 上 有 兩 個 8 位 元 資 料 暫 存 器, 一 個 位 於 主 控 端, 另 一 個 則 位 於 從 屬 端, 兩 者 的 組 合 共 同 形 成 了 由 MISO 與 MOSI 兩 個 接 腳 所 連 接 的 16 位 元 暫 存 器 ( 圖 1) 圖 1 SPI 主 控 與 從 屬 設 備 中 的 8 位 元 資 料 暫 存 器, 透 過 MISO 與 MOSI 訊 號 連 接 形 成 16 位 元 控 制 暫 存 器 只 有 主 控 SPI 模 組 可 以 啟 動 資 料 傳 輸 傳 輸 動 作 由 主 控 處 理 器 將 資 料 寫 入 主 控 資 料 暫 存 器 開 始, 如 果 移 位 暫 存 器 (Shift Register) 為 空, 那 麼 位 元 組 會 立 即 傳 送 到 移 位 暫 存 器 並 在 串 列 時 脈 的 控 制 下 由 MOSI 接 腳 送 出 只 有 主 控 SPI 模 組 可 以 產 生 串 時 脈 訊 號 並 使 資 料 通 訊 與 從 屬 設 備 同 步, 主 控 SPI 通 常 將 SS 接 腳 設 定 為 從 屬 選 擇 輸 出, 在 資 料 傳 輸 進 行 前,SS 接 腳 必 須 轉 變 為 低 電 位 並 維 持 在 該 狀 態 直 到 整 個 傳 輸 動 作 完 成 ; 如 果 SS 接 腳 變 成 高 電 位, 那 麼 SPI 連 接 埠 會 被 強 制 進 入 靜 止 狀 態 (Idle State) 有 兩 種 SPI 連 線 方 式 可 以 包 含 一 個 主 控 端 與 多 個 從 屬 端, 分 別 為 雛 菊 鏈 鍵 串 接 從 屬 設 備 以 及 並 列 連 接 從 屬 設 備 被 選 用 的 從 屬 設 備 也 可 以 透 過 多 重 主 控 通 訊 協 定 與 多 個 主 控 端 搭 配 運 作, 由 於 多 個 從 屬 設 備 的 時 脈 順 序 與 單 一 從 屬 端 連 接 方 式 非 常 相 似, 因 此 本 篇 文

166 章 只 介 紹 單 一 主 控 端 與 從 屬 端 的 連 接 方 式 有 時 候 SPI 連 接 埠 只 使 用 三 條 連 接 線 進 行 通 訊, 主 要 是 在 周 邊 設 備 為 固 定 組 態 時, 例 如 在 只 可 送 出 資 料 的 狀 況 下 降 低 輸 入 訊 號 的 需 求, 或 者 是 在 只 輸 入 資 料 時 節 省 資 料 輸 出 訊 號 圖 2 中 的 SPI 時 序 圖 描 述 了 SPI 連 接 埠 的 控 制 設 定, 例 如 時 脈 為 高 電 位 啟 動 (CPOL=0) 在 時 脈 奇 數 邊 緣 進 行 資 料 取 樣 (CPHA=0) 資 料 以 MSB 優 先 (LSBFE=0) 方 式 傳 輸 等, 對 主 控 資 料 暫 存 器 的 讀 寫 動 作 會 啟 動 資 料 傳 輸 運 作, 在 典 型 的 SPI 資 料 傳 輸 過 程 中, 會 在 SS 成 為 低 電 位 後 的 半 個 時 間 週 期 內 發 出 第 一 時 脈 邊 緣 SCK 連 線 的 第 一 個 邊 緣 可 以 將 主 控 移 位 暫 存 器 的 第 一 個 資 料 位 元 透 過 MOSI 移 入 從 屬 端, 並 在 同 時 將 從 屬 端 的 第 一 個 資 料 位 元 透 過 MISO 移 入 主 控 端 圖 2 在 這 個 時 脈 圖 中, 主 控 SPI 連 接 埠 的 資 料 會 從 串 列 時 脈 訊 號 的 前 緣 移 入 從 屬 設 備 SPI 連 接 埠, 而 從 屬 設 備 SPI 連 接 埠 提 供 的 資 料 則 會 同 時 移 入 主 控 SPI 連 接 埠, 請 參 考 圖 中 的 MOSI 與 MISO 接 腳 當 SCK 連 線 上 的 第 二 個 邊 緣 發 生 時, 先 前 鎖 住 的 資 料 會 移 入 移 位 暫 存 器 的 MSB 位 元, 相 同 的 動 作 會 一 再 於 SCK 訊 號 的 十 六 個 邊 緣 重 覆, 直 到 主 控 端 中 所 有 八 個 資 料 位 元 移 入 從 屬 端 且 從 屬 端 中 的 八 個 資 料 位 元 移 入 主 控 端 為 止, 在 最 後 一 個 位 元 移 入 後, 資 料 便 可 以 由 移 位 暫 存 器 傳 送 到 並 列 的 SPI 資 料 暫 存 器 在 最 後 一 個 時 脈 邊 緣 後 會 出 現 一 個 發 生 於 時 脈 訊 號 位 準 回 到 高 電 位 前, 最 小 半 個 時 脈 週 期 的 尾 隨 時 間 tt, 接 著 SPI 開 始 進 入 下 個 靜 止 狀 態,SS 訊 號 連 接 線 會 維 持 在 高 電 位 狀 態 最 少 半 個 時 脈 的 靜 止 時 間 ti, 才 可 使 時 脈 位 準 再 次 成 為 低 電 位 狀 態

167 在將光耦合器加入 SPI 介面之前 先來分析訊號通過光耦合器時 光耦合器傳遞延遲時 間與資料傳輸率間的關係 光耦合器的最大高電位到低電位(tPHL)與低電位到高電位 (tplh)傳遞延遲時間將決定元件的最高資料傳輸率(圖 3) 最大傳遞延遲 tp(max)為 tph 與 tplh 兩者中較大者 光耦合器在傳輸不歸零編碼(Non Return to Zero, NRZ)資料時需 要資料位元時間長度 τ 最小要大於 tp(max) 也就是 τ TP(MAX) 因此最高資料傳輸率 為 圖 3 光耦合器的傳遞延遲時間偏離由最低與最高傳遞延遲時間之間的差異決定 DRNRZ(MAX)=1/τ 1/tP(MAX)...方程式(1) 對於使用歸零編碼(Return to Zero, RZ)資料的時脈訊號 時脈週期包含了高電位與低電 位時間(τ=tHIGH+tLOW) 對於傳送 50%有效週期率時脈訊號的光耦合器 則要求半個 時脈週期必須大於 tp(max) 也就是 τ/2 TP(MAX) 因此最高時脈頻率可以透過以下方 程式決定 frz(max)=1/τ 1/(2 tp(max))...方程式(2) 當資料通過並列訊號線同步傳送時 光電耦合器的傳遞延遲偏離 tpsk 就成為可能決定最 高並列資料傳輸率的重要因素 如果並列資料透過兩個獨立的光耦合器或一個多通道光 耦合器傳送 那麼各個通道間不同的傳遞延遲時間將造成資料透過光耦合器輸出的時間 相異 如果這個傳遞延遲的時間過大 那麼就會限制並列資料透過光耦合器傳送的最高 速率 由圖 3 可以看到 傳遞延遲時間偏離定義為相同驅動電流 電壓 輸出負載以及工作溫 度等相同條件下 各光耦合器通道最低與最高傳遞延遲時間之間的差異 光耦合器的 tpsk 會在資料與訊號線上形成不確定狀態 通常來說 可以透過並列光耦合器傳送的絕對最 小脈衝寬度為兩倍的 tpsk 也就是 TPW 2tPSK 因此最高資料傳輸率為

168 DR=1/TPW 1/(2 tpsk)... 方 程 式 (3) 較 為 保 守 且 安 全 的 設 計, 應 該 是 使 用 較 長 的 脈 衝 寬 度, 以 確 保 電 路 中 其 他 部 分 造 成 的 所 有 額 外 不 確 定 性 不 會 帶 來 任 何 問 題 SPI 系 統 設 計 實 例 圖 4 顯 示 出 典 型 的 四 接 線 SPI 隔 離 介 面, 其 中 每 個 MISO 或 MOSI 接 線 都 採 用 單 通 道 或 單 一 光 耦 合 器 來 提 供 主 控 端 與 從 屬 端 間 的 電 氣 隔 離 圖 4 Avago 的 ACPL-M72T 單 通 道 光 耦 合 器 可 以 隔 離 主 控 端 與 從 屬 端 SPI 設 備 間 所 有 的 訊 號 路 徑 舉 例 來 說, 若 使 用 安 華 高 (Avago) 的 光 耦 合 器 ACPL-M72T 來 提 供 MISO MOSI 與 SCK 等 訊 號 連 線 的 隔 離 功 能, 由 光 耦 合 器 中 的 產 品 規 格 書 中 就 可 看 出,tP(MAX) 為 100 奈 秒 (ns) 且 最 高 tpsk 為 60ns, 將 這 些 數 值 代 入 先 前 的 方 程 式 就 可 得 到 最 高 的 SPI 資 料 傳 輸 率 以 下 的 計 算 提 供 了 使 用 ACPL-M72T 光 耦 合 器 切 換 規 格 做 為 SPI 資 料 時 脈 程 序 的 參 考 設 計 範 例 由 於 SPI 時 脈 採 用 NZ 編 碼 方 式, 因 此 先 將 方 程 式 (2) 代 入 SCK, 接 著 計 算 最 時 脈 頻 率 : fsck=1/(2 tp(max))=1/(2 100ns)=5MHz 由 於 主 控 端 設 備 會 以 並 列 且 同 步 的 方 式 送 出 MOSI 與 SCK 訊 號, 因 此 必 須 接 著 將 方 程 式 (3) 代 入 這 兩 條 連 接 線 來 決 定 在 可 能 訊 號 變 化 率 發 生 條 件 下 的 MOSI 最 高 資 料 傳 輸 率 : DRMOSI=1/(2 tpsk)=1/(2 60ns)8.3MBd

169 MISO 與時脈訊號間的同步方式和 MOSI 不同 當時脈訊號由主控端傳送到從屬端時 光 耦合器會在 SCK 上造成傳遞延遲偏離 在從屬端收到時脈訊號後 從屬端輸出資料到主 控端路徑上的光耦合器也會在 MISO 上造成傳遞延遲偏離 主控端必須在相同時脈訊號 的第二個邊緣變化前對資料進行取樣 因而傳遞延遲時間的兩倍必須低於時脈時間的一 半 也就是 2tP(MAX) τ/2 MISO 的最高資料傳輸率為(圖 5) 圖 5 SCK 與 MISO 訊號的時序必須考慮到整個路徑的來回傳遞延遲 以決定 MISO 訊號 路徑上的最高資料傳輸率 DRMISO=1/τ=1/(4 tp(max))=2.5mbd 最後 在決定最低資料傳輸率後 就可以使用這個傳輸率在所有的計算上 比較 fsck DRMOSI 與 DRMISO 等三個資料傳輸率 最低資料傳輸率為 MISO 連線的 2.5MBd 因此 相對應的時脈頻率應該設定為 2.5MHz 這是資料傳輸不會發生任何漏失位元的安全限 制 較為保守的方式是將時脈頻率設定進一步降低到大約 2MHz 而非計算取得的 2.5MHz 以確保在其他額外非確定性因素影響下資料的完整性 在資料傳輸時 SS 連接線通常擁有較長的靜止時間 ti 因此可以使用較低速的光耦合器 如 ti 設定為高於 1 微秒(μs) 那麼就可採用 ACPL-K49T 表 1 列出了各種不同 SPI 時脈頻率下的光耦合器最高資料傳輸率與最大傳遞延遲要求 設計人員可依此做為挑選光耦合器的參考 結構較為簡單的串列周邊介面(Serial Peripheral Interface, SPI)以及控制器區域網路 (Controller Area Network, CAN)匯流排是目前普遍應用於汽車 工業控制與通訊應用領域 的串列介面 為了提供隔離並將接地迴路造成的影響降到最低 光耦合器已經成為這些系 統中採用的標準解決方案 原因是它可以確保資料的完整性同時提供高雜訊與惡劣環境下 的電氣安全性

170 CAN 應 用 分 析 與 設 計 實 例 接 下 來 討 論 CAN 匯 流 排 CAN 匯 流 排 是 一 個 傳 輸 NRZ 編 碼 串 列 非 同 步 訊 息 的 兩 線 式 資 料 匯 流 排, 典 型 的 節 點 連 接 方 式 包 含 一 個 主 控 端 控 制 器 一 個 CAN 匯 流 排 控 制 器 以 及 一 個 匯 流 排 收 發 器 ( 圖 6) 圖 6 在 典 型 的 CAN 節 點 上, 匯 流 排 收 發 器 使 用 CANH 與 CANL 接 腳 將 差 動 式 訊 號 傳 送 到 CAN 匯 流 排 上, 資 料 能 以 任 意 方 向 傳 送, 光 隔 離 元 件 則 可 以 用 來 提 供 匯 流 排 收 發 器 與 匯 流 排 控 制 器 間 的 電 氣 隔 離 兩 線 式 CAN 匯 流 排 上 的 訊 號 為 由 匯 流 排 收 發 器 提 供 CANH 與 CANL 訊 號 形 成 的 差 動 式 訊 號, 訊 號 接 腳 採 雙 向 式 設 計, 因 此 訊 號 可 以 由 任 意 方 向 與 匯 流 排 控 制 器 進 行 傳 輸 ; 除 此 之 外, 其 他 選 擇 的 功 能 還 包 括 可 以 連 接 到 節 點 的 接 地 連 線 GND, 以 及 匯 流 排 電 壓 感 測 V+ 訊 號 CAN 匯 流 排 收 發 器 中 的 接 收 器 電 路 會 隨 時 透 過 CANH/CANL 接 腳 監 測 匯 流 排 上 的 差 動 式 訊 號, 並 將 它 轉 換 成 為 可 以 傳 送 給 控 制 器 的 單 端 訊 號 流 同 樣 地, 當 匯 流 排 控 制 器 要 送 出 資 料 時, 它 的 發 射 器 電 路 會 送 出 單 端 訊 號 流 到 匯 流 排 收 發 器, 接 著 再 轉 換 為 差 動 電 壓 並 將 訊 號 送 到 CAN 匯 流 排 上 對 需 要 隔 離 功 能 的 CAN 匯 流 排 節 點, 光 耦 合 器 可 被 安 排 在 CAN 控 制 器 與 CAN 匯 流 排 收 發 器 之 間, 因 此 可 以 提 供 控 制 器 與 匯 流 排 以 及 其 他 CAN 節 點 間 的 電 氣 隔 離 CAN 匯 流 排 訊 息 使 用 不 同 形 態 的 訊 框 方 式 傳 送, 資 料 訊 框 (Data Frame) 以 訊 框 起 始 (Start of Frame) 位 元 開 頭 並 以 訊 框 結 束 (End of Frame) 位 元 做 結 訊 框 起 始 位 元 後 的 仲 裁 區 (Arbitration Field) 由 11 位 元 的 辨 識 資 訊 (Identifier) 開 頭, 訊 息 的 辨 識 資 訊 描 述 了 節 點 的 優 先 次 序 以 及 資 料 形 態, 若 有 多 個 節 點 訊 號 於 CAN 匯 流 排 上 發 生 衝 突 時, 即 可 依 此 做 為 依 據, 即 時 處 理 衝 突 狀 況 例 如, 擁 有 最 高 優 先 權 限 的 訊 息 將 成 功 傳 送, 使 用 較 低 權 限 訊 息 的 節 點 可 以 在 感 應 到 這 個 情 況 時, 自 動 停 止 傳 送 並 維 持 在 等 待 狀 態 這 樣 的 安 排 可 以 帶 來 CAN 匯 流 排 上 無 破 壞 性 的

171 仲 裁 控 制, 同 時 避 免 發 生 資 料 漏 失 的 情 況 CAN 的 標 稱 位 元 時 間 (Nominal Bit Time, NBT) 總 共 由 四 個 部 分 所 組 成, 分 別 為 同 步 部 分 (SYNC_SEC) 傳 遞 延 遲 部 分 (PROP_SEG) 相 位 緩 衝 部 分 一 (PHASE_SEG1) 以 及 相 位 緩 衝 部 分 二 (PHASE_SEG2)( 圖 7), 組 成 公 式 如 下 所 示 : 圖 7 CAN 位 元 時 間 分 為 四 個 部 份, 分 別 為 同 步 部 份 (SYNC_SEC) 傳 遞 延 遲 部 份 (PROP_SEG) 相 位 緩 衝 部 份 一 (PHASE_SEG1) 以 及 相 位 緩 衝 部 份 二 (PHASE_SEG2) NBT=1/Nominal Bit Rate=tSYNC_SEG+tPROP_SEG+tPHASE_SEG1+tPHASE_SEG2 位 元 取 樣 點 位 於 PHASE_SEG1 的 結 束 處,PHASE_SEG1 與 PHASE_SEG2 的 組 合 稱 為 取 樣 部 分 (Sample Segment) 時 間 量 TQ(Time Quantum) 是 一 個 由 時 脈 振 盪 器 或 微 控 制 器 時 脈 取 得 的 固 定 時 間 單 位 另 外, 可 控 制 預 除 器 的 時 間 預 設 由 整 數 值 1?32 所 構 成, 可 以 設 定 在 目 標 值 來 產 生 所 需 的 時 間 量 : fcan=fclock/m TQ= 1/fCAN=1/(fclock/m) 其 中 fclock 為 振 盪 器 時 脈 頻 率,fCAN 為 CAN 系 統 時 脈 頻 率,m 則 為 預 除 器 設 定 值 CAN 位 元 時 間 以 時 間 量 為 單 位 的 倍 數 進 行 測 量,CAN 匯 流 排 上 單 一 標 稱 位 元 時 間 (NBT) 的 時 間 量 可 由 最 少 8?25 的 數 值 控 制 CAN 位 元 時 間 量 =NBT/TQ 同 步 部 分 固 定 為 一 個 時 間 量, 這 個 部 分 主 要 用 來 進 行 各 個 節 點 間 的 同 步, 每 個 CAN 節 點 會 將 目 前 位 元 時 間 的 SYN_SEG 對 齊 到 所 傳 送 訊 框 起 始 位 元 的 隱 性 邊 緣 傳 遞 時 間 部 分 則 可 設 定 為 1?8 個 時 間 量, 並 用 來 補 償 匯 流 排 上 的 實 體 時 間 延 遲 由 發 射 節 點 A 到 接 收 節 點 B 間

172 的 實 際 傳 遞 時 間 為 : tprop(a-b)=ttx+tbus+trx 上 述 式 子 中 的 ttx 為 節 點 A CAN 控 制 器 TXD 到 匯 流 排 的 傳 輸 傳 遞 時 間 延 遲, 包 含 了 光 耦 合 器 與 匯 流 排 發 射 器 的 時 間 延 遲 ;tbus 則 為 CAN 匯 流 排 纜 線 的 傳 遞 時 間 延 遲 ; 而 trx 為 由 匯 流 排 到 節 點 B CAN 控 制 器 RXD 的 接 收 傳 遞 時 間 延 遲, 包 含 匯 流 排 接 收 器 與 光 耦 合 器 的 時 間 延 遲 因 此, 設 計 人 員 可 以 確 保 位 元 數 值 正 確 取 樣 的 傳 遞 延 遲 部 分 最 小 時 間 如 下 所 示 : tprop_seg=tprop(a-b)+tprop(b-a) 如 果 節 點 A 與 節 點 B 擁 有 相 同 形 態 的 收 發 器 與 光 耦 合 器, 那 麼 來 回 的 傳 遞 延 遲 為 : tprop_seg=2(ttx+tbus+ trx) PHASE_SEG1 設 定 為 1?8 個 TQ 時 間 量 長 度,PHASE_SEG2 通 常 等 於 PHASE_SEG1 或 是 資 訊 處 理 時 間 (Information Processing Time, IPT) 中 較 大 者 不 過 當 訊 號 經 過 重 新 同 步 以 補 償 邊 緣 相 位 誤 差 時,PHASE_SEG1 可 被 延 長, 而 PHASE_SEG2 可 被 縮 短,PHASE_SEG1 與 PHASE_SEG2 之 間 的 調 整 會 受 到 預 先 設 定 值 的 重 新 同 步 跳 躍 寬 度 (RJW) 限 制, 最 小 RJW 為 一 個 TQ 時 間 量, 最 大 RJW 則 為 四 個 TQ 時 間 量, 以 及 PHASE_SEG1 時 間 量 間 的 較 小 者 PHASE_SEG1 時 間 量 =tphase_seg1/tq 在 決 定 CAN 匯 流 排 位 元 率 後, 設 計 師 接 著 須 計 算 位 元 時 間 量 並 檢 查 每 部 分 的 時 間 量 需 求 在 其 他 匯 流 排 通 訊 協 定 上, 資 料 的 取 樣 發 生 在 位 元 時 間 的 中 心 點, 但 在 CAN 通 訊 協 定 中, 位 元 取 樣 會 在 PHASE_SEG1 結 尾 與 PHASE_SEG2 開 始 時 發 生, 依 經 驗 值 大 約 在 位 元 時 間 80% 位 置 因 此 在 選 用 CAN 收 發 器 與 光 耦 合 器 時, 設 計 師 應 將 PROP_SEG 限 制 在 位 元 時 間 的 70% 處 表 2 列 出 各 種 CAN 傳 輸 率 選 擇 以 及 相 關 的 匯 流 排 特 性 與 延 遲 時 間

173 要了解這些時序問題如何轉變成為真正的效能影響 可用兩個簡單的例子說明 範例一 CAN 匯流排系統標稱位元率為 1Mbit/s 微控制器時脈頻率為 20MHz 並選用具有如圖 5 所示功能的恩智浦(NXP)CAN 收發器 TJA1041 以及安華高的光耦合器 ACPL-M71T 步驟一 CAN 標稱位元時間 NBT=1/1Mbps=1000 奈 ns 將預除器設定為 2 可以得到 CAN 系統時脈 為 20MHz/2=10MHz CAN 時脈時間量 TQ=1/10MHz=100ns 因此 CAN 標稱位元時間量 即為 NBT/TQ=1000ns/100ns=10 步驟二 由匯流排收發器與光耦合器的產品規格書中可以看出 發射與接收通道的最大傳遞延遲時 間分別為 250ns 以及 70ns 假設匯流排傳遞延遲大約為 5ns/m 那麼 5 公尺長的連線匯流排延遲為 25ns 因此 CAN 往返延遲時間就變成 tprop_seg=2(225ns+70ns+25ns)=640ns

174 步 驟 三 計 算 每 個 部 分 的 時 間 量 : PROP_SEG= 往 返 (640ns/100ns)=6 由 步 驟 一 中 計 算 取 得 的 時 間 量 10, 減 去 SYNC_SEG 的 1 以 及 PROP_SEG 的 6, 可 以 得 到 時 間 量 3 做 為 取 樣 部 分 因 此 將 PHASE_SEG1 設 為 時 間 量 1 且 PHASE_SEG2 設 為 時 間 量 2, 由 於 RJW 為 4 與 PHASE_SEG1 的 較 低 者, 因 此 設 為 1, 在 這 個 情 況 下, 取 樣 點 位 於 (1+6+1)/10 處, 大 約 在 位 元 時 間 的 80% 處 ( 圖 7) 範 例 二 CAN 匯 流 排 系 統 標 稱 位 元 率 為 500kbps, 微 控 制 器 時 脈 頻 率 為 20MHz, 並 選 用 具 有 如 圖 5 所 示 功 能 的 恩 智 浦 CAN 收 發 器 SN65HVD1040A 以 及 安 華 高 的 光 耦 合 器 ACPL-M72T 步 驟 一 CAN 標 稱 位 元 時 間 NBT=1/500kbit/s= 2000ns 將 預 除 器 設 定 為 2 可 以 得 到 CAN 系 統 時 脈 為 20MHz/2=10MHz,CAN 時 脈 時 間 量 TQ=1/10MHz=100ns 因 此 CAN 標 稱 位 元 時 間 量 的 計 算 過 程 即 為 NBT/TQ=2000ns/100ns=20 步 驟 二 由 匯 流 排 收 發 器 與 光 耦 合 器 的 產 品 規 格 書 中 可 以 看 出, 發 射 與 接 收 通 道 的 最 大 傳 遞 延 遲 時 間 分 別 為 250ns 以 及 200ns 假 設 匯 流 排 傳 遞 延 遲 大 約 為 5ns/m, 那 麼 5 公 尺 長 的 連 線 匯 流 排 延 遲 為 25ns, 因 此,CAN 往 返 延 遲 時 間 就 變 成 : tprop_seg=2(250ns+200ns+25ns)=950ns 步 驟 三 計 算 每 個 部 分 的 時 間 量 : PROP_SEG= 往 返 (950ns/100ns)=9 由 步 驟 一 中 計 算 取 得 的 時 間 量 20, 減 去 SYNC_SEG 的 1 以 及 PROP_SEG 的 9, 可 以 得 到 時 間 量 10 做 為 取 樣 部 分 因 此 將 PHASE_SEG1 設 為 時 間 量 5 且 PHASE_SEG2 設 為 時 間 量

175 5, 由 於 RJW 為 4 與 PHASE_SEG1 的 較 低 者, 因 此 設 為 4, 在 這 個 情 況 下, 取 樣 點 位 於 (1+9+5)/20 處, 大 約 在 位 元 時 間 的 75% 處 因 此, 透 過 對 SPI 與 CAN 系 統 中 訊 號 傳 遞 延 遲 的 深 入 了 解, 設 計 人 員 可 以 選 擇 最 適 合 的 光 耦 合 器 來 確 保 不 會 有 資 料 漏 失 的 情 況 發 生, 同 時 提 供 匯 流 排 與 控 制 器 間 的 電 氣 隔 離 光 耦 合 器 ( 也 稱 作 光 隔 離 器 ) 是 半 導 體 元 件, 容 許 電 信 號 在 電 路 或 系 統 之 間 傳 送, 並 保 證 電 路 或 系 統 之 間 被 電 氣 隔 離 典 型 的 雙 列 直 插 式 (DIP) 光 耦 合 器 包 含 三 個 基 本 單 元 :... 光 耦 合 器 ( 也 稱 作 光 隔 離 器 ) 是 半 導 體 元 件, 容 許 電 信 號 在 電 路 或 系 統 之 間 傳 送, 並 保 證 電 路 或 系 統 之 間 被 電 氣 隔 離 典 型 的 雙 列 直 插 式 (DIP) 光 耦 合 器 包 含 三 個 基 本 單 元 : 一 個 紅 外 線 (IR) 發 光 二 極 體 (LED) 一 個 輸 出 光 電 檢 測 器, 以 及 對 於 相 互 連 接 極 其 重 要 的 耦 合 介 質 本 文 即 為 各 位 介 紹 新 型 BGA 封 裝 光 耦 合 器 較 傳 統 DIP 元 件 的 優 越 之 處 當 正 向 電 流 (If) 通 過 LED 時, 電 子 被 轉 換 成 光 子 輻 射 能 量 通 過 光 耦 合 介 質 發 射 並 到 達 檢 測 器 的 表 面, 在 此 處 光 子 又 被 轉 換 成 電 子 光 電 檢 測 器 ( 在 很 多 情 況 下 稱 作 光 敏 電 晶 體 ) 的 設 計 具 有 較 大 的 基 極 面 積, 因 此 具 有 較 大 的 基 極 - 集 極 連 接 面 積, 及 較 小 的 射 極 面 積 如 果 光 敏 電 晶 體 的 基 極 和 射 極 接 地, 而 集 極 接 正 電 壓, 則 該 元 件 可 作 為 光 電 二 極 體 運 作 這 樣 電 流 從 集 極 流 向 基 極, 在 負 載 電 阻 (RL) 上 產 生 電 壓 降 面 結 電 容 (Ccb) 會 產 生 與 輸 出 電 壓 上 升 時 間 相 對 的 輸 出 電 路 時 間 常 數 (RL*Ccb) 輸 出 電 流 在 這 種 配 置 下 會 很 小, 因 此 這 種 連 接 通 常 不 使 用 光 耦 合 器 性 能 及 應 用 耦 合 介 質 可 優 化 從 LED 發 射 至 光 電 檢 測 器 的 光 線 傳 送 耦 合 介 質 必 須 對 發 射 波 長 呈 光 學 透 明 並 且 具 有 高 折 射 指 數 有 時 在 透 明 的 耦 合 介 質 上 製 作 反 射 塗 層, 用 以 優 化 耦 合 效 率 耦 合 介 質 和 反 射 塗 層 必 須 仔 細 選 擇, 以 限 制 在 連 接 線 和 以 GaAs 或 AlGaA 為 基 礎 LED 上 產 生 的 熱 機 械 應 力 最 常 見 的 電 路 應 用 是 讓 基 極 連 接 開 路, 這 樣, 總 體 集 極 電 流 較 光 產 生 的 電 流 大 很 多, 並 且 比 之 前 配 置 的 電 流 高 出 數 百 倍 但 也 帶 來 了 減 慢 工 作 速 度 的 問 題 這 種 連 接 的 輸 出 時 間 常 數 為 (*RL*Ccb) 光 敏 電 晶 體 的 輸 出 電 流 與 砷 化 鎵 二 極 體 的 輸 入 電 流 之 比 被 稱 為 電 流 傳 輸 比 (CTR) 光 耦 合 器 的 一 種 普 通 應 用 是 開 關 電 源 在 保 持 信 號 完 整 和 安 全 性 的 情 況 下, 提 供 從 次 級 低 壓 邊 到 初 級 高 壓 邊 的 隔 離 反 饋, 以 便 進 行 控 制 除 提 供 高 度 電 氣 隔 離 外, 光 耦 合 管 亦 可 提 高 差 模 與 共 模 信 號 之 比 傳 統 DIP 封 裝 DIP 封 裝 ( 圖 1) 廣 泛 應 用 於 積 體 電 路 封 裝, 以 及 普 通 光 耦 合 器 封 裝 光 耦 合 器

176 DIP 封 裝 一 般 有 或 16 引 腳 等 不 同 型 款 P-DIP 光 耦 合 器 封 裝 可 進 行 一 些 改 進, 例 如 光 耦 合 器 封 裝 需 要 昂 貴 和 耗 時 的 過 鑄 模 製 程 在 過 鑄 模 製 程 中, 鑄 模 混 合 充 膠 劑 將 光 耦 合 器 封 裝 的 其 他 部 分 封 裝 起 來 除 了 過 鑄 模 製 程 本 身 以 外, 還 要 使 用 鑄 模 材 料 清 除 技 術 ( 如 樹 脂 切 除 和 殘 膠 切 除 技 術 ) 來 除 去 多 餘 的 鑄 模 混 合 物, 因 而 增 加 了 光 耦 合 器 封 裝 的 製 造 時 間 和 製 造 成 本 此 外, 還 需 要 投 入 大 量 資 金 來 製 造 不 同 外 形 因 數 ( 如 腳 封 裝 ) 的 鑄 模 因 此, 如 能 取 消 過 鑄 模 製 程, 就 可 降 低 生 產 光 耦 合 器 封 裝 的 相 關 時 間 和 成 本 此 外,DIP 光 耦 合 器 封 裝 不 利 於 PCB 表 面 黏 著, 引 腳 必 須 進 行 整 形, 以 便 適 應 常 有 微 小 裂 紋 危 險 出 現 的 表 面 黏 著 迴 焊, 並 影 響 元 件 的 可 靠 性 此 外, 這 種 DIP 封 裝 的 高 度 仍 然 會 給 用 戶 帶 來 問 題, 假 如 所 使 用 的 其 他 元 件 為 低 高 度 的 表 面 黏 著 元 件, 如 TSSOP 或 TQFP Microcoupler 優 勢 Microcoupler( 圖 1) 便 經 由 其 設 計 特 性 來 解 決 這 些 問 題 低 側 高 微 型 表 面 黏 著 元 件 的 高 度 描 述 為 最 高 1.2mm, 佔 位 面 積 較 現 今 的 PDIP 型 小 Microcoupler 不 需 要 灌 封 ( 鑄 模 混 合 物 ), 而 且 它 的 製 造 工 具 與 封 裝 大 小 無 關 它 的 設 計 還 有 利 於 改 進 元 件 在 加 速 測 試 中 ( 如 熱 迴 圈 試 驗 ) 的 可 靠 性 能 並 可 利 用 無 鉛 焊 球 建 造 完 全 的 無 鉛 封 裝 圖 2 比 較 了 普 通 鑄 模 DIP 型 光 耦 合 器 和 Microcoupler 封 裝 光 耦 合 器 的 典 型 製 程 流 程 Microcoupler 製 程 詳 解 Microcoupler 由 帶 有 線 路 的 基 底 和 連 接 砷 化 鎵 LED 及 光 電 檢 測 器 晶 片 的 裸 片 附 著 踏 板 所 構 成 LED 黏 結 在 外 部 以 使 其 偏 壓, 而 光 電 檢 測 器 與 輸 出 連 接 LED 與 光 電 檢 測 器 利 用 光 學 塗 層 耦 合, 能 在 介 質 之 間 進 行 高 速 傳 送 此 外, 光 學 塗 層 上 覆 蓋 一 種 反 射 塗 層, 將 傳 送 到 光 敏 晶 片 的 輻 射 提 升 到 最 高, 焊 球 形 成 2 級 互 聯 ( 封 裝 至 印 刷 線 路 板 ) 圖 3 所 示 為 Micro-coupler 的 近 視 圖 使 用 業 內 普 遍 的 基 底 和 製 程 可 以 製 造 側 高 很 低 的 表 面 黏 著 光 耦 合 器 封 裝 而 且, 這 種 獨 特 的 封 裝 設 計 可 以 省 去 一 系 列 投 資 密 集 的 製 程 步 驟, 如 鑄 模 殘 膠 去 除 修 整 和 整 形 使 用 傳 統 的 鑽 石 劃 片 機 可 進 行 Microcoupler 的 分 割 比 較 Microcoupler 與 DIP Microcoupler 元 件 與 採 用 整 合 相 同 發 射 器 和 檢 測 器 的 4 腳 DIP 封 裝 進 行 比 較, 絕 緣 測 試 測 量 了 1mA 輸 入 電 流 和 5V 偏 壓 下 的 CTR 80V Vce 下 的 Iceo, 以 及 為 時 1 秒 的 絕 緣 電 壓 圖 4 比 較 了 研 究 結 果 兩 種 封 裝 從 25oC 到 125oC 範 圍 的 CTR 衰 減 測 量 結 果 也 進 行 比 較 圖 5 顯 示 Microcoupler 的 高 溫 衰 減 ( 在 1mA 5V 情 況 下 ) 僅 為 30% 左 右, 而 4 腳 DIP 封 裝 則 為 60% 圖 6 所 示 為 低 輸 入 電 流 下 Microcoupler 的 CTR 性 能 隨 溫 度 變 化 圖 7 所 示 為 Microcoupler 封 裝 的 初 步 可 靠 性 測 試 結 果 FEA 分 析 顯 示 最 大 應 力 為 131Mpa, 遠 遠 低 於 晶 片 的 臨 界 應 力 ( 約 700Mpa), 焊 球 和 反 射 塗 層 的 應 力 較 低 結 果 顯 示 正 如 實 驗 驗 證, 這 種 封 裝 在 260oC 迴 焊 下 是 穩 定 堅 固 的 ( 圖 8 9)

177 Microcoupler 擁有多項優勢 經比較後 表面黏著 Microcoupler 封裝的結構及其裝配流程有利於低側高表 面黏著元件 具有較現今封裝選擇簡化的裝配製程流程 FEA 分析顯示該封裝 在嚴格的 260oC(無鉛)迴焊條件下所受應力很小或沒有 並經獨立進行的實驗 驗證 而使用無鉛焊球可製造完全無鉛的光耦合器封裝 此外 關鍵參數如電 流傳遞比(CTR)的初步特性結果顯示 這封裝尺寸無衰減問題 最後 這些獨 特/新穎的材料和設計的早期可靠性測試結果 顯示出穩定的封裝和優良的裝 配製程 東芝推出伺服馬達輸入光電耦合器 2013/11/19 17:05:18 中 央 社 2013 年 11 月 19 日 電 根 據 美 國 商 業 資 訊 報 導 東 芝 公 司 Toshiba Corporation, TOKYO:6502 今 天 宣 布 推 出 用 於 伺 服 馬 達 和 可 程 式 設 計 邏 輯 控 制 器 的 高 速 光 電 耦 合 器 TLP2391 該 光 電 耦 合 器 適 用 於 正 和 負 LED 電 流 量 產 定 於 12 月 開 始 可 程 式 設 計 邏 輯 控 制 器 應 用 接 受 以 下 兩 種 不 同 極 性 輸 入 中 的 一 種 漏 型 (sink)邏 輯 輸 入 和 源 型 (source)邏 輯 輸 入 透 過 結 合 兩 個 反 向 平 行 的 LED TLP2391 同 時 支 援 漏 型 邏 輯 和 源 型 邏 輯 因 而 無 需 使 用 橋 接 電 路 該 產 品 支 援 10Mbps 高 速 通 訊 這 一 速 度 達 到 其 他 東 芝 雙 輸 入 光 電 耦 合 器 1 的 兩 倍 可 應 用 於 工 業 應 用 的 通 訊 介 面 該 積 體 電 路 的 2.3mA 低 輸 入 電 流 驅 VCC = 3.3V 和 1mA 低 供 電 電 流 有 助 於 節 能 應用 可程式設計邏輯控制器 伺服馬達和工業自動化設備 新 產 品 的 主 要 功 能 工 作 溫 度 Topr = -40 至 125 C 供 電 電 壓 VCC = 2.7 至 5.5V 供 電 電 流 ICC = 1mA 閾 值 輸 入 電 流 IFHL = 2.3mA VCC =3.3V IFHL = 2.5mA VCC = 5.0V 傳 播 延 遲 時 間 tphl / tplh = 100ns 最 大 脈 衝 寬 度 失 真 tphl-tplh = 30ns 最 大 傳 播 延 遲 偏 差 tpsk = 40ns 最 大 如需有關該產品的更多資訊 請造訪 jsp?pid=tlp2391&lang=en 客 戶 詢 問 光 電 設 備 銷 售 和 行 銷 部 門 電 話 關 於 東 芝 東 芝 是 一 家 全 球 領 先 的 多 元 化 製 造 商 解 決 方 案 供 應 商 以 及

178 先 進 電 子 電 氣 產 品 及 系 統 的 行 銷 商 東 芝 集 團 將 創 新 和 想 像 力 帶 入 廣 泛 的 業 務 之 中 包 括 LCD 電 視 筆 記 型 電 腦 零 售 解 決 方 案 和 多 功 能 一 體 機 MFP 在 內 的 數 碼 產 品 半 導 體 儲 存 產 品 和 材 料 在 內 的 電 子 器 件 發 電 系 統 智 慧 社 區 解 決 方 案 醫 療 系 統 以 及 扶 手 電 梯 和 升 降 機 在 內的工業及社會基礎設施系統 以及家用電器 東 芝 成 立 於 1875 年 如 今 已 成 為 一 家 有 著 590 多 家 附 屬 公 司 的 環 球 企 業 全 球 擁 有 名 員 工 年 銷 售 額 逾 5.8 兆 日 圓 610 億 美 元 來源 新浪網 1.概述 光耦合器 opticalcoupler 英文縮寫為 OC 亦稱光電隔 離器 簡稱光耦 光耦合器以光為媒介傳輸電信號 它對輸入 輸出電信號有良好的隔離作 用 所以 它在各種電路中得到廣泛的應用 目前它已成為種類最多 用途最廣的光電器件 之一 光耦合器一般由三部分組成 光的發射 光的接收及信號放大 輸入的電信號驅動發 光二極管 LED 使之發出一定波長的光 被光探測器接收而產生光電流 再經過進一步 放大後輸出 這就完成了電 光 電的轉換 從而起到輸入 輸出 隔離的作用 由於光耦 合器輸入輸出間互相隔離 電信號傳輸具有單向性等特點 因而具有良好的電絕緣能力和抗 幹擾能力 又由於光耦合器的輸入端屬於電流型工作的低阻元件 因而具有很強的共模抑製 能力 所以 它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比 在計算機數字通 信及實時控製中作為信號隔離的接口器件 可以大大增加計算機工作的可靠性 光耦 合器的主要優點是 信號單向傳輸 輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離隔離 輸出信號對 輸入端無影響 抗幹擾能力強 工作穩定 無觸點 使用壽命長 傳輸效率高 光耦合器是 70 年代發展起來產新型器件 現已廣泛用於電氣絕緣 電平轉換 級間耦合 驅動電路 開關電路 斬波器 多諧振蕩器 信號隔離 級間隔離 脈衝放大電路 數字儀表 遠距離信號傳輸 脈衝放大 固態繼電器(SSR) 儀器儀表 通信設備及微機接口中 在單

179 片 開 關 電 源 中, 利 用 線 性 光 耦 合 器 可 構 成 光 耦 反 饋 電 路, 通 過 調 節 控 製 端 電 流 來 改 變 占 空 比, 達 到 精 密 穩 壓 目 的 十 幾 年 來, 新 型 光 耦 合 器 不 斷 湧 現, 滿 足 了 各 種 光 控 製 的 要 求 其 應 用 範 圍 已 擴 展 到 計 測 儀 器, 精 密 儀 器, 工 業 用 電 子 儀 器, 計 算 機 及 其 外 部 設 備 通 信 機 信 號 機 和 道 路 情 報 係 統, 電 力 機 械 等 領 域 這 裏 側 重 介 紹 該 器 件 的 工 作 特 性, 驅 動 和 輸 出 電 路 及 部 分 實 際 應 用 電 路 近 年 來 問 世 的 線 性 光 耦 合 器 能 夠 傳 輸 連 續 變 化 的 模 擬 電 壓 或 模 擬 電 流 信 號, 使 其 應 用 領 域 大 為 拓 寬 下 麵 分 別 介 紹 光 耦 合 器 的 工 作 原 理 及 檢 測 方 法 2. 光 耦 合 器 的 性 能 及 類 型 用 於 傳 遞 模 擬 信 號 的 光 耦 合 器 的 發 光 器 件 為 二 極 管 光 接 收 器 為 光 敏 三 極 管 當 有 電 流 通 過 發 光 二 極 管 時, 便 形 成 一 個 光 源, 該 光 源 照 射 到 光 敏 三 極 管 表 麵 上, 使 光 敏 三 極 管 產 生 集 電 極 電 流, 該 電 流 的 大 小 與 光 照 的 強 弱, 亦 即 流 過 二 極 管 的 正 向 電 流 的 大 小 成 正 比 由 於 光 耦 合 器 的 輸 入 端 和 輸 出 端 之 間 通 過 光 信 號 來 傳 輸, 因 而 兩 部 分 之 間 在 電 氣 上 完 全 隔 離, 沒 有 電 信 號 的 反 饋 和 幹 擾, 故 性 能 穩 定, 抗 幹 擾 能 力 強 發 光 管 和 光 敏 管 之 間 的 耦 合 電 容 小 (2pf 左 右 ) 耐 壓 高 (2.5KV 左 右 ), 故 共 模 抑 製 比 很 高 輸 入 和 輸 出 間 的 電 隔 離 度 取 決 於 兩 部 分 供 電 電 源 間 的 絕 緣 電 阻 此 外, 因 其 輸 入 電 阻 小 ( 約 10Ω), 對 高 內 阻 源 的 噪 聲 相 當 於 被 短 接 因 此, 由 光 耦 合 器 構 成 的 模 擬 信 號 隔 離 電 路 具 有 優 良 的 電 氣 性 能 事 實 上, 光 耦 合 器 是 一 種 由 光 電 流 控 製 的 電 流 轉 移 器 件, 其 輸 出 特 性 與 普 通 雙 極 型 晶 體 管 的 輸 出 特 性 相 似, 因 而 可 以 將 其 作 為 普 通 放 大 器 直 接 構 成 模 擬 放 大 電 路, 並 且 輸 入 與 輸 出 間 可 實 現 電 隔 離 然 而, 這 類 放 大 電 路 的 工 作 穩 定 性 較 差, 無 實 用 價 值 究 其 原 因 主 要 有 兩 點 : 一 是 光 耦 合 器 的 線 性 工 作 範 圍 較 窄, 且 隨 溫 度 變 化 而 變 化 ; 二 是 光 耦 合 器 共 發 射 極 電 流 傳 輸 係 數 β 和 集 電 極 反 向 飽 和 電 流 ICBO( 即 暗 電 流 ) 受 溫 度 變 化

180 的 影 響 明 顯 因 此, 在 實 際 應 用 中, 除 應 選 用 線 性 範 圍 寬 線 性 度 高 的 光 耦 合 器 來 實 現 模 擬 信 號 隔 離 外, 還 必 須 在 電 路 上 采 取 有 效 措 施, 盡 量 消 除 溫 度 變 化 對 放 大 電 路 工 作 狀 態 的 影 響 從 光 耦 合 器 的 轉 移 特 性 與 溫 度 的 關 係 可 以 看 出, 若 使 光 耦 合 器 構 成 的 模 擬 隔 離 電 路 穩 定 實 用, 則 應 盡 量 消 除 暗 電 流 (ICBO) 的 影 響, 以 提 高 線 性 度, 做 到 靜 態 工 作 點 IFQ 隨 溫 度 的 變 化 而 自 動 調 整, 以 使 輸 出 信 號 保 持 對 稱 性, 使 輸 入 信 號 的 動 態 範 圍 隨 溫 度 變 化 而 自 動 變 化, 以 抵 消 β 值 隨 溫 度 變 化 的 影 響, 保 證 電 路 工 作 狀 態 的 穩 定 性 2.1 光 耦 合 器 的 類 型 光 耦 合 器 有 管 式 雙 列 直 插 式 和 光 導 纖 維 式 等 封 培 育 形 式, 其 種 類 達 數 十 種 光 耦 合 器 的 種 類 達 數 十 種, 主 要 有 通 用 型 ( 又 分 無 基 極 引 線 和 基 極 引 線 兩 種 ) 達 林 頓 型 施 密 特 型 高 速 型 光 集 成 電 路 光 纖 維 光 敏 晶 閘 管 型 ( 又 分 單 向 晶 閘 管 雙 向 晶 閘 管 ) 光 敏 場 效 應 管 型 此 外 還 有 雙 通 道 式 ( 內 部 有 兩 套 對 管 ) 高 增 益 型 交 - 直 流 輸 入 型 等 等 國 外 生 產 廠 家 有 英 國 ISOCOM-p.htm" target="_blank" title="isocom 貨 源 和 PDF 資 料 ">ISOCOM 公 司 等, 國 內 廠 家 的 蘇 州 半 導 體 總 廠 等 2.2 線 性 光 耦 合 器 的 產 品 分 類 線 性 光 耦 合 器 的 典 型 產 品 及 主 要 參 數 見 表 1, 這 些 光 耦 均 以 光 敏 三 極 管 作 為 接 收 管 表 1 典 型 線 性 光 耦 合 器 的 主 要 參 數 產 品 型 號 CTR/%V(BR)CE0/V 生 產 廠 封 裝 型 式 PC816A80~16070SharpDZP-4 基 極 未 引 出 PC817A80~ 16035Sharp SFH610A-263~12570simens NEC2501-H80~ 16040NEC CNY17-263~12570MotorolnDZP-4 基 極 未 引 出 CNY ~ 20070simens SFH ~12570simens SFH ~ 20070simens CNY75GA63~12590TemicDZP-4 基 極 未 引 出 CNY75GB100

181 ~20090Temic MOC810150~8030Motoroln MOC810273~ 11730Motoroln 3. 光 耦 合 器 的 技 術 參 數 光 耦 合 器 的 技 術 參 數 主 要 有 發 光 二 極 管 正 向 壓 降 VF 正 向 電 流 IF 電 流 傳 輸 比 CTR 輸 入 級 與 輸 出 級 之 間 的 絕 緣 電 阻 集 電 極 - 發 射 極 反 向 擊 穿 電 壓 V(BR)CEO 集 電 極 - 發 射 極 飽 和 壓 降 VCE(sat) 此 外, 在 傳 輸 數 字 信 號 時 還 需 考 慮 上 升 時 間 下 降 時 間 延 遲 時 間 和 存 儲 時 間 等 參 數 最 重 要 的 參 數 是 電 流 放 大 係 數 傳 輸 比 CTR(Curremt-TrrasferRatio) 通 常 用 直 流 電 流 傳 輸 比 來 表 示 當 輸 出 電 壓 保 持 恒 定 時, 它 等 於 直 流 輸 出 電 流 IC 與 直 流 輸 入 電 流 IF 的 百 分 比 當 接 收 管 的 電 流 放 大 係 數 hfe 為 常 數 時, 它 等 於 輸 出 電 流 IC 之 比, 通 常 用 百 分 數 來 表 示 有 公 式 : CTR=IC/IF 100% 采 用 一 隻 光 敏 三 極 管 的 光 耦 合 器,CTR 的 範 圍 大 多 為 20%~30%( 如 4N35), 而 PC817 則 為 80%~160%, 達 林 頓 型 光 耦 合 器 ( 如 4N30) 可 達 100%~500% 這 表 明 欲 獲 得 同 樣 的 輸 出 電 流, 後 者 隻 需 較 小 的 輸 入 電 流 因 此,CTR 參 數 與 晶 體 管 的 hfe 有 某 種 相 似 之 處 普 通 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 呈 非 線 性, 在 IF 較 小 時 的 非 線 性 失 真 尤 為 嚴 重, 因 此 它 不 適 合 傳 輸 模 擬 信 號 線 性 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 具 有 良 好 的 線 性 度, 特 別 是 在 傳 輸 小 信 號 時, 其 交 流 電 流 傳 輸 比 (ΔCTR=ΔIC/ΔIF) 很 接 近 於 直 流 電 流 傳 輸 比 CTR 值 因 此, 它 適 合 傳 輸 模 擬 電 壓 或 電 流 信 號, 能 使 輸 出 與 輸 入 之 間 呈 線 性 關 係 這 是 其 重 要 特 性 在 設 計 光 耦 反 饋 式 開 關 電 源 時 必 須 正 確 選 擇 線 性 光 耦 合 器 的 型 號 及 參 數, 選 取 原 則 如 下 : (1) 光 耦 合 器 的 電 流 傳 輸 比 (CTR) 的 允 許 範 圍 是 50% ~200% 這 是 因 為 當 CTR<50% 時, 光 耦 中 的 LED 就 需 要 較 大 的 工 作 電 流 (IF>5.0mA), 才 能 正 常 控 製 單 片 開 關 電 源 IC 的 占 空 比, 這 會 增 大 光 耦 的 功 耗 若 CTR>200%, 在 啟 動

182 電 路 或 者 當 負 載 發 生 突 變 時, 有 可 能 將 單 片 開 關 電 源 誤 觸 發, 影 響 正 常 輸 出 (2) 推 薦 采 用 線 性 光 耦 合 器, 其 特 點 是 CTR 值 能 夠 在 一 定 範 圍 內 做 線 性 調 整 (3) 由 英 國 埃 索 柯 姆 (Isocom) 公 司 美 國 摩 托 羅 拉 公 司 生 產 的 4N 係 列 ( 如 4N25 4N26 4N35) 光 耦 合 器, 目 前 在 國 內 應 用 地 十 分 普 遍 鑒 於 此 類 光 耦 合 器 呈 現 開 關 特 性, 其 線 性 度 差, 適 宜 傳 輸 數 字 信 號 ( 高 低 電 平 ), 因 此 不 推 薦 用 在 開 關 電 源 中 4. 通 用 型 與 達 林 頓 型 光 耦 合 器 區 分 4.1 方 法 之 一 在 通 用 型 光 耦 合 器 中, 接 收 器 是 一 隻 矽 光 電 半 導 體 管, 因 此 在 B-E 之 間 隻 有 一 個 矽 PN 結 達 林 頓 型 不 然, 它 由 複 合 管 構 成, 兩 個 矽 PN 結 串 聯 成 複 合 管 的 發 射 結 根 據 上 述 差 別, 很 容 易 將 通 用 型 與 達 林 頓 型 光 耦 合 器 區 分 開 來 具 體 方 法 是, 將 萬 用 表 撥 至 R 100 檔, 黑 表 筆 接 B 極, 紅 表 筆 接 E 極, 采 用 讀 取 電 壓 法 求 出 發 射 結 正 向 電 壓 VBE 若 VBE=0.55~0.7V, 就 是 達 林 頓 型 光 耦 合 器 實 例 : 用 500 型 萬 用 表 的 R 100 檔 分 別 測 量 4N35 4N30 型 光 耦 合 器 的 VBE, 測 量 數 據 及 結 論 一 並 列 入 表 2 中 表 2 測 試 結 果 型 號 RBE(Ω)n`( 格 )VBE(V) 計 算 公 式 測 試 結 論 4N VBE=0.03n(V) 通 用 型 4N304.3k VBE=0.03n` (V) 達 林 頓 型 4.2 方 法 之 二 通 用 型 與 達 林 頓 型 光 電 耦 合 的 主 要 區 別 是 接 收 管 的 電 流 放 大 係 數 不 同 此 外, 在 傳 輸 數 字 信 號 時 還 需 考 慮 上 升 時 間 下 降 時 間 延 遲 時 間 和 存 儲 時 間 等 參 數 最 重 要 的 參 數 是 電 流 放 大 係 數 傳 輸 比 CTR (Curremt-TrrasferRatio) 通 常 用 直 流 電 流 傳 輸 比 來 表 示 當 輸 出 電 壓 保 持 恒 定 時, 它 等 於 直 流 輸 出 電 流 IC 與 直 流 輸 入 電 流 IF 的 百 分 比 當 接 收 管 的 電 流 放 大 係 數 hfe 為 常 數 時, 它 等 於 輸 出 電 流 IC 之 比, 通 常 用 百 分 數 來 表 示 有 公 式 : CTR=IC/IF 100% 采

183 用 一 隻 光 敏 三 極 管 的 光 耦 合 器,CTR 的 範 圍 大 多 為 20%~30%( 如 4N35), 而 PC817 則 為 80%~160%, 達 林 頓 型 光 耦 合 器 ( 如 4N30) 可 達 100%~500% 這 表 明 欲 獲 得 同 樣 的 輸 出 電 流, 後 者 隻 需 較 小 的 輸 入 電 流 因 此,CTR 參 數 與 晶 體 管 的 hfe 有 某 種 相 似 之 處 普 通 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 呈 非 線 性, 在 IF 較 小 時 的 非 線 性 失 真 尤 為 嚴 重, 因 此 它 不 適 合 傳 輸 模 擬 信 號 線 性 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 具 有 良 好 的 線 性 度, 特 別 是 在 傳 輸 小 信 號 時, 其 交 流 電 流 傳 輸 比 (ΔCTR=ΔIC/ΔIF) 很 接 近 於 直 流 電 流 傳 輸 比 CTR 值 因 此, 它 適 合 傳 輸 模 擬 電 壓 或 電 流 信 號, 能 使 輸 出 與 輸 入 之 間 呈 線 性 關 係 這 是 其 重 要 特 性 在 設 計 光 耦 反 饋 式 開 關 電 源 時 必 須 正 確 選 擇 線 性 光 耦 合 器 的 型 號 及 參 數, 選 取 原 則 如 下 : (1) 光 耦 合 器 的 電 流 傳 輸 比 (CTR) 的 允 許 範 圍 是 50%~200% 這 是 因 為 當 CTR <50% 時, 光 耦 中 的 LED 就 需 要 較 大 的 工 作 電 流 (IF>5.0mA), 才 能 正 常 控 製 單 片 開 關 電 源 IC 的 占 空 比, 這 會 增 大 光 耦 的 功 耗 若 CTR>200%, 在 啟 動 電 路 或 者 當 負 載 發 生 突 變 時, 有 可 能 將 單 片 開 關 電 源 誤 觸 發, 影 響 正 常 輸 出 (2) 推 薦 采 用 線 性 光 耦 合 器, 其 特 點 是 CTR 值 能 夠 在 一 定 範 圍 內 做 線 性 調 整 (3) 由 英 國 埃 索 柯 姆 (Isocom) 公 司 美 國 摩 托 羅 拉 公 司 生 產 的 4N 係 列 ( 如 4N25 4N26 4N35) 光 耦 合 器, 目 前 在 國 內 應 用 地 十 分 普 遍 鑒 於 此 類 光 耦 合 器 呈 現 開 關 特 性, 其 線 性 度 差, 適 宜 傳 輸 數 字 信 號 ( 高 低 電 平 ), 因 此 不 推 薦 用 在 開 關 電 源 中 4. 通 用 型 與 達 林 頓 型 光 耦 合 器 區 分 4.1 方 法 之 一 在 通 用 型 光 耦 合 器 中, 接 收 器 是 一 隻 矽 光 電 半 導 體 管, 因 此 在 B-E 之 間 隻 有 一 個 矽 PN 結 達 林 頓 型 不 然, 它 由 複 合 管 構 成, 兩 個 矽 PN 結 串 聯 成 複 合 管 的 發 射 結 根 據 上 述 差 別, 很 容 易 將 通 用 型 與 達 林 頓 型 光 耦 合 器 區 分 開 來 具 體 方 法 是, 將 萬 用 表 撥 至 R 100

184 檔, 黑 表 筆 接 B 極, 紅 表 筆 接 E 極, 采 用 讀 取 電 壓 法 求 出 發 射 結 正 向 電 壓 VBE 若 VBE=0.55 ~0.7V, 就 是 達 林 頓 型 光 耦 合 器 實 例 : 用 500 型 萬 用 表 的 R 100 檔 分 別 測 量 4N35 4N30 型 光 耦 合 器 的 VBE, 測 量 數 據 及 結 論 一 並 列 入 表 2 中 表 2 測 試 結 果 型 號 RBE(Ω)n`( 格 )VBE(V) 計 算 公 式 測 試 結 論 4N VBE=0.03n(V) 通 用 型 4N304.3k VBE=0.03n`(V) 達 林 頓 型 4.2 方 法 之 二 通 用 型 與 達 林 頓 型 光 電 耦 合 的 主 要 區 別 是 接 收 管 的 電 流 放 大 係 數 不 同 摘 要 : 半 導 體 光 電 耦 合 器 現 已 發 展 成 為 一 類 特 殊 的 半 導 體 隔 離 器 件 它 體 積 小 壽 命 長 無 觸 點 抗 幹 擾 能 隔 離, 並 具 有 單 向 信 號 傳 輸 和 容 量 連 接 等 功 能 文 中 介 紹 了 光 電 耦 合 器 的 典 型 結 構 和 特 點 以 及 國 內 外 的 發 展 現 狀, 最 後 給 出 了 半 導 體 電 隔 離 耦 合 器 件 的 多 種 應 用 電 路 實 例 關 鍵 詞 : 發 光 器 件 光 接 收 器 件 輸 入 輸 出 光 電 耦 合 器 隨 著 半 導 體 技 術 和 光 電 子 學 的 發 展, 一 種 能 有 效 地 隔 離 噪 音 和 抑 製 幹 擾 的 新 型 半 導 體 器 件 光 電 耦 合 器 於 1966 年 問 世 了 光 電 耦 合 器 的 優 點 是 體 積 小 壽 命 長 無 觸 點 抗 幹 擾 能 力 強 能 隔 離 噪 音 工 作 溫 度 寬, 輸 入 輸 出 之 間 電 絕 緣, 單 向 傳 輸 信 號 及 邏 輯 電 路 易 連 接 等 光 電 耦 合 器 按 光 接 收 器 件 可 分 為 有 矽 光 敏 器 件 ( 光 敏 二 極 管 雪 崩 型 光 敏 二 極 管 PIN 光 敏 二 極 管 光 敏 三 極 管 等 ) 光 敏 可 控 矽 和 光 敏 集 成 電 路 把 不 同 的 發 光 器 件 和 各 種 光 接 收 器 組 合 起 來, 就 可 構 成 幾 百 個 品 種 係 列 的 光 電 耦 合 器, 因 而, 該 器 件 已 成 為 一 類 獨 特

185 的 半 導 體 器 件 其 中 光 敏 二 極 管 加 放 大 器 類 的 光 電 耦 合 器 隨 著 近 年 來 信 息 處 理 的 數 字 化 高 速 化 以 及 儀 器 的 係 統 化 和 網 絡 化 的 發 展, 其 需 求 量 不 斷 增 加 1 光 電 耦 合 器 的 結 構 特 點 光 電 耦 合 器 的 主 要 結 構 是 把 發 光 器 件 和 光 接 收 器 件 組 裝 在 一 個 密 閉 的 管 殼 內, 然 後 利 用 發 光 器 件 的 管 腳 作 輸 入 端, 而 把 光 接 收 器 的 管 腳 作 為 輸 出 端 當 在 輸 入 端 加 電 信 號 時, 發 光 器 件 發 光 這 樣, 光 接 收 器 件 由 於 光 敏 效 應 而 在 光 照 後 產 生 光 電 流 並 由 輸 出 端 輸 出 從 而 實 現 了 以 光 為 媒 介 的 電 信 號 傳 輸, 而 器 件 的 輸 入 和 輸 出 兩 端 在 電 氣 上 是 絕 緣 的 這 樣 就 構 成 了 一 種 中 間 通 過 光 傳 輸 信 號 的 新 型 半 導 體 電 子 器 件 光 電 耦 合 器 的 封 裝 形 式 一 般 有 管 形 雙 列 直 插 式 和 光 導 纖 維 連 接 三 種 圖 1 是 三 種 係 列 的 光 電 耦 合 器 電 路 圖 光 電 耦 合 的 主 要 特 點 如 下 : 輸 入 和 輸 出 端 之 間 絕 緣, 其 絕 緣 電 阻 一 般 都 大 於 10 10Ω, 耐 壓 一 般 可 超 過 1kV, 有 的 甚 至 可 以 達 到 10kV 以 上 由 於 光 傳 輸 的 單 向 性, 所 以 信 號 從 光 源 單 向 傳 輸 到 光 接 收 器 時 不 會 出 現 反 饋 現 象, 其 輸 出 信 號 也 不 會 影 響 輸 入 端

186 由 於 發 光 器 件 ( 砷 化 镓 紅 外 二 極 管 ) 是 阻 抗 電 流 驅 動 性 器 件, 而 噪 音 是 一 種 高 內 阻 微 電 流 電 壓 信 號 因 此 光 電 耦 合 器 件 的 共 模 抑 製 比 很 大, 所 以, 光 電 耦 合 器 件 可 以 很 好 地 抑 製 幹 擾 並 消 除 噪 音 容 易 和 邏 輯 電 路 配 合 響 應 速 度 快 光 電 耦 合 器 件 的 時 間 常 數 通 常 在 微 秒 甚 至 毫 微 秒 極 無 觸 點 壽 命 長 體 積 小 耐 衝 擊 2 光 電 耦 合 器 的 發 展 現 狀 日 本 光 電 耦 合 器 的 市 場 雖 不 太 大, 但 卻 以 40% 的 年 增 長 率 增 大, 其 主 要 原 因 是 每 一 個 程 序 控 製 器 裏 都 要 用 到 20~30 個 甚 至 更 多 的 光 電 耦 合 器 現 在, 光 電 耦 合 器 已 顯 示 出 一 種 朝 大 容 量 和 高 速 度 方 向 發 展 的 明 顯 趨 勢 美 日 兩 國 生 產 的 光 電 耦 合 器 以 紅 外 發 光 二 極 管 和 光 敏 器 件 管 組 成 的 器 件 為 主, 該 類 器 件 大 約 占 整 個 美 日 兩 國 生 產 的 全 部 光 電 耦 合 器 的 60% 左 右 因 為 這 種 類 型 的 器 件 不 僅 電 流 傳 輸 效 率 高 ( 一 般 為 7~30%), 而 且 響 應 速 度 比 較 快 (2 ~5μs), 因 而 能 夠 滿 足 大 多 數 應 用 場 合 要 求 日 本 橫 河 電 機 公 司 用 GaAsP 紅 外 發 光 二 極 管 作 輸 入 端,PIN 光 電 二 極 管 作 接 收 端 製 成 的 三 種 高 速 光 電 耦 合 器 的 絕 緣 電 壓 都 在 3000 伏 以 上, 其 中 型 超 高 速 數 字 光 電 耦 合 器 和 型 高 共 模 抑 製 型 光 電 耦 合 器 的 響 應 速 度 均 可 達 到 10Mb/s, 它 們 的 電 流 傳 輸 效 率 高 達 60% 以 上 美 國 莫 托 羅 拉 公 司

187 生 產 的 4N25 4N26 4N27 型 光 電 耦 合 器 屬 於 三 極 管 輸 出 型 光 電 耦 合 器 [2], 這 種 光 電 耦 合 器 具 有 很 高 的 輸 入 輸 出 絕 緣 性 能, 其 頻 率 響 應 可 達 300kHz, 而 開 關 時 間 隻 有 幾 微 秒 在 日 本 電 氣 公 司 (NEC) 生 產 的 高 速 光 電 耦 合 器 中,PS2101 型 光 電 耦 合 器 是 一 種 通 用 的 四 腳 扁 平 組 件, 它 采 用 砷 鋁 镓 紅 外 發 光 二 極 管 和 矽 光 電 晶 體 管 組 合 而 成, 並 將 其 封 裝 立 方 毫 米 的 體 積 之 內, 其 響 應 速 度 為 10μs 而 PS2041 和 PS2042 型 光 電 耦 合 器 則 是 將 砷 鋁 镓 發 光 二 極 管 和 光 電 晶 體 管 集 成 在 同 一 襯 底 上 的 六 腳 封 裝 組 件, 它 們 的 大 小 為 立 方 毫 米, 響 應 時 間 為 0.3μs 近 幾 年 來, 國 內 有 關 單 位 投 入 大 量 人 力 物 力 也 研 究 和 開 發 了 各 種 光 電 耦 合 器 件 如 上 海 半 導 體 器 件 八 廠 上 海 無 線 電 十 七 廠 等 而 重 慶 光 電 技 術 研 究 所 為 了 適 應 市 場 需 要 研 製 出 了 一 種 由 高 速 響 應 發 光 器 件 和 邏 輯 輸 出 型 光 接 收 放 大 器 組 成 的 厚 膜 集 成 雙 路 高 速 高 增 益 電 耦 合 器 這 種 光 電 耦 合 器 的 輸 入 端 由 兩 隻 GaAIAs 側 麵 發 光 管 組 成, 其 輸 出 端 由 兩 隻 Si PIN 光 電 探 測 器 以 及 兩 個 高 速 高 增 益 線 性 放 大 電 路 組 成 圖 2 所 示 為 其 原 理 電 路 圖, 除 此 之 外, 重 慶 光 電 技 術 研 究 所 還 研 製 出 了 高 速 高 壓 光 電 耦 合 器 GG2150I 型 射 頻 信 號 光 電 耦 合 器 GG2060I 型 高 壓 脈 衝 測 量 光 電 耦 合 器 GH1204U 型 高 壓 光 傳 輸 光 電 耦 合 器 以 及 GH1201Y 型 和 GOHQ-I 型 光 電 耦 合 器 等 3 典 型 應 用 3.1 用 作 固 體 繼 電 器

188 光 電 耦 合 器 是 一 種 將 發 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 組 裝 在 一 起 的 新 穎 光 電 器 件, 它 采 用 光 信 號 來 傳 遞 信 息, 從 而 使 電 路 的 輸 入 與 電 氣 上 處 於 完 全 隔 離 的 狀 態, 這 種 信 息 傳 遞 方 式 是 所 有 采 用 變 壓 器 和 繼 電 器 作 隔 離 來 進 行 信 號 傳 遞 的 一 般 解 決 方 案 所 不 能 相 比 的 由 於 光 電 耦 合 器 具 有 可 單 向 傳 遞 信 息 通 頻 帶 寬 寄 生 反 饋 小 消 噪 能 力 強 抗 電 磁 幹 擾 性 能 好 等 特 點, 因 而 無 論 在 數 字 電 路 還 是 在 模 擬 電 路 中 均 得 到 了 越 來 越 廣 泛 的 應 用 采 用 光 電 耦 合 器 作 固 體 繼 電 器 具 有 體 積 小 耦 合 密 切 驅 動 功 率 小 動 作 速 度 快 工 作 溫 度 範 圍 寬 等 優 點 圖 3 所 示 是 一 個 光 電 耦 合 器 用 作 固 體 繼 電 器 的 實 際 電 路 圖, 它 的 左 半 部 分 電 路 可 用 於 將 輸 入 的 電 信 號 Vi 變 成 光 電 耦 合 器 內 發 光 二 極 管 發 光 的 光 信 號 ; 而 右 半 部 分 電 路 則 通 過 光 電 耦 合 器 內 的 光 敏 三 極 管 再 將 光 信 號 還 原 成 電 信 號, 所 以 這 是 一 種 非 常 好 的 電 光 與 光 電 聯 合 轉 換 器 件 圖 中 所 用 的 光 電 耦 合 器 的 電 流 傳 輸 比 為 20%, 耐 壓 為 150V, 驅 動 電 流 在 8~20mA 之 間 在 實 際 使 用 中, 由 於 它 沒 有 一 般 電 磁 繼 電 器 常 見 的 實 際 接 點, 因 此 不 存 在 接 觸 不 良 和 燃 弧 打 火 等 現 象, 也 不 會 因 受 外 力 或 機 械 衝 擊 而 引 起 誤 動 作 所 以, 它 的 性 能 比 較 可 靠, 工 作 十 分 穩 定 3.2 光 電 耦 合 器 在 電 話 保 安 裝 置 中 應 用 為 了 防 止 電 話 線 路 被 並 機 竊 用 或 電 話 機 被 盜 用 通 話, 可 以 利 用 光 電 耦 合 器 來 設 計 一 個 簡 單 實 用 的 電 話 保 安 電 路, 其 實 隔 電 路 如 圖 4 所 示 圖 中, 由 VD1~VD4 組 成 極 性 轉 換 電 路 由

189 於 在 將 本 保 安 器 接 入 電 話 線 路 中 時, 不 需 要 分 清 電 話 線 路 反 饋 電 壓 的 極 性, 因 此, 使 用 該 保 安 器 可 以 給 安 裝 帶 來 很 大 的 方 便 平 時 在 掛 機 狀 態 下, 線 路 中 的 48V 或 60V 饋 電 壓 ( 交 換 機 型 號 不 同 時, 該 饋 電 壓 也 有 所 不 同 ), 經 VD1~VD4 整 流 R2 限 流 齊 納 二 極 管 VD 穩 壓 後, 使 IC 的 輸 入 端 發 光 管 點 亮, 導 致 IC 輸 出 端 的 受 光 器 件 轉 為 導 通 狀 態 而 使 晶 體 管 V 呈 截 止 狀 態, 繼 電 器 K 不 工 作, 控 製 線 路 中 的 觸 點 K-1 斷 開,R1 不 接 入 電 話 線 路 中, 電 路 處 在 正 常 的 監 控 狀 態 同 時 K-2 也 處 在 斷 開 位 置, 電 子 報 警 蜂 鳴 器 不 發 聲 一 旦 有 並 機 竊 用 或 電 話 機 被 盜 用 時, 線 路 中 的 饋 電 電 壓 下 降 到 6~10V, 由 於 該 6~100V 的 電 壓 經 VD1~VD4 整 流 後 不 能 使 VD 擊 穿, 因 此 將 不 能 亮 IC 輸 入 端 的 發 光 管, 這 將 使 輸 出 端 由 導 通 轉 為 截 止 而 使 阻 值 呈 現 無 窮 大, 進 而 使 V 的 基 極 通 過 電 阻 R3 獲 得 基 流 而 導 通, 繼 電 器 吸 合 使 K-1 觸 點 閉 合, 電 阻 R1 被 並 接 到 電 話 線 路 中 而 使 線 路 中 的 電 壓 進 一 步 下 降 到 期 伏 以 下, 使 電 話 不 能 被 並 機 竊 用, 同 時 電 話 機 因 電 壓 不 正 常 而 不 能 工 作, 從 而 起 到 了 防 止 電 話 線 路 被 並 機 竊 用 或 電 話 機 被 盜 用 的 目 的 與 此 同 時,K-2 閉 合, 接 通 電 子 蜂 鳴 器 電 源, 使 之 發 出 報 警 聲 並 將 電 子 蜂 鳴 器 外 殼 上 的 兩 個 發 光 二 極 管 點 亮 發 光 如 果 電 話 戶 主 接 打 電 話, 隻 需 按 一 下 SB 使 其 斷 開, 即 切 斷 保 安 器 的 供 電 電 源 即 可 該 電 話 保 安 器 的 IC 可 選 用 4N25 4N36 等 型 號 的 光 電 耦 合 器 繼 電 器 K 可 選 用 工 作 電 壓 為 直 流 6 伏 的 JRX 12F 等 型 號 的 繼 電 器 為 縮 小 機 殼 體 積, 電 池 可 選 用 6 伏 疊 層 電 池 SB

190 為 常 閉 型 按 紐 開 關 B 可 選 擇 FMQ 27 型 FMQ 35 型 電 子 蜂 鳴 器, 其 餘 參 數 均 可 按 圖 中 標 注 來 選 用 3.3 用 光 電 耦 合 器 代 替 音 頻 變 壓 器 在 線 性 電 路 中, 兩 級 放 大 器 之 間 常 用 音 頻 變 壓 器 作 耦 合 這 種 耦 合 的 缺 點 是 會 在 變 壓 器 鐵 芯 片 中 損 耗 掉 一 部 分 功 率, 並 可 能 造 成 某 些 失 真 而 如 果 選 用 光 電 耦 合 器 來 代 替 音 頻 變 壓 器 就 可 以 克 服 上 述 這 些 缺 點 目 前, 利 用 光 電 耦 合 器 代 替 音 頻 變 壓 器 的 應 用 電 路 有 多 種 形 式, 圖 5 所 示 是 比 較 實 用 的 一 種 當 輸 入 信 號 Vi 經 三 極 管 BG1 BG2 前 級 放 大 之 後, 驅 動 光 電 耦 合 器 左 邊 的 LED 發 光, 並 被 右 邊 的 光 敏 管 全 部 吸 收 並 轉 換 成 電 信 號, 此 信 號 經 後 級 電 路 BG3 放 大, 並 由 該 管 的 發 射 極 通 過 電 容 器 C3 後 輸 出 一 個 不 失 真 的 放 大 信 號 V0 由 於 該 電 路 將 前 後 兩 級 放 大 器 之 間 完 全 隔 離, 因 而 杜 絕 了 地 環 路 可 能 引 起 的 幹 擾 同 時 由 於 該 電 路 還 具 有 消 噪 功 能, 因 此 避 免 了 信 號 的 失 真 整 個 電 路 的 總 增 益 可 望 達 到 20dB 以 上, 帶 寬 約 120kHz 另 外, 利 用 光 電 耦 合 器 還 可 以 構 成 與 門 或 門 與 非 門 等 邏 輯 電 路, 以 及 隔 離 固 體 開 關 電 路 雙 穩 壓 電 路, 斬 波 器 和 差 分 放 大 電 路 等 多 種 電 路 4 結 論 光 電 耦 合 器 在 多 種 電 子 設 備 中 的 應 用 非 常 廣 泛 隨 著 數 字 通 信 技 術 的 迅 速 發 展 以 及 光 隔 離 器 和 固 體 繼 電 器 等 自 動 控 製 部 件 在 機 械 工 業 中 應 用 的 不 斷 擴 大, 特 別 是 微 處 理 機 在 各 個 領 域 中

191 的應用推廣 有時一台微機上的用量可達十幾個甚至上百個 和產品性能的逐步提高 光電 耦合器的應用市場將日益擴大 同時 其社會交流和經濟交流也一定會十分顯著 今後 光 電耦合器將向高速化 高性能 小體積 輕重量的方向發展 2012 年 9 月 27 日 -高效能類比與混合訊號 IC 領導廠商 Silicon Laboratories 芯科 實驗室有限公司, NASDAQ: SLAB 今日宣佈推出業界首款光耦合器的替代產品 Si87xx 數位隔離器 其基於主流 CMOS 技術並具有創新的發光二極體 LED 模擬輸入 新型 Si87xx 數位隔離器提供完美的接腳配置 IC 封裝型式 可相容於多種光耦合器產品 其 卓越的抗雜訊能力 更高效能和可靠性 非常適合太陽能逆變器 交換式電源供應器 SMPS 不斷電供應系統 UPS 工業驅動器 可程式邏輯控制器 PLC 高壓 醫療設備以及其他使用光耦合器的應用 光耦合器的使用歷史已超過 40 年 由於本質上受限於過時的 LED 技術 導致其輸 出訊號對於輸入電流 溫度和老化的變動非常敏感 輸出變化將降低光耦合器生命週期 中的運行效能和可靠性 因此增加設計的複雜度 縮短最終產品的壽命 受其老化的影 響 光耦合器的使用壽命通常僅約 10 年 對於想要開發具有 20 年以上產品品質保證的 工業系統設計人員來說是非常嚴重的問題 Silicon Labs 公司 Si87xx 光耦替代元件採用基於 CMOS 技術的專利隔離架構 完全 消除基於 LED 的光耦合器特有的敏感性 基於 CMOS 製程的電容隔離技術可提供的平 均故障間隔時間 MTTF 是光耦合器的 10 倍以上 透過提供更長的產品壽命和更高的 可靠性 Si87xx 隔離器允許系統製造商支援更長的終端產品保證期 並降低維修或更換 產品的成本 特別是在輸入導通電流時 極小的變化特性簡化系統設計 因此在使用 Si87xx 元件時 工程師不再需要考慮老化對設備產生的影響 Si87xx 系列產品基於 Silicon Labs 公司業界領先的電容隔離技術 隔離等級高達 5kV 並完全符合 IEC 規範 包括 10kV 電湧保護 該系列產品滿足 IEC 增強絕緣 的要求 並提供高達 1200V 工作電壓和超過 60 年的使 用壽命 除了其特有對於溫度 老化和輸入電流影響的抗干擾能力之外 Si87xx 隔離器還具 有比其他光耦合器更顯著的效能優勢 與光耦合器相比 Si87xx 元件輸入接通電流降低 50 輸出靜態電流降低 10 倍 可有效降低整體系統功耗

192 與 光 耦 合 器 相 比,Si87xx 數 位 隔 離 架 構 具 有 極 小 的 寄 生 電 容, 可 提 升 共 模 瞬 變 抑 制 能 力 (CMTI) 高 達 75%, 因 此 可 提 高 系 統 資 料 的 完 整 性 而 基 於 LED 架 構 的 光 耦 合 器 存 在 高 寄 生 電 容, 其 CMTI 較 差, 因 此 可 能 導 致 隔 離 器 傳 遞 錯 誤 的 資 料 Si87xx 隔 離 器 優 於 光 耦 合 器 的 關 鍵 在 於 時 序 規 範, 如 傳 播 延 遲 和 脈 衝 寬 度 失 真, 因 此 可 實 現 更 快 更 準 確 並 且 更 高 效 的 資 料 傳 輸 Silicon Labs 副 總 裁 暨 存 取 電 源 和 感 測 器 產 品 總 經 理 Mark Thompson 表 示 : 新 型 Si87xx 系 列 產 品 說 明 了 業 界 於 隔 離 器 產 品 上 的 重 大 演 進, 此 一 完 美 的 光 耦 替 代 產 品, 其 IC 封 裝 型 式 及 接 腳 相 容 於 廣 泛 的 光 耦 合 器 產 品 對 於 現 今 使 用 過 時 光 耦 合 器 的 系 統 來 說, 我 們 的 新 型 光 耦 替 代 解 決 方 案 可 以 顯 著 改 善 電 源 效 率 效 能 可 靠 性 和 產 品 壽 命, 是 最 佳 的 選 擇 所 有 Silicon Labs Si87xx 隔 離 器 均 採 用 創 新 的 LED 模 擬 輸 入, 提 供 新 的 封 裝 選 擇, 可 為 許 多 現 有 光 耦 合 器 提 供 完 全 相 容 的 立 即 升 級 Si8710 基 本 的 元 件 包 括 LED 模 擬 輸 入 和 開 路 集 極 式 (open-collector) 輸 出 另 外 有 兩 個 額 外 的 配 置 可 供 選 擇 :Si8711 增 加 整 合 的 上 拉 電 阻 器 ;Si8712 包 含 專 用 的 啟 用 接 腳, 可 以 非 同 步 控 制 輸 出 價 格 和 供 貨 Si87xx 數 位 隔 離 器 現 已 量 產 並 可 提 供 樣 品, 可 支 援 SOIC-8 和 GW DIP-8 封 裝, 隔 離 等 級 可 高 達 3.75kV 另 外, 可 支 援 SO-6 和 LGA-8 封 裝 並 具 有 5kV 隔 離 等 級 的 Si87xx 產 品, 預 計 於 2013 年 第 一 季 推 出 在 1 萬 顆 採 購 量, 新 型 Si87xx 數 字 隔 離 器 單 價 為 0.43 美 元 起 Si87xxDIP8-KIT 評 估 套 件 現 已 供 貨, 建 議 零 售 價 為 29 美 元, 可 供 客 戶 評 估 Si87xx 光 耦 替 代 隔 離 器 效 能 該 評 估 板 具 有 高 靈 活 性, 既 可 以 用 於 實 驗 室 進 行 詳 細 的 規 格 評 估, 也 可 直 接 連 接 到 客 戶 現 有 的 電 路 板 欲 瞭 解 更 多 Silicon Labs Si87xx 數 位 隔 離 器 相 關 資 訊, 或 者 購 買 樣 品 和 開 發 工 具, 請 瀏 覽 網 站 關 於 Silicon Laboratories Inc.

193 隔離器 vs. 光電耦合器技術 1.0. 簡介 光電耦合器在四十多年來一直是無可爭議的信號隔離解決方案 數位隔離器採用互補金屬氧 化物半導體 (CMOS) 工藝技術製造 因其卓越的性能 可靠性和集成度而日益受到設計界 的青睞 本白皮書通過橫向對比性能和可靠性 來解釋數位光電耦合器和數字 CMOS 隔離 器的底層技術 目錄 數位光電耦合器和 CMOS 數位隔離器基礎知識 設備性能 設備可靠性 共模瞬態抗擾度 (CMTI) 電磁干擾 (EMI) 易用性 光電耦合器更換升級 摘要 2.0. 數位光電耦合器和 CMOS 數位隔離器基礎知識 從便宜的 4 引腳設備到昂貴的高速設備 數位光電耦合器具有若干版本 最受歡迎 成本 適中的光電耦合器是常見的 8 引腳 LED 設備 該設備需要輸出端偏置電壓 使用輸入端 電流控制輸出狀態 請參閱附圖 1A 大多數光電耦合器均配有發光二極體 (LED) 光檢測 器和輸出驅動器 通常是電晶體或緩衝器 電流流經 LED 會使發射光擊中光檢測器 產 生一個從 VDD 到輸出設備底部的電流 使得輸出端位於低狀態 相反 LED 電流的缺失 會抑制電流流至輸出設備 導致輸出邏輯電平高 圖 1A.光電耦合器 圖 1B.CMOS 數字隔離器 圖 1.光電耦合器和 CMOS 數位隔離器基本操作對比

194 圖 2A.光電耦合器封裝 X 光圖 圖 2B.拆封的 6-通道 CMOS 數位隔離 圖 2A 所示為單通道光電耦合器 光電耦合器的 LED 和光耦合器管芯附到一個物理間隙 LED 和光學接收器管芯之間的 80 µm 至 1,000 µm 的絕緣穿透距離 [DTI] 分開的鉛 框和透明絕緣護片 最新的光電耦合器封裝還包括增加矽膠填料 圖 3 光電耦合器採用 砷化鎵 (GaAs) 工藝技術製造 該工藝技術因溫度 高輸入電流 相對較低的經時設備故 障 (TDDB) 和固有磨損機制使其參數變化幅度大 從而聲名狼藉 圖 3 光電耦合器剖面圖 CMOS 數位隔離器的基本操作原則在某種程度上類似於光電耦合器 不同之處在於輸出邏 輯狀態控制取決於高頻 (HF) 載波 而非光的存在與否 圖 2B 顯示列 150 Mbps 六通 道 CMOS 數位隔離器的基模配置和壓焊 基座隔離器基模旨在使用引線壓焊接合兩個相同 的基模 圖 2B 形成由差分電容隔離隔柵分開的發射器和接收器 隔離器輸出狀態取決於 輸入邏輯電平或輸入電流 與光電耦合器類似 具體取決於零件編號 所有數位隔離器的核心均是安全承受所施加的高壓應力的隔離隔柵 光電耦合器隔離隔柵的 效果依賴於物理間隙 即絕緣體穿透距離或 DTI 聚醯亞胺膠帶 矽填料和絕緣塑膠模具 化合物的結合 圖 3 此混合方法不僅會增加光電耦合器的集成難度 而且會增加製造的 複雜性 從而提高成本 降低可靠性 雖然如此 但許多國際標準仍根據光電耦合器 DTI 規 定了隔離隔柵要求 幸運的是 標準機構基於隔柵耐受電壓進行測試 而不考慮設備的實施

195 情況 請參考本文檔的第 4.0 節 來討論絕緣材料及其對隔離性能的影響 CMOS 構造和精心設計使得 CMOS 數位隔離器能夠實現更高水準的性能 可靠性和易用 性 這主要通過如下關鍵促成技術 主流 低功率 CMOS 工藝技術 而不是 GaAs CMOS 是現有的性能最高 最可 靠 最經濟高效的工藝技術 相比於光電耦合器所採用的砷化鎵工藝技術 採用 CMOS 工藝技術製造的設備具有卓越的計時 集成度 工作穩定性和可靠性的特性 高頻載波調製 而不是光線 精密 高頻載波和窄接收器傳輸頻段相結合 具有實 現傑出雜訊抑制的嚴格的頻率辨別力 從而取得更高的資料完整性 完全差分隔離路經 而不是單端型 光電耦合器是單端型設備 受到 CMT 擾動制 約 但是 CMOS 數位隔離器的差分信號路徑和高接收器選擇性帶來最高 50 kv/µs 的 高共模瞬變抑制 300 V/m 射頻磁場抗擾度和超過 1000 A/m 的磁場抗擾度 專屬的 EMI 設計技術 CMOS 數位隔離器符合 FCC Part B 傳導和輻射 EMI 排 放標準 欲知 CMOS 隔離器相比光電耦合器的排放量 敏感性和可靠性優勢詳情 請 訪問 參閱 Silicon Labs 白皮書 CMOS 隔離器在工業應用中 取代光電耦合器 2.1. 隔離器要求 隔離器參數要求取決於終端應用的需求 設計者往往會更強調某些隔離 器參數的重要性 例如 在嘈雜的工業環境中使用隔離器可能會導致設計者優先考慮高共模 瞬態抗擾度 (CMTI) 而非低功耗操作 同時高精度 ADC 應用可能會導致設計者優先考慮 低抖動 而非脈衝寬度失真 等等 簡而言之 許多應用最關注少數關鍵隔離器參數 設計 者往往會獨立驗證這些參數 以確保其符合系統要求 表 1 列舉了更常見的隔離器參數及 其定義 以供參考 表 1.典型隔離參數和定義 隔離器參數 符號 定義 通道至通道偏移 tpsk 多通道隔離器通道之間的傳播延遲時間差 共模瞬態抗擾度 CMTI 隔離器抑制快速共模瞬變的能力 器件啟動時間 TSU 通電啟動隔離器操作的時間延遲 輸入高 低閾值 VIH, VIL 電壓閾值必須交叉以實現輸入高或低電平 輸入洩漏電流 IL 流入輸入端引腳的寄生洩漏電流

196 輸入端偏電流 IDDI 供應偏電流至隔離器輸入端電路的電流 抖動 tjit(pk) 資料流程脈衝邊緣位置的變化 欠壓鎖定 UVLO 啟用或禁用隔離器操作所需的 VDD 偏置電平 最大資料傳輸率 Dmax 最高隔離器資料傳輸率 通常以 Mbps 為單位 最小脈衝寬度 t(min) 隔離器能夠識別的最小寬度脈衝 輸出阻抗 Zout 特性輸出阻抗 通常以 Ω 為測量單位 輸出邊緣 VDD 從 10% 升至 90% 或從 90% 降 輸出上升和下降 時間 tr, tf 至 10% 所需的時間 VOH, 輸出電壓高和低 VOL 定義邏輯 1 和邏輯 0 的輸出閾值電平 輸入端偏電流 IDD 流至隔離器輸出端的偏電流 tphl 傳播延時 tplh 隔離器輸入事件傳播至隔離器輸出所需的時間 tpsk 相同條件下操作的任何特定隔離器組的最小和最大傳播 傳播時延差 (p-p) 延時 (tplh 或 tphl) 之間的差異 脈寬失真 PWD 高至低和低至高傳播延時 (tplh tphl) 之間的差異 返回至頂部 3.0. 設備性能 本部分對比了 CMOS 數字隔離器 尤其是 Si86xx 系列 和光電耦合器 如 HCPL-4506 HCPL-2400 和其他型號 之間的性能 請注意 所有 Silicon Labs 隔離器 即 Si84xx Si86xx Si87xx 系列 均採用 Si86xx 技術 因此具有基本相同的性能和可靠性 雖然表 1 列舉了眾多關鍵隔離器參數 但是設計者更青睞具有下列屬性的隔離器

197 隨著電壓 溫度和設備年限的變化 幾乎不變的已明確定義的關鍵運行參數 o 隔離器性能不穩定且易受溫度 電流和/或設備年限影響 這迫使設計者必 須放棄設計餘量 從而削弱系統性能 依賴嚴格時序關係的隔離式高速資料系統尤 其如此 高可靠性 o HEV/EV 太陽能和風能系統等應用要求隔離器具備 20+ 年的使用壽命 並且通常在 120 C 以上的高溫環境中運行 高 CMTI o 為了確保雜訊工業環境下的資料完整性 需要穩定的 具有高度共模瞬變事 件抗擾度的隔離設備 最小的電磁干擾 (EMI) 和高外部電場和磁場抗擾度 o EMI 是潛在資料損壞的根源 尤其是採集低振幅信號 如心電圖 (ECG) 的醫療應用 外部磁場和電場會削弱系統性能 因此隔離設備抑制外部電場和磁場 干擾的能力至關重要 易用性 o 最好的隔離設備記錄良好 可預測 可靠直觀易用 下列段落將詳述這些方 面 3.1. 隨溫時序變化 圖 4 對比了 HCPL Mbps 數位光電耦合器和 Si8660Bx 10 Mbps CMOS 數位隔離器隨溫度變化的傳播時間和脈衝寬度失真穩定性 參閱圖 4A HCPL-2400 資料表曲線顯示傳播延時的 tphl 和 tplh 不匹配 因此需要更多系統設計 餘量 以確保兩項傳播延時趨緩 取決於用戶的時序要求 傳播延時在 -40 C 至 +35 C 溫度條件下始終維持在最差的 33 ns 但在 70 C 溫度條件下降至 40 ns 並且可能會隨 虛線所示的溫度上升而上升 圖 4A 底部的藍色曲線顯示了 Si8660Bx 在 -40 C 至 +125 C 溫度範圍內的傳播延時變化 請注意 tphl 和 tplh 是對稱的 並且快於 HCPL-2400 的傳播時間 HCPL-2400 PWD 資料表曲線 圖 4B 類似於圖 4A 的曲線 表明了同樣的基礎熱敏感性 當溫度處於 40 C 至 +38 C 範圍內時 PWD 基本保持在 3 ns 但在 69 C 溫度條件下 性能變差至 6 ns 圖 4B 底部的 Si8660Bx 顯示 PWD 在 -40 C 至 +125 C 溫度範圍內低得多 在圖形極限 (69 C) 時偏離 3 ns 在 +125 C 時偏離 4.5 ns

198 圖 4 HCPL-2400 和 Si8660Bx 隔離器隨溫度變動的傳播延時和 PWD 圖 5 顯示了 HCPL-2400 光電耦合器輸入電流對於傳播延時的影響 製造商的應用說明對 此有詳細記載 光電耦合器使用和未使用 峰值 電容 (Cp) 進行測試 會在開啟和關閉時瞬 間增加 LED 電流 以提高回應速度 同樣 tphl 和 tplh 不對稱 因此必須單獨檢查 曲線 A 的光電耦合器會經受 ma 的輸入電流和峰值電容 Cp = 20 pf Cp 導致更 高的輸入電流和更快的開啟和關閉速度 進而導致其相比於其他曲線更扁平的回應和更短的 傳播時間 圖表下方的 Si86xx 曲線 CMOS 數位隔離器的傳播延遲時間 在 40 至 +125 C 的溫度範圍內是更加平滑的對稱曲線 圖 5 光電耦合器與 CMOS 隔離器傳播延時對比 雖然這些示例演示了傳播時間和脈寬失真的變化 但是其他光電耦合器參數會隨溫度 設備 壽命和其他影響因素而偏移 如光電耦合器電流傳輸比 閾值設置和輸出阻抗 其中大多是 由 LED 發射相關行為和砷化鎵工藝技術造成 本節摘要 光電耦合器會隨溫度變化而遭遇不對稱傳播延時和大幅參數偏移 兩者均與 GaAs 工藝技術有關 這些問題導致設計者犧牲設計余量 進而可能會削弱系統性能 與此 相反 CMOS 數位隔離器在更寬的工作溫度範圍內擁有對稱的傳播延時 並且參數幾乎沒 有任何偏移 返回至頂部 4.0. 設備可靠性 本節概述了資料表內與隔離相關的規格 區分了長期和短期評分 提供簡單工具以對比不同

199 製造商的產品 並解釋 Silicon Labs 基於 SiO2 的隔離隔柵擁有最佳隔離性能的原因所 在 隔離設備各自的資料表中包含各自的耐壓規格 例如 下表是基於 Avago 集電極開路光電 耦合器 HCPL-4502 資料表而製作的表格 表 2.HCPL-4502 資料表評分 特性 特性 描述 符號 HCPL-4502/4503 HCPL-0452/0453 單位 最大工作絕緣電壓 VIORM V峰 VPR V峰 VPR V峰 VIOTM V峰 輸入到輸出測試電壓 方法 b* VIORM X = VPR, 100% 生產測試 tm=1 秒 部分放電 <5pC 輸入到輸出測試電壓 方法 a* VIORM X 1.5 = VPR, 類型和樣品測試 tm = 60 秒 局部放電 < 5 pc 最高允許過壓* 瞬態過壓 tini = 10 秒 在這些評分中 僅最大工作隔離電壓 (VIORM) 時鐘保持不變 所有其他規格僅在零時間內 有效 換言之 這些規格不保證在產品使用壽命內始終有效 僅適用于短期電壓應力 通常 為 1 秒或 1 分鐘 隔離設備是由電介質構成的絕緣屏障 具有耐電壓功能 所有電介質 均會老化 這意味著電壓耐受規格有效的使用壽命 老化主要歸因於熱能和/或電能場所導致的介電退化 對於特定電介質而言 這取決於其固 有材料和製造屬性 雜質 缺陷等 老化是不可逆轉的過程 在介電疲勞或失效時 雪崩 電流流經電介質 並導致永久性損壞 高壓隔離使用壽命意味著 在使用壽命終結時 無法 保證其介電屬性 隔離器結構中使用的電介質的數量和類型決定了隔離器的性能和生命週期 Silicon Labs 採 用二氧化矽 (SiO2) 因為它是半導體行業最常用的介電材料 其具有所有電介質中最低的 缺陷等級 因此保證了長期產品服務生命週期 SiO2 也是目前品質最高的電介質之一 其 擊穿閾值為 1000 V/µm 而光電耦合器隔離所使用的塑封材料的擊穿閾值是 ~50 V/µm 此外 SiO2 是典型溫度和濕度變化範圍內最穩定的電介質之一 是一款無機材料 而塑封 材料是有機材料 這意味著 相比於光電耦合器 採用 SiO2 絕緣材料的 Silicon Labs 隔 離產品擁有行業領先的耐受屬性 所有隔離產品製造商均會提供此使用壽命資訊 一旦過期 這些設備不再保證可用作隔離 器 在所有情況下 故障模式會在隔離裝置兩次接地 一旦隔離 之間形成阻抗短路 - 從

200 輸入到輸出端短路 此故障機制獨立於耦合技術 並適用於所有隔離器 它是基本介電性能 請參考以下製造商高壓使用壽命報告示例 Avago:應用說明 AN AN1074 Texas Instruments 應用說明 SLLA 197 為便於測量高壓電介質使用壽命 重要的是瞭解如何使用 E-model 1/E model 以及兩者 兼之或其他知名度不高的型號解釋和描繪電介質老化的物理特性 E-model 是最保守的型 號 以下為其數學陳述 無故障工作時間 (TF) 與其所應用的電場 (E) 呈反指數關係 根 據方程 1 ln(tf) = (ΔHo/Kb*T) Ψ*E 方程 1 此處 TF 為設備的無故障工作時間 ΔHo 為電介質擊穿的熱函 也被稱為活化能 取決於使用的介電材料和工藝技術 Kb 為玻爾茲曼常數 T 為溫度 E 為隔離隔柵的電場 等於應用的應力電壓 (Vrms) 與隔離隔柵厚度的比率 Ψ 為場加速參數 這也取決於介電材料屬性 使用經時電介質擊穿 (TDDB) 方法來估計隔離器的持續工作電壓 開始於測量給定設備在 高加速電壓下的無故障工作時間 然後使用此資料推測產品的工作電壓或持續額定電壓 來 確定產品的使用壽命 在 Silicon Labs 使用 E-model 描繪電介質特性的方法中 溫度是常 數 最差情況是 Tj 的溫度是 150 C 隔離隔柵厚度是常數 因此 該方程式簡化成方程 式 2 的形式 TF = exp(-b*v) (方程式 2) 此處 B 是給定的受測產品/設備的常量 V 是外加電壓 在數學上 繪製如下對數正態圖時 使用直線表示 E-model 中期望的指數關係 注意 並 非所有製造商都使用 E-model 基於 E-model 是最為廣泛接受和最保守的模型這一事實 Silicon Labs 決定採用 E-model 使用標準 TDDB 方法計算預期使用壽命 使用各種不同的電壓進行擊穿測試 結果繪製在 威布林分佈圖上 以利用原始資料推斷 10 ppm 故障率 這意味著 基於規定的無故障工 作時間值 僅 10 ppm 的受測設備發生故障 這是極低的故障率 因此規定的使用壽命非 常保守 這些 10 ppm 值用於繪製無故障工作時間 (TTF) 與電壓關係的 TDDB 圖形 如 下圖所示 平均故障時間 (MTTF) 也繪製在以下 TDDB 圖形內

201 圖 6 無故障工作時間與電壓關係的 TDDB 圖形 10 ppm 和平均值 為便利起見 基於圖 6 中的資料 將各種不同工作電壓下測試結果概述于下方表 3 在 800 Vrms 工作電壓下 10 ppm 無故障工作時間為 265 年 而在 1200 Vrms 工作電壓下 平均使用壽命為 53 年 這是當前最高的高壓隔離器使用壽命評分 客戶關心的一個問題是 該產品是否使用多項更接近工作電壓的電壓進行過測試 如同 TDDB 推斷所進行的決定性測試 為解決此問題 Silicon Labs 從 1600 Vrms 電壓開始進 行測試 截至本報告撰寫之時 根據測試記錄 沒有發生持續時間超過 1000 小時的故障 表 3.高壓使用壽命研究之 MTTF 結果 Si86xx 應用的電壓 VRMS Vpeak 或 V 10 ppm 故障時間 年數 平均故障時間 年數 光電耦合器製造商也進行類似的研究 以對自己的產品進行評級 見圖 7 下圖摘自 的 App NoteAN1074 未提及任何 TDDB 模型 僅在下圖 7 定義 了安全操作區域 根據該圖所示 僅低於 800 V 的持續電壓會進行使用壽命評分 在 1600 V 時 安全使用壽命僅有 200 小時 Silicon Labs 產品的 1600 V 使用壽命是 10 年

202 圖 7 光電耦合器的 Avago 高壓使用壽命等級 5.0. 共模瞬態抗擾度 (CMTI) 共模瞬態抗擾度 (CMTI) 是指隔離器抑制快速共模瞬變的能力 通常測量單位是 kv/µs 共模瞬變是隔離應用中資料損壞的主要原因之一 CMTI 非常重要 因為高轉換率 高頻率 瞬變會通過寄生電容 跨越隔離柵進行耦合 從而破壞資料 本白皮書使用的 CMTI 測試 設置原理圖和測試板照片如圖 8 所示 而圖 9 顯示了 HCPL-4506 光電耦合器內的主要 寄生耦合

203 圖 8 CMTI 測試原理圖和測試板照片 請參閱圖 9 最大的單片寄生耦合是 CLEDN 即使用如下陰極接地模式配置光電耦合器時 有效短路的 VCM 阻抗 也就是說 剩餘的寄生耦合 儘管更弱 仍能夠導致 CMT 感應 的資料錯誤 Si8712A 是光電耦合器升級版 直接替代現款光電耦合器 無需更改 PCB 並且擁有更好的性能 可靠性和功耗效率 請注意 Si8712A 是低功耗 低 CMTI Si87xx 產 品版本 使用外部負載電阻而不是內部負載電阻進行設備測試 因為 CLED02 的寄生耦合弱於 CLED01 CLED01 與 20 kω 的內部高負載電阻相結合 其更強的寄生耦合使得 CMT 事 件引起光電耦合器 更小程度上對 Si8712A 資料錯誤的可能性升高 圖 9 至圖 13 所顯 示的測試結果逐項對比了 Si8712A CMOS 數位隔離器和 HCPL-4506 光電耦合器的 CMTI 性能 雖然根據圖 8 兩種隔離設備的配置完全相同 Si8712A 的內部寄生耦合比 光電耦合器的寄生耦合低 2 至 3 倍 從而具有更高的 CMTI 性能

204 圖 9 HCPL-4506 光電耦合器內部寄生耦合 圖 10A.CMOS 隔離器的正 CMTI 回應 Si8712A 圖 10B.HCPL-4506 光電耦合器的正 CMTI 回應 圖 10 對兩個設備的陽極引腳施以邏輯高 使它們的輸出保持低電平 圖 10A 的頂部曲線 顯示了正向 1.5 kv CMT 脈衝 底部曲線顯示了內部耦合對集電極負載電阻的影響 如圖 所示 Si8712A 的干擾振幅約 100 mv 而光電耦合器的干擾振幅約為 500 mv 圖 10B 儘管負向 CMT 事件干擾受測設備 圖 11 的測試對兩個設備的輸入端施以邏輯零 使它 們的輸出保持邏輯高 如圖 11A 所示 Si8712A 的輸出下降至 -250 mv 峰值 而光電 耦合器的輸出下降至 -1.1 V 峰值 請注意 Si8712A 擁有更低的振幅和更快的恢復時間 圖 12 的 CMT 事件將故障時間增至 200 ns 雖然能夠減小 CMT 振幅 但增加了恢復時 間

205 圖 11A.CMOS 隔離器的負 CMTI 回應 Si8712A 圖 11B.HCPL-4506 光電耦合器的負 CMTI 回應 圖 12A.CMOS 隔離器的負 CMTI 回應 Si8712A 圖 12B.HCPL-4506 光電耦合器的負 CMTI 回應 雖然上述測試顯示了單個寄生事件的影響 但是多個耦合會結合 產生有害影響 如圖 13A 至圖 13D 所示 請參閱圖 13A 光電耦合器輸入端維持邏輯高電平 輸出端邏輯低 此 時使用了 20 kω 的內部負載電阻 LED 陰極的 CMT 升壓時間為 40 ns 使 LED 陰極 和陽極電壓迅速發生了電平位移 抑制了從 CLED02 到 Vo 引腳的寄生電流 同時 CLED01 將 IF 的電流轉移到 RL 引腳 這一 1-2 組合同時降低了 LED 和內部負載電阻 中的電流 進一步增強了暫態輸出關斷 圖 13A 中的 1V 峰值 毛刺可以證明這一點 A B

206 C D 圖 13 HCPL-4506 光電耦合器內部寄生耦合 圖 13B 顯示的是與圖 13A 相同的測試 不同之處在於 CMT 升壓時間增至 80 ns 這降 低了內部負載耦合 但提高了 LED 寄生開啟振幅 此趨勢繼續存在於圖 13C 中的 120 ns CMT 脈衝 在圖 13D 中尤其明顯 其中內部負載耦合幾乎消失 但是寄生開啟脈衝振幅 為幾伏 請注意 LED 寄生開啟也會因圖 13D 中光電耦合器的長傳輸延遲時間而延遲 本節摘要 光電耦合器固有的高內部寄生耦合和寄生相互依存關係可以單獨或共同導致錯誤 的正向和負向的各種持續時間和振幅 破壞資料傳輸 削弱系統整體性能 此問題因光電耦 合器不良的 CMTI 特性而加重 返回至頂部 6.0. 電磁干擾 (EMI) EMI 是指任何破壞或以其他方式干擾授權電氣設備有效性能的電磁干擾 由於與隔離器有 關 輻射和傳導 EMI 通常是耦合到其他電路和/或環境的高頻開關電路 及其諧波 的產 物 輻射 EMI 類似於廣播 通過自由空間從發射器漫遊到接收器 而傳導 EMI 沿著導體 漫遊 FCC 設定了傳導和輻射 EMI 限值 所有設備都必須遵守此規定 各個認證機構發佈的規格均會設定傳導和輻射 EMI 限值 其中比較常見的規格是 FCC Part 15 其覆蓋室內或家庭附近使用的電路元件 按此規格測試是在露天環境中進行的 使用 10 米天線 並且天線大約高於地平面 5 米 SAEJ 規格是以 IC 為中心的測 試方法 建議將待測試的 IC 安裝到小電路板上 然後測量該板的輻射發射 同時在實際應 用環境中操作 依據 FCC Class B Part 15 圖 14 進行 EMI 測試須使用兩個測試板 其中一個測試板 配備 6 通道 CMOS 數位隔離器 所有輸入均擁有高電平 以最大限度提高內部發射器的 輻射發射 以下 EMI 圖顯示了兩個測試板以全速開關的 12 個通道所產生的總輻射發射 結果概述於圖 14A-14D 獨立進行的測試表明 CMOS 數字隔離器通過 FCC Class B Part 15 認證 主要通過現場取消的內部差分信號路徑 隔離電容的大小和低功率電源振盪 器設計組合實現低 EMI 操作 請注意 圖 14A 的低頻雜訊是由測試儀雜訊 而非 CMOS 數字隔離器造成

207 圖 14A.Si86xx EMI X 軸 輸入邏輯 0 圖 14B.Si86xx EMI Y 軸 輸入邏輯 0 圖 14C.Si86xx EMI X 軸 輸入邏輯 1

208 圖 14D.Si86xx EMI Y 軸測量輸入邏輯 1 本節摘要 該光電耦合器可能擁有 Silicon Labs Si8xxx 系列之外所有矽隔離器中最低的 EMI 這些 CMOS 數位隔離器均通過了 FCC Class B Part 15 認證 並擁有業界領先的 EMI 性能 6.1 射頻抗擾度 射頻抗擾度是指隔離器抑制本地強電磁場 以維持無差錯的資料傳輸的能 力 可以直觀地認為環境射頻場會干擾 CMOS 數字隔離器的內部高頻資料傳輸 但是 CMOS 數字隔離器通過它們的設計 顯示了極高的外部射頻抗擾度 本地磁場會在 CMOS 數位隔離器內部信號路徑中感應出共模電壓 由於內部差分信號路徑 兩側的信號電平的嚴密匹配 可以結合使用 CMOS 數位隔離器的差分隔離信號路徑和高選 擇性接收器抑制該共模電壓 此架構導致接收器差分輸入端的共模電壓得到抑制 接收器隨 後僅會放大極窄頻帶的差分輸入電壓 而抑制所有其他輸入電壓 這些機制會抑制各種外部 電場和磁場的干擾 實現超高的 CMTI 和強健可靠的操作 即使是在電氣雜訊環境中 圖 15 CMOS 隔離器電場抗擾度 CMOS 數位隔離器可在大型電機和其他產生磁場的設備附近使用 從理論上講 如果磁場 過大和/或過於接近隔離器 則有發生資料傳輸錯誤的可能性 但在實際應用中 CMOS 數 字隔離器對外部磁場有著極高的抗擾度 且經獨立評估 可承受至少 1000 A/米的磁場 根

209 據 和 IEC 當 107 安培電流經過距離 CMOS 數位隔離器 0.1 米 的 0.1 米長導體時 即可形成此類磁場 在任何操作環境中都幾乎找不到這種條件 該磁 場極有可能在損壞 CMOS 數位隔離器隔離柵電路前 先損毀周圍電路 本節摘要 光電耦合器雖然天生擁有獨特的外部磁場抗擾度的優勢 由於內部差分信號路徑 兩側的信號電平緊密匹配 CMOS 數位隔離器以其高選擇性接收器展現了幾乎等同的磁場 抑制性 返回頂部 7.0. 易用性 相互依存的大型寄生耦合 受溫度影響的運行參數和隨設備年限而變的運行狀況使光電耦合 器的部署應用充滿挑戰 相反 CMOS 數位隔離器大幅降低了初階寄生 具有更少的共生 耦合 在工作溫度下具有顯著提高的性能 下面部分總結了常見的光電耦合器設計問題 7.1. 電流傳輸比 光電耦合器具有的受溫度影響的被稱為電流傳輸比 (CTR) 的 增益術 語 光電耦合器的典型 CTR 值為 10% 至 50% 配輸出光電電晶體 最高可達 2000% 配一對 Darlington 輸出電晶體 其他 CTR 相關性包括輸出電晶體電流增益係數 HFE VDD 電源電壓 流經 LED 的正向電流和工作環境溫度 CTR 值隨絕對電流電平而變 並在 LED 電流電平接近 10 ma 時達到峰值 在更高或更低的電流電平時下降 圖 16 光電耦合器 CTR 7.2. 數位光電耦合器開啟閾值 數位光電耦合器的開啟和關斷閾值趨向於位於相對低的電 平 同時對溫度敏感 兩個單元之間的實際閾值可以相當模糊 實驗室測量結果顯示 大部 分光電耦合器在電流電平低於資料表所列的閾值時開啟 因此有時需要其他外部元件進行糾 正

210 圖 17 Si87xx 輸入電流開啟/關閉閾值與光電耦合器閾值對比 圖 17 對比了 Si8712A CMOS 數位隔離器與典型數位光電耦合器的閾值 如圖所示 無 論開關 CMOS 隔離器均無需 CTR 規格及其相關的溫度敏感度說明 數字光電耦合器具 有內部 LED 的二極體特性 因此很難保持精確 一致的開關閾值 7.3. 其他外部材料單 如圖 18 所示 電氣雜訊環境中工作的光電耦合器通常使用其他元 件來增強 CMTI 性能 修改輸入和輸出電路有助於增強光電耦合器的性能 修改專案包括 外部 而非內部 負載電阻 反向偏置或造成 LED 短路 以確保光電耦合器在 CMT 事 件出現後保持正確狀態 以及添加 RC 過濾暫態輸出毛刺 包括圖 10 至圖 13 所示毛刺

211 圖 18 增強光電耦合器 CMTI 性能的外部電路 應小心固定這些光電耦合器 因為其中一些可以結合而產生有害的結果 如表格 4 所列 7.4. 設備年限和電流所導致的性能衰減 考慮到工業設備的典型使用壽命 長期可靠性和 穩定的性能逐漸成為系統設計者考慮的主要因素 光電耦合器時序參數 如傳播延遲 脈衝 寬度失真 可通過三個不同的變數進行改變 LED 磨損 過高的 LED 輸入電流和工作溫 度 光電耦合器的關鍵磨損機制之一是 LED 光輸出 (LOP) 這是一種材料現象 會導致 LED 亮度隨時間而減弱 較低的光線散發會減少光檢測器所見的信號 進而對光電耦合器的時序 和輸出阻抗特性產生負面影響 圖 19A 和 19B 顯示了製造商的 LOP 資料 該資料是依 據分別使用砷化鎵磷 (GaAsP) 和砷化鋁鎵 (AlGaAs) 製造的 LED 經過 10,000 小時歸 一化光線輸出所得 隨著溫度和 LED 電流的升高 光線輸出衰減通常會不斷惡化 在最差 的情況下 光線輸出會低至正常設備操作所需的最低值 A B

212 圖 19A 與 19B 光電耦合器製造商的 LOP 測試資料 LOP 可對標稱光輸出進行高達 20% 的改變 從而導致工作特性發生巨大改變 由於衰減 率與正向電流部分相關 系統設計者必須在選擇 LED 正向工作電流範圍時考慮 LOP 的影 響 進而被迫在更長的設備使用壽命和更低的 CMTI 之間進行權衡 LOP 磨損可阻止上述 光電耦合器在約 100 C 和 25 年壽命期內的應用 例如太陽能板 中使用 本節摘要 許多光電耦合器具有多個與高溫有關的參數 例如電流傳輸比及輸入開啟和關斷 閥值 這些參數使設計變得複雜 並對系統性能產生不好的影響 在電氣雜訊環境中工作的 光電耦合器通常使用額外的外部元件以提高 CMTI 性能 光電耦合器也具有較窄的工作溫 度範圍和較差的可靠性 比 CMOS 數位隔離器的使用壽命短 10 倍 通過對比 CMOS 數位隔離器開啟或關閉 無需 CTR 規範和其相關溫度敏感性 此外 CMOS 隔離器具有 嚴格的輸入閾值 優越的 CMIT 在溫度和電流下更好地參數穩定性 行業領先的可靠性及 無磨損機制 返回至頂部 8.0. 光電耦合器更換升級 由於缺乏替代的引腳和封裝相容的隔離器解決方案 光電耦合器在信號隔離應用中一直處於 主導地位 Si87xx CMOS 數字隔離器 圖 20 在無需修改 PCB 的情況下可直接更換光 電耦合器 同時顯著提升性能和可靠性 Si87xx 輸入側從陽極輸入 收穫 輸入偏置電壓 而輸出側由高達 30 V 的本地直流電壓源供電 Si87xx 也相容外部光電耦合器電路 包括 實施圖 18 中補救措施的電路 圖 20 Si87xx 光電耦合器更換 CMOS 數位隔離器 Si87xx 輸入側晶片包含二極體模擬器 高頻發射器和電流隔離器段 二極體模擬器執行兩 種功能 它模擬 LED 的行為 以確保相容現有 外部 光電耦合器輸入電路 並在陽極電 流處於或超過閥值時啟用發射器 啟用後 發射器可傳播高頻載波 其可越過隔離屏障到達 接收器 從而在存在足夠的帶內能量時促進低輸出驅動 相反 輸入電流低於閾值時會禁用 發射器 從而導致接收器關斷漏極開路 MOSFET 並允許外部或內部上拉電阻拉高輸出引 腳 這種簡單的架構提供了許多優於光電耦合器的功能和優勢

213 封裝和引腳相容 插入式光電耦合器升級通常無需改變 PCB 直接的 封裝和引腳對引腳的光電耦合器替換 Silicon Labs 的專利 CMOS 隔離技術實現了更高的性能和可靠性 隔離額定值 3.75 kv 和 5.0 kv 每個 IEC 的浪湧容差為 10 kv 更快 更緊密的計時 1 Mbps 或 15 Mbps 版本 60 ns 傳播延遲 20 ns PWD CMTI 35 kv/µs A 級 或 50 kv/µs B 級 和比光電耦合器低 2 到 3 倍的 內部寄生耦合 精確的輸入電流閥值 2.2 ma A 級 和 3.5 ma B 級 無 CTR 參數隨溫度的改變非常低 廣泛的工作溫度範圍 40 C 至 +125 C 高可靠性 在最糟電壓和溫度下 TDDB 大於 60 年 表 4.光電耦合器與 Si86xx 及 Si87xx CMOS 數字隔離器的常見問題和解決方案 問題 數位光電耦合器解決方案 Si86xx CMOS 數字隔離器 Si87xx CMOS 數位光電改裝隔離器 使用更高閥值的光電耦合 器 改善 CMTI 偽 添加鉗位元二極體或開關 減小 RF 值 更大的電流 使用更高閥值的 87xx(B) 版 增加 CL 值 更大的電流 減小 RF 值 更大的電流 減小 RL 值 更大的電流 移除 CL 減小 RF 值 更大的電流 使用更高閥值的 87xx(B) 版 減小 RL 值 更大的電流 減小 RF 值 更大的電流 沒有問題 導通 改善 CMTI 偽 關斷 沒有問題

214 增加 RL 值 沒有問題 減小 RF 值 更大的電流 增加 RL 值 減小 RL 值 跨 RF 添加峰值電容器 減小 RL 值 更大的電流 減小 RL 值 更大的電流 減小 RL 值 移除 CL 跨 RF 添加峰值電容器 沒有問題 沒有問題 減小 RL 值 更大的電流 沒有問題 沒有問題 減小 RF 值 更大的電流 沒有問題 沒有問題 沒有問題 減小 tphl 減小 tplh 解決 CTR 變化 解決 LED 老化 效應 注意 1. 所有紅色 更大的電流 注釋僅指 LED 電流 而非輸出電流 藍色 更大的電流 表 示輸出電流 2. 如果通過 CLED01 和 CLED02 的寄生耦合導致 Si87xxA 錯誤導通 請使用更高 閥值的 Si87xxB 更換 Si87xxA 3. 對於相同的 tphl 和 tplh 增加 CL 需要更大的電流 4. 對於光電耦合器 增加 RL 需要更大的 LED 電流 表 4 將常見的 LED 光電耦合器與 Si87xx 系列 CMOS 數位光電耦合器替代產品的常見 問題和解決方案做了比較 注意 光電耦合器需要使用大量的輸入電流以維持正常運行 光耦合器 張貼者 2012/1/21 下午 10:54Jonathan Cheng [ 已更新 2012/1/21 下午 11:28 ] 結構如圖所示 IC 內部包覆了一只 LED 及電晶體

215 輸 入 端 為 發 光 二 極 體 ; 輸 出 端 為 類 似 BJT 電 晶 體 結 構, 但 是 B 點 是 非 電 流 訊 號 當 輸 入 端 電 流 越 大, 光 線 越 強, 輸 出 端 CE 阻 抗 越 小 光 耦 合 主 要 的 功 能 就 是 提 供 輸 入 / 輸 出 端 良 好 的 隔 離 作 用, 若 輸 入 端 不 甚 引 入 大 電 流, 將 不 致 燒 毀 輸 出 側 零 件 輸 出 側 之 諧 波 或 高 頻 振 盪 訊 號, 也 不 會 回 授 到 輸 入 側, 而 使 電 路 產 基 本 範 例 電 路 如 下 圖 所 示, 電 路 設 計 時 須 注 意,I F 電 流 過 大 將 導 致 輸 入 端 LED 燒 毀, 以 PC817 為 例,I F 及 I C 最 大 電 流 為 50mA, 正 常 狀 況 下,I F =5mA 且 V CE =5V, 則 I C 介 於 2.5mA~30mA

216 在模拟信号的传输过程中 会出现很多问题 可能扰乱甚至阻碍处理过程顺利进行 下面所列举的是处理过程中可能出现的问题以及解决方案 信号转换 有时已有的信号不能被控制器或执行器处理 这就需要信号转换器将输入信号转换成控制器或执 行器能处理的信号 信号放大 信号在长距离传输或是高负载时就可能需要放大 CC 系列模拟信号转换器只需要低输入功率并 提供大功率输出 因此 转换器的安装位置不会受到限制 例 它可能用于 在传输线的末端作为信号刷新 低输入功率 或在传输线的始端作为信号放大 大功率输出 信号过滤 特别是在长距离传输线或是恶劣的工业环境时 信号暴露于高电磁干扰中 耦合的干扰信号的频 率可能就在主频率 50Hz 或者高得多的频率 使用了变频器 范围之内 按照规定要求 模 拟信号转换器可以通过输入端的低通滤波器提供可靠的干扰信号抑制 信号隔离 过电压保护

217 随着更多的微电子元件的使用 使得控制对于闪电或开关过程引起的过电压越来越敏感 在 CC 系列模拟信号转换器的输入端集成了抑制二极管 它可以阻止由开关过程引起的低能量级信号的 通过 产品还具有三重电气隔离功能 输入 输出和电源电路之间相互隔离 以保护连接到输出 端的控制器 对地回路保护 如果使用的元件需要参考地 测量信号可能会因为存在对地回路而出错 对地回路的出现会使部 分信号通过大地传输而并没有经过模拟信号转换器 从而产生错误的信号评估结果 输入和输出 之间的电器隔离 阻断了对地回路的产生 从而保证了信号的正确传输 2013 年 11 月 13 日--Analog Devices, Inc. NASDAQ ADI 美商亞德諾公司今天 發表業界最低功率數位隔離器 ADuM 144x 家族系列 以 ADI 獨家的 icoupler 數位隔離 技術為基礎 ADuM 144x 能夠以低至 1 μw 的電力供電 提供比光耦合器與同級數位隔 離器低 1000 倍以上的功率位準 在這些位準上 ADuM 144x 家族很適合使用於工業與 儀器系統 像是 4 至 20 ma 的電流迴路 遠端感測器 以及需要高能源效率或是仰賴有限 電源的綠能系統 例如電池等 觀賞這段影片可以更進一步的瞭解 ADuM 144x 低功率數 位隔離器 訂購 ADuM 144x 的樣品 下載技術手冊以及其它技術文件 請至 在 ADI 的線上技術支援社群 EngineerZone 取得由 ADI 工程師所提供的數位隔離器相關 問題的答案 目錄分銷商 Digi-Key 公司以及 Mouser Electronics(貿澤電子)都擁有晶片與評估用電路 板的備貨庫存 ADuM 144x 是具有三組不同通道組態設定的四通道隔離器 具有 2.5 kv rms 的一分鐘 隔離安全等級 它們使用 2.25 V 至 3.6 V 的操作電壓範圍 進一步的降低了電力的限制 同時提供市場中最低的隔離器操作電壓 在 2.5 V 下的靜態電源供應電流為每通道低於 5 μa 而在 2 Mbps 下的電源供應電流則為每通道低於 380 μa 省電模式能夠將電流位

218 準降低至每通道 0.1μA 因此實現了業界最佳的 1 μw 整體隔離器總功率 除了顯著的省 電之外 ADuM 144x 採用 16 隻接腳的 QSOP 封裝方式 使其成為業界中最小 具有 2.5 kv rms 隔離等級的四通道數位隔離器 ADI 隔離與介面產品線經理 David Krakauer 表示 ADuM 144x 是我們 icoupler 數位 隔離器產品家族(包含市場上最高性能而且最為可靠的隔離器)的一項自然延伸新品 隨著業 界對於能源效率的日益注重 我們可以看出我們核心的 icoupler 技術是市場中能夠實現如 此低功率位準的唯一隔離技術 我們與客戶合作 定義出這一系列具有突破性的產品家族 並且增進我們的能力以因應客戶們的系統需求 ADuM 144x 家族使用 icoupler 晶片等級變壓器技術 此與 ADI 的全部安全隔離產品線所 使用的技術相同 而該技術被應用在超過十億個隔離通道中已達十年以上 採用 16 隻接腳 QSOP 封裝的 ADuM 144x 已經正式量產 而且目前還有提供即將上市的不同封裝方式 通道數量與更高隔離等級的版本 價格以及供應時程 產品 供應時程 價格 封裝方式 以 1K 量計 ADuM 144xARQZ 供貨中 $ 1.98 美元 4 mm x 5 mm 16 隻接腳 QSOP ADuM 144xARSZ 2014 年 1 月 $ 2.48 美元 7.2 mm x 5.3 mm 20 隻接腳 SSOP 評估板 供貨中 $ 美元 關於 ADI 公司 Analog Devices, Inc. 簡稱 ADI 將創新 業績和卓越作爲企業的文化支柱 並基此成 長爲該技術領域最持久高速增長的企業之一 ADI 公司是業界廣泛認可的資料轉換和信號 處理技術全球領先的供應商 擁有遍佈世界各地的 60,000 客戶 涵蓋了全部類型的電子設 備製造商 作爲領先業界 40 多年的高性能類比積體電路 IC 製造商 ADI 的產品廣泛用 於類比信號和數位信號處理領域 公司總部設在美國麻塞諸塞州諾伍德市 設計和製造基地 遍佈全球 ADI 公司被納入標準普爾 500 指數 S&P 500 Index 精實新聞 :29:54 記者 王彤勻 報導 高效能類比與混合訊號 IC 廠 Silicon Labs(芯科)宣佈 推出業界首款光耦合器的替代產品 Si87xx 數位隔離器 其基於主流 CMOS 技術並具有創新的發光二極體 LED 模擬輸入 芯 科指出 新型 Si87xx 數位隔離器提供完美的接腳配置和 IC 封裝型式 可相容於多種光耦合器 產品 而其優異的抗雜訊能力 高效能和可靠性 非常適合應用於太陽能逆變器 交換式電源供

219 應 器 (SMPS) 不 斷 電 供 應 系 統 (UPS) 工 業 驅 動 器, 可 程 式 邏 輯 控 制 器 (PLC) 高 壓 醫 療 設 備 等 產 品 芯 科 解 釋, 光 耦 合 器 的 使 用 歷 史 已 超 過 40 年, 由 於 本 質 上 受 限 於 過 時 的 LED 技 術, 導 致 其 輸 出 訊 號 對 於 輸 入 電 流 溫 度 和 老 化 的 變 動 非 常 敏 感 輸 出 變 化 將 降 低 光 耦 合 器 生 命 週 期 中 的 運 行 效 能 和 可 靠 性, 因 此 增 加 設 計 的 複 雜 度, 縮 短 產 品 的 壽 命 受 其 容 易 老 化 的 影 響, 光 耦 合 器 的 使 用 壽 命 通 常 僅 約 10 年, 對 於 想 要 開 發 具 有 20 年 以 上 產 品 品 質 保 證 的 工 業 系 統 設 計 人 員 來 說, 一 直 是 個 問 題 芯 科 強 調,Si87xx 為 光 耦 合 器 替 代 元 件, 採 用 基 於 CMOS 技 術 的 專 利 隔 離 架 構, 能 有 效 消 除 基 於 LED 的 光 耦 合 器 特 有 的 敏 感 性 而 基 於 CMOS 製 程 的 電 容 隔 離 技 術, 可 提 供 的 平 均 故 障 間 隔 時 間 (MTTF) 是 光 耦 合 器 的 10 倍 以 上 透 過 提 供 更 長 的 產 品 壽 命 和 更 高 的 可 靠 性,Si87xx 隔 離 器 允 許 系 統 製 造 商 支 援 更 長 的 終 端 產 品 保 證 期, 並 降 低 維 修 或 更 換 產 品 的 成 本 Si87xx 系 列 產 品 基 於 芯 科 領 先 的 電 容 隔 離 技 術, 隔 離 等 級 達 5kV, 並 能 完 全 符 合 IEC 規 範, 包 括 10kV 電 湧 保 護 該 系 列 產 品 滿 足 IEC ( 增 強 絕 緣 ) 的 要 求, 並 提 供 高 達 1200 V 工 作 電 壓 和 超 過 60 年 的 使 用 壽 命 全 文 網 址 : 2d-b831-5e0cf1e9ee48#ixzz2n97pcfQT MoneyDJ 財 經 知 識 庫 ADI 調 整 具 有 專 利 權 的 icoupler 數 位 隔 離 技 術, 以 便 符 合 新 興 油 電 混 合 車 輛 所 需 要 的 可 靠 度 與 品 質 需 求, 據 此 發 表 了 數 位 隔 離 器 的 系 列 產 品, 這 些 產 品 乃 是 針 對 現 今 充 滿 了 電 子 方 面 挑 戰 的 汽 車 環 境 所 設 計 的 不 同 於 大 多 數 使 用 於 汽 車 娛 樂 安 全 以 及 動 力 傳 動 系 統 中 相 對 較 低 電 壓 的 信 號 電 源, 油 電 混 合 車 的 電 池 可 以 在 超 過 600V 的 電 壓 下 運 作, 而 這 將 會 導 致 必 須 嚴 格 的 將 系 統 攸 關 之 電 路 進 行 隔 離 的 需 求 ADI 的 全 新 ADuM 120xW ADuM 130xW 以 及 ADuM 140xW 數 位 隔 離 器 乃 是 針 對 油 電 混 合 車 輛 系 統 所 開 發, 像 是 馬 達 驅 動 與 電 池 管 理 系 統 等 這 些 新 的 icoupler 產 品 也 是 首 創 能 夠 符 合 在 40 C 至 +125 C 之 汽 車 溫 度 等 級 之 AEC Q100 標 準 的 數 位 隔 離 器

220 ADI 類比半導體元件部門副總裁 Robbie McAdam 表示 截至目前為 止 可以用來將油電混合車以及卡車 的電池予以隔離的唯一方法就是使 用光耦合器 optocoupler 然而其 為人詬病的就是當溫度超過 105 C 時 會變得難以管理與操作 在燃油經濟 效應以及電池電量至為重要的應用 領域中 ADI 的數位隔離器不僅不會 有如同光耦合器的限制 同時還能夠 節省 90%的電源耗損 有別於其他像是光耦合器之類的隔 附圖 : ADI 的全新 ADuM 系列數位隔離器乃是針對油電混合車 輛系統所開發 離技術會發生性能降級以及在高溫之下產生損耗的情況 icoupler 數位隔離器對於 溫度比較不會那麼敏感 具長期可靠性 由於 icoupler 產品具有數位化的介面 因 此不需要使用外部的信號調整元件 而且在相同的信號資料速率下 只會消耗光耦 合器所需要之電源的十分之一到六分之一 直流电 DC 耐受电流变压器被使用于智能型电表 Smart Meter 中感测 AC 交流电 电流已经有很长的时间 但是它们有某些缺点 而且可能很昂贵 对于某些应用装置而言 电阻式分流器是较佳的电流感测器 因为比较没那么昂贵 而且具有高线性度 又能够抵抗 磁力的影响 但不幸的是 电阻式分流器本身并不具备电流变压器的电力隔离功能 在如智能型电表 之类须要隔离的应用装置内 具备隔离式电力技术并结合分流电阻的数位隔离器 则为以上 这个问题提供了解决方案 隔离器有很多种分类 如光电隔离器 信号隔离器 天线隔离器 和总线隔离器等等 了解关于天线隔离器的详细信息请点击此处 改进单相位防窜改智能型电表 在单相位防窜改智能型电表 图 1 中 类比前端 AFE IC 会利用电阻分流器量测 相位电流 以及利用简单的电压分配器量测相位电压 藉以计算能源与监测负载的品质

221 图 1 单 相 位 防 窜 改 智 能 型 电 表 在 这 个 应 用 装 置 内, 电 力 线 相 位 电 压 被 当 作 使 用 于 AFE 的 接 地 参 考 中 性 线 路 电 流 的 量 测 必 须 加 以 隔 离, 以 便 让 AFE 能 够 避 开 高 电 压 AFE 会 利 用 标 准 串 列 周 边 介 面 (SPI) 或 是 I2C 通 讯 将 经 过 计 算 的 电 量 发 送 到 微 控 制 器 (MCU) MCU 接 着 就 会 将 资 料 传 送 到 通 讯 模 组, 且 通 常 会 使 用 必 须 确 保 安 全 隔 离 与 避 免 接 地 回 路 的 通 用 异 步 收 发 器 (UART) 介 面 如 此 一 来,MCU 若 不 是 与 AFE 隔 离 并 且 与 通 讯 模 组 (Isolation 1) 共 用 接 地, 就 是 与 通 讯 模 组 隔 离 而 与 AFE 共 用 接 地 (Isolation 2) 电 表 的 电 源 供 应 来 自 于 电 力 线 (Power Line), 但 两 组 电 力 域 则 是 由 安 全 隔 离 屏 障 所 建 立 出 来 的 图 1 内 的 PS1 与 相 位 处 于 同 一 个 电 力 域 内, 而 且 可 以 不 须 要 隔 离 AFE 就 加 以 使 用 然 而, 不 论 是 安 全 隔 离 屏 障 1 或 2 都 须 使 用 隔 离 式 电 源 供 应 PS2, 藉 以 将 电 力 提 供 给 MCU 与 通 讯 模 组 (Isolation 1), 或 是 只 提 供 给 通 讯 模 组 (Isolation 2) 总 而 言 之, 在 单 相 位 防 窜 改 电 表 中 有 多 个 位 置 须 要 隔 离, 包 括 中 性 线 路 电 流 感 测, 以 及 在 AFE 与 MCU(Isolation 1) 之 间 或 是 MCU 与 通 讯 模 组 (Isolation 2) 之 间 必 须 通 过 隔 离 屏 障 1 与 2 的 讯 号 采 数 位 格 式 已 经 有 许 多 能 够 隔 离 数 位 讯 号 的 技 术 被 开 发 出 来 传 统 的 方 案 采 用 具 有 发 光 二 极 体 (LED) 和 光 电 二 极 体 的 光 耦 合 器 然 而, 较 新 的 技 术 则 是 以 采 用 晶 片 等 级 变 压 器 的 数 位 隔 离 器 方 式 存 在 举 例 来 说, 亚 诺 德 (ADI)iCoupler 数 位 隔 离 器 相 较 于 光 耦 合 器 具 有 以 下 几 项 优 点 : 更 好 的 可 靠 度 更 小 的 尺 寸 更 低 的 功 率 耗 损 更 高 的 通 讯 速 度 更 好 的 时 序 精 确 度, 以 及 易 于 使 用 的 特 点 此 外, 晶 片 等 级 的 隔 离 技 术 也 能 够 与 其 他 的 半 导 体 电 路 结 合, 藉 以 在 很 小 的 基 底 尺 寸 内 实 现 高 整 合 度 的 解 决 方 案 智 能 型 电 表 就 是 属 于 这 种 类 型 的 应 用 装 置, 因 为 目 前 较 新 款 的 电 表 需 要 更 高 的 即 时 资 讯 流

222 晶 片 等 级 变 压 器 也 可 以 被 使 用 于 隔 离 式 直 流 对 直 流 (DC-DC) 转 换 器 中, 藉 以 使 资 料 和 电 力 的 隔 离 能 够 被 整 合 至 单 一 晶 片 内 icoupler 产 品 将 isopower 隔 离 式 DC-DC 转 换 器 以 如 同 隔 离 式 资 料 通 道 的 方 式 整 合 至 相 同 的 表 面 黏 着 低 剖 面 高 度 封 装 中, 因 而 能 够 提 供 如 同 前 述 的 能 力 以 上 述 范 例 中 的 中 性 线 路 电 流 感 测 为 例, 在 传 统 上 会 使 用 电 流 变 压 器 的 塬 因 是 其 本 身 就 具 备 隔 离 功 能, 但 是 电 流 变 压 器 必 须 要 有 DC 耐 受 能 力 以 避 免 其 饱 和, 而 这 会 增 加 成 本 它 们 也 会 导 致 因 为 频 率 元 件 而 形 成 差 异 的 相 位 延 迟, 因 而 很 难 在 整 个 频 谱 中 加 以 补 偿 分 流 器 也 具 备 相 当 多 的 优 点, 例 如 比 较 没 那 么 昂 贵, 不 会 受 外 部 AC 或 DC 磁 场 影 响, 而 且 也 具 有 与 用 来 感 测 相 位 电 流 之 分 流 器 相 同 的 特 性 然 而, 它 们 本 身 并 没 有 隔 离 功 能 这 点 可 以 利 用 内 含 整 合 式 DC-DC 转 换 器 与 隔 离 式 资 料 通 道 的 数 位 隔 离 器 来 加 以 克 服 这 使 得 新 架 构 的 单 相 位 防 窜 改 智 能 型 电 表 得 以 实 现 ( 图 2) 图 2 具 有 晶 片 等 级 变 压 器 IC 的 单 相 位 防 窜 改 智 能 型 电 表 此 新 的 架 构 利 用 AFE1 来 量 测 由 线 路 电 流 所 取 得 的 电 量, 利 用 AFE2 量 测 由 中 性 电 流 所 取 得 的 电 量 两 种 电 流 都 以 能 够 抵 抗 外 部 磁 场 的 分 流 器 进 行 量 测, 因 而 消 除 窜 改 的 顾 虑 AFE2 利 用 包 含 以 数 位 隔 离 器 为 基 础 隔 离 式 电 源 供 应 IC 接 收 电 力 它 利 用 嵌 入 于 相 同 IC 并 采 用 相 同 技 术 的 隔 离 式 资 料 通 道 与 MCU 进 行 沟 通 而 相 同 的 方 案 -- 具 备 包 含 隔 离 式 电 源 及 隔 离 式 资 料 通 道 的 IC, 可 被 应 用 于 通 讯 模 组 上, 这 是 因 为 它 也 需 要 隔 离 式 电 源 供 应, 以 及 能 够 穿 越 隔 离 屏 障 的 资 料 通 讯 在 与 难 以 认 证 庞 大 且 昂 贵 的 隔 离 式 电 源 供 应 器 相 比 较 时, 这 种 方 案 的 优 点 相 当 明 显 ; 数 位 隔 离 技 术 创 造 出 最 小 的 UL 认 证 DC-DC 转 换 器 这 些 IC 具 备 在 温 度 与 机 构 方 面 的 高 稳 定 性 良 好 的 耐 化 学 性 及 静 电 释 放 (ESD) 性 能 设 计 厂 商 现 在 可 以 专 注 于 系 统 设 计 的 改 善, 而 不 必 担 心 隔 离 方 面 的 问 题

223 光 電 隔 離 器 電 子, 光 隔 離 器, 光 電 耦 合 器, 光 電 耦 合 器, 或 光 隔 離 器 的 目 的 是 提 供 的 輸 入 和 輸 出 之 間 的 電 隔 離, 與 光 使 用 電 力 的 波 長 的 發 射 信 號 到 一 個 電 子 裝 置 相 結 合 失 真 或 損 壞 對 手 側 組 件 在 發 送 迅 速 變 化 的 電 壓 的 高 電 壓, 以 防 止 的 光 隔 離 器 的 主 要 目 的 的 一 個 電 路 的 [1] [2] 市 售 的 光 隔 離 器 的 輸 入 到 輸 出 電 壓 瞬 變 承 受 電 壓 高 達 10 千 伏 [3] 10 千 伏 /μs 或 以 上 所 述 有 速 度 [4] 歷 史 基 於 光 致 抗 蝕 劑 的 光 隔 離 器 是 在 1960 年 推 出 的 最 佳 擬 合 線 的 絕 緣 體, 但 他 們 卻 是 緩 慢 的, 但 也 是 最 的 音 頻 和 音 樂 產 業 的 利 基 1968 年 至 1970 年 LED 光 電 技 術 商 業 化 的 繁 榮 原 因, 直 到 20 世 紀 70 年 代 後 期, 所 有 的 光 隔 離 器 行 業 發 展 的 主 要 種 類 大 多 數 市 場 使 用 雙 極 矽 光 電 晶 體 管 傳 感 器 光 學 隔 離 器 [5] 他 們 腦 電 圖, 如 足 夠 的 尺 寸 的 應 用, 實 現 了 數 據 傳 輸 速 率 的 [6] 快 速 的 光 導 通 模 式 下 的 光 隔 離 器 中 使 用 的 PIN 二 極 管 的 電 子 電 路, 該 電 路 被 放 大, 通 過 傳 感 器 檢 測 到, 並 且 可 以 實 現 的 數 據 傳 輸 速 率 為 50 MBD [7], 計 算 的 作 用, 以 及 在 通 信 中 一 個 微 小 的 電 容 耦 合 變 壓 器 或 自 旋 閥 是 由 一 個 新 的 集 成 的 隔 震 裝 置 的 信 號 的 基 礎 上 的 形 成 和 接 口 的 挑 戰 [ 編 輯 ] 工 作 在 大 多 數 情 況 下, 光 隔 離 器 的 光 轉 換 為 電 輸 入 信 號 和 肌 肉 的 紅 外 發 光 二 極 管 (LED) 的 封 閉 光 信 道 ( 也 8] 介 電 信 道 被 稱 為 ), 和 光 ( 輻 射 ) 可 以 檢 測 到 傳 入 的 光 直 接 產 生 電 能 調 製 電 流 從 外 部 電 源, 一 個 光 學 傳 感 器 傳 感 器 的 光 致 抗 蝕 劑, 光 電 二 極 管, 光 電 晶 體 管, 可 控 矽 整 流 器 (SCR) 或 三 LED 發 光, 除 了 能 夠 檢 測 到 的, 因 為 它 是 不 可 能 建 立 對 稱 的 雙 向 光 隔 離 器 光 隔 離 器 光 電 二 極 管 光 耦 合 固 態 繼 電 器 驅 動 電 源 開 關 一 般 包 含 一 個 互 補 對 MOSFET 可 能 干 擾 與 外 部 對 象 的 光 的 路 徑, 或 者 在 打 開 開 槽 的 光 學 開 關 包 含 源 和 光 傳 感 器 的 光 通 道, 但 調 製 的 反 射 光 的 傳 感 器, 光 [ 編 輯 ] 電 氣 絕 緣 節 的 飛 機 ( 上 ) 和 矽 圓 頂 ( 下 圖 ) 的 佈 局 - 標 準 雙 列 直 插 式 封 裝 LED( 紅 色 ) 和 傳 感 器 ( 綠 色 ) 的 相 對 規 模 被 誇 大 了 [2] 展 示 雷 電 感 應 浪 湧, 靜 電 放 電, 射 頻 傳 輸, 開 關 脈 衝 ( 峰 值 ) 和 電 源 擾 動 的 遠 程 電 子 設 備 和 輸 電 線 路 的 雷 電 感 應 電 壓 信 號 可 高 達 10 千 伏 [9] 浪 湧 一 千 倍 以 上 的 許 多 電 子 元 件 的 電 壓 範 圍 [10] 如 果 你 還 需 要 的 高 電 壓 部 件 的 接 口 和 低 電 壓 電 路 設 計 的 安 全, 可 靠 的 方 法, 可 以 集 成 高 電 壓 [11] 光 隔 離 器 的 主 要 功 能 是 與 系 統 的 其 他 部 分, 在 這 些 高 電 壓 和 瞬 態 電 壓 浪 湧 的 破 壞 或 干 擾 封 鎖 電 子, 說 : 簡 而 言 之, 光 電 耦 合 器 可 以 發 送 一 個 信 號 到 其 他 電 路 之 間 的 數 字 ( 有 時 模 擬 ) [12] 從 歷 史 上 看, 藝 術 的 功 能,

224 [2], 根 據 作 者 的 孤 立 的 基 礎 上 使 用 隔 離 變 壓 器 的 輸 入 端 和 輸 出 端 之 間 的 電 感 耦 合 已 委 派 到 一 邊 人 類 變 壓 器 或 光 隔 離 器, 加 強 保 護 的 一 種 電 子 裝 置, 只 提 供 了 兩 個 類 - 他 們 的 設 備 來 操 作 本 設 備 用 戶 [13] 他 們 的 實 物 保 護, 但 包 括 雙 重 絕 緣 的 絕 緣 膜 和 平 等 保 護 提 供 [13] 安 全 測 試 和 審 批 規 定 的 國 家 標 準 和 國 際 標 準 :IEC (CENELEC),EN ,UL 1577,CSA 核 准 通 知 書 第 5 的 組 件 的 光 電 耦 合 器 製 造 商 [14] 公 共 總 是 受 到 這 些 監 管 框 架 中 至 少 有 一 個 光 隔 離 器 規 格 光 隔 離 器 使 用 的 光 束 是 調 製 的 輸 入 電 流, 輸 入 和 輸 出 連 接 轉 換 上 的 輸 入 信 號 的 輸 出 側 通 過 電 介 質 信 道 的 發 送, 捕 獲 的 光, 將 其 轉 換 回 成 電 信 號, 它 重 量 輕, 方 便 非 常 低 損 耗 變 壓 器 和 光 隔 離 器 提 供 能 量 [3], 單 向 為 雙 向 功 率 ( 見 例 外 ), 他 們 可 以 交 付 不 [15], 一 個 典 型 的 光 學 隔 離 器 上 面 中 已 存 在 的 輸 出 側 的 能 量 來 控 制 流 量 [15] 變 壓 器 DC 信 號 或 慢 動 作 可 以 通 過 匹 配 的 光 隔 離 器 的 輸 入 和 輸 出 阻 抗 之 間 不 是 必 需 的 階 段 是 大 於 或 等 於 從 產 業 到 地 線, 由 於 從 設 備 返 回 的 電 流 噪 聲 是 有 效 的 [4] 量 斷 開 變 壓 器 和 光 隔 離 的 接 地 迴 路, 常 見 [16] 光 隔 離 器, 以 阻 斷 電 壓 的 實 際 佈 局 主 要 取 決 於 三 kv 額 定 器 件 在 平 面 ( 或 三 明 治 ) 結 構 [17] 傳 感 器 芯 片 封 裝 ( 這 是 直 接 安 裝 在 引 線 框 架 上, 通 常 的 6 針 或 4 針 雙 列 直 插 式 封 裝 )[8] 傳 感 器 LED 芯 片 玻 璃 平 頂 上 覆 蓋 著 透 明 塑 料 片, 或 向 下 [8] LED 光 束 發 射 有 用 的 吸 收 光 譜 的 傳 感 器, 以 便 以 最 小 化 的 光 的 損 失, 幾 乎 沒 有 例 外, 你 需 要 匹 配 的 近 紅 外 光 輸 出 的 LED 的 頻 譜 是 [18] 的 光 學 信 道 的 所 需 的 內 部 壓 力 盡 可 能 地 薄 被 作 出 [17] 例 如,3.75 千 伏 及 以 上 1 千 伏 /μs 的 瞬 態 短 期 額 定 電 壓 為 Avago Technologies( 安 華 高 科 技 ) ASSR-300 系 列 清 晰 的 聚 酰 亞 胺 片 厚 度 僅 0.08 毫 米 透 明 平 板 組 件 [19], 沿 著 片 材 的 介 質 擊 穿 電 壓 [17] 的 厚 度 的 接 合 線 連 接 到 外 部 的 標 籤 的 模 具 結 構 所 示 [8] 實 隔 離 電 路 電 壓 也 降 低 由 PCB 的 爬 電 距 離 和 的 表 面 上 的 包 安 全 設 計 規 則 允 許 的 最 小 為 25 毫 米 / KV 塗 層 導 體 裸 露 的 金 屬 導 體 或 8.3 毫 米 / KV 是 必 需 的 [20] 光 絕 緣 體 矽 ( 原 文 如 此 ) 的 穹 頂 採 用 不 同 的 佈 局 [21 [21] kv 額 定 LED,LED 的 傳 感 器 芯 片 和 包 上 水 平, 火 災 傳 感 器 的 另 一 端 LED 傳 感 器 和 它 們 之 間 的 間 隙 在 一 個 透 明 的 聚 矽 氧 烷 的 BLOB 或 封 裝 在 圓 頂 圓 頂 和 保 持 所 有 光 線 條 件 下, 以 盡 量 減 少 在 相 對 長 的 光 信 道 的 損 失, 和 它 反 映 的 作 用 的 反 射 器 的 傳 感 器 的 表 面 上 [21] 雙 模 塑 矽 氧 烷 液 滴 ( 類 型 ) 來 設 計 的 空 間 之 間 的 所 述 外 殼 ( 外 觀 ) 相 匹 配 的 熱 膨 脹 係 數 是 充 滿 了 黑 暗 的 電 介 質 複 合 物 光 電 隔 離 器 電 子, 光 隔 離 器, 光 電 耦 合 器, 光 電 耦 合 器, 或 光 隔 離 器 的 目 的 是 提 供 的 輸 入 和 輸 出 之 間 的 電 隔 離, 與 光 使 用 電 力 的 波 長 的 發 射 信 號 到 一 個 電 子 裝 置 相 結 合 失 真 或 損 壞 對 手 側 組 件 在 發 送 迅 速 變 化 的 電 壓 的 高 電 壓, 以 防 止 的 光 隔 離 器 的 主 要 目 的 的 一 個 電 路 的 [1] [2] 市 售 的 光 隔 離 器 的 輸 入 到 輸 出 電 壓 瞬 變 承 受 電 壓 高 達 10 千 伏 [3] 10 千 伏 /μs 或 以 上 所 述 有 速 度 [4] 歷 史 基 於 光 致 抗 蝕 劑 的 光 隔 離 器 是 在 1960 年 推 出 的 最 佳 擬 合 線 的 絕 緣 體, 但 他 們 卻 是 緩 慢 的, 但 也 是 最 的 音 頻 和 音 樂 產 業 的 利 基 1968 年 至 1970 年 LED 光 電 技 術 商 業 化 的 繁 榮 原 因, 直 到 20 世 紀 70 年 代 後 期, 所 有 的 光 隔 離 器 行 業 發 展 的 主 要 種 類 大 多 數 市 場 使 用 雙 極 矽 光 電 晶 體 管 傳 感 器 光 學 隔 離 器 [5] 他 們 腦

225 電 圖, 如 足 夠 的 尺 寸 的 應 用, 實 現 了 數 據 傳 輸 速 率 的 [6] 快 速 的 光 導 通 模 式 下 的 光 隔 離 器 中 使 用 的 PIN 二 極 管 的 電 子 電 路, 該 電 路 被 放 大, 通 過 傳 感 器 檢 測 到, 並 且 可 以 實 現 的 數 據 傳 輸 速 率 為 50 MBD [7], 計 算 的 作 用, 以 及 在 通 信 中 一 個 微 小 的 電 容 耦 合 變 壓 器 或 自 旋 閥 是 由 一 個 新 的 集 成 的 隔 震 裝 置 的 信 號 的 基 礎 上 的 形 成 和 接 口 的 挑 戰 [ 編 輯 ] 工 作 在 大 多 數 情 況 下, 光 隔 離 器 的 光 轉 換 為 電 輸 入 信 號 和 肌 肉 的 紅 外 發 光 二 極 管 (LED) 的 封 閉 光 信 道 ( 也 8] 介 電 信 道 被 稱 為 ), 和 光 ( 輻 射 ) 可 以 檢 測 到 傳 入 的 光 直 接 產 生 電 能 調 製 電 流 從 外 部 電 源, 一 個 光 學 傳 感 器 傳 感 器 的 光 致 抗 蝕 劑, 光 電 二 極 管, 光 電 晶 體 管, 可 控 矽 整 流 器 (SCR) 或 三 LED 發 光, 除 了 能 夠 檢 測 到 的, 因 為 它 是 不 可 能 建 立 對 稱 的 雙 向 光 隔 離 器 光 隔 離 器 光 電 二 極 管 光 耦 合 固 態 繼 電 器 驅 動 電 源 開 關 一 般 包 含 一 個 互 補 對 MOSFET 可 能 干 擾 與 外 部 對 象 的 光 的 路 徑, 或 者 在 打 開 開 槽 的 光 學 開 關 包 含 源 和 光 傳 感 器 的 光 通 道, 但 調 製 的 反 射 光 的 傳 感 器, 光 [ 編 輯 ] 電 氣 絕 緣 節 的 飛 機 ( 上 ) 和 矽 圓 頂 ( 下 圖 ) 的 佈 局 - 標 準 雙 列 直 插 式 封 裝 LED( 紅 色 ) 和 傳 感 器 ( 綠 色 ) 的 相 對 規 模 被 誇 大 了 [2] 展 示 雷 電 感 應 浪 湧, 靜 電 放 電, 射 頻 傳 輸, 開 關 脈 衝 ( 峰 值 ) 和 電 源 擾 動 的 遠 程 電 子 設 備 和 輸 電 線 路 的 雷 電 感 應 電 壓 信 號 可 高 達 10 千 伏 [9] 浪 湧 一 千 倍 以 上 的 許 多 電 子 元 件 的 電 壓 範 圍 [10] 如 果 你 還 需 要 的 高 電 壓 部 件 的 接 口 和 低 電 壓 電 路 設 計 的 安 全, 可 靠 的 方 法, 可 以 集 成 高 電 壓 [11] 光 隔 離 器 的 主 要 功 能 是 與 系 統 的 其 他 部 分, 在 這 些 高 電 壓 和 瞬 態 電 壓 浪 湧 的 破 壞 或 干 擾 封 鎖 電 子, 說 : 簡 而 言 之, 光 電 耦 合 器 可 以 發 送 一 個 信 號 到 其 他 電 路 之 間 的 數 字 ( 有 時 模 擬 ) [12] 從 歷 史 上 看, 藝 術 的 功 能, [2], 根 據 作 者 的 孤 立 的 基 礎 上 使 用 隔 離 變 壓 器 的 輸 入 端 和 輸 出 端 之 間 的 電 感 耦 合 已 委 派 到 一 邊 人 類 變 壓 器 或 光 隔 離 器, 加 強 保 護 的 一 種 電 子 裝 置, 只 提 供 了 兩 個 類 - 他 們 的 設 備 來 操 作 本 設 備 用 戶 [13] 他 們 的 實 物 保 護, 但 包 括 雙 重 絕 緣 的 絕 緣 膜 和 平 等 保 護 提 供 [13] 安 全 測 試 和 審 批 規 定 的 國 家 標 準 和 國 際 標 準 :IEC (CENELEC),EN ,UL 1577,CSA 核 准 通 知 書 第 5 的 組 件 的 光 電 耦 合 器 製 造 商 [14] 公 共 總 是 受 到 這 些 監 管 框 架 中 至 少 有 一 個 光 隔 離 器 規 格 光 隔 離 器 使 用 的 光 束 是 調 製 的 輸 入 電 流, 輸 入 和 輸 出 連 接 轉 換 上 的 輸 入 信 號 的 輸 出 側 通 過 電 介 質 信 道 的 發 送, 捕 獲 的 光, 將 其 轉 換 回 成 電 信 號, 它 重 量 輕, 方 便 非 常 低 損 耗 變 壓 器 和 光 隔 離 器 提 供 能 量 [3], 單 向 為 雙 向 功 率 ( 見 例 外 ), 他 們 可 以 交 付 不 [15], 一 個 典 型 的 光 學 隔 離 器 上 面 中 已 存 在 的 輸 出 側 的 能 量 來 控 制 流 量 [15] 變 壓 器 DC 信 號 或 慢 動 作 可 以 通 過 匹 配 的 光 隔 離 器 的 輸 入 和 輸 出 阻 抗 之 間 不 是 必 需 的 階 段 是 大 於 或 等 於 從 產 業 到 地 線, 由 於 從 設 備 返 回 的 電 流 噪 聲 是 有 效 的 [4] 量 斷 開 變 壓 器 和 光 隔 離 的 接 地 迴 路, 常 見 [16]

226 光隔離器 以阻斷電壓的實際佈局主要取決於三 kv 額定器件在平面 或三明治 結構 [17]傳感器芯片 封裝 這是直接安裝在引線框架上 通常的 6 針或 4 針雙列直插式封裝 [8] 傳感器 LED 芯片玻璃平頂上 覆蓋著透明塑料片 或向下[8] LED 光束發射 有用的吸收光譜的傳感器 以便以最小化的光的損失 幾乎 沒有例外 你需要匹配的近紅外光輸出的 LED 的頻譜是[18]的光學信道的所需的內部壓力盡可能地薄被作 出 [17]例如 3.75 千伏及以上 1 千伏/μs 的瞬態短期額定電壓為 Avago Technologies 安華高科技 ASSR-300 系列清晰的聚酰亞胺片厚度僅 0.08 毫米 透明平板組件[19] 沿著片材的介質擊穿電壓[17]的 厚度的接合線連接到外部的標籤的模具結構所示 [8]實隔離電路電壓也降低由 PCB 的爬電距離和的表面 上的包 安全設計規則允許的最小為 25 毫米/ KV 塗層導體裸露的金屬導體或 8.3 毫米/ KV 是必需的[20] 光絕緣體矽 原文如此 的穹頂採用不同的佈局[21 [21] kv 額定 LED LED 的傳感器芯片和包上 水平 火災傳感器的另一端 LED 傳感器和它們之間的間隙在一個透明的聚矽氧烷的 BLOB 或封裝在圓 頂 圓頂和保持所有光線條件下 以盡量減少在相對長的光信道的損失 和它反映的作用的反射器的傳感 器的表面上 [21]雙模塑矽氧烷液滴 類型 來設計的空間之間的所述外殼 外觀 相匹配的熱膨脹 係數是充滿了黑暗的電介質複合物 21ic 訊 本文是係列文章(共 2 部分)的第 2 部分 第 1 部分(見 參考 1)為你解釋了一些典型專業術語和接地層 並介紹了分區方法 第 2 部分將討論分割 接地層的利弊 另外 文章還將解釋多轉換器和多板係統接地 如果分割接地層並且線路穿過分割線(如圖 1 所示) 那麼電流返回通路在哪裏呢?假設兩個 層在某處連接(通過在一個單獨點) 則返回電流必在該大型環路內流動 大型環路內的高頻 電流產生輻射和高接地電感 大型環路內的低電平模擬電流易受幹擾的影響

227 圖 1 穿 過 接 地 層 分 割 的 信 號 線 跡 如 果 兩 個 層 僅 在 電 源 處 連 接 ( 圖 2), 則 返 回 電 流 被 迫 直 接 流 回 電 源 接 地, 這 是 一 個 真 正 的 大 型 環 路! 另 外, 不 幸 的 是, 不 同 RF 電 勢 下 使 用 長 線 纜 連 接 的 模 擬 和 數 字 接 地 層, 形 成 一 個 非 常 有 效 的 偶 極 天 線 圖 2 在 電 源 位 置 連 接 的 分 割 層 首 選 使 用 一 個 持 續 接 地 層 以 避 免 這 種 長 接 地 環 路, 但 是 如 果 使 用 分 割 接 地 層 絕 對 必 要 並 且 線 路 穿 過 分 割 線, 則 各 層 應 首 先 在 一 個 位 置 連 接, 以 形 成 一 個 返 回 電 流 的 橋 ( 圖 3) 對 所 有 線 路 進 行 布 局, 讓 它 們 穿 過 該 橋, 直 接 在 每 條 線 路 下 麵 提 供 一 條 返 回 通 路, 從 而 產 生 一 個 非 常 小 的 環 路 麵 積 這 種 方 法 的 典 型 應 用 是 權 衡 何 時 使 用 高 分 辨 率 ( 20-bit)Σ-Δ 模 數 轉 換 器 (ADC)

228 圖 3 線 路 接 地 層 橋 接 通 過 分 割 層 傳 輸 信 號 的 其 它 方 法 是 使 用 光 隔 離 器 ( 通 過 光 ) 變 壓 器 ( 通 過 磁 場 ) 或 者 一 個 真 正 的 差 動 信 號 ( 信 號 沿 一 條 線 路 傳 輸, 然 後 在 另 一 條 線 路 上 返 回, 無 需 返 回 電 流 接 地 ) 一 種 更 好 的 方 法 是 分 區 僅 使 用 一 個 接 地 層 始 終 為 首 選, 把 PCB 劃 分 為 模 擬 部 分 和 數 字 部 分 ( 參 見 圖 4b) 模 擬 信 號 必 須 安 排 在 板 的 模 擬 部 分, 而 數 字 信 號 必 須 安 排 在 板 的 數 字 部 分, 並 且 所 有 層 上 都 有 這 兩 個 部 分 在 這 種 情 況 下, 數 字 返 回 電 流 不 會 存 在 於 接 地 層 的 模 擬 部 分, 並 且 保 持 在 數 字 信 號 線 跡 下 麵 圖 4 比 較 了 一 個 分 割 層 和 一 個 分 區 層

229 圖 4 接 地 層 布 局 分 區 方 法 存 在 的 唯 一 問 題 是, 當 模 擬 信 號 錯 誤 地 安 排 在 板 的 數 字 部 分 ( 反 之 亦 然 ) 時 則 難 以 有 效, 如 圖 5 所 示 因 此, 對 於 所 有 PCB 布 局 而 言, 重 點 是 使 用 一 個 單 個 接 地 層, 把 它 劃 分 為 模 擬 和 數 字 部 分, 然 後 運 用 信 號 安 排 原 則 圖 5 錯 誤 安 排 的 數 字 信 號 線 跡 在 一 塊 單 獨 板 上 使 用 多 個 數 據 轉 換 器 時 的 接 地 大 多 數 數 據 轉 換 器 的 產 品 說 明 書 都 說 明 了 相 對 於 單 一 PCB 的 接 地 方 法, 並 且 通 常 為 製 造 廠 商 自 己 的 評 估 板 一 般 而 言, 我 們 建 議 把 PCB 接 地 層 分 割 為 一 個 模 擬 層 和 一 個 數 字 層 我 們 還 建 議, 把 轉 換 器 的 模 擬 接 地 (AGND) 和 數 字 接 地 (DGND) 引 腳 放 在 一 起, 並 且 在 同 一 個 點 連 接 模 擬 和 數 字 接 地 層, 如 圖 6 所 示 最 終, 在 混 合 信 號 器 件 處 形 成 係 統 的 星 形 接 地 點 正 如 第 1 部 分 文 章 介 紹 的 那 樣, 測 量 出 與 該 特 定 點 相 關 的 電 路 所 有 電 壓, 而 不 僅 僅 隻 是 一 些 讓 測 量 探 針 跳 動 的 未 定 義 接 地

230 圖 6 單 塊 PCB 上 的 接 地 混 合 信 號 器 件 所 有 有 噪 數 字 電 流 均 通 過 數 字 電 源 流 至 數 字 接 地 層, 然 後 再 返 回 至 數 字 電 源, 以 此 來 隔 離 於 電 路 板 的 敏 感 模 擬 部 分 模 擬 和 數 字 接 地 層 在 數 據 轉 換 器 處 交 彙 在 一 起 時, 形 成 係 統 的 星 形 接 地 點 這 種 方 法 在 使 用 單 獨 PCB 和 單 個 數 據 轉 換 器 的 簡 易 係 統 中 一 般 有 效, 但 是 它 並 不 是 很 適 合 於 多 卡 和 多 轉 換 器 係 統 如 果 不 同 PCB 上 有 幾 個 數 據 轉 換 器, 這 種 方 法 便 無 效, 因 為 模 擬 和 數 字 接 地 係 統 在 PCB 上 每 個 轉 換 器 處 都 交 彙 在 一 起, 形 成 許 多 接 地 環 路 假 設 一 個 設 計 人 員 正 在 使 用 一 塊 擁 有 3 個 DAC 和 2 個 ADC 的 8 層 PCB 為 了 最 小 化 噪 聲, 模 擬 和 數 字 接 地 層 應 固 定 連 接 在 所 有 ADC 和 數 模 轉 換 器 (DAC) 芯 片 下 麵 AGND 和 DGND 引 腳 應 相 互 連 接, 並 且 連 接 模 擬 接 地 層, 同 時 模 擬 和 數 字 接 地 層 應 單 獨 連 接 回 電 源 電 源 應 進 入 數 字 分 區 電 路 板, 並 直 接 給 數 字 電 路 供 電, 然 後 經 過 濾 波 或 者 調 節 以 後 給 模 擬 電 路 供 電 這 樣, 應 僅 把 數 字 接 地 層 連 接 回 電 源 圖 7 顯 示 了 經 過 分 區 的 模 擬 和 數 字 接 地 層, 以 及 多 數 據 轉 換 器 PCB 的 電 源 連 接

231 圖 7 多 ADC 的 PCB 電 源 與 接 地 多 卡 混 合 信 號 係 統 設 計 人 員 開 始 把 單 卡 接 地 概 念 應 用 於 多 卡 係 統, 這 增 加 了 人 們 對 於 混 合 信 號 接 地 的 困 惑 在 一 些 不 同 PCB 上 具 有 數 個 數 據 轉 換 器 的 係 統 內, 模 擬 和 數 字 接 地 層 在 幾 個 點 連 接, 帶 來 形 成 接 地 環 路 的 可 能 性, 並 且 使 單 點 星 形 接 地 係 統 無 法 實 現 最 小 化 多 卡 係 統 內 接 地 阻 抗 的 最 佳 方 法 是, 把 一 個 母 板 PCB 用 作 兩 個 卡 之 間 互 連 的 底 層 這 樣 便 可 為 底 板 提 供 一 個 連 續 的 接 地 層 PCB 連 接 器 至 少 有 30% 到 40% 的 引 腳 用 於 接 地 這 些 引 腳 應 連 接 底 層 母 板 的 接 地 層 完 成 整 個 係 統 接 地 方 案, 共 有 兩 種 可 能 性 : 1 底 層 的 接 地 層 在 無 數 個 點 連 接 底 板 接 地, 讓 各 種 接 地 電 流 返 回 通 路 四 散 它 一 般 指 的 是 多 點 接 地 係 統 ( 圖 8) 2 接 地 層 連 接 至 單 個 星 形 接 地 點 ( 通 常 在 電 源 處 )

232 3 第 一 種 方 法 常 常 用 於 全 數 字 係 統, 但 也 可 用 於 混 合 信 號 係 統, 前 提 條 件 是 數 字 電 路 的 接 地 電 流 足 夠 低, 並 且 散 布 於 一 個 較 大 的 麵 積 上 PCB 底 層 和 最 終 的 底 板 都 維 持 低 接 地 阻 抗 但 是, 接 地 連 接 金 屬 片 底 板 的 電 氣 觸 點 應 具 有 良 好 的 狀 態, 這 一 點 很 關 鍵 它 要 求 自 動 攻 絲 金 屬 片 螺 釘 或 者 咬 式 墊 圈 陽 極 氧 化 鋁 用 於 底 板 材 料 時 需 特 別 小 心, 因 為 其 表 麵 會 起 到 一 個 隔 離 器 的 作 用 圖 8 多 卡 係 統 的 接 地 方 案 第 二 種 方 法 即 單 點 星 形 接 地, 通 常 用 於 具 有 單 獨 模 擬 和 數 字 接 地 係 統 的 高 速 混 合 信 號 係 統 參 考 文 獻 1 混 合 信 號 係 統 接 地 揭 秘 之 第 1 部 分, 作 者 :Sanjay Pithadia 和 Shridhar More, 刊 發 於 模 擬 應 用 雜 誌 (2013 年 第 1 季 度 )

233 2 混 合 信 號 PCB 的 分 區 與 布 局, 作 者 H.W. Ott, 刊 發 於 2001 年 6 月 印 製 電 路 板 設 計 第 8-11 頁 3 模 數 轉 換 器 接 地 方 法 對 係 統 性 能 的 影 響, 刊 發 於 應 用 簡 報 4 鐵 氧 體 磁 珠, 刊 發 於 2000 年 10 月 12 日 EDN 博 客, 作 者 :Howard Johnson 隨 著 開 關 電 源 技 術 和 綠 色 電 源 的 飛 速 發 展,APFC 技 術 成 為 當 前 研 究 的 熱 點, 電 子 式 開 關 電 源 技 術 已 經 成 熟, 而 且 有 相 當 多 的 控 製 方 式 目 前 人 們 正 在 進 行 數 字 式 開 關 電 源 的 研 究 與 開 發, 已 經 有 數 字 式 帶 功 率 因 數 校 正 的 開 關 電 源 產 品 上 市 對 於 數 字 式 開 關 電 源, 隔 離 技 術 和 抗 幹 擾 技 術 是 至 關 重 要 的, 隨 著 電 子 元 器 件 的 迅 速 發 展, 光 電 耦 合 器 的 線 性 度 越 來 越 高, 光 電 耦 合 器 是 目 前 在 單 片 機 和 開 關 電 源 中 用 得 最 多 隔 離 抗 幹 擾 器 件 光 耦 合 器 (optical coupler, 英 文 縮 寫 為 OC) 亦 稱 光 電 隔 離 器 或 光 電 耦 合 器, 簡 稱 光 耦 它 是 以 光 為 媒 介 來 傳 輸 電 信 號 的 器 件, 通 常 把 發 光 器 ( 紅 外 線 發 光 二 極 管 LED) 與 受 光 器 ( 光 敏 半 導 體 管 ) 封 裝 在 同 一 管 殼 內 當 輸 入 端 加 電 信 號 時 發 光 器 發 出 光 線, 受 光 器 接 受 光 線 之 後 就 產 生 光 電 流, 從 輸 出 端 流 出, 從 而 實 現 了 電 光 電 轉 換 以 光 為 媒 介 把 輸 入 端 信 號 耦 合 到 輸 出 端 的 光 電 耦 合 器, 由 於 它 具 有 體 積 小 壽 命 長 無 觸 點, 抗 幹 擾 能 力 強, 輸 出 和 輸 入 之 間 絕 緣, 單 向 傳 輸 信 號 等 優 點, 在 數 字 電 路 上 獲 得 廣 泛 的 應 用 通 常 的 光 電 耦 合 器 由 於 它 的 非 線 性, 因 此 在 模 擬 電 路 中 的 應 用 隻 限 於 對 較 高 頻 率 的 小 信 號 的 隔 離 傳 送 普 通 光 耦 合 器 隻 能 傳 輸 數 字 ( 開 關 ) 信 號, 不 適 合 傳 輸 模 擬 信 號 近 年 來 問 世 的 線 性 光 耦 合 器 能 夠 傳 輸 連 續 變 化 的 模 擬 電 壓 或 模 擬 電 流 信 號, 使 其 應 用 領 域 大 為 拓 寬

234 光 耦 合 器 的 性 能 特 點 光 耦 合 器 的 主 要 優 點 是 單 向 傳 輸 信 號, 輸 入 端 與 輸 出 端 完 全 實 現 了 電 氣 隔 離, 抗 幹 擾 能 力 強, 使 用 壽 命 長, 傳 輸 效 率 高 它 廣 泛 用 於 電 平 轉 換 信 號 隔 離 級 間 隔 離 開 關 電 路 遠 距 離 信 號 傳 輸 脈 衝 放 大 固 態 繼 電 器 (SSR) 儀 器 儀 表 通 信 設 備 及 微 機 接 口 中 由 於 光 電 耦 合 器 的 輸 入 阻 抗 與 一 般 幹 擾 源 的 阻 抗 相 比 較 小, 因 此 分 壓 在 光 電 耦 合 器 的 輸 入 端 的 幹 擾 電 壓 較 小, 它 所 能 提 供 的 電 流 並 不 大, 不 易 使 半 導 體 二 極 管 發 光 ; 由 於 光 電 耦 合 器 的 外 殼 是 密 封 的, 它 不 受 外 部 光 的 影 響 ; 光 電 耦 合 器 的 隔 離 電 阻 很 大 ( 約 1012Ω) 隔 離 電 容 很 小 ( 約 幾 個 pf) 所 以 能 阻 止 電 路 性 耦 合 產 生 的 電 磁 幹 擾 線 性 方 式 工 作 的 光 電 耦 合 器 是 在 光 電 耦 合 器 的 輸 入 端 加 控 製 電 壓, 在 輸 出 端 會 成 比 例 地 產 生 一 個 用 於 進 一 步 控 製 下 一 級 的 電 路 的 電 壓 線 性 光 電 耦 合 器 由 發 光 二 極 管 和 光 敏 三 極 管 組 成, 當 發 光 二 極 管 接 通 而 發 光, 光 敏 三 級 管 導 通, 光 電 耦 合 器 是 電 流 驅 動 型, 需 要 足 夠 大 的 電 流 才 能 使 發 光 二 極 管 導 通, 如 果 輸 入 信 號 太 小, 發 光 二 極 管 不 會 導 通, 其 輸 出 信 號 將 失 真 在 開 關 電 源, 尤 其 是 數 字 開 關 電 源 中, 利 用 線 性 光 耦 合 器 可 構 成 光 耦 反 饋 電 路, 通 過 調 節 控 製 端 電 流 來 改 變 占 空 比, 達 到 精 密 穩 壓 目 的 光 耦 合 器 的 技 術 參 數 主 要 有 發 光 二 極 管 正 向 壓 降 VF 正 向 電 流 IF 電 流 傳 輸 比 CTR 輸 入 級 與 輸 出 級 之 間 的 絕 緣 電 阻 集 電 極 - 發 射 極 反 向 擊 穿 電 壓 V(BR)CEO 集 電 極 - 發 射 極 飽 和 壓 降 VCE(sat) 此 外, 在 傳 輸 數 字 信 號 時 還 需 考 慮 上 升 時 間 下 降 時 間 延 遲 時 間 和 存 儲 時 間 等 參 數

235 電 流 傳 輸 比 是 光 耦 合 器 的 重 要 參 數, 通 常 用 直 流 電 流 傳 輸 比 來 表 示 當 輸 出 電 壓 保 持 恒 定 時, 它 等 於 直 流 輸 出 電 流 IC 與 直 流 輸 入 電 流 IF 的 百 分 比 其 公 式 為 : 采 用 一 隻 光 敏 三 極 管 的 光 耦 合 器,CTR 的 範 圍 大 多 為 20%~300%( 如 4N35), 而 PC817 則 為 80%~160%, 達 林 頓 型 光 耦 合 器 ( 如 4N30) 可 達 100%~5000% 這 表 明 欲 獲 得 同 樣 的 輸 出 電 流, 後 者 隻 需 較 小 的 輸 入 電 流 因 此,CTR 參 數 與 晶 體 管 的 hfe 有 某 種 相 似 之 處 線 性 光 耦 合 器 與 普 通 光 耦 合 器 典 型 的 CTR-IF 特 性 曲 線, 分 別 如 圖 1 中 的 虛 線 和 實 線 所 示 圖 1 兩 種 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 由 圖 1 可 見, 普 通 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 呈 非 線 性, 在 IF 較 小 時 的 非 線 性 失 真 尤 為 嚴 重, 因 此 它 不 適 合 傳 輸 模 擬 信 號 線 性 光 耦 合 器 的 CTR-IF 特 性 曲 線 具 有 良 好 的 線 性 度, 特 別 是 在 傳 輸 小 信 號 時, 其 交 流 電 流 傳 輸 比 (ΔCTR=ΔIC/ΔIF) 很 接 近 於 直 流 電 流 傳 輸 比

236 CTR 值 因 此, 它 適 合 傳 輸 模 擬 電 壓 或 電 流 信 號, 能 使 輸 出 與 輸 入 之 間 呈 線 性 關 係 這 是 其 重 要 特 性 使 用 光 電 耦 合 器 主 要 是 為 了 提 供 輸 入 電 路 和 輸 出 電 路 間 的 隔 離, 在 設 計 電 路 時, 必 須 遵 循 下 列 原 則 : 所 選 用 的 光 電 耦 合 器 件 必 須 符 合 國 內 和 國 際 的 有 關 隔 離 擊 穿 電 壓 的 標 準 ; 由 英 國 埃 索 柯 姆 (Isocom) 公 司 美 國 摩 托 羅 拉 公 司 生 產 的 4N 係 列 ( 如 4N25 4N26 4N35) 光 耦 合 器, 目 前 在 國 內 應 用 地 十 分 普 遍 鑒 於 此 類 光 耦 合 器 呈 現 開 關 特 性, 其 線 性 度 差, 適 宜 傳 輸 數 字 信 號 ( 高 低 電 平 ), 可 以 用 於 單 片 機 的 輸 出 隔 離 ; 所 選 用 的 光 耦 器 件 必 須 具 有 較 高 的 耦 合 係 數 線 性 光 耦 合 器 的 產 品 及 選 取 原 則 線 性 光 耦 合 器 的 典 型 產 品 及 主 要 參 數 見 表 1, 這 些 光 耦 均 以 光 敏 三 極 管 作 為 接 收 管 在 開 關 電 源 的 隔 離 中, 以 及 設 計 光 耦 反 饋 式 開 關 電 源 時 必 須 正 確 選 擇 線 性 光 耦 合 器 的 型 號 及 參 數, 除 了 必 須 遵 循 普 通 光 耦 的 選 取 原 則 外, 還 必 須 遵 循 下 列 原 則 : 1 光 耦 合 器 的 電 流 傳 輸 比 (CTR) 的 允 許 範 圍 是 50%~200% 這 是 因 為 當 CTR<50% 時, 光 耦 中 的 LED 就 需 要 較 大 的 工 作 電 流 (IF>5.0mA), 才 能 正 常 控 製 單 片 開 關 電 源 IC 的 占 空 比, 這 會 增 大 光 耦 的 功 耗 若 CTR>200%, 在 啟 動 電 路 或 者 當 負 載 發 生 突 變 時, 有 可 能 將 單 片 開 關 電 源 誤 觸 發, 影 響 正 常 輸 出

237 2 若 用 放 大 器 電 路 去 驅 動 光 電 耦 合 器, 必 須 精 心 設 計, 保 證 它 能 夠 補 償 耦 合 器 的 溫 度 不 穩 定 性 和 漂 移 3 推 薦 采 用 線 性 光 耦 合 器, 其 特 點 是 CTR 值 能 夠 在 一 定 範 圍 內 做 線 性 調 整 上 述 使 用 的 光 電 耦 合 器 時 工 作 在 線 性 方 式 下, 在 光 電 耦 合 器 的 輸 入 端 加 控 製 電 壓, 在 輸 出 端 會 成 比 例 地 產 生 一 個 用 於 進 一 步 控 製 下 一 級 電 路 的 電 壓, 是 單 片 機 進 行 閉 環 調 節 控 製, 對 電 源 輸 出 起 到 穩 壓 的 作 用 開 關 電 源 中 光 電 耦 合 器 電 路 的 設 計 圖 2 光 電 耦 合 器 在 數 字 式 開 關 電 源 中 的 應 用 在 圖 2 的 開 關 電 源 中 我 們 采 用 的 電 壓 環 進 行 閉 環 調 節 實 現 輸 出 電 壓 的 穩 定 輸 出, 選 用 NEC 公 司 的 PS2501 光 電 耦 合 器 作 為 輸 入 采 樣 反 饋 信 號 輸 出 驅 動 與 單 片 機 之 間 隔 離 器 件,

238 一方麵光電耦合器可以起到隔離兩個係統地線的作用 使兩個係統的電源相互獨立 消除地 電位不同所產生的影響 另一方麵 光電耦合器的發光二極管是電流驅動器件 可以形成電 流環路的傳送形式 電流環路是低阻抗電路 對噪音的敏感度低 提高了係統的抗幹擾能力 起到了電磁兼容和隔離抗幹擾的作用 不會因為電路中的高頻電流的電磁幹擾對單片機產生 幹擾 同時消除了電磁幹擾而引起開關管誤觸發造成的損壞 而且線性度也比較好 所以在 圖 2 中 單片機與模擬電路分別使用相互獨立的電源 COM1 與 COM2 是兩個不同的電源 地 以消除模擬電路對單片機的幹擾 TL431 是一個基準電壓穩壓器電路 它可以作為低溫度係數的可編程參考放大器使用 允 許灌入電流大 100mA 在 TL431 內部是一個 2.5V 的基準電壓 因而它的參考端輸入電壓 可由直流輸出電壓的分壓來提供 可使它呈現優良的工作狀態 它具有很低的輸出噪聲和僅 為 50ppm/C 的溫度係數 用來作參考基準電源十分理想 在圖 2 中電阻 R11 和電容 C6 組 成的阻容網絡在實際應用電路中是必不可少的 它主要用於品率補償 為了徹底阻斷幹擾信號進入係統 不僅信號通路要隔離 而且輸入或輸出電路與係統的電源 也要隔離 即這些電路分別使用相互獨立的隔離電源 對於共模幹擾 采用隔離技術 即利 用變壓器或線性光電耦合器 將輸入地與輸出地斷開 使幹擾沒有回路而被抑製 在開關電 源中 光電耦合器是一個是非重要的外圍器件 設計者可以充分的利用它的輸入輸出隔離作 用對單片機進行抗幹擾設計 並對變換器進行閉環穩壓調節 光 電 耦 合 元 件 (Opto-isolator,或 optical coupler 縮 寫 為 OC 亦 稱 光 耦 合 器 或光隔 離器 以及光 電隔 離器 簡稱光 耦 光電耦 合元件 是 以光作為 媒

239 體來傳輸電信號的一組裝置 其功能是平時維持電信號輸入 輸出間有良 好的隔離作用 需要時可以使電信號通過隔離層的傳送方式 光電耦合元件可分為類比與數位兩種 主要由光發射器和光偵測器組成 兩 種 元 件 通 常 會 整 合 到 同 一 個 封 裝 但 它 們 之 間 除 了 光 束 之 外 不 會 有 任 何 電氣或實體連接 光 電 耦 合 元 件 的 光 發 射 器 大 都 是 發 光 二 極 體 LED 光 偵 測 器 的 種 類 比 較多 但多半由光電二極體或光電晶體擔任 結構 LED 與 光 電 耦 合 元 件 的 概 要 圖 光耦合器一般由三部分組成 光的發射 光的接收及信號放大 輸入的電信號驅動發光二極體 使之發出一定波長的光 被光探測器接收 而 產 生 光 電 流 再 經 過 進 一 步 放 大 後 輸 出 這 就 完 成 了 電 光 電 的 轉 換 從而起到輸入 輸出 隔離的作用 由於光耦合器輸入輸出間互相隔離 電 信 號 傳 輸 具 有 單 向 性 等 特 點 因 而 具 有 良 好 的 電 絕 緣 能 力 和 抗 干 擾 能 力 又 由 於 光 耦 合 器 的 輸 入 端 屬 於 電 流 型 工 作 的 低 阻 元 件 因 而 具 有 很 強 的 共 模抑制能力 所以 它在長線傳輸資訊中作為終端隔離元件可以大大提高 信噪比 在電腦數位通信及即時控制中作為信號隔離的介面器件 可以大 大增加其工作之可靠性 [编辑] 應用 光電耦合元件廣泛用於電氣絕緣 電平轉換 級間耦合 驅動電路 開關 電路 斬波器 多諧振盪器 信號隔離 級間隔離 脈衝放大電路 數 位 儀 錶 遠 距 離 信 號 傳 輸 脈 衝 放 大 固 態 繼 電 器 (SSR) 儀 器 儀 錶 通 信設備及微機介面中 在單片開關電源中 利用線性光耦合器可構成光耦回饋電路 通過調節控 制端電流來改變占空比 達到精密穩壓目的

240 [编辑] 種類 電晶體耦合器 具有較高的換能效率 高耐壓性 低輸入驅動能力 高 速 積 體 電 路 輸 出 耦 合 器 它 有 提 供 高 速 集 成 光 能 力 的 接 收 元 件 速 度 為 1 10 兆 赫茲 三 端 雙 向 可 控 矽 耦 合 器 這 種 類 型 的 耦 合 器 主 要 用 來 控 制 AC 載 荷 例 如 發 動 機 和 螺線管 光 控 繼 電 器 能 轉 換 類 比 信 號 因 為 在 一 個 輸 出 處 裏 裝 配 一 個 MOSFET 有 線 性 輸 出特徵 將音訊設備連接至以電腦為基礎的音效系統時 請謹慎處理 以免不小心建立接地迴路 接地迴路是連接至地面 多餘且額外的路徑 會使得非音訊流與音訊訊號混在一起 這會產 生音訊干擾 有時稱為 AC 噪音 將電腦加入音效系統時 您可能會聽到與電腦之處理器 活動相關且更為複雜的噪音 如嗶聲 刮擦聲或其他噪音 連接多個使用不同接地方式的設備時 便會產生接地迴路 若要將其消除 通常會把重點放 在互連的方法上 雖然接地迴路會一直存在 但新的 更高效能的電腦系統可能會使其更加 明顯 以下所提供的數種技巧 可讓您將基於接地迴路的干擾降至最低或完全消除 1. 透過適當的 增益級設定 以減低訊號相關之噪音的擴大 此技術需要在有耦合噪音的 區域 將增益儘量設定至最低 並在其他區域以較高增益補償 例如 如果接地迴路 是由一對已接上電源的監視器之揚聲器所產生 則可降低揚聲器本身的增益控制並將 之前任何級別的增益提高 以將干擾最小化 切記不要將任何級數調得太高 以免引 起削波現象 2. 將電腦與所有連接的週邊設備插入盡可能鄰近的插座 以降低電流間的潛在差異 3. 使用隔離變壓器或將連到電腦之音源線的隔離層連接破壞 以消除電流的路徑 此技 巧通常可帶來最為明顯的改善 因為它基本上就是排除由連接到類比音訊設備接線之 隔離層所傳遞的無效電流 如果您使用平衡式 (XLR) 互連 請將隔離層連接 針腳 1 破壞以隔離電流 使用不具此連接設計或隔離層絕緣轉換器的接線 如果您使用非平 衡式 RCA 或 3.5mm 音訊連線 請使用隔離變壓器 文章的下一節將會列出這些 接線的資源 減低接地迴路噪音的目的在於 將連到電腦和任何類比音訊設備之接線隔離層的連接破壞 進而造成隔離層與其電源線的 綠線 接地短路 您可使用從 Radio Shack 或其他電器商品 店就能買到的簡易電阻錶 來辨識何處有多餘的接地連線 例如 在電腦連接到 FireWire 音訊裝置 而該裝置又連線到類比混音器的設定中 電阻錶 可能會顯示纜線隔離層從電腦底架經由 FireWire 音訊裝置接地 從那裡再接到混音器底架

241 然後連接到其電源線的 綠線 接地 進行測量時 請將所有的交流電源線拔除 若要破壞 此連線 請在連接 FireWire 音訊裝置和混音器的音訊接線中加入絕緣物質 如果沒有電阻錶 一次加入一個裝置的方法也可指出多餘電流連接的完成時間 平衡式與非平衡式輸入和輸出的隔離變壓器 共有二種類型的輸入和輸出 專業設備會使用平衡式輸入與輸出 消費性設備則使用非平 衡式輸入 平衡式 平衡式輸入的專業多媒體設備會使用 XLR 或 1/4 英寸 TRS tip-ring-sleeve 立體聲 接頭 由三條電線或三個針腳的通道所組成 其中二條電線包含一個等壓音訊訊號 而第三 條線則包含地線 這些特殊接頭最常在專業的 USB 音訊介面 FireWire 音訊介面 混音 器和擴大器上找到 非平衡式 大多數的消費性音訊和視訊設備都使用非平衡式輸入 此輸入使用同軸 (RCA) 接頭或 3.5 mm 接頭 同軸接線具有二條電線 一條電線用以傳遞音訊訊號 另外一條則為用於接地 的隔離線或接地線 這表示立體聲訊號需要二條接線 左右各一 3.5 mm 接頭通常包含 一對電線與一隔離線 提供左右立體聲以及接地 Apple 電腦可與現有的消費性多媒體設備整合 其中包括大多數的立體聲設備 電視 VCR 和可攜式揚聲器 因此 Apple 電腦使用非平衡式的輸入與輸出 如果您要將電腦的聲 音輸出埠連接到另一使用非平衡式輸入的設備 請考慮使用非平衡式隔離變壓器 非平衡式轉平衡式 若要將非平衡式輸出 例如您的電腦聲音輸出埠 連接至平衡式專業輸入 則須使用第三種 類型的隔離變壓器 此隔離變壓器具有非平衡式輸入以及平衡式輸出 (1)电源的合理处理 抑制电网引入的干扰对于电源引入的电网干扰可以安装一台带屏蔽 层的变比为 1 1 的隔离变压器 以减少设备与地之间的干扰 还可以在电源输入端串接 LC 滤波电路

242 (2) 正 确 选 择 接 地 点, 完 善 接 地 系 统 良 好 的 接 地 是 保 证 PLC 可 靠 工 作 的 重 要 条 件, 可 以 避 免 偶 然 发 生 的 电 压 冲 击 危 害 接 地 的 目 的 通 常 有 两 个, 其 一 为 了 安 全, 其 二 是 为 了 抑 制 干 扰 完 善 的 接 地 系 统 是 PLC 控 制 系 统 抗 电 磁 干 扰 的 重 要 措 施 之 一 PLC 控 制 系 统 的 地 线 包 括 系 统 地 屏 蔽 地 交 流 地 和 保 护 地 等 接 地 系 统 混 乱 对 PLC 系 统 的 干 扰 主 要 是 各 个 接 地 点 电 位 分 布 不 均, 不 同 接 地 点 间 存 在 地 电 位 差, 引 起 地 环 路 电 流, 影 响 系 统 正 常 工 作 例 如 电 缆 屏 蔽 层 必 须 一 点 接 地, 如 果 电 缆 屏 蔽 层 两 端 A,B 都 接 地, 就 存 在 地 电 位 差, 有 电 流 流 过 屏 蔽 层, 当 发 生 异 常 状 态 如 雷 击 时, 地 线 电 流 将 更 大 此 外, 屏 蔽 层 接 地 线 和 大 地 有 可 能 构 成 闭 合 环 路, 在 变 化 磁 场 的 作 用 下, 屏 蔽 层 内 又 会 出 现 感 应 电 流, 通 过 屏 蔽 层 与 芯 线 之 间 的 耦 合, 干 扰 信 号 回 路 若 系 统 地 与 其 他 接 地 处 理 混 乱, 所 产 生 的 地 环 流 就 可 能 在 地 线 上 产 生 不 等 电 位 分 布, 影 响 PLC 内 逻 辑 电 路 和 模 拟 电 路 的 正 常 工 作 PLC 工 作 的 逻 辑 电 压 干 扰 容 限 较 低, 逻 辑 地 电 位 的 分 布 干 扰 容 易 影 响 PLC 的 逻 辑 运 算 和 数 据 存 储, 造 成 数 据 混 乱 程 序 跑 飞 或 死 机 模 拟 地 电 位 的 分 布 将 导 致 测 量 精 度 下 降, 引 起 对 信 号 测 控 的 严 重 失 真 和 误 动 作 安 全 地 或 电 源 接 地 : 将 电 源 线 接 地 端 和 柜 体 连 线 接 地 为 安 全 接 地 如 电 源 漏 电 或 柜 体 带 电, 可 从 安 全 接 地 导 入 地 下, 不 会 对 人 造 成 伤 害 系 统 接 地 :PLC 控 制 器 为 了 与 所 控 的 各 个 设 备 同 电 位 而 接 地, 叫 系 统 接 地 接 地 电 阻 值 不 得 大 于 4 Ω, 一 般 需 将 PLC 设 备 系 统 地 和 控 制 柜 内 开 关 电 源 负 端 接 在 一 起, 作 为 控 制 系 统 地 信 号 与 屏 蔽 接 地 : 一 般 要 求 信 号 线 必 须 要 有 惟 一 的 参 考 地 即 单 点 接 地, 屏 蔽 电 缆 遇 到 有 可 能 产 生 传 导 干 扰 的 场 合, 也 要 在 就 地 或 者 控 制 室 唯 一 接 地, 防 止 形 成 地 环 路 信 号 源 接 地 时, 屏 蔽 层 应 在 信 号 侧 接 地 ; 不 接 地 时, 应 在 PLC 侧 接 地 ; 信 号 线 中 间 有 接 头 时, 屏 蔽 层 应 牢 固 连 接 并 进 行 绝 缘 处 理, 一 定 要 避 免 多 点 接 地 ; 多 个 测 点 信 号 的 屏 蔽 双 绞 线 与 多 芯 对 绞 总 屏 蔽 电 缆 连 接 时, 各 屏 蔽 层 应 相 互 连 接 好, 并 经 绝 缘 处 理, 选 择 适 当 的 接 地 处 单 点 接 点 (3) 对 变 频 器 干 扰 的 抑 制 变 频 器 的 干 扰 处 理 一 般 有 下 面 几 种 方 式 : 加 隔 离 变 压 器, 主 要 是 针 对 来 自 电 源 的 传 导 干 扰, 可 以 将 绝 大 部 分 的 传 导 干 扰 阻 隔 在 隔 离 变 压 器 之 前 ; 使 用 滤 波 器, 滤 波 器 具 有 较 强 的 抗 于 扰 能 力, 还 具 有 防 止 将 设 备 本 身 的 干 扰 传 导 给 电 源, 有 些 还 兼 有 尖 峰 电 压 吸 收 功 能 ; 使 用 输 出 电 抗 器, 在 变 频 器 到 电 动 机 之 间 增 加 交 流 电 抗 器 主 要 是 减 少 变 频 器 输 出 在 能 量 传 输 过 程 中 线 路 产 生 电 磁 辐 射, 影 响 其 他 设 备 正 常 工 作 什 么 是 保 护 接 地?

243 答 : 为 了 防 止 因 绝 缘 损 坏 而 遭 受 触 电 的 危 险, 将 与 电 气 设 备 带 电 部 分 相 绝 缘 的 金 属 外 壳 或 构 架 同 接 地 体 之 间 做 良 好 的 电 气 连 接, 称 为 保 护 接 地 人 体 触 及 电 气 设 备 外 壳 时, 人 体 相 当 于 接 地 装 置 的 一 条 并 联 支 路 由 于 人 体 电 阻 ( 至 少 是 1000 ) 比 起 接 地 电 阻 ( 通 常 为 4~ 10 ) 要 大 得 多 根 据 分 流 公 式 可 知, 通 过 人 体 的 电 流 就 很 小 了, 从 而 减 轻 了 触 电 的 危 险 但 需 注 意, 这 时 如 果 碰 壳 短 路, 通 过 接 地 板 将 有 电 流 在 地 中 向 四 周 流 散 于 是 在 它 附 近 各 处 就 造 成 了 不 同 的 电 位 分 布, 靠 近 接 地 极 的 地 方 由 于 电 流 密 度 大, 因 而 电 位 梯 度 也 大, 当 人 在 接 地 装 置 附 近 跨 步 行 走 时, 两 脚 处 在 不 同 电 位 下, 即 会 受 跨 步 电 压 的 危 险 为 保 证 人 身 安 全, 跨 步 电 压 越 小 越 好 为 此, 接 地 极 常 采 用 金 属 网 状 结 构, 增 大 接 地 面 积, 减 小 电 流 密 度, 从 而 使 接 地 极 附 近 电 位 梯 度 也 相 应 减 小, 跨 步 电 压 也 相 应 减 小 在 接 地 装 置 中 有 两 个 重 要 参 数 :1 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 值 ;2 接 地 网 结 构 现 在 看 来, 虽 然 接 地 网 的 结 构 和 系 统 等 电 位 很 重 要, 但 是 低 阻 的 接 地 装 置, 是 设 备 正 常 安 全 运 行 的 基 础 特 别 是 在 防 雷 接 地, 要 在 瞬 间 将 几 十 KA 的 雷 电 流 泄 流 到 大 地, 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 越 小 散 流 越 快, 雷 击 后 高 电 位 保 持 的 时 间 就 短, 危 险 性 就 小 总 之 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 越 小, 效 果 越 好, 被 保 护 的 对 象 就 越 安 全 对 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 测 量 的 准 确 性 是 判 断 接 地 装 置 是 否 合 格 的 重 要 因 素 我 们 在 日 常 的 工 作 中 不 管 是 工 程 方 还 是 检 测 机 构 和 承 建 方, 对 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 的 测 量 方 法 都 存 在 着 异 议, 特 别 是 不 同 方 式 进 行 测 量 时 出 现 的 测 量 值 相 差 很 大, 更 是 不 知 道 怎 么 判 断 值 得 提 出 的 是, 在 我 们 有 些 地 方 的 检 测 机 关 中, 甚 至 有 很 多 检 测 人 员 不 懂 得 测 量 原 理, 使 得 测 量 值 无 法 准 确 有 个 检 测 机 构 的 工 程 师 用 4102 电 子 表 检 测 一 个 地 网 时, 他 先 在 水 泥 地 上 倒 两 处 水 把 电 压 极 电 流 极 往 上 一 放 ; 再 用 100M 长 的 6 平 方 多 股 铜 线 接 到 接 地 极 上 ( 线 是 卷 在 一 起 的 ), 测 量 结 果 是 5 欧 姆 在 我 的 要 求 下 把 100M 线 展 开, 电 压 电 流 极 不 变, 测 得 结 果 是 2 欧 姆 再 把 电 压 电 流 极 插 在 分 布 均 匀 的 土 壤 里, 测 得 的 结 果 是 1.2 欧 姆 再 把 100M 线 改 成 5M 线, 测 得 结 果 为 0.4 欧 姆 从 上 面 的 例 子 分 析 来 看, 我 们 可 以 总 结 如 下 几 个 结 论 : 1 测 量 线 的 加 长, 特 别 是 卷 在 一 起, 由 于 电 感 大, 测 量 值 偏 高 很 大 所 以 在 我 们 测 量 高 楼 接 地 值 的 时 候, 拉 长 线 测 量 接 地 值 是 不 准 确 的 这 是 因 为 高 层 建 筑 测 量 时, 高 层 建 筑 物 接 地 引 线 与 地 之 间 存 在 着 一 定 的 阻 值 (R 地 线 ) 另 外 从 高 层 建 筑 物 上 面 测 量 点 向 地 面 仪 表 所 引 接 的 测 试 线, 在 空 中 的 部 分 存 在 线 电 感 (WL) 所 以 高 层 建 筑 接 地 点 测 量 的 阻 值 为 R=R 地 线 +WL+R 地 地 面 测 量 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 R=R 地 测 量 数 据 比 地 面 测 量 时 跳 动 要 严 重, 这 是 因 为 测 试 线 在 空 中 的 加 长, 如 同 一 根 天 线 将 空 中 一 些 无 线 电 电 磁 杂 波 等 信 号 通 过 测 试 线 引 向 仪 表, 而 产 生 严 重 干 扰, 使 测 量 数 据 跳 动, 解 决 的 方 法 是, 用 一 根 同 轴 线 作 为 测 试 引 线, 将 同 轴 线 和 芯 线 连 接 在 一 起, 并 接 在 测 试 点 上 将 同 轴 线 另 一 端 的 屏 蔽 线 接 在 仪 表 的 C2 端 上 ( 即 电 流 极 ), 将 同 轴 线 的 芯 线 接 在 仪 表 P2 端 上 ( 即 电 压 极 ), 这 样 能 较 好 地 解 决 测 量 高 层 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 由 于 引 线 过 长 造 成 干 扰 影 响

244 2 102 电 子 表 测 量 接 地 体, 用 水 渗 透 接 触 电 压 电 流 极 时, 由 于 接 触 不 好 产 生 的 接 触 电 阻 大, 影 响 测 量 真 值 只 有 在 没 有 地 方 插 电 压 电 流 极 时 才 采 用 这 种 方 法, 但 是 必 须 是 真 正 水 渗 透 到 土 壤, 电 压 电 流 极 必 须 是 和 水 良 好 接 触 尽 量 减 少 接 触 电 阻, 减 少 误 差 地 网 工 频 电 阻 的 测 试 测 试 基 本 原 理 : 对 地 网 注 入 电 流, 测 其 电 压, 计 算 电 阻,R=U/I 常 用 仪 器 : 地 阻 测 试 仪 电 流 电 压 表 ( 现 已 经 做 成 大 电 流 专 用 测 试 仪, 电 力 系 统 常 用 ) 测 试 方 法 ; d 大 于 2-5 倍 地 网 平 面 对 角 长 度 D 普 通 地 阻 测 试 仪 ( 摇 表 4102 等 电 子 表 ): 小 型 地 网, 地 阻 大 于 0.5 欧,X/d=0.5 大 电 流 专 用 测 试 仪 : 大 型 地 网, 地 阻 小 于 0.5 欧, 当 测 试 点 是 地 网 中 心 点 时, x/d=0.618 当 测 试 点 是 地 网 的 边 缘 点 时,x/d= 实 际 测 试 时, 电 压 极 前 后 移 动 d 的 5% 左 右 共 测 得 3 个 地 阻 值, 如 这 3 个 值 相 差 不 大 ( 一 般 要 求 10% 内,DL 大 量 75/92 规 定 为 5%), 则 这 3 个 值 得 平 均 为 地 网 接 地 工 频 电 阻 的 真 值 如 3 个 结 果 相 差 悬 殊, 则 说 明 d 和 x 的 值 不 对, 需 要 调 整 测 试 时 还 要 考 虑 测 试 方 向 的 地 下 结 构, 是 否 有 大 型 金 属 物 管 道 下 水 道 等 这 些 都 对 测 试 结 果 有 很 大 影 响 因 为 影 响 了 x/d 值 最 终 测 试 值 : 如 场 地 许 可, 多 个 方 向 都 测 试, 电 流 极 与 电 压 极 成 30 度 测 试 只 要 方 法 正 确, 取 其 中 的 最 小 值 为 地 网 接 地 工 频 电 阻 的 真 值 在 测 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 时, 有 些 因 素 造 成 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻 不 准 确 : 1 ( 地 网 ) 周 边 土 壤 构 成 不 一 致, 地 质 不 一, 紧 密 干 湿 程 度 不 一 样, 具 有 分 散 性, 地 表 面 杂 散 电 流 特 别 是 架 空 地 线 地 下 水 管 电 缆 外 皮 等 等, 对 测 试 影 响 特 别 大 解 决 的 方 法 是, 取 不 同 的 点 进 行 测 量, 取 平 均 值 2 测 试 线 方 向 不 对, 距 离 不 够 长, 解 决 的 方 法 是, 找 准 测 试 方 向 和 距 离 3 辅 助 接 地 极 电 阻 过 大 解 决 的 方 法 是, 在 地 桩 处 泼 水 或 使 用 降 阻 剂 降 低 电 流 极 的 接 地 电 阻 '> 接 地 电 阻

245 4 测试夹与接地测量点接触电阻过大 解决的方法是 将接触点用锉刀或砂纸磨光 用测试线夹子充分夹好磨光触点 5 干扰影响 解决的方法 调整放线方向 尽量避开干扰大的方向 使仪表读数减少 跳动 6 仪表使用问题 电池电量不足 解决的方法是 更换电池 仪表精确度下降 解决 的方法是 重新校准为零 接地电阻'>接地电阻的测试值的准确性 是我们判断接地是否良好的重要因素之一 测值一旦不准确要不就要浪费人力物力 测值偏大 要不就会给接地设备带来安全隐患 测 值偏小 所以在我们工作中一定要正确使用测量工具 科学制定测量方法和科学得出准确 数据 1 概述 接地是提高电子电气设备电磁兼容性有效的重要手段之一 正确的接地既能抑制外部电磁干扰的影响 又 能防止电子电气设备向外部发射电磁波 而错误的接地常常会引入非常严重的干扰 甚至会使电子电气设 备无法正常工作 尤其是成套控制设备和自动化控制系统 因为有多种控制装置分散布置在许多地方 所 以它们各自的接地往往会形成十分复杂的接地网络 不仅需要在系统设计时周密考虑 而且在安装调试时 也要仔细检查和做适当的调整 地线 是对接地的实施 即按一定的要求 用必要的金属导体或导线把电路中的某些 地 电位点连接起来 或是将电子电气设备的某一部位 如 外壳 和大地连接起来 狭义上讲 接地 即与地球保持 同电 位 广义上讲 接地 是电路系统中的 等电位点或等电位面 它是电路系统的基准电位 但不一定 为大地电位 2 电气设备接地的作用及分类 电子电气设备接地的作用 电子电气设备接地的目的有二 一是处于安全的考虑 二是为了抑制外部的干扰 1 安全的考虑 以确保人员和设备的安全为目的的接地称为 保护接地 它们必须可靠地接在大地电位上 一般地说 电 子电气设备的金属外壳 底盘 机座都要可靠接地 2 抑制外部干扰的考虑

246 电 子 电 气 设 备 的 某 些 部 位 与 大 地 相 连 可 以 起 到 抑 制 外 部 干 扰 的 作 用, 例 如 静 电 屏 蔽 层 接 地 可 以 抑 制 变 化 的 电 场 的 干 扰, 电 磁 屏 蔽 用 的 导 线 原 则 上 可 以 不 接 地, 但 不 接 地 的 屏 蔽 导 线 时 常 会 带 来 静 电 耦 合 而 产 生 所 谓 的 静 电 屏 蔽 效 应, 所 以 仍 需 要 接 地 为 宜 电 子 电 气 设 备 接 地 的 分 类 一 般 地 说, 电 子 电 气 设 备 有 许 多 需 要 接 地 的 部 位, 由 于 电 路 的 性 质 和 接 地 的 目 的 不 同, 必 须 加 以 严 格 区 分, 需 要 分 成 若 干 独 立 的 子 系 统, 然 后 连 接 在 一 起 进 行 总 接 地 从 接 地 的 性 质 看, 把 接 地 分 为 三 大 类 : (1) 保 护 接 地 电 子 电 气 设 备 的 金 属 外 壳 底 盘 机 座 用 良 好 的 导 体 与 大 地 连 接 成 等 电 位, 称 为 保 护 接 地, 它 对 电 子 电 气 设 备 的 安 全 运 行 和 维 护 人 员 的 生 命 安 全 起 到 十 分 重 要 的 作 用 (2) 屏 蔽 接 地 为 了 抑 制 变 化 的 电 磁 场 的 干 扰 而 采 用 的 多 种 屏 蔽 层 屏 蔽 体, 都 必 须 良 好 地 接 地, 才 能 起 到 良 好 的 屏 蔽 作 用 (3) 系 统 接 地 图 1 单 相 三 线 制 接 线 图 图 2 三 相 四 线 制 接 线 图

247 要 使 电 子 电 气 设 备 能 正 常 地 运 行 和 稳 定 可 靠 地 工 作, 也 必 须 处 理 好 等 电 位 点 的 接 地 问 题, 这 类 接 地 称 之 为 系 统 接 地 对 于 系 统 接 地 来 说, 由 于 其 工 作 性 质 和 用 途 的 不 同, 又 可 分 为 : 信 号 地 模 拟 地 数 字 地 电 源 地 计 算 机 地 负 荷 地 外 设 地 等 3 接 地 的 方 式 地 线 设 计 是 一 项 重 要 的 设 计, 也 是 难 度 较 大 的 一 项 设 计 在 EMC 设 计 的 初 期 就 进 行 地 线 设 计 是 解 决 EMC 问 题 的 最 有 效 最 廉 价 的 方 法 下 面 对 三 大 类 接 地 方 式 分 别 进 行 详 尽 讨 论 保 护 接 地 接 地 作 为 一 种 措 施, 起 源 于 强 电 技 术, 由 于 强 电 电 压 高 容 量 大, 容 易 危 及 人 身 和 设 备 的 安 全 因 此, 从 安 全 的 角 度 考 虑, 电 气 设 备 的 金 属 外 壳 底 盘 机 座 都 应 与 大 地 良 好 地 连 接 成 等 电 位, 从 而 在 故 障 状 态 下 保 证 人 身 和 设 备 的 安 全 电 气 设 备 的 保 护 接 地 有 两 种 方 式 : (1) 保 护 接 零 三 相 四 线 制 供 电 系 统 中 的 中 性 线 即 为 保 护 接 零 线, 它 是 电 路 环 路 的 重 要 组 成 部 分 (2) 保 护 接 地 除 零 线 以 外, 另 外 配 备 一 根 保 护 接 地 线, 它 与 电 子 电 气 设 备 的 金 属 外 壳 底 盘 机 座 等 金 属 部 件 相 连, 一 般 情 况 下, 保 护 接 地 线 是 没 有 电 流 流 动 的, 即 使 有 有 电 流 流 动 也 是 非 常 小 量 的 漏 电 流, 所 以 说, 在 一 般 情 况 下, 保 护 接 地 线 上 是 没 有 电 压 降 的, 与 之 相 连 的 电 子 电 气 设 备 的 金 属 外 壳 都 呈 现 地 电 位, 保 证 了 人 身 和 设 备 的 安 全 出 于 上 述 目 的, 各 国 都 对 保 护 接 地 作 了 必 要 的 规 定 例 如 美 国 国 家 电 气 委 员 会 在 电 气 法 中 规 定 了 交 流 电 源 的 输 配 电 标 准, 该 标 准 规 定 了 室 内 115V 交 流 配 线 为 三 线 制, 如 图 1 所 示 火 线 上 串 有 熔 丝, 负 载 电 流 经 火 线 至 负 载, 再 由 中 线 返 回 另 备 有 一 根 保 护 接 地 线, 该 线 与 设 备 的 金 属 外 壳 底 盘 等 金 属 部 件 相 连, 当 发 生 故 障 时, 例 如 负 载 的 绝 缘 被 击 穿 损 坏, 保 护 接 地 线 上 瞬 间 将 有 大 电 流 流 过, 电 路 中 的 熔 丝 或 断 路 器 由 于 大 电 流 流 过 将 很 快 把 电 路 切 断, 从 而 保 证 了 人 身 和 设 备 的 安 全 我 国 的 三 相 四 线 制 配 电 系 统 与 美 国 的 类 似, 如 图 2 所 示, 只 是 电 压 不 同 而 已 系 统 接 地 除 了 上 面 介 绍 的 从 安 全 角 度 出 发 而 考 虑 的 保 护 接 地 外, 为 了 保 证 电 子 电 气 设 备 正 常 稳 定 和 可 靠 的 运 行, 还 必 须 处 理 好 设 备 内 部 系 统 中 各 个 电 路 工 作 的 参 考 电 位, 这 类 基 准 参 考 电 位 的 连 接 线 称 为 系 统 接 地 在 电 子 电 气 设 备 控 制 系 统 中 遇 到 的 大 量 和 经 常 需 要 解 决 的 主 要 接 地 问 题 是 系 统 接 地 系 统 接 地 线 既 是 各 电 路 中 的 静 态 动 态 电 流 通 道, 又 是 各 级 电 路 通 过 共 同 的 接 地 阻 抗 而 相 互 耦 合 的 途 径, 从 而 形 成 电 路 间 相 互 干 扰 的 薄 弱 环 节 可 以 肯 定 地 讲, 电 子 电 气 设 备 中 的 一 切 抗 干 扰 措 施, 几 乎 都 无 一 例 外

248 的 与 接 地 有 关 因 此, 正 确 的 接 地 是 抑 制 噪 声 和 防 止 干 扰 的 主 要 途 径, 它 不 仅 能 保 证 电 子 电 气 设 备 正 常 稳 定 和 可 靠 地 工 作, 而 且 能 提 高 电 路 的 工 作 精 度 反 之, 不 正 确 的 接 地, 会 降 低 电 路 的 工 作 精 度, 严 重 时 还 会 导 致 电 子 电 路 无 法 正 常 工 作, 陷 入 系 统 瘫 痪 的 境 地 电 子 电 气 设 备 中 的 系 统 接 地 是 否 要 接 大 地 和 如 何 接 大 地, 与 系 统 的 工 作 稳 定 性 有 着 极 其 密 切 的 关 系, 这 是 电 子 电 气 设 备 接 地 系 统 技 术 中 的 重 要 议 题 电 子 电 气 设 备 的 系 统 接 地 方 式 有 三 种 : (1) 浮 空 地 浮 空 就 是 不 接 大 地, 任 其 悬 浮 的 一 种 方 式, 它 的 实 质 是 使 电 路 的 某 一 部 分 与 大 地 线 完 全 隔 离, 从 而 抑 制 来 自 接 地 线 的 干 扰 由 于 没 有 电 气 上 的 联 系, 因 而 也 就 不 可 能 形 成 地 环 路 电 流 而 产 生 地 阻 抗 的 耦 合 干 扰 图 3 及 图 4 是 两 种 浮 空 地 浮 空 地 方 式 具 有 这 一 主 要 优 点, 但 也 有 其 不 足 之 处 : 图 3 设 备 悬 浮 地 图 4 单 元 悬 浮 地 图 5 浮 地 电 位 波 动 产 生 干 扰 研 究 成 果 表 明, 一 个 较 大 的 电 子 电 气 控 制 设 备, 由 于 存 在 较 大 的 对 地 分 布 电 容, 它 的 基 准 电 位 将 会 受 电 磁 场 的 干 扰 ( 通 过 分 布 电 容 ), 使 得 电 路 产 生 位 移 电 流, 而 难 以 正 常 工 作 在 电 子 电 气 控 制 设 备 的 工 作 速 度

249 提 高 感 应 增 大 输 入 输 出 增 多 或 加 长 的 情 况 下, 其 对 地 分 布 电 容 就 会 增 大, 继 而 加 大 位 移 干 扰 电 流 另 外, 由 于 分 布 电 容 的 存 在, 容 易 产 生 静 电 积 累 和 静 电 放 电, 在 雷 电 情 况 下, 还 会 在 机 箱 和 单 元 之 间 产 生 飞 弧, 甚 至 使 操 作 人 员 遭 到 电 击 所 以 对 于 比 较 复 杂 的 电 磁 环 境, 浮 地 方 式 是 不 太 适 宜 的 图 5 所 示 电 路 中 分 布 电 容 C, 在 外 界 干 扰 的 作 用 下 会 产 生 干 扰 电 势 e (2) 系 统 地 直 接 接 大 地 这 种 接 地 方 式 的 优 缺 点 恰 好 与 浮 空 地 方 式 相 反, 当 电 子 电 气 控 制 设 备 的 分 布 电 容 较 大 时, 宜 采 用 直 接 接 大 地 方 式, 但 要 注 意 选 择 接 地 点 的 位 置 及 其 接 地 点 的 多 少, 只 要 合 理 选 择, 便 能 把 干 扰 降 低 到 最 低 程 度 (3) 电 容 接 地 方 式 经 电 容 把 系 统 地 与 大 地 连 接 起 来, 接 地 电 容 多 为 高 频 电 容, 它 提 供 对 系 统 地 至 大 地 高 频 干 扰 分 量 的 通 路, 相 当 于 一 个 高 通 滤 波 器, 从 而 抑 制 了 由 对 地 分 布 电 容 所 造 成 的 影 响 这 种 接 地 方 式 只 适 合 于 低 频 系 统, 所 用 电 容 应 具 有 良 好 的 高 频 特 性 和 足 够 的 耐 压 值, 电 容 量 一 般 2μF~10μF 4 系 统 地 接 地 的 原 则 低 频 电 路 的 接 地 原 则 低 频 电 路 的 接 地, 应 坚 持 一 点 接 地 的 原 则, 而 在 一 点 接 地 的 原 则 中, 又 有 串 联 和 并 联 之 区 别 如 图 6 所 示 单 点 接 地 是 为 许 多 接 在 一 起 的 电 路 提 供 共 同 参 考 点 的 方 法, 并 联 单 点 接 地 最 为 简 单 而 实 用, 它 没 有 公 共 阻 抗 耦 合 和 低 频 地 环 路 的 问 题 每 一 个 电 路 模 块 都 接 到 一 个 单 点 地 上, 每 一 个 子 单 元 在 同 一 点 与 参 考 点 相 连 地 线 上 其 它 部 分 的 电 流 不 会 耦 合 进 电 路 这 种 接 地 方 式 在 1MHz 以 下 的 工 作 频 率 下 能 工 作 得 很 好 但 是, 虽 着 频 率 的 升 高, 接 地 阻 抗 随 之 增 大, 电 路 上 会 产 生 较 大 的 共 模 电 压 所 以, 单 点 接 地 不 适 合 于 高 频 电 路 高 频 电 路 的 接 地 原 则 对 于 工 作 频 率 较 高 的 电 路 和 数 字 电 路, 由 于 各 元 器 件 的 引 线 和 电 路 的 布 局 本 身 的 电 感 都 将 增 加 接 地 线 的 阻 抗, 因 而 在 低 频 电 路 中 广 泛 采 用 的 一 点 接 地 的 方 法, 若 用 在 高 频 电 路 容 易 增 加 接 地 线 的 阻 抗, 而 且 地 线 间 的 杂 散 电 感 和 分 布 电 容 也 会 造 成 电 路 间 的 相 互 耦 合, 从 而 使 电 路 工 作 不 稳 定 为 了 降 低 接 地 线 阻 抗 及 其 减 少 地 线 间 的 杂 散 电 感 和 分 布 电 容 造 成 电 路 间 的 相 互 耦 合, 高 频 电 路 采 用 就 近 接 地 即 多 点 接 地 的 原 则, 把 各 电 路 的 系 统 地 线 就 近 接 至 低 阻 抗 地 线 上, 如 图 7 所 示 一 般 来 说, 当 电 路 的 工 作 频 率 高 于 10MHZ 时, 应 采 用 多 点 接 地 的 方 式 由 于 高 频 电 路 的 接 地 关 键 是 尽 量 减 少 接 地 线 的 杂 散 电 感 和 分 布 电 容, 所 以 在 接 地 的 实 施 方 法 上 与 低 频 电 路 有 很 大 的 区 别

250 图 6 一 点 接 地 (a) 串 联 接 地 (b) 并 联 接 地 图 7 多 点 接 地 系 统 (a) 设 备 多 点 接 地 (b) 单 元 多 点 接 地 图 8 电 子 电 气 设 备 的 混 合 接 地 整 机 系 统 的 混 合 接 地 原 则 混 合 接 地 既 包 含 了 单 点 接 地 的 特 性, 又 包 含 了 多 点 接 地 的 特 性 例 如, 系 统 内 的 低 频 部 分 需 要 单 点 接 地, 而 高 频 部 分 需 要 多 点 接 地 图 8 是 某 一 电 子 电 气 设 备 的 混 合 接 地, 把 设 备 的 地 线 分 成 三 大 类 : 电 源 地 信

251 号地 屏蔽地 所有的电源地线都接到电源总地线上 所有的信号地线都接到信号总地线上 所有的屏蔽 地线都接到屏蔽总地线上 三根总地线最后汇总到公共的参考地 5 结语 接地问题是一个貌似简单 实质上却是一个十分复杂的系统工程 良好的接地系统设计 不仅可以有效地 抑制外来电磁干扰的侵袭 使电子电气设备安全稳定和可靠的运行 而且保证较少地向外界大自然环境施 放噪声和电磁污染 反之 不仅不能有效地抑制来自外界空间的电磁干扰 使电子电气设备的系统工作紊 乱 同时还会向外界大自然环境施放噪声和电磁污染 危害大自然环境 所以 对于接地系统的问题必须 给予足够的重视 从系统工程的角度出发 去研究解决电子电气设备的接地问题 一定会收到良好的经济 效果和社会效果 一定量電流通過人體 引起不同程度的組織損傷或器官功能障礙 甚至死亡 稱為電 擊 俗稱觸電 人體能感知的觸電跟電壓 時間 電流 電流通道 頻率等因素有關 譬如 人手能感知的最低直流約為 5 至 10 毫安 毫安感覺閾值 對 60 赫茲交流的感知電流約 為 1 至 10 毫安 隨著交流頻率的提高 人體對其感知敏感度下降 當電流頻率高達 15 至 20 千赫時 人體無法感知電流 目錄 [隱藏] 1 發病機制 o 1.1 影響觸電傷害的因素 o 1.2 觸電事故方式 2 臨床表現 3 治療 4 預防 5 參考文獻 6 健康問答網關於觸電的相關提問 發病機制 影響觸電傷害的因素 觸電的危險性跟很多因素有關

252 電流的種類和頻率對人體的影響 電流的種類和頻率 其中電流的種類和頻率不同 觸電的危險性也不同 根據實驗可以 知道 交流電比直流電危險程度略為大一些 頻率很低或者很高的電流觸電危險性比較小些 電流的高頻集膚效應使得高頻情況下電流大部分流經人體表皮 避免了內臟的傷害 所以生 命危險小些 但是集膚效應會導致表皮嚴重燒傷 右圖所示為 觸電危險與電流頻率的關係 曲線圖 右表中的資料數據是前蘇聯用狗進行實驗的結果 電流通過的途徑 觸電對人體的危害 主要是因電流通過人體一定路徑引起的 電流通 過頭部會使人昏迷 電流通過脊髓會使人截癱 電流通過中樞神經會引起中樞神經系統嚴重 失調而導致死亡 最危險的電流路徑是由胸部到左手 從腳到腳是危險性較小的路徑 電流大小及觸電時間長短 人體允許通過的電流強度與人體重量 心脹大小 觸電時間 的長短有關 觸電時流入人體電流的大小一超過應有的界限 使開始產生所謂觸電的知覺 此時的電流 般稱感覺電流 感覺電流即使作用體內相當長的時間 也不產生影響 脈衝電 流在 40-90mA 直流電流在 50mA 以下對人體是安全的 呼吸肌稍收縮 對心服無損傷 超過 定量的電流流入人體時 能引起手足的肌肉硬直 喪失活動能力 過量電流通過心臟 時 引起心室纖維顫動 甚至會停止心跳 電流通過中樞神經時 可能引起呼吸中樞抑制及 心血中樞衰竭 觸電後呼吸肌痙攣性收縮 而引起窒息 由於電流的熱效應 也可能使觸電 的人體組織損傷 燒傷 產生壞死等 觸電時 對人體產生各種生理影響的主要因素是電流 的大小 但電擊時間也是很重要的一個因素 如直流 50mA 以下的數值對人體是安全的 但並不是絕對安全 人體所能承受的電流常常和電擊時間有關 如果電擊時間極短 人體能 耐受高得多的電流而不致於傷害 反之電擊時間很長時 即使電流小到 8-10mA 也可能使 人致命 人身體電阻 人體阻抗取決於一定因素 特別是電流路徑 接觸電壓 電流持續時間 頻率 皮膚潮濕度 接觸面積 施加的壓力和溫度等 在工頻電壓下 人體的阻抗隨接觸面 積增大 電壓愈高 而變得愈小 IEC 綜合了歷年來關於人體阻抗的研究成果 嚴密審查 了大量屍體的實測數據 得出人體在 50 60Hz 交流電時 成人的人體阻抗在 1000Ω 左右

253 電壓大小 安全電壓 即允許接觸電壓 和人體阻抗的有關 關於人體阻抗的條件分類 國際電工委員會 IEC 所屬建築電力設備專門委員會分為三類 第Ⅰ類是指住宅 工廠 辦 公室等一般場所 人體皮膚是乾燥狀態或因出汗皮膚呈潮濕狀態 在接觸電壓作用下發生危 險的可能性較高 這時取人體阻抗為 1000Ω 設定通過人體電流為 50mA 則 50mA 與 1000Ω 的乘積為 50V 那是此接觸狀態時的允許接觸電壓 中國 西歐及其它多數國家的安全電壓 採用此值 第Ⅱ類是指人在隧道 涵洞和礦井下等高度潮濕的場所 人體出汗或因工作環境 影響使皮膚受潮 經常還會發生雙手與雙腳二者接觸凝露的電力設備金屬外殼或構架等情況 這時皮膚潮濕而使皮膚阻抗低到可以認為接近於零 即可忽略其皮膚阻抗 人體電阻僅剩 500Ω 內阻抗 假設通過人體內部電流為 50mA 則 50mA 和 500Ω 的乘積為 25V 現國際 上對於允許接觸電壓按人體阻抗的條件進行分類時 將 25V 作為其中的一個等級 這值接 近於中國標準 GB 安全電壓 等級分類中的 24V 第Ⅲ類是指人在游泳池 水 槽或水池中 人體大部分浸入水裡 皮膚完全浸透 這時基本上為體內阻抗 500Ω 同時考 慮有導致溺死的二次事故的危險 所以允許通過人體的電流應為擺脫閾 這樣 允許的接觸 電壓為 V 這與 GB 中規定的安全電壓 6V 相近 如果在不考慮導致 二次事故的場所 則可採用 12V 的允許接觸電壓 觸電事故方式 按照人體觸及帶電體的方式和電流流過人體的途徑 電擊可分為單相觸電 兩相觸電 和跨步電壓觸電 單線觸電 當人體直接碰觸帶電設備其中的一線時 電流通過人體流入大地 這種觸電 現象稱為單線觸電 對於高壓帶電體 人體雖未直接接觸 但由於超過了安全距離 高電壓 對人體放電 造成單相接地而引起的觸電 也屬於單線觸電 低壓電網通常採用變壓器低壓 側中性點直接接地和中性點不直接接地(通過保護間隙接地)的接線方式 單線觸電和雙線觸電 雙線觸電 人體同時接觸帶電設備或線路中的兩相導體 或在高壓系統中 人體同時接 近不同相的兩相帶電導體 而發生電弧放電 電流從一相導體通過人體流入另一相導體 構 成一個閉合電路 這種觸電方式稱為雙線觸電 發生雙線觸電時 作用於人體上的電壓等於 線電壓 這種觸電是最危險的

254 跨 步 電 壓 觸 電 當 電 力 設 備 發 生 接 地 故 障, 接 地 電 流 通 過 接 地 體 向 大 地 流 散, 在 地 面 上 形 成 電 位 分 布 時, 若 人 在 接 地 短 路 點 周 圍 行 走, 其 兩 腳 之 間 的 電 位 差, 就 是 跨 步 電 壓 由 跨 步 電 壓 引 起 的 人 體 觸 電, 稱 為 跨 步 電 壓 觸 電 跨 步 電 壓 的 大 小 受 接 地 電 流 大 小 鞋 和 地 面 特 徵 兩 腳 之 間 的 跨 距 兩 腳 的 方 位 以 及 離 接 地 點 的 遠 近 等 很 多 因 素 的 影 響 人 的 跨 距 一 般 按 0.8m 考 慮 由 於 跨 步 電 壓 受 很 多 因 素 的 影 響 以 及 由 於 地 面 電 位 分 布 的 複 雜 性, 幾 個 人 在 同 一 地 帶 ( 如 同 一 棵 大 樹 下 或 同 一 故 障 接 地 點 附 近 ) 遭 到 跨 步 電 壓 電 擊 時, 完 全 可 能 出 現 截 然 不 同 的 後 果 下 列 情 況 和 部 位 可 能 發 生 跨 步 電 壓 電 擊 : 帶 電 導 體, 特 別 是 高 壓 導 體 故 障 接 地 處, 流 散 電 流 在 地 面 各 點 產 生 的 電 位 差 造 成 跨 步 電 壓 電 擊 接 地 裝 置 流 過 故 障 電 流 時, 流 散 電 流 在 附 近 地 面 各 點 產 生 的 電 位 差 造 成 跨 步 電 壓 電 擊 正 常 時 有 較 大 工 作 電 流 流 過 的 接 地 裝 置 附 近, 流 散 電 流 在 地 面 各 點 產 生 的 電 位 差 造 成 跨 步 電 壓 電 擊 防 雷 裝 置 接 受 雷 擊 時, 極 大 的 流 散 電 流 在 其 接 地 裝 置 附 近 地 面 各 點 產 生 的 電 位 差 造 成 跨 步 電 壓 電 擊 高 大 設 施 或 高 大 樹 木 遭 受 雷 擊 時, 極 大 的 流 散 電 流 在 附 近 地 面 各 點 產 生 的 電 位 差 造 成 跨 步 電 壓 電 擊 臨 床 表 現 觸 電 傷 害 的 主 要 形 式 可 分 為 電 擊 和 電 傷 兩 大 類 觸 電 傷 害 表 現 為 多 種 形 式 電 流 通 過 人 體 內 部 器 官, 會 破 壞 人 的 心 臟 肺 部 神 經 系 統 等, 使 人 出 現 痙 攣 呼 吸 窒 息 心 室 纖 維 性 顫 動 心 跳 驟 停 甚 至 死 亡 電 流 通 過 體 表 時, 會 對 人 體 外 部 造 成 局 部 傷 害, 即 電 流 的 熱 效 應 化 學 效 應 機 械 效 應 對 人 體 外 部 組 織 或 器 官 造 成 傷 害, 如 電 灼 傷 金 屬 濺 傷 電 烙 印 電 灼 傷 是 電 流 的 熱 效 應 造 成 的 傷 害, 分 為 電 流 灼 傷 和 電 弧 燒 傷 電 流 灼 傷 是 人 體 與 帶 電 體 接 觸, 電 流 通 過 人 體 由 電 能 轉 換 成 熱 能 造 成 的 傷 害 電 弧 燒 傷 是 由 弧 光 放 電 造 成 的 傷 害, 分 為 直 接 電 弧 燒 傷 和 間 接 電 弧 燒 傷 前 者 是 帶 電 體 與 人 體 之 間 發 生 電 弧, 有 電 流 流 過 人 體 的 燒 傷 ; 後 者 是 電 弧 發 生 在 人 體 附 近 對 人 體 的 燒 傷, 包 含 熔 化 了 的 熾 熱 金 屬 濺 出 造 成 的 燙 傷 電 弧 溫 度 高 達 8900 以 上, 可 造 成 大 面 積 大 深 度 的 燒 傷, 甚 至 燒 焦 燒 掉 四 肢 及 其 他 部 位 大 電 流 通 過 人 體, 也 可 能 烘 乾 燒 焦 機 體 組 織 心 室 纖 維 性 顫 動 當 電 流 通 過 神 經 纖 維 刺 激 到 肌 肉 時, 肌 肉 即 要 收 縮 心 臟 本 身 具 有 工 作 過 程 所 需 的 電 動 勢, 形 成 心 臟 各 個 區 域 按 正 確 順 序 有 節 奏 運 動 的 控 制 電 信 號 這 個 電 信 號 的 平 均 電 壓 為 1~1.6mV, 心 臟 的 一 個 博 動 周 期 約 為 0.75s 當 通 過 人 體 的 觸 電 電 流 和 通 過 時 間 超 過 某 個 限 值 時, 心 臟 正 常 博 動 的 電 信 號 便 受 到 干 擾 而 被 打 亂 這 樣, 心 臟 便 不 能 再 進 行 強 有 力 的 收 縮 而 出 現 心 肌 震 動, 這 就 是 醫 學 上 所 稱 的 心 室 纖 維 顫 動 若 這 種 顫 動 不 及 時 消 除, 很 快 會 導 致 心 臟 停 搏, 造 成 死 亡 用 高 壓 電 脈 消 除 顫 動 的 裝 置 稱 為 心 臟 除 顫 器 低 壓 情 況 下 (110 or 230 V ), 工 頻 電 流 (60Hz) 引 起 心 室 纖 維 顫 動 的 最 低 電 流 是 60mA,

255 對於直流電則需要 mA 如果觸電電流直接流經心臟 則大約 1mA 的電流 DC or AC 就可能導致心室纖維顫動 神經干擾 電流能干擾神經控制 尤其是對心臟和肺的控制 因為神經元的神經控制 基於電荷 電流 傳遞 經歷多次觸電事故或嚴重觸電事故而倖免於死的人 事實證明會遺 留下神經系統疾病 觸電電流迴路經過心臟時 當電流達到某值 會使人立刻喪失意識 治療 如果遇到觸電情況 要沉著冷靜 迅速果斷地採取應急措施 針對不同的傷情 採取 相應的急救方法 爭分奪秒地搶救 直到醫護人員到來 觸電急救的要點是動作迅速 救護得法 發現有人觸電 首先要使觸電者儘快脫離電 源 然後根據具體情況 進行相應的救治 1.脫離電源 (1)如開關箱在附近 可立即拉下閘刀或拔掉插頭 斷開電源 (2)如距離閘刀較遠 應迅速用絕緣良好的電工鉗或有乾燥木柄的利器(刀 斧 鍬等) 砍斷電線 或用乾燥的木棒 竹竿 硬塑料管等物迅速將電線撥離觸電者 (3)若現場無任何合適的絕緣物可利用 救護人員亦可用幾層乾燥的衣服將手包裹好 站在乾燥的木板上 拉觸電者的衣服 使其脫離電源 (4)對高壓觸電 應立即通知有關部門停電 或迅速拉下開關 或由有經驗的人採取特 殊措施切斷電源 2.對症救治 對於觸電者 可按以下三種情況分別處理 (1)對觸電後神志清醒者 要有專人照顧 觀察 情況穩定後 方可正常活動 對輕度 昏迷或呼吸微弱者 可針刺或掐人中 十宣 湧泉等穴位 並送醫院救治 (2)對觸電後無呼吸但心臟有跳動者 應立即採用口對口人工呼吸 對有呼吸但心臟停 止跳動者 則應立刻進行胸外心臟擠壓法進行搶救 (3)如觸電者心跳和呼吸都已停止 則須同時採取人工呼吸和俯臥壓背法 仰臥壓胸法 心臟擠壓法等措施交替進行搶救 俯臥壓背法 被救者俯臥 頭偏向一側 一臂彎曲墊於頭下 救護者兩腿分開 跪跨於 病人大腿兩側 兩臂伸直 兩手掌心放在病人背部 拇指靠近脊柱 四指向外緊貼肋骨 以

256 身體重量壓迫病人背部 然後身體向後 兩手放鬆 使病人胸部自然擴張 空氣進入肺部 按照上述方法重複操作 每分鐘 次 仰臥壓胸法 被救者仰臥 背後放上一個枕墊 使胸部突出 兩手伸直 頭側向一邊 救護者兩腿分開 跪跨在病人大腿上部兩側 面對病人頭部 兩手掌心壓放在病人的胸部 大拇指向上 四指伸開 自然壓迫病人胸部 肺中的空氣被壓出 然後把手放鬆 病人胸部 依其彈性自然擴張 空氣進入肺內 這樣反覆進行 每分鐘 次 心臟擠壓法 觸電者心跳停止時 必須立即用心臟擠壓法進行搶救 具體方法如下 (1)將觸電者衣服解開 使其仰臥在地板上 頭向後仰 姿勢與口對口人工呼吸法相同 (2)救護者跪跨在觸電者的腰部兩側 兩手相疊 手掌根部放在觸電者心口窩上方 胸 骨下 1/3 處 (3)掌根用力垂直向下 向脊背方向擠壓 對成人應壓陷 3 4cm 每秒鐘擠壓 1 次 每分鐘擠壓 60 次為宜 (4)擠壓後 掌根迅速全部放鬆 讓觸電者胸部自動復原 每次放鬆時掌根不必完全離 開胸部 上述步驟反覆操作 如果觸電者的呼吸和心跳都停止了 應同時進行口對口人工呼吸 和胸外心臟擠壓 如果現場僅一人搶救 兩種方法應交替進行 每次吹氣 2 3 次 再擠壓 次 預防 物理預防措施 (1)直接觸電的預防 直接觸電的預防措施有以下 3 種 絕緣措施 良好的絕緣是保證電力設備和線路正常運行的必要條件 是防止觸電事故 的重要措施 選用絕緣材料必須與電力設備的工作電壓 工作環境和運行條件相適應 不同 的設備或電路對絕緣電阻的要求不同 例如 新裝或大修後的低壓設備和線路 絕緣電阻不 應低於 0.5MΩ 運行中的線路和設備 絕緣電阻要求每伏工作電壓 lkω 以上 高壓線路和 設備的絕緣電阻不低於每伏 1000MΩ 屏護措施 採用屏護裝置 如常用電器的絕緣外殼 金屬網罩 金屬外殼 變壓器的 遮欄 柵欄等將帶電體與外界隔絕開來 以杜絕不安全因素 凡是金屬材料製作的屏護裝置 應妥善接地或接零

257 間距措施 為防止人體觸及或過分接近帶電體 在帶電體與地面之間 帶電體與其他 設備之間 應保持一定的安全間距 安全間距的大小取決於電壓的高低 設備類型 安裝方 式等因素 (2)間接觸電的預防 間接觸電的預防措施有以下 3 種 加強絕緣 對電力設備或線路採取雙重絕緣的措施 可使設備或線路絕緣牢固 不易 損壞 即使工作絕緣損壞 還有一層加強絕緣 不致發生金屬導體裸露造成間接觸電 電力隔離 採用隔離變壓器或具有同等隔離作用的發電機 使電力線路和設備的帶電 部分處於懸浮狀態 即使線路或設備的工作絕緣損壞 人站在地面上與之接觸也不易觸電 必須注意 被隔離迴路的電壓不得超過 500V 其帶電部分不能與其他電力迴路或大地 相連 自動斷電保護 在帶電線路或設備上採取漏電保護 過流保護 過壓或欠壓保護 短 路保護 接零保護等自動斷電措施 當發生觸電事故時 在規定時間內能自動切斷電源起到 保護作用 其他預防措施 1 加強用電管理 建立健全安全工作規程和制度 並嚴格執行 2 使用 維護 檢修電力設備 嚴格遵守有關安全規程和操作規程 3 盡量不進行帶電作業 特別在危險場所 如高溫 潮濕地點 嚴禁帶電工作 必須帶電工作時 應使用各種安全防護工具 如使用絕緣棒 絕緣鉗和必要的儀錶 戴絕緣 手套 穿絕緣靴等 並設專人監護 4 對各種電力設備按規定進行定期檢查 如發現絕緣損壞 漏電和其他故障 應及 時處理 對不能修復的設備 不可使用其帶 病 進行 應予以更換 5 根據生產現場情況 在不宜使用 伏電壓的場所 應使用 伏的 安全電壓 6 禁止非電工人員亂裝亂拆電力設備 更不得亂接導線 7 加強技術培訓 普及安全用電知識 開展以預防為主的反事故演習 主要论述了 PLC 控制系统的发展方向 应用领域 以及 PLC 系统自身的一些特点 并重点论述了其在安装 使用过程中的注意事项和对系统 设备 环境的要求 标准 分析了 PLC 在实际使用过程中出现的一些常 见问题 为 PLC 系统今后的应用和普及总结出经验和方法 关键词 PLC 抗干扰 布线 接地 控制系统 开关量 模拟量

258 多 年 来 可 编 程 控 制 器 ( 以 下 简 称 PLC) 从 其 产 生 到 现 在, 实 现 了 接 线 逻 辑 到 存 储 逻 辑 的 飞 跃 ; 其 功 能 从 弱 到 强, 实 现 了 逻 辑 控 制 到 数 字 控 制 的 进 步 ; 其 应 用 领 域 从 小 到 大, 实 现 了 单 体 设 备 简 单 控 制 到 胜 任 运 动 控 制 过 程 控 制 及 集 散 控 制 等 各 种 任 务 的 跨 越 今 天 的 PLC 在 处 理 模 拟 量 数 字 运 算 人 机 接 口 和 网 络 的 各 方 面 能 力 都 已 大 幅 提 高, 成 为 工 业 控 制 领 域 的 主 流 控 制 设 备, 在 各 行 各 业 发 挥 着 越 来 越 大 的 作 用 1 PLC 的 应 用 领 域 目 前 PLC 在 国 内 外 已 广 泛 应 用 于 钢 铁 石 油 化 工 电 力 建 材 机 械 制 造 汽 车 轻 纺 交 通 运 输 环 保 及 文 化 娱 乐 等 各 个 行 业 在 运 城 电 厂 主 要 有 化 学 制 水 生 活 污 水 处 理 工 业 废 水 处 理 凝 结 水 精 处 理 等 有 关 PLC 的 使 用 情 况 主 要 分 为 如 下 几 类 1.1 开 关 量 逻 辑 控 制 取 代 传 统 的 继 电 器 电 路, 实 现 逻 辑 控 制 顺 序 控 制, 既 可 用 于 单 台 设 备 的 控 制, 也 可 用 于 多 机 群 控 如 水 泵 的 启 停 阀 门 的 开 关 制 水 系 统 顺 控 干 除 灰 系 统 等 1.2 工 业 过 程 控 制 在 工 业 生 产 过 程 当 中, 存 在 一 些 如 温 度 压 力 流 量 液 位 和 速 度 等 连 续 变 化 的 量 ( 即 模 拟 量 ), PLC 采 用 相 应 的 A/D 和 D/A 转 换 模 块 及 各 种 各 样 的 控 制 算 法 程 序 来 处 理 模 拟 量, 完 成 闭 环 控 制 PID 调 节 是 一 般 闭 环 控 制 系 统 中 用 得 较 多 的 一 种 调 节 方 法 过 程 控 制 在 冶 金 化 工 等 场 合 有 非 常 广 泛 的 应 用, 运 城 电 厂 主 要 应 用 在 中 央 空 调 采 暖 加 热 系 统 1.3 运 动 控 制 PLC 可 以 用 于 圆 周 运 动 或 直 线 运 动 的 控 制 一 般 使 用 专 用 的 运 动 控 制 模 块, 如 可 驱 动 步 进 电 机 或 伺 服 电 机 的 单 轴 或 多 轴 位 置 控 制 模 块, 广 泛 用 于 各 种 机 械 机 床 机 器 人 电 梯 等 场 合 1.4 数 据 处 理 PLC 具 有 数 学 运 算 ( 含 矩 阵 运 算 函 数 运 算 逻 辑 运 算 ) 数 据 传 送 数 据 转 换 排 序 查 表 等 功 能, 可 以 完 成 数 据 的 采 集, 分 析 及 处 理 1.5 通 信 及 联 网 PLC 通 信 含 PLC 间 的 通 信 及 PLC 与 其 他 智 能 设 备 间 的 通 信 随 着 工 厂 自 动 化 网 络 的 发 展, 现 在 的 PLC 都 具 有 通 信 接 口, 通 信 非 常 方 便

259 2 PLC 的 应 用 特 点 2.1 可 靠 性 高, 抗 干 扰 能 力 强 高 可 靠 性 是 电 气 控 制 设 备 的 关 键 性 能 PLC 由 于 采 用 现 代 大 规 模 集 成 电 路 技 术, 采 用 严 格 的 生 产 工 艺 制 造, 内 部 电 路 采 取 了 先 进 的 抗 干 扰 技 术, 具 有 很 高 的 可 靠 性 使 用 PLC 构 成 控 制 系 统, 和 同 等 规 模 的 继 电 接 触 器 系 统 相 比, 电 气 接 线 及 开 关 接 点 已 减 少 到 数 百 甚 至 数 千 分 之 一, 故 障 也 就 大 大 降 低 此 外, PLC 带 有 硬 件 故 障 自 我 检 测 功 能, 出 现 故 障 时 可 及 时 发 出 警 报 信 息 在 应 用 软 件 中, 应 用 者 还 可 以 编 入 外 围 器 件 的 故 障 自 诊 断 程 序, 使 系 统 中 除 PLC 以 外 的 电 路 及 设 备 也 获 得 故 障 自 诊 断 保 护 这 样, 整 个 系 统 的 可 靠 性 极 高 2.2 配 套 齐 全, 功 能 完 善, 适 用 性 强 PLC 发 展 到 今 天, 已 经 形 成 了 各 种 规 模 的 系 列 化 产 品, 可 以 用 于 各 种 规 模 的 工 业 控 制 场 合 除 了 逻 辑 处 理 功 能 以 外,PLC 大 多 具 有 完 善 的 数 据 运 算 能 力, 可 用 于 各 种 数 字 控 制 领 域 多 种 多 样 的 功 能 单 元 大 量 涌 现, 使 PLC 渗 透 到 了 位 置 控 制 温 度 控 制 CNC 等 各 种 工 业 控 制 中 加 上 PLC 通 信 能 力 的 增 强 及 人 机 界 面 技 术 的 发 展, 使 用 PLC 组 成 各 种 控 制 系 统 变 得 非 常 容 易 2.3 易 学 易 用, 深 受 工 程 技 术 人 员 欢 迎 PLC 是 面 向 工 矿 企 业 的 工 控 设 备 它 接 口 容 易, 编 程 语 言 易 于 为 工 程 技 术 人 员 接 受 梯 形 图 语 言 的 图 形 符 号 与 表 达 方 式 和 继 电 器 电 路 图 相 当 接 近, 为 不 熟 悉 电 子 电 路 不 懂 计 算 机 原 理 和 汇 编 语 言 的 人 从 事 工 业 控 制 打 开 了 方 便 之 门 2.4 系 统 设 计 的 工 作 量 小, 维 护 方 便, 容 易 改 造 (1) 设 计 与 维 护 PLC 用 存 储 逻 辑 代 替 接 线 逻 辑, 大 大 减 少 了 控 制 设 备 外 部 的 接 线, 使 控 制 系 统 设 计 及 建 造 的 周 期 大 为 缩 短, 同 时 日 常 维 护 也 变 得 容 易 起 来, 更 重 要 的 是 使 同 一 设 备 经 过 改 变 程 序 而 改 变 生 产 过 程 成 为 可 能 特 别 适 合 多 品 种 小 批 量 的 生 产 场 合 (2) 安 装 与 布 线 动 力 线 控 制 线 以 及 PLC 的 电 源 线 和 I/O 线 应 分 别 配 线, 隔 离 变 压 器 与 PLC 和 I/O 之 间 应 采 用 双 绞 线 连 接 将 PLC 的 I/O 线 和 大 功 率 线 分 开 走 线, 如 必 须 在 同 一 线 槽 内, 分 开 捆 扎 交 流 线 直 流 线, 若 条 件 允 许, 分 槽 走 线 最 好, 这 不 仅 能 使 其 有 尽 可 能 大 的 空 间 距 离, 并 能 将 干 扰 降 到 最 低 限 度

260 PLC 应 远 离 强 干 扰 源 如 电 焊 机 大 功 率 硅 整 流 装 置 和 大 型 动 力 设 备, 不 能 与 高 压 电 器 安 装 在 同 一 个 开 关 柜 内 在 柜 内 PLC 应 远 离 动 力 线 ( 二 者 之 间 距 离 应 大 于 200 mm) 与 PLC 装 在 同 一 个 柜 子 内 的 电 感 性 负 载, 如 功 率 较 大 的 继 电 器 接 触 器 的 线 圈, 应 并 联 RC 消 弧 电 路 PLC 的 输 入 与 输 出 最 好 采 用 分 开 走 线, 开 关 量 与 模 拟 量 也 要 分 开 敷 设 模 拟 量 信 号 的 传 送 应 采 用 屏 蔽 线, 屏 蔽 层 应 一 端 或 两 端 接 地, 接 地 电 阻 应 小 于 屏 蔽 层 电 阻 的 1/10 交 流 输 出 线 和 直 流 输 出 线 不 要 用 同 一 根 电 缆, 输 出 线 应 尽 量 远 离 高 压 线 和 动 力 线, 避 免 并 行 (3)I/O 端 的 接 线 输 入 接 线 : 输 入 接 线 一 般 不 要 太 长 但 如 果 环 境 干 扰 较 小, 电 压 降 不 大 时, 输 入 接 线 可 适 当 长 些 ; 输 入 / 输 出 线 不 能 用 同 一 根 电 缆, 输 入 / 输 出 线 要 分 开 ; 尽 可 能 采 用 常 开 触 点 形 式 连 接 到 输 入 端, 使 编 制 的 梯 形 图 与 继 电 器 原 理 图 一 致, 便 于 阅 读 输 出 连 接 : 输 出 端 接 线 分 为 独 立 输 出 和 公 共 输 出 在 不 同 组 中, 可 采 用 不 同 类 型 和 电 压 等 级 的 输 出 电 压, 但 在 同 一 组 中 的 输 出 只 能 用 同 一 类 型 同 一 电 压 等 级 的 电 源 由 于 PLC 的 输 出 元 件 被 封 装 在 印 制 电 路 板 上, 并 且 连 接 至 端 子 板, 若 将 连 接 输 出 元 件 的 负 载 短 路, 将 烧 毁 印 制 电 路 板 采 用 继 电 器 输 出 时, 所 承 受 的 电 感 性 负 载 的 大 小, 会 影 响 到 继 电 器 的 使 用 寿 命, 因 此, 使 用 电 感 性 负 载 时 应 合 理 选 择, 或 加 隔 离 继 电 器 PLC 的 输 出 负 载 可 能 产 生 干 扰, 因 此 要 采 取 措 施 加 以 控 制, 如 直 流 输 出 的 续 流 管 保 护, 交 流 输 出 的 阻 容 吸 收 电 路, 晶 体 管 及 双 向 晶 闸 管 输 出 的 旁 路 电 阻 保 护 3 PLC 应 用 中 需 要 注 意 的 问 题 PLC 是 一 种 用 于 工 业 生 产 自 动 化 控 制 的 设 备, 一 般 不 需 要 采 取 什 么 措 施, 就 可 以 直 接 在 工 业 环 境 中 使 用 然 而, 尽 管 有 如 上 所 述 的 可 靠 性 较 高, 抗 干 扰 能 力 较 强, 但 当 生 产 环 境 过 于 恶 劣, 电 磁 干 扰 特 别 强 烈, 或 安 装 使 用 不 当, 就 可 能 造 成 程 序 错 误 或 运 算 错 误, 从 而 产 生 误 输 入 并 引 起 误 输 出, 这 将 会 造 成 设 备 的 失 控 和 误 动 作, 从 而 不 能 保 证 PLC 的 正 常 运 行 要 提 高 PLC 控 制 系 统 可 靠 性, 一 方 面 要 求 PLC 生 产 厂 家 提 高 设 备 的 抗 干 扰 能 力 ; 另 一 方 面, 要 求 设 计 安 装 和 使 用 维 护 中 引 起 高 度 重 视, 多 方 配 合 才 能 完 善 解 决 问 题, 有 效 地 增 强 系 统 的 抗 干 扰 性 能 因 此 在 使 用 中 应 注 意 以 下 问 题 3.1 工 作 环 境 (1) 温 度 :PLC 要 求 环 境 温 度 在 0~55, 安 装 时 不 能 放 在 发 热 量 大 的 元 件 下 面, 四 周 通 风 散 热 的 空 间 应 足 够 大 (2) 湿 度 : 为 了 保 证 PLC 的 绝 缘 性 能, 空 气 的 相 对 湿 度 应 小 于 85%( 无 凝 露 ) (3) 震 动 : 应 使 PLC 远 离 强 烈 的 震 动 源, 防 止 振 动 频 率 为 10~55 Hz 的 频 繁 或 连 续 振 动 当 使 用 环

261 境 不 可 避 免 震 动 时, 必 须 采 取 减 震 措 施, 如 采 用 减 震 胶 (4) 空 气 : 避 免 有 腐 蚀 和 易 燃 的 气 体, 例 如 化 学 的 酸 碱 等 对 于 空 气 中 有 较 多 粉 尘 或 腐 蚀 性 气 体 的 环 境, 可 将 PLC 安 装 在 封 闭 性 较 好 的 控 制 室 或 控 制 柜 中 例 如 电 厂 的 干 排 渣 干 除 灰 等, 在 基 建 后 期 增 加 了 封 闭 小 屋 (5) 电 源 :PLC 对 于 电 源 线 带 来 的 干 扰 具 有 一 定 的 抵 制 能 力 在 可 靠 性 要 求 很 高 或 电 源 干 扰 特 别 严 重 的 环 境 中, 可 以 安 装 一 台 带 屏 蔽 层 的 隔 离 变 压 器, 以 减 少 设 备 与 地 之 间 的 干 扰 一 般 PLC 都 由 直 流 24 V 输 出 提 供 给 输 入 端, 当 输 入 端 使 用 外 接 直 流 电 源 时, 应 选 用 直 流 稳 压 电 源 因 为 普 通 的 整 流 滤 波 电 源, 由 于 纹 波 的 影 响, 容 易 使 PLC 接 收 到 错 误 信 息 3.2 控 制 系 统 中 干 扰 及 其 来 源 现 场 电 磁 干 扰 是 PLC 控 制 系 统 中 最 常 见 也 是 最 易 影 响 系 统 可 靠 性 的 因 素 之 一 (1) 干 扰 源 及 一 般 分 类 影 响 PLC 控 制 系 统 的 干 扰 源, 大 都 产 生 在 电 流 或 电 压 剧 烈 变 化 的 部 位, 其 原 因 是 电 流 改 变 产 生 磁 场, 对 设 备 产 生 电 磁 辐 射 ; 磁 场 改 变 产 生 电 流, 电 磁 高 速 产 生 电 磁 波 通 常 电 磁 干 扰 按 干 扰 模 式 不 同, 分 为 共 模 干 扰 和 差 模 干 扰 共 模 干 扰 是 信 号 对 地 的 电 位 差, 主 要 由 电 网 串 入 地 电 位 差 及 空 间 电 磁 辐 射 在 信 号 线 上 感 应 的 共 态 ( 同 方 向 ) 电 压 叠 加 所 形 成 共 模 电 压 通 过 不 对 称 电 路 可 转 换 成 差 模 电 压, 直 接 影 响 测 控 信 号, 造 成 元 器 件 损 坏 ( 这 就 是 一 些 系 统 I/O 模 件 损 坏 率 较 高 的 主 要 原 因 ), 这 种 共 模 干 扰 可 为 直 流, 亦 可 为 交 流 差 模 干 扰 是 指 作 用 于 信 号 两 极 间 的 干 扰 电 压, 主 要 由 空 间 电 磁 场 在 信 号 间 耦 合 感 应 及 由 不 平 衡 电 路 转 换 共 模 干 扰 所 形 成 的 电 压, 这 种 干 扰 叠 加 在 信 号 上, 直 接 影 响 测 量 与 控 制 精 度 (2)PLC 系 统 中 干 扰 的 主 要 来 源 及 途 径 强 电 干 扰 :PLC 系 统 的 正 常 供 电 电 源 均 由 电 网 供 电 由 于 电 网 覆 盖 范 围 广, 它 将 受 到 所 有 空 间 电 磁 干 扰 而 在 线 路 上 感 应 电 压 尤 其 是 电 网 内 部 的 变 化, 刀 开 关 操 作 浪 涌 大 型 电 力 设 备 起 停 交 直 流 传 动 装 置 引 起 的 谐 波 电 网 短 路 暂 态 冲 击 等, 都 通 过 输 电 线 路 传 到 电 源 原 边 扰 柜 内 干 扰 : 控 制 柜 内 的 高 压 电 器, 大 的 电 感 性 负 载, 混 乱 的 布 线 都 容 易 对 PLC 造 成 一 定 程 度 的 干 来 自 信 号 线 引 入 的 干 扰 : 与 PLC 控 制 系 统 连 接 的 各 类 信 号 传 输 线, 除 了 传 输 有 效 的 各 类 信 息 之 外, 总 会 有 外 部 干 扰 信 号 侵 入 此 干 扰 主 要 有 两 种 途 径 : 一 是 通 过 变 送 器 供 电 电 源 或 共 用 信 号 仪 表 的 供 电 电 源 串 入 的 电 网 干 扰, 这 往 往 被 忽 视 ; 二 是 信 号 线 受 空 间 电 磁 辐 射 感 应 的 干 扰, 即 信 号 线 上 的 外 部 感 应 干 扰, 这 是 很 严 重 的 由 信 号 引 入 干 扰 会 引 起 I/O 信 号 工 作 异 常 和 测 量 精 度 大 大 降 低, 严 重 时 将 引 起 元 器 件 损 伤

262 来 自 接 地 系 统 混 乱 时 的 干 扰 : 接 地 是 提 高 电 子 设 备 电 磁 兼 容 性 (EMC) 的 有 效 手 段 之 一 正 确 的 接 地, 既 能 抑 制 电 磁 干 扰 的 影 响, 又 能 抑 制 设 备 向 外 发 出 干 扰 ; 而 错 误 的 接 地, 反 而 会 引 入 严 重 的 干 扰 信 号, 使 PLC 系 统 将 无 法 正 常 工 作 来 自 PLC 系 统 内 部 的 干 扰 : 主 要 由 系 统 内 部 元 器 件 及 电 路 间 的 相 互 电 磁 辐 射 产 生, 如 逻 辑 电 路 相 互 辐 射 及 其 对 模 拟 电 路 的 影 响, 模 拟 地 与 逻 辑 地 的 相 互 影 响 及 元 器 件 间 的 相 互 不 匹 配 使 用 等 变 频 器 干 扰 : 一 是 变 频 器 启 动 及 运 行 过 程 中 产 生 谐 波 对 电 网 产 生 传 导 干 扰, 引 起 电 网 电 压 畸 变, 影 响 电 网 的 供 电 质 量 ; 二 是 变 频 器 的 输 出 会 产 生 较 强 的 电 磁 辐 射 干 扰, 影 响 周 边 设 备 的 正 常 工 作 3.3 主 要 抗 干 扰 措 施 (1) 电 源 的 合 理 处 理, 抑 制 电 网 引 入 的 干 扰 对 于 电 源 引 入 的 电 网 干 扰 可 以 安 装 一 台 带 屏 蔽 层 的 变 比 为 1:1 的 隔 离 变 压 器, 以 减 少 设 备 与 地 之 间 的 干 扰, 还 可 以 在 电 源 输 入 端 串 接 LC 滤 波 电 路 (2) 正 确 选 择 接 地 点, 完 善 接 地 系 统 良 好 的 接 地 是 保 证 PLC 可 靠 工 作 的 重 要 条 件, 可 以 避 免 偶 然 发 生 的 电 压 冲 击 危 害 接 地 的 目 的 通 常 有 措 施 之 一 两 个, 其 一 为 了 安 全, 其 二 是 为 了 抑 制 干 扰 完 善 的 接 地 系 统 是 PLC 控 制 系 统 抗 电 磁 干 扰 的 重 要 PLC 控 制 系 统 的 地 线 包 括 系 统 地 屏 蔽 地 交 流 地 和 保 护 地 等 接 地 系 统 混 乱 对 PLC 系 统 的 干 扰 主 要 是 各 个 接 地 点 电 位 分 布 不 均, 不 同 接 地 点 间 存 在 地 电 位 差, 引 起 地 环 路 电 流, 影 响 系 统 正 常 工 作 例 如 电 缆 屏 蔽 层 必 须 一 点 接 地, 如 果 电 缆 屏 蔽 层 两 端 A,B 都 接 地, 就 存 在 地 电 位 差, 有 电 流 流 过 屏 蔽 层, 当 发 生 异 常 状 态 如 雷 击 时, 地 线 电 流 将 更 大 此 外, 屏 蔽 层 接 地 线 和 大 地 有 可 能 构 成 闭 合 环 路, 在 变 化 磁 场 的 作 用 下, 屏 蔽 层 内 又 会 出 现 感 应 电 流, 通 过 屏 蔽 层 与 芯 线 之 间 的 耦 合, 干 扰 信 号 回 路 若 系 统 地 与 其 他 接 地 处 理 混 乱, 所 产 生 的 地 环 流 就 可 能 在 地 线 上 产 生 不 等 电 位 分 布, 影 响 PLC 内 逻 辑 电 路 和 模 拟 电 路 的 正 常 工 作 PLC 工 作 的 逻 辑 电 压 干 扰 容 限 较 低, 逻 辑 地 电 位 的 分 布 干 扰 容 易 影 响 PLC 的 逻 辑 运 算 和 数 据 存 储, 造 成 数 据 混 乱 程 序 跑 飞 或 死 机 模 拟 地 电 位 的 分 布 将 导 致 测 量 精 度 下 降, 引 起 对 信 号 测 控 的 严 重 失 真 和 误 动 作 安 全 地 或 电 源 接 地 : 将 电 源 线 接 地 端 和 柜 体 连 线 接 地 为 安 全 接 地 如 电 源 漏 电 或 柜 体 带 电, 可 从 安 全 接 地 导 入 地 下, 不 会 对 人 造 成 伤 害 系 统 接 地 :PLC 控 制 器 为 了 与 所 控 的 各 个 设 备 同 电 位 而 接 地, 叫 系 统 接 地 接 地 电 阻 值 不 得 大 于 4 Ω, 一 般 需 将 PLC 设 备 系 统 地 和 控 制 柜 内 开 关 电 源 负 端 接 在 一 起, 作 为 控 制 系 统 地 信 号 与 屏 蔽 接 地 : 一 般 要 求 信 号 线 必 须 要 有 惟 一 的 参 考 地 即 单 点 接 地, 屏 蔽 电 缆 遇 到 有 可 能 产 生 传 导 干 扰 的 场 合, 也 要 在 就 地 或 者 控 制 室 唯 一 接 地, 防 止 形 成 地 环 路 信 号 源 接 地 时, 屏 蔽 层 应 在 信

263 号 侧 接 地 ; 不 接 地 时, 应 在 PLC 侧 接 地 ; 信 号 线 中 间 有 接 头 时, 屏 蔽 层 应 牢 固 连 接 并 进 行 绝 缘 处 理, 一 定 要 避 免 多 点 接 地 ; 多 个 测 点 信 号 的 屏 蔽 双 绞 线 与 多 芯 对 绞 总 屏 蔽 电 缆 连 接 时, 各 屏 蔽 层 应 相 互 连 接 好, 并 经 绝 缘 处 理, 选 择 适 当 的 接 地 处 单 点 接 点 (3) 对 变 频 器 干 扰 的 抑 制 变 频 器 的 干 扰 处 理 一 般 有 下 面 几 种 方 式 : 加 隔 离 变 压 器, 主 要 是 针 对 来 自 电 源 的 传 导 干 扰, 可 以 将 绝 大 部 分 的 传 导 干 扰 阻 隔 在 隔 离 变 压 器 之 前 ; 使 用 滤 波 器, 滤 波 器 具 有 较 强 的 抗 于 扰 能 力, 还 具 有 防 止 将 设 备 本 身 的 干 扰 传 导 给 电 源, 有 些 还 兼 有 尖 峰 电 压 吸 收 功 能 ; 使 用 输 出 电 抗 器, 在 变 频 器 到 电 动 机 之 间 增 加 交 流 电 抗 器 主 要 是 减 少 变 频 器 输 出 在 能 量 传 输 过 程 中 线 路 产 生 电 磁 辐 射, 影 响 其 他 设 备 正 常 工 作 4 结 论 PLC 控 制 系 统 中 的 干 扰 是 一 个 十 分 复 杂 的 问 题, 因 此 在 抗 干 扰 设 计 中 应 综 合 考 虑 各 方 面 的 因 素, 合 理 有 效 地 抑 制 抗 干 扰, 才 能 够 使 PLC 控 制 系 统 正 常 工 作 随 着 PLC 应 用 领 域 的 不 断 拓 宽, 如 何 高 效 可 靠 的 使 用 PLC 也 成 为 其 发 展 的 重 要 因 素 将 来,PLC 会 有 更 大 的 发 展, 产 品 的 品 种 会 更 丰 富 规 格 更 齐 全, 通 过 完 美 的 人 机 界 面 完 备 的 通 信 设 备 会 更 好 地 适 应 各 种 工 业 控 制 场 合 的 需 求,PLC 作 为 自 动 化 控 制 网 络 和 国 际 通 用 网 络 的 重 要 组 成 部 分, 将 在 工 业 控 制 领 域 发 挥 越 来 越 大 的 作 (1) 电 源 的 合 理 处 理, 抑 制 电 网 引 入 的 干 扰 对 于 电 源 引 入 的 电 网 干 扰 可 以 安 装 一 台 带 屏 蔽 层 的 变 比 为 1:1 的 隔 离 变 压 器, 以 减 少 设 备 与 地 之 间 的 干 扰, 还 可 以 在 电 源 输 入 端 串 接 LC 滤 波 电 路 (2) 正 确 选 择 接 地 点, 完 善 接 地 系 统 良 好 的 接 地 是 保 证 PLC 可 靠 工 作 的 重 要 条 件, 可 以 避 免 偶 然 发 生 的 电 压 冲 击 危 害 接 地 的 目 的 通 常 有 两 个, 其 一 为 了 安 全, 其 二 是 为 了 抑 制 干 扰 完 善 的 接 地 系 统 是 PLC 控 制 系 统 抗 电 磁 干 扰 的 重 要 措 施 之 一 PLC 控 制 系 统 的 地 线 包 括 系 统 地 屏 蔽 地 交 流 地 和 保 护 地 等 接 地 系 统 混 乱 对 PLC 系 统 的 干 扰 主 要 是 各 个 接 地 点 电 位 分 布 不 均, 不 同 接 地 点 间 存 在 地 电 位 差, 引 起 地 环 路 电 流, 影 响 系 统 正 常 工 作 例 如 电 缆 屏 蔽 层 必 须 一 点 接 地, 如 果 电 缆 屏 蔽 层 两 端 A,B 都 接 地, 就 存 在 地 电 位 差, 有 电 流 流 过 屏 蔽 层, 当 发 生 异 常 状 态 如 雷 击 时, 地 线 电 流 将 更 大 此 外, 屏 蔽 层 接 地 线 和 大 地 有 可 能 构 成 闭 合 环 路, 在 变 化 磁 场 的 作 用 下, 屏 蔽 层 内 又 会 出 现 感 应 电 流, 通 过 屏 蔽 层 与 芯 线 之 间 的 耦 合, 干 扰 信 号 回 路 若 系 统 地 与 其 他 接 地 处 理 混 乱, 所 产 生 的 地 环 流 就 可 能 在 地 线 上 产 生 不 等 电 位 分 布, 影 响 PLC 内 逻 辑 电 路 和 模 拟 电 路 的 正 常 工 作 PLC 工 作 的 逻 辑 电 压 干 扰 容 限 较 低, 逻 辑 地 电 位 的 分 布 干 扰 容 易 影 响 PLC 的 逻 辑 运 算 和 数 据 存 储, 造 成 数 据 混 乱 程 序 跑 飞 或 死 机 模 拟 地 电 位 的 分 布 将 导 致 测 量 精 度 下 降, 引 起 对 信 号 测 控 的 严 重 失 真 和 误 动

264 作 安 全 地 或 电 源 接 地 : 将 电 源 线 接 地 端 和 柜 体 连 线 接 地 为 安 全 接 地 如 电 源 漏 电 或 柜 体 带 电, 可 从 安 全 接 地 导 入 地 下, 不 会 对 人 造 成 伤 害 系 统 接 地 :PLC 控 制 器 为 了 与 所 控 的 各 个 设 备 同 电 位 而 接 地, 叫 系 统 接 地 接 地 电 阻 值 不 得 大 于 4 Ω, 一 般 需 将 PLC 设 备 系 统 地 和 控 制 柜 内 开 关 电 源 负 端 接 在 一 起, 作 为 控 制 系 统 地 信 号 与 屏 蔽 接 地 : 一 般 要 求 信 号 线 必 须 要 有 惟 一 的 参 考 地 即 单 点 接 地, 屏 蔽 电 缆 遇 到 有 可 能 产 生 传 导 干 扰 的 场 合, 也 要 在 就 地 或 者 控 制 室 唯 一 接 地, 防 止 形 成 地 环 路 信 号 源 接 地 时, 屏 蔽 层 应 在 信 号 侧 接 地 ; 不 接 地 时, 应 在 PLC 侧 接 地 ; 信 号 线 中 间 有 接 头 时, 屏 蔽 层 应 牢 固 连 接 并 进 行 绝 缘 处 理, 一 定 要 避 免 多 点 接 地 ; 多 个 测 点 信 号 的 屏 蔽 双 绞 线 与 多 芯 对 绞 总 屏 蔽 电 缆 连 接 时, 各 屏 蔽 层 应 相 互 连 接 好, 并 经 绝 缘 处 理, 选 择 适 当 的 接 地 处 单 点 接 点 (3) 对 变 频 器 干 扰 的 抑 制 变 频 器 的 干 扰 处 理 一 般 有 下 面 几 种 方 式 : 加 隔 离 变 压 器, 主 要 是 针 对 来 自 电 源 的 传 导 干 扰, 可 以 将 绝 大 部 分 的 传 导 干 扰 阻 隔 在 隔 离 变 压 器 之 前 ; 使 用 滤 波 器, 滤 波 器 具 有 较 强 的 抗 于 扰 能 力, 还 具 有 防 止 将 设 备 本 身 的 干 扰 传 导 给 电 源, 有 些 还 兼 有 尖 峰 电 压 吸 收 功 能 ; 使 用 输 出 电 抗 器, 在 变 频 器 到 电 动 机 之 间 增 加 交 流 电 抗 器 主 要 是 减 少 变 频 器 输 出 在 能 量 传 输 过 程 中 线 路 产 生 电 磁 辐 射, 影 响 其 他 设 备 正 常 工 作 任 何 一 种 继 电 器 控 制 系 统 是 由 三 个 部 分 组 成 的, 即 输 入 部 分, 逻 辑 部 分, 输 出 部 分, 其 中 输 入 部 分 是 指 各 类 按 钮 开 关 等 ; 逻 辑 部 分 是 指 由 各 种 继 电 器 及 其 触 点 组 成 的 实 现 一 定 逻 辑 功 能 的 控 制 线 路 ; 输 出 部 分 是 指 各 种 电 磁 阀 线 圈, 接 通 电 动 机 的 各 种 接 触 器 以 及 信 号 指 示 灯 等 执 行 电 器 如 图 1 所 示, 是 一 种 简 单 的 继 电 器 控 制 系 统

265 图 1 指 示 灯 控 图 中 X1 X2 是 两 个 按 钮 开 关,Y1 Y2 是 两 个 继 电 器,T1 是 时 间 继 电 器 其 工 作 是 过 程 是 : 当 X1 X2 任 何 一 个 按 钮 按 下, 线 圈 Y1 接 通,Y1 的 常 开 触 点 闭 合, 指 示 灯 红 灯 亮 此 时 时 间 继 电 器 T1 同 时 接 通 并 开 始 延 时, 当 延 时 到 2S 后, 线 圈 Y2 接 通, 常 开 触 点 闭 合, 绿 灯 亮 从 上 面 这 个 例 子 可 以 知 道, 继 电 器 控 制 系 统 是 根 据 各 种 输 入 条 件 去 执 行 逻 辑 控 制 线 路, 这 些 逻 辑 控 制 线 路 是 根 据 控 制 对 象 的 需 要 以 某 种 固 定 的 线 路 连 接 好 的, 所 以 不 能 灵 活 变 更 和 继 电 器 控 制 系 统 类 似,PLC 也 是 由 输 入 部 分 逻 辑 部 分 和 输 出 部 分 组 成 如 图 2 所 示 : 各 部 分 的 主 要 作 用 是 : 输 入 部 分 : 收 集 并 保 存 被 控 对 象 实 际 运 行 的 数 据 的 信 息 ( 被 控 对 象 上 的 各 种 开 关 量 信 息 或 操 作 命 令 等 ) 逻 辑 部 分 : 处 理 输 入 部 分 报 取 得 的 信 息, 并 按 照 被 控 对 象 的 实 际 动 作 要 求 正 确 的 反 映 输 出 部 分 : 提 供 正 在 被 控 制 的 装 置 中, 哪 几 个 设 备 需 要 实 施 操 作 处 理 用 户 程 序 通 过 编 程 器 或 其 它 输 入 设 备 输 入 并 存 放 在 PLC 的 用 户 存 储 器 中

266 当 PLC 开 始 运 行 时,CPU 根 据 系 统 监 控 程 序 的 规 定 顺 序, 通 过 扫 描, 完 成 各 输 入 点 的 状 态 采 集 或 输 入 数 据 采 集 用 户 程 序 的 执 行 各 输 出 点 状 态 更 新 编 程 器 键 入 响 应 和 显 示 更 新 及 CPU 自 检 等 功 能 PLC 扫 描 既 可 按 固 定 的 程 序 进 行, 也 可 按 用 户 程 序 规 定 的 可 变 顺 序 进 行 PLC 采 用 集 中 采 样 集 中 输 出 的 工 作 方 式, 减 少 了 外 界 的 干 扰 由 以 上 分 析, 可 以 把 PLC 的 工 作 过 程 为 三 个 阶 段, 即 输 入 采 样 阶 段 程 序 执 行 阶 段 和 输 出 刷 新 阶 段 (1) 输 入 采 样 阶 段 PLC 在 输 入 采 样 阶 段, 首 先 扫 描 所 有 输 入 端 子, 并 将 各 输 入 存 入 内 存 中 各 对 应 的 输 入 映 象 寄 存 器 此 时, 输 入 映 象 寄 存 器 被 刷 新 接 着 进 入 程 序 执 阶 段, 在 程 序 执 行 阶 段 或 输 出 阶 段, 输 入 映 象 寄 存 器 与 外 界 隔 离, 无 论 信 号 如 何 变 化, 其 内 容 保 持 不 变 直 到 下 一 个 扫 描 周 期 的 输 入 采 样 阶 段, 才 重 新 写 入 输 入 端 的 新 内 容 (2) 程 序 执 行 阶 段 根 据 PLC 的 程 序 扫 描 原 则,PLC 先 左 后 右, 先 上 后 下 的 步 序 语 句 逐 句 扫 描 当 指 令 涉 及 到 输 入 输 出 状 态 时,PLC 从 输 入 映 象 寄 存 器 中 读 入 对 应 输 入 映 象 寄 存 器 的 当 前 状 态, 然 后, 进 行 相 应 的 运 算, 运 算 结 果 再 存 入 元 件 映 象 寄 存 器 中, 对 元 件 映 象 寄 存 器 来 说, 每 一 个 元 件 会 随 着 程 序 执 行 过 程 而 变 化 (3) 输 出 刷 新 阶 段 在 所 有 指 令 执 行 完 毕 后, 输 出 映 象 寄 存 器 中 所 有 输 出 继 电 器 的 状 态 在 输 出 刷 新 阶 段 转 存 到 输 出 锁 存 寄 存 器 中, 通 过 一 定 方 式 输 出, 驱 动 外 部 负 载 采 用 集 中 采 样, 集 中 输 出 工 作 方 式 的 特 点 是 : 在 采 样 周 期 中, 将 所 有 输 入 信 号 ( 不 管 该 信 号 当 时 是 否 采 用 ), 一 起 读 入, 此 后 在 整 个 程 序 处 理 过 程 中 PLC 系 统 与 外 界 隔 绝, 直 到 输 出 控 制 信 号 到 下 一 个 工 作 周 期 再 与 外 界 交 涉, 从 根 本 上 提 高 了 系 统 的 抗 干 扰 扰 提 高 了 工 作 的 可 靠

267 性 PLC 在 输 入 输 出 的 处 理 方 面 必 须 尊 守 以 下 原 则 : 1 输 入 映 象 寄 存 器 的 数 据, 取 决 于 输 入 端 子 板 上 各 输 入 端 子 在 上 一 个 周 期 间 的 接 通 断 开 状 态 2 程 序 如 何 执 行 取 决 于 用 户 所 编 程 序 和 输 入 输 出 映 象 寄 存 器 的 内 容 3 输 出 映 象 寄 存 器 的 数 据 取 决 于 输 出 指 令 的 执 行 结 果 4 输 出 锁 存 器 中 的 数 据, 由 上 一 次 输 出 刷 新 期 间 输 出 映 象 寄 存 器 中 数 据 决 定 5 输 出 端 子 的 接 通 断 开 状 态, 由 输 出 锁 存 器 决 定 PLC 主 要 由 CPU 模 块 输 入 模 块 输 出 模 块 和 编 程 器 组 成 ( 见 图 1), 有 的 PLC 还 可 以 配 备 特 殊 功 能 模 块, 用 来 完 成 某 些 特 殊 的 任 务

268 1.CPU 模 块 CPU 模 块 主 要 由 微 处 理 器 (CPU 芯 片 ) 和 存 储 器 组 成 在 PLC 控 制 系 统 中 厂 CPU 模 块 相 当 于 人 的 大 脑, 它 不 断 地 采 集 输 入 信 号, 执 行 用 户 程 序, 刷 新 系 统 的 输 出 ; 存 储 器 用 来 储 存 程 序 和 数 据 2.I/O 模 块 输 入 (1nput) 模 块 和 输 出 (Output) 模 块 简 称 为 I/O 模 块, 它 们 是 系 统 的 眼 耳 手 脚, 是 联 系 外 部 现 场 设 备 和 CPU 模 块 的 桥 梁 输 入 模 块 用 来 接 收 和 采 集 输 入 信 号, 开 关 量 输 入 模 块 用 来 接 收 从 按 钮 ; 选 择 开 关 数 字 拨 码 开 关 限 位 开 关 接 近 开 关 光 电 开 关 压 力 继 电 器 等 过 来 的 开 关 量 输 入 信 号 ; 模 拟 量 输 入 模 块 用 来 接 收 电 位 器 测 速 发 电 机 和 各 种 变 送 器 提 供 的 连 续 变 化 的 模 拟 量 电 流 电 压 信 号 开 关 量 输 出 模 块 用 来 控 制 接 触 器 电 磁 阀 电 磁 铁 指 示 灯 数 字 显 示 装 置 和 报 警 装 置 等 输 出 设 备, 模 拟 量 输 出 模 块 月 手 来 控 制 调 节 阀 变 频 器 等 执 行 装 置 图 1 PLC 控 制 系 统 示 意 图 CPU 模 块 的 工 作 电 压 一 般 是 5V, 而 PLC 的 输 入 / 输 出 信 号 电 压 一 般 较 高, 如 直 流 24V 和 交 流 220V 从 外 部 引 入 的 尖 峰 电 压 和 干 扰 噪 声 可 能 损 坏 CPU 模 块 中 的 元 器 件, 或 使 PLC 不 能 正 常 工 作 在 I/O 模 块 中, 用 光 耦 合 器 光 电 晶 闸 管 小 型 继 电 器 等 器 件 来 隔 离 PLC 的 内 部 电 路 和 外 部 的 I/O 电 路,I/O 模 块 除 了 传 递 信 号 外, 还 有 电 平 转 换 与 隔 离 的 作 用 3. 编 程 器 编 程 器 用 来 生 成 用 户 程 序, 并 用 它 进 行 编 辑 检 查 修 改 和 监 视 用 户 程 序 的 执 行 情 况 手 持 式 编 程 器 不 能 直 接 输 入 和 编 辑 梯 形 图, 只 能 输 入 和 编 辑 指 令 表 程 序, 因 此 又 叫 做 指 令 编 程 器 它 的 体 积 小, 价 格

269 便 宜, 一 般 用 来 给 小 型 PLC 编 程, 或 者 用 于 现 场 调 试 和 维 护 使 用 编 程 软 件 可 以 在 计 算 机 的 屏 幕 上 直 接 生 成 和 编 辑 梯 形 图 指 令 表 功 能 块 图 和 顺 序 功 能 图 程 序, 并 可 以 实 现 不 同 编 程 语 言 的 相 互 转 换 程 序 被 编 译 后 下 载 到 PLC, 也 可 以 将 PLC 中 的 程 序 上 传 到 计 算 机 程 序 可 以 存 盘 或 打 印, 通 过 网 络, 还 可 以 实 现 远 程 编 程 和 传 送 4. 电 源 PLC 一 般 使 用 220V 交 流 电 源 或 24V 直 流 电 源 内 部 的 开 关 电 源 为 各 模 块 提 供 DC 5V,±12V,24V 等 直 流 电 源 小 型 PLC 一 般 都 可 以 为 输 入 电 路 和 外 部 的 电 子 传 感 器 ( 如 接 近 开 关 ) 提 供 24V 直 流 电 源, 驱 动 PLC 负 载 的 直 流 电 源 一 般 由 用 户 提 供 整 体 式 PLC 又 叫 做 单 元 式 或 箱 体 式 PLC,CPU 模 块 I/O 模 块 和 电 源 装 在 一 个 箱 状 机 壳 内, 结 构 非 常 紧 凑 它 的 体 积 小 价 格 低, 小 型 PLC 一 般 采 用 整 体 式 结 构 图 1 是 三 菱 公 司 的 FX1S 系 列 PLC 整 体 式 PLC 提 供 多 种 不 同 I/O 点 数 的 基 本 单 元 和 扩 展 单 元 供 用 户 选 用, 基 本 单 元 内 有 CPU 模 块 I/O 模 块 和 电 源, 扩 展 单 元 内 只 有 I/O 模 块 和 电 源, 基 本 单 元 和 扩 展 单 元 之 间 用 扁 平 电 缆 连 接 各 单 元 的 输 入 点 与 输 出 点 的 比 例 一 般 是 固 定 的, 有 的 PLC 有 全 输 入 型 和 全 输 出 型 的 扩 展 单 元 选 择 不 同 的 基 本 单 元 和 扩 展 单 元, 可 以 满 足 用 户 的 不 同 要 求

270 图 1 整 体 式 PLC 整 体 式 PLC 一 般 配 备 有 许 多 专 用 的 特 殊 功 能 单 元, 如 模 拟 量 I /O 单 元 位 置 控 制 单 元 和 通 信 单 元 等, 使 PLC 的 功 能 得 到 扩 展 FX 系 列 的 基 本 单 元 扩 展 单 元 和 扩 展 模 块 的 高 度 和 深 度 相 同, 但 是 宽 度 不 同 它 们 不 用 基 板, 各 模 块 可 用 底 部 自 带 的 卡 子 卡 在 DIN 导 轨 上, 两 个 相 邻 的 单 元 或 模 块 之 间 用 扁 平 电 缆 连 接, 安 装 好 后 组 成 一 个 整 齐 的 长 方 体 图 1 PLC 硬 件 系 统 的 简 化 框 图 可 编 程 控 制 器 的 构 成 框 图 和 计 算 机 是 一 样 的, 都 由 中 央 处 理 器 (CPU) 存 贮 器 和 输 入 / 输 出 接 口 等 构 成 因 此, 从 硬 件 结 构 来 说, 可 编 程 控 制 器 实 际 上 就 是 计 算 机, 图 1 是 其 硬 件 系 统 的 简 化 框 图 从 图 中 可 以 看 出 PLC 内 部 主 要 部 件 有 : (1)CPU(Central Process Unit)

271 CPU 是 PLC 的 核 心 组 成 部 分, 与 通 用 微 机 的 CPU 一 样, 它 在 PLC 系 统 中 的 作 用 类 似 于 人 体 的 神 经 中 枢, 故 称 为 电 脑 其 功 能 是 : a 按 PLC 中 系 统 程 序 赋 予 的 功 能, 接 收 并 存 储 从 编 程 器 输 入 的 用 户 程 序 和 数 据 b 用 扫 描 方 式 接 收 现 场 输 入 装 置 的 状 态 式 数 据, 并 存 入 映 象 寄 存 器 或 数 据 寄 存 器 中 c 诊 断 电 源 PLC 内 部 电 路 的 工 作 状 态 和 编 程 过 程 中 的 语 法 错 误 d 在 PLC 进 入 运 行 状 态 后, 从 存 储 器 中 逐 条 读 取 用 户 程 序, 经 过 命 令 解 释 后 按 指 令 规 定 的 任 务, 产 生 相 应 的 信 号, 去 启 闭 有 关 控 制 门 电 路 分 时 分 渠 道 地 去 执 行 数 据 的 存 取 传 送 组 合 比 较 和 变 换 等 操 作, 完 成 用 户 程 序 中 规 定 的 逻 辑 式 算 术 运 算 等 任 务 根 据 运 算 结 果, 更 新 有 关 标 志 位 的 状 态 和 输 出 映 象 寄 存 器 的 内 容, 再 由 输 出 映 象 寄 存 器 的 位 状 态 式 数 据 寄 存 器 的 有 关 内 容, 实 现 输 出 控 制 制 表 打 印 式 数 据 通 讯 等 PLC 常 用 的 CPU 主 要 采 用 通 用 微 处 理 器 单 片 机 或 双 极 型 位 片 式 微 处 理 器 通 用 的 微 处 理 器 常 用 的 是 8 位 机 和 16 位 机, 如 Z80A M6800 M6809 M68000 等 单 片 机 常 用 的 有 等 双 极 型 位 片 式 微 处 理 器 常 用 的 有 AMD2900 AMD2903 等 1 用 通 用 微 处 理 器 作 CPU 在 低 档 PLC 中, 用 Z80A 做 CPU 较 为 普 遍,Z80A 用 于 PLC 有 如 下 长 处 : Z80 ( 或 Z80A)CPU 及 其 配 套 的 芯 片 廉 价 普 及 通 用, 用 这 套 芯 片 制 成 的 PC, 给 维 修 及 推 广 普 及 带 来 方 便 Z80 有 独 立 的 输 入 / 输 出 指 令, 而 且 指 令 格 式 较 短, 执 行 时 间 也 较 短, 这 样 有 利 于 扫 描 周 期 的 缩 短 Z80 输 入 / 输 出 指 令 格 式 较 短, 相 应 的 输 入 / 输 出 设 备 编 码 也 较 短, 所 以 相 应 的 译 码 硬 件 器 较 简 单 由 于 Z80 的 信 息 是 采 用 输 入 / 输 出 映 射 方 式, 因 而 设 计 流 程 序 时, 对 输 入 / 输 出 与 存 储 器 寻 址 容 易 区 别 2 用 单 片 机 作 CPU 自 从 1974 年 出 现 单 片 机 以 来, 已 有 不 少 产 品 采 用 单 片 机 做 可 编 程 序 控 制 器 日 本 三 菱 F 系 列 PLC 就 采 用 美 国 INTEL 公 司 MES-48 系 列 的 单 片 机 8049 和 8039 做 处 理 器,8039 单 片 机 在 一 块 片 子 上 集 成 了 8 位 的 CPU, 的 数 据 存 储 器 27 条 输 入 / 输 出 线,T0 T1 INT 测 试 线 及 8 位 定 时 器 / 计 数 器, 时 钟 振 荡 电 路 等 自 80 年 代 以 来, 出 现 了 集 成 度 更 高 功 能 更 强, 并 带 有 布 尔 机 而 又 便 于 作 数 据 通 信 的 MCS-51 系 列 单 片 机 以 及 功 能 更 高 的 16 位 单 片 机, 大 有 取 代 MCS-48 系 列 之 势 日 本 三 菱 的 F2 系 列 PLC 即 采 用 CPU8031 MCS-51 系 列 单 片 机 是 美 国 INTEL 公 司 在 MCS-48 单 片 机 基 础 上, 于 80 年 代 初 推 出 的 产 品, 具 有 高 集 成 度 高 可 靠 性 高 功 能 高 速 度 低 价 格 等 特 点 它 有 三 个 代 表 产 品 : 和 8031, 它 们 分 别 有 不 同 的 应 用 特 性 8051 是 以 4K 字 节 EPR0M 代 替 4K 字 节 的 R0M 的 8051; 8031

272 是 内 部 无 R0M8051 必 须 外 接 EPR0M;INTEL 公 司 的 96 系 列 的 单 片 机, 字 长 为 16, 运 算 速 度 比 51 系 列 更 高, 这 必 将 为 高 档 次 的 PLC 开 发 和 应 用 带 来 美 好 的 远 景 用 单 片 机 制 成 的 PLC 有 以 下 显 著 特 点 : 为 机 电 设 备 一 体 化 创 造 了 条 件, 因 为 由 单 片 机 制 成 PLC, 体 积 更 小 同 时 PLC 逻 辑 功 能 很 强, 并 且 具 有 数 值 运 算 和 通 信 接 口 3 用 位 片 式 微 处 理 器 作 CPU 位 片 式 微 处 理 器 的 主 要 特 点 是 : 速 度 快 灵 活 性 强 效 率 高 等 特 点 可 以 进 行 级 联, 易 于 流 水 线 操 作 (2) 系 统 程 序 存 储 器 它 用 以 存 放 系 统 工 作 程 序 ( 监 控 程 序 ) 模 块 化 应 用 功 能 子 程 序 命 令 解 释 功 能 子 程 序 的 调 用 管 理 程 序, 以 及 对 应 定 义 (I/0 内 部 继 电 器 计 时 器 计 数 器 移 位 寄 存 器 等 存 储 系 统 ) 参 数 等 功 能 (3) 用 户 存 储 器 用 以 存 放 用 户 程 序 即 存 放 通 过 编 程 器 输 入 的 用 户 程 序 PLC 的 用 户 存 储 器 通 常 以 字 (16 位 / 字 ) 为 单 位 来 表 示 存 储 容 量 同 时, 由 于 前 面 所 说 的 系 统 程 序 直 接 关 系 到 PLC 的 性 能, 不 能 由 用 户 直 接 存 取 因 而 通 常 PLC 产 品 资 料 中 所 指 的 存 储 器 型 式 或 存 储 方 式 及 容 量, 是 对 用 户 程 序 存 储 器 而 言 常 用 的 用 户 存 储 方 式 及 容 量 型 式 或 存 储 方 式 有 CM0SRAM,EPR0M 和 EEPR0M 信 息 储 存 常 用 盒 式 磁 带 和 磁 盘 CM0SRAM 存 储 器 是 一 种 中 高 密 度 低 功 能 价 格 便 宜 的 半 导 体 存 储 器, 可 用 锂 电 池 作 为 备 用 电 源 一 旦 交 流 电 源 停 电, 用 锂 电 池 来 维 持 供 电, 可 保 存 RAM 内 停 电 前 的 数 据 锂 电 池 寿 命 一 般 为 1 5 年 左 右 EPR0M 存 储 器 是 一 种 常 的 只 读 存 储 器, 定 入 时 加 高 电 平, 擦 除 时 用 紫 外 线 照 射 PLC 通 过 写 入 器 可 将 RAM 区 的 用 户 程 序 固 化 到 R0M 盒 中 的 EPR0M 中 去 在 PLC 机 中 插 入 R0M 盒,PLC 则 执 行 R0M 盒 中 用 户 程 序 ; 反 之, 不 插 上 R0M 盒, PLC 则 执 行 RAM 区 用 户 程 序 EEPR0M 存 储 器 是 一 种 可 用 电 改 写 的 只 读 存 储 器 (4) 输 入 输 出 组 件 (I/0 模 块 ) I/ 0 模 块 是 CPU 与 现 场 I/0 装 置 或 其 它 外 部 设 备 之 间 的 连 接 部 件 PLC 提 供 了 各 种 操 作 电 平 与 驱 动 能 力 的 I/0 模 块 和 各 种 用 途 的 I/0 组 件 供 用 户 选 用 如 输 入 / 输 出 电 平 转 换 电 气 隔 离 串 / 并 行 转 换 数 据 误 码 较 验 A/D 或 D/A 转 换 以 及 其 它 功 能 模 块 等 I/0 模 块 将 外 界 输 入 信 号 变 成 CPU 能 接 受 的 信 号, 或 将 CPU 的 输 出 信 号 变 成 需 要 的 控 制 信 号 去 驱 动 控 制 对 象 ( 包 括 开 关 量 和 模 拟 量 ), 以 确 保 整 个 系 统 正 常 工 作 输 入 的 开 关 量 信 号 接 在 IN 端 和 0V 端 之 间,PLC 内 部 提 供 24V 电 源, 输 入 信 号 通 过 光 电 隔 离, 通 过 R/C 滤 波 进 入 CPU 控 制 板,CPU 发 出 输 出 信 号 至 输 出 端 PLC 输 出 有 三 种 型 式 : 继 电 器 方 式 晶 体 管 方 式 和 晶 闸 管

273 方式 5 编程器 编程器是用于用户程序的编制 编辑 调试检查和监视等 还可以通过 其键盘去调用和显示 PLC 的一些内部状态和系统参数 它通过通讯端口 与 CPU 联系 完成人机对话连接 编程器上有供编程用的各种功能键和 显示灯以及编程 监控转换开关 编程器的键盘采用梯形图语言键符式 命令语言助记符 也可以采用软件指定的功能键符 通过屏幕对话方式 进行编程 编程器分为简易型和智能型两类 前者只能连机编程 而后者既可连机 编程又可脱机编程 同时前者输入梯形图的语言键符 后者可以直接输 入梯形图 根据不同档次的 PLC 产品选配相应的编程器 6 外部设备 一般 PLC 都配有盒式录音机 打印机 EPR0M 写入器 高分辨率屏幕彩 色图形监控系统等外部设备 7 电源 根据 PLC 的设计特点 它对电源并无特别要求 可使用一般工业电源 为 了正确地进行接地工作 首先必须明确 地 和 接地 的概念以及有关的主要名词术语 并了解接 地在防止人身遭受电击 减少财产损失和保证电力系统正常运行中的作用 1 地 1 电气地 大地是一个电阻非常低 电容量非常大的物体 拥有吸收无限电荷的能力 而且在吸收大量 电荷后仍能保持电位不变 因此适合作为电气系统中的参考电位体 这种 地 是 电气地 并不 等干 地理地 但却包含在 地理地 之中 电气地 的范围随着大地结构的组成和大地与带电体接 触的情况而定

274 2 地电位 与大地紧密接触并形成电气接触的一个或一组导电体称为接地极 通常采用圆钢或角钢 也可采用铜棒或铜板 图 1 示出圆钢接地极 当流入地中的电流 I 通过接地极向大地作半球形散 开时 由于这半球形的球面 在距接地极越近的地方越小 越远的地方越大 所以在距接地极越 近的地方电阻越大 而在距接地极越远的地方电阻越小 试验证明 在距单根接地极或碰地处 20m 以外的地方 呈半球形的球面已经很大 实际已没有什么电阻存在 不再有什么电压降 换句话说 该处的电位已近于零 这电位等于零的 电气地 称为 地电位 若接地极不是单根而 为多根组成时 屏蔽系数增大 上述 20m 的距离可能会增大 图 1 中的流散区是指电流通过 接地极向大地流散时产生明显电位梯度的土壤范围 地电位是指流散区以外的土壤区域 在接地 极分布很密的地方 很难存在电位等于零的电气地 3 逻辑地 电子设备中各级电路电流的传输 信息转换要求有一个参考的电位 这个电位还可防止外界 电磁场信号的侵入 常称这个电位为 逻辑地 这个 地 不一定是 地理地 可能是电子设备的金 属机壳 底座 印刷电路板上的地线或建筑物内的总接地端子 接地干线等 逻辑地可与大地接 触 也可不接触 而 电气地 必须与大地接触 2 接 地 将电力系统或电气装置的某一部分经接地线连接到接地极称为 接地 电气装置 是一定空 间中若干相互连接的电气设备的组合 电气设备 是发电 变电 输电 配电或用电的任何设备 例如电机 变压器 电器 测量仪表 保护装置 布线材料等 电力系统中接地的一点一般是中 性点 也可能是相线上某一点 电气装置的接地部分则为外露导电部分 外露导电部分 为电气 装置中能被触及的导电部分 它在正常时不带电 但在故障情况下可能带电 一般指金属外壳 有时为了安全保护的需要 将装置外导电部分与接地线相连进行接地 装置外导电部分 也可称

275 为外部导电部分 不属于电气装置 一般是水 暖 煤气 空调的金属管道以及建筑物的金属结 构 外部导电部分可能引入电位 一般是地电位 接地线是连接到接地极的导线 接地装置是接 地极与接地线的总称 超过额定电流的任何电流称为过电流 在正常情况下的不同电位点间 由于阻抗可忽略不计 的故障产生的过电流称为短路电流 例如相线和中性线间产生金属性短路所产生的电流称为单相 短路电流 由绝缘损坏而产生的电流称为故障电流 流入大地的故障电流称为接地故障电流 当 电气设备的外壳接地 且其绝缘损坏 相线与金属外壳接触时称为 碰壳 所产生的电流称为 碰 壳电流 3 接触电压 在图 2 中 当电气装置 M 绝缘损坏碰壳短路时 流经接地极的短路电流为 Id 如接地极的 接地电阻力 Rd 则在接地极处产生的对地电压 Ud = Id Rd 通常称 Ud 为故障电压 相应的电位 分布曲线为图 2 中的曲线 C 一般情况下 接地线的阻抗可不计 则 M 上所呈现的电位即为 Ud 当人在流散区内时 由曲线 C 可知人所处的地电位为 Uφ 此时如人接触 M 由接触所产生的 故障电压 Ut = Ud-Uφ 人站立在地上 而一只脚的鞋 袜和地面电阻为 Rp 当人接触 M 时 两 只脚为并联 其综合电阻为 Rp 2 在 Ut 的作用下 Rp 2 与人体电阻 RB 串联 则流经人体 的电流 IB = Uf RB+Rp 2 人体所承受的电压 Ut =IB RB = Uf RB RB+Rp 2 这种当电 气装置绝缘损坏时 触及电气装置的手和触及地面的双脚之间所出现的接触电压 Ut 与 M 和接地 极间的距离有关 由图 2 可见 当 M 越靠近接地极 Uφ 越大 则 Uf 越小 相应地 Ut 也越小 当人在流散区范围以外 则 Uφ = 0 此时 Uf = Ud Ut = Ud RB RB+Rp 2 Ut 为最大值 由 于在流散区内人所站立的位置与 Uφ 有关 通常以站立在离电气装置水平方向 0.8m 和手接触电 气装置垂直方向 1.8m 的条件计算接触电压 如电气装置在流散区以外 计算接触电压 Ut 时就 不必考虑上述水平和垂直距离 4 跨步电压

276 人行走在流散区内 由图 2 的曲线 C 可见 一只脚的电位为 Uφ1 另一只脚的电位为 Uφ2 则由于跨步所产生的故障电压 Uk =Uφ1 - Uφ2 在 Uk 的作用下 人体电流 IB从人体的一只脚的电 阻 Rp 流过人体电阻 RB 再流经另一只脚的电阻 Rp 则人体电流 IB = Uk RB十 2Rp 此时 人体所承受的电压 Ut=IB RB = Uk RB RB+2p 这种当电气装置绝缘损坏时 在流散区内跨步 的条件下 人体所承受的电压 Uk为跨步电压 一般人的步距约为 0.8m 因此跨步电压 Uk以地 面上 0.8m 水平距离间的电位差为条件来计算 由图 2 可见 当人越靠近接地极 Uφ1越大 当一只脚在接地极上时 Uφ1 =Ud 此时跨步所产生的故障电压 Uk为最大值 即图 2 中的 Ukm 相 应地跨步电压值也是最大值 反之 人越远离接地极 则跨步电压越小 当人在流散区以外时 Uφ1和 Uφ2 都等于零 则 Uk = 0 不再呈现跨步电压 5 流散电阻 接地电阻和冲击接地电阻 接地极的对地电压与经接地极流入地中的接地电流之比 称为流散电阻 电气设备接地部分 的对地电压与接地电流之比 称为接地装置的接地电阻 即等于接地线的电阻与流散电阻之和 一般因为接地线的电阻甚小 可以略去不计 因此 可认为接地电阻等于流散电阻 为了降低接地电阻 往往用多根的单一接地极以金属体并联连接而组成复合接地极或接地极 组 由于各处单一接地极埋置的距离往往等于单一接地极长度而远小于 40m 此时 电流流入 各单一接地极时 将受到相互的限 制 而妨碍电流的流散 换句话说 即等于增加各单一接地极的电阻 这种影响电流流散的现象 称为屏蔽作用 如图 3 所示 由于屏蔽作用 接地极组的流散电阻 并不等于各单一接地极流散电阻的并联值 此时 接地极 组的流散电阻 Rd = Rd1 (n η) 1 式中 Rd1 单一接地极的流散电阻 n 单一接地极的根数 η 接地极的利用系数 它与接地极的形状 单一接地极的根数和位置有关 以上所谈的接地电阻 系指在低频 电流密度不大的情况下测得的 或用稳态公式计算得出 的电阻值 这与雷击时引入雷电流用的接地装置的工作状态是大不相同的 由于雷电流是个非常 强大的冲击波 其幅度往往大到几万甚至几十万安的数值 这样 使流过接地装置的电流密度增

277 大 并受到由于电流冲击特性而产生电感的影响 此时接地电阻称为冲击接地电阻 也可简称冲 击电阻. 由于流过接地装置电流密度的增大 以致土壤中的气隙 接地极与土壤间的气层等 处发生火花放电现象 这就使土壤的电阻率变小和土壤与接地极间的接触面积增大 结果 相当 于加大接地极的尺寸 降低了冲击电阻值 长度较长的带形接地装置 由干电感的作用 当超过一定长度时 冲击电阻不再减少 这个 极限长度称为有效长度 土壤电阻率越小 雷电流波头越短 则有效长度越短 由于各种因素的影响 引入雷电流时接地装置的冲击电阻 乃是时间的函数 接地装置中雷 电流增长至幅值 IM 的时间 是滞后于接地装置的电位达到其最大值 UM 的时间的 但在工程中已知冲击电流的 幅值 IM 和冲击电阻 Rds 的条件下 计算冲击电流通过接地极流散时的冲击电压幅值 UM = IM Rds 由于实际上电位 与电流的最大值发生于不同时间 所以这样计算的幅值常常比实际出现的幅值大一些 是偏于安 全的,因此在实际中还是适用的 二 接地的作用 接地的作用主要是防止人身遭受电击 设备和线路遭受损坏 预防火灾和防止雷击 防止静电损害和 保障电力系统正常运行 现分别说明如下 一 防止人身遭受电击 1 电击机理 电击所产生的电击电流通过人体或动物躯体将产生病理性生理效应 例如肌肉收缩 呼吸困 难 血压升高 形成心脏兴奋波 心房纤维性颤动及无心室纤维性颤动的短暂心脏停跳 心室纤 维性颤动 直至死亡 所以必须采取防护措施 人或家畜触及电气设备的带电部分 称为直接接触 人或家畜与故障下带电的金属外壳接触 称为间接接触 直接接触及间接接触所造成的电击称为直接电击和间接电击 为了防止电击 必 须先了解电击机理 然后对直接电击 间接电击以及兼有该两者电击采取适当的防护措施 以保 证人 畜及设备的安全 1 人体阻抗的组成 电击电流大小由接触电压和人体阻抗所决定 人体阻抗主要与电流路径 皮肤潮湿程度 接触电压 电流持续时间 接触面积 接触压力 温度以及频率等有关 人体阻抗的组成如图 4 所示 如将两个电极接触人体的两个部分 并将电极下的皮肤去掉 则该两电极问的阻抗为人体

278 内阻抗 Zi 皮肤上电极与皮肤下导电组织之间的阻抗即为皮肤阻抗 ZPl 和 ZP2 Zi ZP1 ZP2 的矢 量和为人体总阻抗 ZT 现将这些阻抗的特征说明如下 图4 ①人体内阻抗 Zi 人体阻抗的组成 根据 IEC 测定的结果 Zi 主要是电阻 只有少量电容 如图 4 虚线所示 其数值主要决定于电流路径 一般与接触面积关系不大 但当接触面积小到几平方毫米数量级时 内阻抗才增大 ②皮肤阻抗 ZP1 ZP2 ZP1 ZP2 是由半绝缘层和小的导电元件 如毛孔构成的电阻电容网 络 组成 见图 4 接触电压在 50V 及以下时 皮肤阻抗值随表面接触面积 温度 呼吸等显著 变化 V 时 皮肤阻抗降低很多 频率增高时 皮肤阻抗也随之降低 皮肤破损时 皮 肤阻抗可忽略不计. ③人体总阻抗 ZT ZT 由电阻分量及电容分量组成 当接触电压在 500V 及以下时 ZT 值主 要决定于皮肤阻抗值 接触电压越高 ZT 与皮肤阻抗关系越少 当皮肤破损后 ZT 值接近于人 体内阻抗 ④人体初始电阻 Ri 在接触电压出现的瞬间 人体的电容还未充电 皮肤阻抗可忽略不计 这时的电阻值称为人体初始电阻 该值限制短时脉冲电流峰值 当电流路径从手到手或手到脚而 且接触面积较大时 5 分布秩 即 5 的人所呈现的最小初始电阻值 Z5 可认为等于 500Ω. 2 人体阻抗与接触状况的关系 通常划分为以下三类 ① 状况 1 干燥或湿润的区域 干燥的皮肤 高电阻的地面 此时人体阻抗值 Z Z5 Ω 式中 1000 鞋袜和地面两者电阻的随机值 Ω 0.5 考虑了双手至双脚的双重接触情况 Z5 5 分布秩 即 5 的人呈现此最小阻抗值 Ω ② 状况 2 潮湿的区域 潮湿的皮肤 低电阻的地面 此时人体阻抗值 Z2 = 200 = Ω

279 式中 200 较低的地面电阻值 不计鞋袜的电阻 Ω ③ 状况 3 浸入水中的情况 此时皮肤电阻 环境介质的电阻可忽略不计 在各种状况下的安全电压值 各国规定不尽相同 如表 1 所示 表 1 为交流电流的安全电压 IEC 规定直流 无纹波 的安全电压为 在状况 1 不大于 120V 在状况 2 不大于 60V 安全电压包括接地系统的相对地或极对地电压 或不接地和非有效接 地的相间及极间电压

280 2 电击效应 1 交流电流的电击效应 IEC 经过多年的试验研究 认为心室纤维性颤动是电击致死的 主要原因 一个心动周期如图 5 所示 由产生兴奋期 P 兴奋扩展期 R 和兴奋复原期 T 所组成 图 5 中的数字表示兴奋传播的顺序 在兴奋复原期内有一个相对较小的部份称为易损期 在易损 期内 心肌纤维处于兴奋的不均匀状态 如果受到足够幅度电流的刺激 心室纤维发生颤动 如 图 6 中 X 点受电流刺激 对心电图和血压的影响 如图 6 中曲线所示 此时发生心室纤维性颤

281 动和血压降低 如电流足够大将导致死亡 当电流流过人体时 人身所察觉到的最小电流值称为感觉阈值 对于 Hz 交流电 流 此值为 0.5mA 人握电极能摆脱的电流最大值称为摆脱电流 对于 Hz 交流电流 为 10mA 当流过人体的电流继续增加时 人体电流 IB 和电流流过的持续时间 t 的关系如图 7 所示 图 7 是按电流流过人体的路径从左手到双脚的效应绘制的 当电流为 500mA 时间为 100ms 时 产生心室纤维性颤动的几率为 14 图 7 中的 Ⅰ 区通常无反应性效应 Ⅱ 区通 常无有害的生理效应 Ⅲ 区通常无器官性损伤 但可能出现肌肉收缩和呼吸困难 在心脏中形 成兴奋波和传导的可逆性紊乱 包括心房纤维性颤动及短暂心脏停跳 在 Ⅳ区内 开始出现心 室纤维性颤动 到曲线 c1 几率为 5 到曲线 c2 几率为 50 曲线 c3 以外则几率超过 50 随着电流与时间的增加 可能发生心脏停跳 呼吸停止及严重烧伤 图 7 中的电流为 从左手到双脚 路径的电流 如为其它路径 按下式计算 IB = Iref F 2 式中 IB 流经其它路径的人体电流 ma Iref 流经 从左手到双脚 的人体电流 ma F 心电流系数 见表 2 上述的感觉阈值 摆脱阈值及图 7 中的心室纤维性颤动阈值都是对 Hz 交流电流 而言的 在工业企业和民用建筑中 有不少电气设备的使用频率超过 100Hz 例如有些电动工具和 电焊机 可用到 450Hz 电疗设备大多数使用 Hz 开关方式供电的设备则为 20kHz 1MHz 微波及无线电设备还有使用更高的频率的 对于这些 100Hz 以上交流电流 人体皮肤的阻抗 在数十伏数量级的接触电压下 大致与频率成反比 例如 500Hz 时皮肤阻抗

282 仅约为 50Hz 时皮肤阻抗的 1 10 在很多情况下 皮肤的阻抗可以忽略不计 但因为是高频 电流 对人体的感觉和对心脏的影响都比 100Hz 以下交流电小 为了与 50Hz 时阈值相比 常 采用频率系数 Ff 来衡量 频率系数 Ff 为频率 f 时产生相应生理效应的阈值电流与 50Hz 的阈值 电流之比 在频率为 100Hz 以上直至 1000Hz 时 感觉阈值的频率系数和摆脱阈值的频率系 数见图 8 电击持续时间长于心动周期并以纵向电流流经人体躯干时 心室纤维性颤动阈值的频 率系数见图 9 电击持续时间小于心动周期时 尚无试验数据 频率在 1000Hz 以上直到 10000Hz 交流电的感觉阈值的频率系数和摆脱阈值的频率系数见图 10 心室纤维性颤动阈值的 频率系数 IEC 还在考虑中 频率在 10kHz 及 100Hz 之间时 阈值大致由 10mA 上升到 100mA 有效值 频率在 100kHz 以上及电流强度在数百毫安数量级时 较低频率时有针刺 的感觉 频率再高则有温暖的感觉 频率在 100kHz 以上时 既没有摆脱阈值和心室纤维性颤 动阈值的试验数据 也没有这方面的事故报告 频率在 100kHz 以上及电流在安培数量级时 可能出现烧伤 烧伤的严重程度随电流流通的持续时间而定

283 2 直流电流的电击效应 电流对人体的效应 例如刺激神经和肌肉 引起心房或心室纤 维性颤动等 与电流大小的变化有关 特别是在接通或断开电流的时候 电流幅度不变的直流电 流要产生同样的效应 要比交流电流大得多 握持直流电器 事故时较易摆脱 当电击持续时间 长于心动周期时 心室纤维性颤动阈值比交流的阈值高得多 直流电流从手到双脚 通过人体躯 干的电流称为纵向电流 从手到手通过人体躯干的电流称为横向电流 以双脚为正极 流过人体 的电流为向上电流 以双脚为负极 流经人体的电流为向下电流 直流电流与具有相同诱发心室 纤维性颤动几率的等效交流电流 有效值 之比称为直流 交流等效系数 直流电流的持续时间和电流幅值的关系见图 11 图中Ⅰ区通常无反应性效应 Ⅱ 区通常无 有害的生理效应 Ⅲ区通常预期无器官损伤 随电流幅值和时间而增加其严重程度 可能出现心 脏中兴奋波的形成和传导的可逆性紊乱 Ⅳ 区可能出现心室纤维性颤动 随电流幅值和时间增 加 除 Ⅲ区的效应外 预计会发生严重烧伤等病理生理效应 关于心室纤维性颤动 该图所示 为电流从左手到双脚 且为向上电流的效应 如为向下电流 应将电流乘以 2 的系数进行换算 当电流从手到手 不大可能产生心室纤维性颤动 在该图中 当电流流过的持续时间小于 500ms 时 尚无 Ⅱ 和 Ⅲ 区分界线的资料 直流电流的感觉阈值取决于接触面积 接触状态 干湿度 压力 温度 电流流过的持续 时间和各自的生理特征等 与交流电不同的是 当电流以感觉阈值强度流过人体时 只是在接通

284 和断开电流时有感觉 其它时间没有感觉 在与测定交流电流感觉阈值相等条件下 直流电流的 感觉阈值约为 2mA 直流的摆脱阈值与交流不同 约 300mA 以下的直流电流没有可以确定的摆脱阈值 只有在接 通和断开电流时 才能引起疼痛性和痉挛似的肌肉收缩 当电流大干 300mA 时 可能摆脱不 了 或仅在电击持续时间达几秒或几分种后才有可能摆脱不了 通过人体的电流约为 30mA 时 人体四肢有暖热感觉 流经人体的电流为 300mA 及以下横向 电流持续几分钟时 随着时间和电流增加 可能产生可逆性的心节律障碍 电流伤痕 烧伤 眩 晕 有时失去知觉 超过 300mA 时 经常出现失去知觉的情况 3 特殊波形电流的电击效应 3 特殊波形电流的电击效应 特殊波形电流在工业企业和民用建筑所用的电气设备中 有以下几种 对于人体的电击效应分别说明如下 ① 具有直流分量的交流电流的效应 标准交流和直流的图形如图 12 a 及 b 所示 具 有直流分量的交流电流的波形如图 12 c 所示 常用的半波整流及全波整流的波形如图 13 a 及 b 所示

285 经过整流后 如图 13 中所示的波形交流电的感觉阈值和摆脱阈值取决于人体与电极的接触 面积 接触状态 干湿度 压力 温度 和各自的生理特征 其阈值尚在 IEC 的考虑中 在讨论心室纤维性颤动阈值时 必须区别下列的电流量值 Irms 为合成波形电流的有效值 Ip 为合成波形电流的峰值 Ipp 为合成波形电流的峰间值 Iev 为产生与所涉及波形在心室纤维性颤 动方向有相同危险的正弦电流的有效值 该值用来代替图 7 及图 11 中的人体电流 IB 以估计心 室纤维性颤动的危险 当电击持续时间大于 1.5 倍心动周期时 Iev = Ipp 2 当电击持续时间小于 0.75 倍心动周期时 Iev = Ip 2 当交流对直流比越小 上述关系越不能适用 对于持续时间小于 0.1s 的直流电击 其阈值 等于图 11 中相应的电流值 当电击持续时间在 0.75 倍到 1.5 倍心动周期时 量值参数由峰值转变为峰间值 转变的过程 IEC 认为尚需进一步研究 如图 13 所示的半波及全波整流的波形 由于电流峰值等于其峰间值 当电击持续时间大干 1.5 倍心动周期及小于 0.75 倍心动周期时 Iev 分别为 Ipp (2 2)= Ip (2 2) 及 Ipp 2 = Ip 2 由图 13 可见 半波整流时 Irms = Ip 2 全波整流时为 Ip 2 因此可得半波整流时 Iev 值分别 为 Irms 2 及 2Irms 全波整流时 Iev 值分别为 Irms 2 及 Irms ② 具有相位控制的交流电流的效应 一般的具有相应控制的交流电流的波形分为对称控制 和不对称控制两种 分别示于图 14 的 a 和 b 这种波形的电流在产生感觉和阻止摆脱方面的效应大致上与具有相同 Ip 的纯交流电流相同 相位控制角在 120 以上时 峰值随着电流流通持续时间的减少而增加 对于对称控制 当电击持续时间大于 1.5 倍心动周期时 Iev 为具有与所涉及的相应波形电 流相同的有效值 当电击持续时间小于 0.75 倍心动周期时 Iev 为具有与所涉及的相应波形电流

286 相同峰值电流的有效值 如相位控制角在 120 以上 心室纤维性颤动阈值将升高 当电击时间 在 0.75 倍到 1.5 倍心动周期时 Iev 由峰值转变为有效值 转变的过程 IEC 认为尚待进一步 研究 对于不对称控制 其所产生的电流 也可能有直流分量 当电击持续时间大干 1.5 倍心动 周期时 IEC 尚在考虑中 电击持续时间小于 0.75 倍心动周期时 Iev 为具有与所涉及的相应 波形电流相同峰值电流的有效值 相位控制角在 120 以上时 心室纤维性颤动阈值将升高 ③具有多周期控制的交流电流的效 应 具有多周期控制的交流电流的波形见图 15 所示 ts 为传导时间 tp 为不传导时问 ts 为工 作周期 p = ts 为电力控制程度 I1rms 为电流传导期间电流的有效值 即 Ip 2 I2rms 为工作周 期内电流有效值 即 I1rms 感觉阈值及摆脱阈值 IEC 尚在考虑中 心室纤维性颤动阈值 IEC 在幼猪身上进行试验 试验结果如图 16 所示 对于人体 可作参考 当电击持续时间大于 1.5 倍心动周期时 阈值取决于 p p 接近 1 时 Iev 为与同一持续时间的 正弦交流电流相同的有效值 p 接近于 0.1 时 I1rms 与持

287 续时间短于 0.75 倍心动周期的交流电流的阈 值相同 当 p 在 的中间值时 如图 16 所示 流过人体的电流逐渐增大 致使纤维 I1rms 与同一持续时间的正弦交流电流的有效值相同 p (ts tp) tp ④ 短持续时间单向单脉冲电流的效应 内装电子元件的电器绝缘损坏或直接接触其带电体时可形成 矩形或正弦形脉冲 如图 17 a b 所示 电容器放电的短持续时间单向脉冲如图 17 c 所示 这些脉冲当其持续时间为 10ms 及以上时 对人体的效应与图 7 相同 对于 0.lms 10ms 持续时间的脉 冲 其效应按下列能量率来表征 心室纤维性颤动能量率 Fe 在电流路径 心脏时相 心脏跳动的幅值与时间的关系 等给定

288 条件下 引起一定几率的心室纤维性颤动的短持续时间单向脉冲的最小 I2t 值 以积分形式表示 为 ti 2 Fe = 0 i dt Fe 乘以人体电阻得出脉冲期间耗散在人体的能量 心室纤维性颤动电荷率 Fq 在给定的电流路径 心脏时相等条件下 引起一定几率的心室纤维 性颤动短持续时间单向脉冲最小 It 值 以积分形式表示为 ti Fq = 0 idt 现以电容器放电为例 电容器由放 电开始到放电电流降至其峰值的 5 的时间间隔为电容器放电的电击持续时间 t1 按指数衰减 降到起初幅值 1 e = 倍所需的时间为时间常数 T 当 ti = 3T 时 所有脉冲能量几乎耗 尽 电容器放电的感觉阈值和痛苦阈值取决于电极的形式 脉冲的电荷及其电流峰值 图 18 为 以干手执大电极的人作为放电对象的感觉阈值及痛苦阈值 痛苦阔值为人感到有蜜蜂蜇或纸烟烧 似的痛苦 以能量率 Fe 表示的痛苦阈值对于通过手脚的电流路径及大接触面积来说为( ) 10 A s 数量级 在图 18 中 如以面对图的右侧为东 则电容 C 按指向东北的对角线计 量 能量 W 按指向西北的对角钱计量 如已知充电电压为 100V 电容为 100nF 则由该两线 的交点 K 可读出脉冲的电荷为 10μC 能量为 0.5mJ 心室纤维性颤动阈值取决于脉冲电流的形式 持续时间及幅度 脉冲开始时的心脏时相 通 过人体的电流路径及人的生理特征 IEC 曾在动物身上做过试验 其结果是 对于短持续时间的脉冲 心室纤维性颤动一般仅在脉

289 冲落在心动周期易损时间内发生 对于电击持续时间小于 10ms 的单向脉冲 心室纤维性颤动 的发生由 Fq 或 Fe 所决定 图 19 示出心室纤维性颤动的阈值 对于 50 的纤维性颤动几率 2 2 Fq 为 0.005As Fe 则由脉冲持续时间 t1 = 4ms 时的 0.01A s 上升到 t1 = 1ms 时的 0.02A s 该曲线给出路径以左手到双脚流过的电流的心室纤维性颤动危险几率 对于其它电流途径 则乘 以表 2 的心电流系数 F 图中 c1 曲线以下 无纤维性出动 c1 曲线以上直到曲线 c2 以下 具有较低的心室纤维性颤动危险 几率直到 5 c2 曲线以上直到 c3 曲线以下 具有中等纤 维性颤动危险 几率直到 50 c3 曲线以上 具有高纤维性颤动危险 大于 50 几率 对于各种形式脉冲的纤维性颤动能量率 Fe 可由下列公式求出 对于矩形脉冲 2 Fe IDC ti 对于正弦形脉冲 2 2 Fe (IAC(p) 2)ti IAC(rms) ti 对于时间常数为 T 的电容放电 2 2 Fe IC(p) (T 2) IC(rms) ti 以上各式的电流参量可由图 17 看出 IDC 为矩形脉冲电流的量值 IAC(p)为正弦形脉冲电流的峰 值 IAC(rms)为正弦形脉冲电流的有效值 IC(p)为电容放电的峰值 IC(rms)为持续时间为 3T 的电容 放电电流的有效值 具有相同心室纤维性颤动能量率及相同电击持续时间的矩形脉冲 正弦形脉 冲及电容放电见图 20 由 Fe 定义可写出 电容放电的 Fe1 为 2-2t T Fe1 IC(p) 0 e 2 IC(p) (T 2) 矩形脉冲及正弦形脉冲的 Fe2 及 Fe3 为 2 Fe2 IDC 3T 2 Fe3 IC(rms) 3T 因为 Fe1 Fe2 Fe3 则 IC(p) (T 2) IDC 3T IC(rms) 3T

290 即 IC(p)(1 6) IC(rms) IDC 根据上式将 IDC 及 IC(rms) 转换为相应的 IC(p)(1 6) 值 则可由转换而得的相应 IC(p)值在图 19 中找到矩形脉冲和正弦形脉冲的心室纤维性颤动阈值 3 直接电击的防护措施 直接电击保护又称正常工作的电击保护 也称为基本保护 主要是防止直接接触到带电体 一般采取 以下措施 1 将带电体绝缘 带电部分完全用绝缘覆盖 该绝缘的类型必须符合相应电气设备的标 准 且只能在遭到机械破坏后才能除去 绝缘能力必须达到长期耐受在运行中受到的机械 化学 电及热应力的要求 一般的油漆 清漆 喷漆都不符合要求 在安装过程中所用的绝缘也必须经 过试验 证实合乎要求后才能使用 2 用遥栏和外护物防护 外护物一般为电气设备的外壳 是在任何方向都能起直接接触 保护作用的部件 遮栏则只对任何经常接近的方向起直接接触保护作用 两者的防护要求如下 ① 最低的防护要求 在电气操作区内 防护等级为 IP2X 顶部则为 IP4X 在电气操作 区内 如可同时触及的带电部分没有电位差时 防护等级可为 IP1X 在封闭的电气操作区内可 不设防护 ② 强度及花定性 遮拦或外护物应紧固在其所在位置 它的材料 尺寸和安装方法必须具 有足够的稳定性和耐久性 并可承受在正常使用中可能出现的应力和应变 ③ 开启成拆卸 必须使用钥匙或工具 并设置联锁装置 即当开启和拆卸遮栏或外护物时 将其中可能偶然触及的所有带电部分的电源自动切断 直到遮栏或外护物复位后才能恢复电源

291 如遮栏或外护物中有电容器 电缆系统等储能设备并可能导致危险时 不但要在规定时间内泄放 能量 而且还必须采用与上述要求相同的联锁装置 也可在带电部分与遮栏 外护物之间插入隔离 网罩 当开启或拆卸遮栏或外护物时不会触及带电部分 网罩可以固定 也可在遮栏 外护物除去时自动 滑入 网罩防护等级至少为 IP2X 且只有用钥匙和工具才能移开 如需更换灯泡 熔断器而在外护物和遮 栏上留有较大的孔洞时 则必须采取适当措施防止人 畜无意识地触及带电部分 而且还须设置明显的标 志 警告通过孔洞触及带电部分会发生危险 3 用阻挡物防护 阻挡物只能防护与带电部分无意识接触 但不能防护人们有意识接触 例如用保 护遮栏 栏杆或隔板可以防止人体无意识接近带电部分 又如用网罩或熔断器的保护手柄 可以防止在操 作电气设备时无意识触及带电部分 阻挡物可不用钥匙或工具拆除 但必须固定以免无意识地移开 4 置于伸臂范围以外 伸臂范围如图 21 所示 将带电部分置于伸臂范围以外可以防止无意识 地触及 不同电位而能同时触及的部分严禁放在伸臂范围内 如两部分相距不到 2.5m 则认为是能够同 时触及的 当人们的正常活动范围 S 由一个防护等级低于 IP2X 的阻挡物 如栏杆 限制时 则规定的距 离应从阻挡物算起 在正常工作时须手持大或长的导电物体的地方 计算距离时须计及该物体的外形尺寸 5 采用 RCD 剩馀电流保护装置 也称漏电并关 作为附加保护 RCD 不能作为直接电击的唯 一保护设备 只能作为附加保护 也就是作为其它保护失效或使用者疏忽时的附加电击保护 剩馀电流动 作整定值一般采用 30mA 4 间接电击的防护措施 间接电击保护又称故障下的电击保护 也称附加保护 一般采用以下措施 1 自动切听电源 当故障时 最大电击电流的持续时间超过允许范围时 自动切断电源 IT 系统的第一次故障除外 防止电击电流造成有害的生理效应 采用这种方法的前提是 电气设备的外露导电部分必须按系统接地制式与保护线相连 同时还宜进行主等电位联结 自动

292 切断电源法可以最大限度地利用原有的过电流保护设备 且方法简单 投资最省 是一种常用的 措施 2 使用Ⅱ级设备或采用相当绝缘的保护 Ⅱ级设备既有基本绝缘也有双重绝缘或加强绝 缘 不考虑保护接地方法 设备内导电部分严禁与保护线连接 该类设备的绝缘外护物必须能承 受可能发生的机械 电或热应力 一般的油漆 清漆及类似物料的涂层不符合要求 绝缘外护物 上严禁有任何非绝缘材料制作的螺栓 以免破坏外护物的绝缘 3 采用非导电场所 在非导电场所内 严禁有保护线 也不采取接地措施 因此可采用 0 级设备 这种设备只有基本绝缘 没有保护接地手段 非导电场所应具有绝缘的地板和墙 用 于标称电压不超过 500V 的设备 其绝缘电阻不小于 50kΩ 如标称电压超过 500V 则为 100kΩ 其防护措施如下 ① 外露导电部分之间 外露导电部分与外部导电部分之间的距离不小于 2m 如在伸臂范围以 外 则为 1.25m ② 如达不到上述距离 则在两导电部分之间设置绝缘阻挡物 使越过阻挡物的距离不小于 2m ③ 将外部导电部分绝缘起来 绝缘物要有足够的机械强度并能耐受 2000V 电压 且在正 常情况下 泄漏电流不大于 1mA 上述布置必须是永久性的 即使使用手携式或移动式设备也必须能满足上述要求 另外 还 应采取措施使墙和地板不因受潮而失去原有电阻值 同时外部导电部分也不能从外部引入电位 4 不接地的局部等电位联结 凡是能同时触及的外露导电部分和外部导电部分采用不与 大地相连的等电位联结 使其电位近似相等 以免发生电击 局部等电位联结系统严禁通过外露 导电部分或外部导电部分与大地接触 如不能满足 必须采用自动切断电源措施 为了防止进入 等电位场所的人遭受危险的电位差 在和大地绝缘的导电地板与不接地的等电位联结系统连接的 地方 必须采取措施减少电位差 5 电气隔离 将回路进行电气隔离是为了防止触及绝缘破坏的外露导电部分产生电击电 流 一般采取以下措施 ① 该回路必须由隔离变压器或有多个等效隔离绕组的发电机供电 电源设备必须采用Ⅱ级 设备或与其相当的绝缘 如该电源设备供电给几个电气设备 则这些电气设备的外露导电部分严 禁与电源设备的金属外壳相连 ② 该回路电压不能超过 500V 其带电部分严禁与其它回路或大地相连,并须注意与大地之 间的绝缘 继电器 接触器 辅助开关等电气设备的带电部分与其它回路的任何部分之间也需要 这种电气隔离 ③ 不同回路应分开布线 如无法分开 则必须采用不带金属外皮的多芯电缆或将绝缘导线 敷设在绝缘的管路或线槽中 这些电缆或导线的额定电压不低于可能出现的最高电压 旦每条回

293 路 有 过 电 流 保 护 4 被 隔 离 回 路 的 外 露 导 电 部 分 必 须 采 用 绝 缘 的 不 接 地 等 电 位 联 结, 该 连 接 线 严 禁 与 其 它 回 路 的 保 护 线 或 外 露 导 电 部 分 相 连 接, 也 不 与 外 部 导 电 部 分 连 接 插 座 必 须 有 保 护 插 孔, 其 触 头 上 必 须 连 接 到 等 电 位 联 结 系 统 软 电 缆 也 必 须 有 一 根 保 护 芯 线 作 等 电 位 联 结 用 ( 供 电 给 Ⅱ 级 设 备 的 电 缆 除 外 ) 5 如 出 现 影 响 两 个 外 露 导 电 部 分 的 故 障, 而 这 两 部 分 又 接 至 不 同 相 的 导 线 时, 则 必 须 有 一 个 保 护 装 置 能 满 足 自 动 切 断 电 源 的 要 求 5. 防 止 直 接 和 间 接 电 击 两 者 的 措 施 兼 有 防 止 直 接 和 间 接 电 击 的 保 护, 也 称 为 正 常 工 作 及 故 障 情 况 下 两 者 的 电 击 保 护, 可 采 取 以 下 措 施 (1) 安 全 电 压 采 用 的 标 称 电 压 不 超 过 安 全 电 压 50V, 如 果 引 出 中 性 残, 中 性 线 的 绝 缘 与 相 线 相 同 (2) 由 安 全 电 源 供 电 安 全 电 源 有 以 下 几 种 : 1 安 全 隔 离 变 压 器, 其 一 二 次 绕 组 间 最 好 用 接 地 屏 蔽 隔 离 2 电 化 电 源, 如 蓄 电 池 3 与 较 高 电 压 回 路 无 关 的 其 它 电 源, 如 柴 油 发 电 机 4 按 标 准 制 造 的 电 子 装 置, 保 证 内 部 故 障 时, 端 子 电 压 不 超 过 50V, 或 端 子 电 压 可 能 超 过 50V, 但 电 能 量 很 小, 人 一 接 触 端 子, 电 压 立 即 降 到 50V 以 下 (3) 回 路 配 置 1 安 全 电 压 的 带 电 部 分 严 禁 与 大 地 其 它 回 路 的 带 电 部 分 或 保 护 线 相 连 2 安 全 电 压 回 路 的 导 线 与 其 它 回 路 导 线 隔 离, 该 隔 离 不 低 于 安 全 变 压 器 输 入 和 输 出 线 圈 间 的 绝 缘 强 度 如 无 法 隔 离, 安 全 电 压 回 路 的 导 线 必 须 在 基 本 绝 缘 外 附 加 一 个 密 封 的 非 金 属 护 套 电 压 不 同 的 回 路 的 导 线 必 须 用 接 地 的 金 属 屏 蔽 或 金 属 护 套 分 开 如 果 安 全 电 压 回 路 的 导 线 与 其 它 电 压 回 路 的 导 线 在 同 一 电 缆 或 组 合 导 线 内, 则 安 全 电 压 回 路 的 导 线 必 须 单 独 或 集 中 地 按 最 高 电 压 绝 缘 处 理 3 安 全 电 压 的 插 头 不 能 插 入 其 它 电 压 的 插 座 内, 安 全 电 压 的 插 座 也 不 能 被 其 它 电 源 的 插 头 插 入, 且 必 须 有 保 护 触 头 4 当 标 准 电 压 超 过 25V 时, 正 常 工 作 的 电 击 保 护 必 须 采 用 IP2X 的 遮 栏 或 外 护 物, 或 采 用 包 以 耐 压 500V 历 时 1 分 钟 不 击 穿 的 绝 缘

294 6 防止电击的接地方法 就是将电气设备在正常情况下不带电的金属部分与接地极之间作良好的金属连接 以保护人 体的安全 从图 22 可以看出 当电气设备某处的绝缘损坏时外壳就带电 由于电源中性点接地 即使设备 不接地 因线路与大地间存在电容 或者线路上某处绝缘不好 如果人体触及此绝缘损坏的电气 设备外壳 则电流就经人体而成通路 这样就遭受了电击的危害 图 23 表示有接地装置的电气设备 当绝缘损坏 外壳带电时 接地电流 Id 将同时沿着接地极 和人体两条通路流过 流过每一条通路的电流值将与其电阻的大小成反比 电流分别为 Id 及 IB 即 IB Id Rd RB 3 式中 Id 沿接地极流过的电流 IB 流经人体的电流 RB 人体的电阻 Rd 接地极的接地电阻 从式 3 中可以看出 接地极电阻越小 流经人体的电流也就越小 通常人体的电阻比接地极 电阻大数百倍 所以流经人体的电流也就比流经接地极的电流小数百倍 当接地电阻极小时 流 经人体的电流几乎等于零 也就是 IB 0 Id Id 因而 人体就能避免触电的危险 因此 不论施工或运行时 在一年中的任何季节 均应保证接地电阻不大于设计或规程中所 规定的接地电阻值 以免发生电击危险 二 保障电气系统正常运行 电力系统接地一般为中性点接地 中性点的接地电阻很小 因此中性点与地间的电位接近于 零 当相线碰壳或接地时 其它两相对地电压 在中性点绝缘系统中将升高为相电压的 3 倍 而在中性点接地的系统中则接近于相电压 有利于系统稳定运行 防止系统振荡 而且系统中的

295 电 气 设 备 和 线 路 只 要 按 相 电 压 考 虑 其 绝 缘 水 平, 降 低 了 电 气 设 备 的 制 造 成 本 和 线 路 的 建 设 费 用 由 于 有 了 中 性 点 的 接 地 线, 也 可 保 证 继 电 保 护 的 可 靠 性 通 信 系 统 一 般 采 用 正 极 接 地, 可 防 止 杂 音 窜 入 和 保 证 通 信 设 备 正 常 运 行 电 子 线 路 需 要 稳 定 的 参 考 点, 才 能 正 常 运 行, 因 此 也 要 接 地 ( 三 ) 防 止 雷 击 和 静 电 的 危 害 雷 击 时 产 生 静 电 感 应 和 电 磁 感 应, 物 料 在 生 产 和 运 输 中 因 摩 擦 而 引 起 的 静 电, 都 可 能 造 成 电 击 或 火 灾 危 险 直 接 遭 受 雷 击 的 危 害, 比 之 于 感 应 雷 那 就 更 大 了, 而 且 发 生 的 机 会 亦 更 多 所 以, 为 了 防 止 直 击 雷, 必 须 装 设 防 雷 装 置 所 有 防 雷 装 置 和 防 止 静 电 危 险 的 措 施, 最 主 要 的 方 法 是 设 置 接 地 装 置 现 在 将 其 作 用 分 述 如 下 : 1. 直 击 雷 天 气 炎 热 时, 天 空 中 往 往 存 在 着 大 量 雷 云 比 如 当 带 有 正 电 荷 的 雷 云 飘 近 地 面 时, 就 在 附 近 地 面 特 别 是 突 出 地 面 的 高 大 建 筑 物 上 感 应 有 负 电 荷 当 地 面 和 建 筑 物 上 积 聚 的 电 荷 密 度 很 高, 而 雷 云 又 十 分 接 近 地 面 或 建 筑 物 时, 就 会 产 生 强 烈 的 放 电 现 象 这 就 是 通 常 所 谓 雷 击 雷 击 的 破 坏 作 用 是 很 大 的 它 不 仅 要 击 毙 人 畜, 烧 焦 或 劈 倒 树 木, 而 且 还 破 坏 建 筑 物, 甚 至 引 起 火 灾 和 爆 炸 为 了 防 止 直 击 雷, 往 往 在 建 筑 物 的 顶 部 装 设 避 雷 针 或 避 雷 带 避 雷 针 或 避 雷 带 都 是 经 引 下 线 连 接 到 接 地 装 置 的, 与 大 地 间 有 良 好 连 接 这 样, 当 建 筑 物 上 空 附 近 出 现 有 雷 云 时, 地 面 上 感 应 产 生 的 相 反 的 电 荷, 就 会 沿 接 地 装 置 引 下 线 和 避 雷 针 或 避 雷 带 跑 进 大 气 里, 与 雷 云 中 的 电 荷 中 和, 从 而 避 免 发 生 大 规 模 的 强 烈 放 电 现 象 这 就 防 止 了 雷 击 的 发 生 根 据 采 用 防 雷 装 置 的 经 验 证 明, 防 雷 装 置 必 须 有 正 确 的 设 计 和 合 理 的 安 装 否 则, 不 但 不 能 防 雷, 甚 至 更 容 易 招 致 雷 害 这 是 因 为 雷 击 时 能 产 生 反 击 的 缘 故 反 击 的 发 生, 可 能 引 起 电 气 设 备 绝 缘 的 破 坏 金 属 管 道 被 烧 穿, 甚 至 于 引 起 火 灾 爆 炸 和 人 身 事 故 防 雷 的 接 地 装 置 所 引 起 的 高 电 位, 可 能 对 建 筑 物 地 下 的 金 属 管 道 电 缆 等 放 电, 形 成 电 气 反 击, 因 此, 在 防 雷 接 地 装 置 与 地 下 金 属 管 道 电 缆 等 之 间, 必 须 保 持 有 一 定 的 距 离 或 将 它 们 进 行 等 电 位 联 结 2. 静 电 感 应 雷 当 金 属 屋 顶 或 其 它 导 体 处 于 雷 云 和 大 地 间 所 形 成 的 电 场 中 时, 屋 顶 或 导 体 上 就 会 感 应 出 与 雷 云 异 性 的 大 量 电 荷 雷 云 放 电 后, 云 与 大 地 间 的 电 场 消 失, 导 体 和 屋 顶 上 的 电 荷 来 不 及 立 即 流 散, 因 而 会 产 生 对 地 很 高 的 静 电 感 应 过 电 压 并 可 能 引 起 火 灾 或 爆 炸 为 了 防 止 静 电 感 应 过 电 压 的 危 害, 应 将 建 筑 物 的 金 属 屋 顶 和 建 筑 物 内 所 有 大 型 金 属 物 体, 如 钢 屋 架 钢 筋 混 凝 土 柱 子 金 属 管 道 及 水 箱 等, 全 部 予 以 良 好 的 接 地, 使 因 感 应 而 产 生 的 静 电 荷, 迅 速 地 被 导 人 地 中 而 没 有 积 聚 的 可 能 这 样 就 能 避 免 静 电 感 应 过 电 压 的 产 生 3. 电 磁 感 应 雷 由 于 雷 击 时 能 产 生 幅 度 和 陡 度 都 很 大 的 雷 电 流, 在 它 的 周 围 空 间 里, 就 会 形 成 强 大 的 变 化 的 电 磁 场 处 在 这 一 电 磁 场 中 的 导 体, 就 会 感 应 出 非 常 高 的 电 势 若 导 体 恰 巧 形 成 间 隙 不 大 的 闭 合 环 路, 那 么, 在 间 隙 处 就 会 产 生 火 花 放 电 现 象 电 磁 感 应 现 象 还 可 以 使 构 成 闭 合 回 路 的 金 属 物 体 产 生 感 应 电 流 如 果 回 路 间 的 导 体 接 触 不 良, 就

296 会产生局部发热现象 这对于存放易燃或易爆炸物品的建筑物是十分危险的 为了防止电磁感应 引起的不良后果 应将所有互相靠近的金属物体 如金属设备 管道与金属结构之间 很好地用 金属线路接起来 并与接地装置有良好的连接 4 静电 在物理学中曾告诉过我们 任何两种不同物质的物体发生摩擦时 都能够产生不同的静电荷 这种摩擦生电的现象 在日常生活中也是常常会遇到的 例如 在很干燥的天气里 用塑料制的 梳子梳干净头发的时候 往往头发会飘起来 梳不服贴 这就是因为梳子与头发发生摩擦而带了 电荷的缘故 在生产中 这种摩擦生电的现象就更为普遍了 例如在工业企业中 当利用皮带传动或由不导电 橡胶制成的橡皮输送装置工作时 当在各种混合器中搅拌物质时 当物质用轧辊或辗光机进行加 工时 当摇荡液体或把液体从一容器转注到另一容器时 当液体在管道中流动速度较大时 都经常会由于摩擦原因而产生静电 这些电荷不仅聚集在管道 容器和贮罐上 而且还会聚集在 加工设备上 形成了很高的电位 对人身安全以及对设备和建筑物都存在着危险 为了防止由于静电聚集而形成火花放电的危险 可以采取的防护措施很多 但最简单和最可靠的 措施 唯有把可能产生或积聚静电荷的设备 管道和容器等进行接地 使静电一经产生就导人地 中 以消除其积聚的可能性 5 电磁干扰 屏蔽是抑制无线电工业干扰的有效措施之一 在无线电工业生产中 无线电设备的调试在屏蔽房内进行 目的是用来防止外来的干扰 这是因 为任何外来干扰源所产生的电场 其电力线将垂直终止于金属屏蔽层上 而不能穿进屏蔽房内 这种屏蔽的作用 是使屏蔽房内的无线电设备或导体不受外界干扰源的影响 另一方面 也可以使无线电干扰源不去影响屏蔽房外的任何无线电接收设备或带电体 这时屏蔽 房需要与大地或干扰源的机壳之间有良好的电气连接 例如 把载有无线电干扰的导体 A 放在 封闭的金属罩壳内 若导体 A 充有正电荷 则金属罩壳内表面上将受感应而带有负电荷 并且 和 A 上的正电荷互相束缚 金属罩壳的外表面则感应了等量的正电荷 电力线的分布如图 24 a 所示 金属罩壳外部的电力线将对其它导体产生干扰 假如把金属罩壳进行接地或接到干扰源的 机壳 则罩壳外的正电荷与从地上或干扰源机壳来的负电荷相中和 罩壳外的电力线也就同时消 失 如图 24 b 所示 这样罩壳内载有无线电干扰的导体 A 对罩壳外就不会发生任何影响

297 所以 静电屏蔽接地的作用 是把干扰源产生的电场限制在金属屏蔽的内部 而将金属屏蔽 表面上所感应的电荷导入大地中 使外界免受金属屏蔽内干扰源的影响 三 接地的分类 一 接地的作用分类 一般分为保护性接地和功能性接地两种 1 保护性接地 1 防电击接地 为了防止电气设备绝缘损坏或产生漏电流时 使平时不带电的外露导电 部分带电而导致电击 将设备的外露导电部分接地 称为防电击接地 这种接地还可以限制线路 涌流或低压线路及设备由于高压窜入而引起的高电压 当产生电器故障时 有利于过电流保护装 置动作而切断电源 这种接地 也是狭义的 保护接地 2 防雷接地 将雷电导人大地 防止雷电流使人身受到电击或财产受到破坏 3 防静电接地 将静电荷引入大地 防止由于静电积聚对人体和设备造成危害 特别是 目前电子设备中集成电路用得很多 而集成电路容易受到静电作用产生故障 接地后可防止集成 电路的损坏 4 防电蚀接地 地下埋设金属体作为牺牲阳极或阴极 防止电缆 金属管道等受到电蚀 2 功能性接地 1 工作按地 为了保证电力系统运行 防止系统振荡 保证继电保护的可靠性 在交直 流电力系统的适当地方进行接地 交流一般为中性点 直流一般为中点 在电子设备系统中 则 称除电子设备系统以外的交直流接地为功率地

298 2 逻辑接地 为了确保稳定的参考电位 将电子设备中的适当金属件作为 逻辑地 一般采 用金属底板作逻辑地 常将逻辑接地及其它模拟信号系统的接地统称为直流地 3 屏蔽接地 将电气干扰源引入大地 抑制外来电磁干扰对电子设备的影响 也可减少电子 设备产生的干扰影响其它电子设备 4 信号接地 为保证信号具有稳定的基准电位而设置的接地 例如检测漏电流的接地 阻抗 测量电桥和电晕放电损耗测量等电气参数测量的接地 二 按接地形式分类 接地极按其布置方式可分为外引式接地极和环路式接地极 若按其形状 则有管形 带形和 环形几种基本形式 若按其结构 则有自然接地极和人工接地极之分 用来作为自然界地极的有 上下水的金属管道 与大地有可靠连接的建筑物和构筑物的金属结构 敷设于地下而其数量不少 于两根的电缆金属包皮及敷设于地下的各种金属管道 但可燃液体以及可燃或爆炸的气体管道除 外 用来作为人工接地极的 一股有钢管 角钢 扁钢和圆钢等钢材 如在有化学腐蚀性的土壤 中 则应采用镀锌的上述几种钢材或铜质的接他极 接地装置的示意图如图 25 所示

299 电气设备敷设接地装置后当然 较没有敷设接地装置时要安全得多 但是接地装置的布置形式如果是单根接地极或外引式接地极 那末由于电位分布的不均匀 人体仍不免要受到电击的危险 此外 单根接地极或外引式接地极 的可靠性也比较差 从图 25 我们知道 外引式接地极与室内接地干线相连接仅依靠两条干线 若这两条干线发生损伤时 整个接地干线就与接地极断绝 当然 两条干线同时发生损伤的情况 是比较少的 为了消除单根接地极或外引式接地极的缺点 我们可以敷设环路式接地极 如图 26 a 环 路式接地极的电位分布是很均匀的 人体的接触电压 Ut 和跨步电压 Uk 是比较小的 但是接地极 外部的电位分布仍不均匀 其跨步电压仍是很高的 如图 26 b 为了避免这种缺点 可在 环路式接地极外敷设一些与接地极没有连接关系的扁钢 这样 接地极外的电位分布 就如图 26 c 所示的平坦地下降了 因此 在一切情况下 应优先考虑采用环路式接地极 只有在采用 环路式接地极有困难或费用较多时 才采用外引式接地极

300 四 接 地 的 范 围 ( 一 ) 直 流 系 统 1. 两 线 制 直 流 系 统 直 流 两 线 制 配 电 系 统 应 予 接 地 但 以 下 情 况 可 不 接 地 : 备 有 接 地 检 测 器 并 在 有 限 场 地 内 只 向 工 业 设 备 供 电 的 系 统 ; 线 间 电 压 等 于 或 低 于 50V, 或 高 于 300V 采 用 对 地 绝 缘 的 系 统 ; 由 接 地 的 交 流 系 统 供 电 的 整 流 设 备 供 电 的 直 流 系 统 ; 最 大 电 流 在 0.03A 及 以 下 的 直 流 防 火 信 号 线 路 2. 三 线 制 直 流 系 统 三 线 制 直 流 供 电 系 统 的 中 性 线 宜 直 接 接 地. ( 二 ) 交 流 系 统 1. 低 于 50V 的 交 流 线 路 一 般 不 接 地, 但 具 有 下 列 任 何 一 条 者 应 予 接 地 ; (1) 由 变 压 器 供 电, 而 变 压 器 的 电 源 系 统 对 地 电 压 超 过 150V; (2) 由 变 压 器 供 电, 而 变 压 器 的 电 源 系 统 是 不 接 地 的 ; (3) 采 取 隔 离 变 压 器 的, 不 应 接 地, 但 铁 芯 必 须 接 地 ; (4) 安 装 在 建 筑 物 外 的 架 空 线 路 2.50~1000V 的 交 流 系 统 符 合 以 下 条 件 时 可 作 为 例 外, 不 予 接 地 : (1) 专 用 于 向 熔 炼 精 炼 加 热 或 类 似 工 业 电 炉 供 电 的 电 气 系 统 ; (2) 专 为 工 业 调 速 传 动 系 统 供 电 的 整 流 器 的 单 独 传 动 系 统 ; (3) 由 变 压 器 供 电 的 单 独 传 动 系 统, 变 压 器 一 次 侧 额 定 电 压 低 于 1000V 的 专 用 控 制 系 统 ; 其 控 制 电 源 有 供 电 连 续 性, 控 制 系 统 中 装 有 接 地 检 测 器, 且 保 证 只 有 专 职 人 员 才 能 监 视 和 维 修 3.l~10kV 的 交 流 系 统 根 据 需 要 可 进 行 消 弧 线 圈 或 电 阻 接 地 但 供 移 动 设 备 用 的 1~10kV 交 流 系 统 应 接 地 ( 三 ) 移 动 式 和 车 载 发 电 机 1. 移 动 式 发 电 机 在 下 列 条 件 下 不 要 求 将 移 动 式 发 电 机 的 机 架 接 地, 该 机 架 可 作 为 发 电 机 供 电 系 统 的 接 地, 其 条 件 是 发 电 机 只 向 装 在 发 电 机 上 的 设 备 和 ( 或 ) 发 电 机 上 的 插 座 内 软 线 和 插 头 连 接 的 设 备 供 电, 且 设 备 的 外 露 导 电 部 分 和 插 座 上 的 接 地 端 子 连 接 到 发 电 机 机 架 上 2. 车 载 发 电 机 在 符 合 下 列 全 部 条 件 下 可 将 装 在 车 辆 上 的 发 电 机 供 电 系 统 用 的 车 辆 的 框 架 作 为 该 系 统 的 接 地 极 (1) 发 电 机 的 机 架 接 地 连 接 到 车 辆 的 框 架 上 ; (2) 发 电 机 只 向 装 在 车 辆 上 的 设 备 和 ( 或 ) 通 过 装 在 车 辆 上 或 发 电 机 上 的 插 座 内 软 线 和 插 头 连

301 接 设 备 供 电 ; (3) 设 备 的 外 露 导 电 部 分 和 插 座 上 的 接 地 端 子 连 接 到 发 电 机 机 架 上 3. 中 性 线 的 连 接 当 发 电 机 为 单 独 系 统 时, 应 将 中 性 线 连 接 到 发 电 机 机 架 上 ( 四 ) 电 气 设 备 1. 电 气 设 备 的 下 列 外 露 导 电 部 分 应 予 接 地 (1) 电 机 变 压 器 电 器 手 携 式 及 移 动 式 用 电 器 具 等 的 金 属 底 座 和 外 壳 ; (2) 发 电 机 中 性 点 柜 外 壳 发 电 机 出 线 柜 外 壳 ; (3) 电 气 设 备 传 动 装 置 ; (4) 互 感 器 的 二 次 绕 组 ; (5) 配 电 控 制 保 护 用 的 屏 ( 柜 箱 ) 及 操 作 台 等 的 金 属 框 架 和 底 座, 全 封 闭 组 合 电 器 的 金 属 外 壳 ; (6) 户 内 外 配 电 装 置 的 金 属 构 架 和 钢 筋 混 凝 土 构 架 以 及 靠 近 带 电 部 分 的 金 属 遮 栏 和 金 属 门 ; (7) 交 直 流 电 力 电 缆 接 线 盒 终 端 盒 和 膨 胀 器 的 金 属 外 壳 和 电 缆 的 金 属 护 层 可 触 及 的 穿 线 的 钢 管 敷 设 线 缆 的 金 属 线 槽 电 缆 桥 架 ; (8) 金 属 照 明 灯 具 的 外 露 导 电 部 分 ; (9) 在 非 沥 青 地 面 的 居 民 区, 不 接 地 消 弧 线 圈 接 地 和 电 阻 接 地 系 统 中 无 避 雷 线 架 空 电 力 线 路 的 金 属 杆 塔 和 钢 筋 混 凝 土 杆 塔, 装 有 避 雷 线 的 架 空 线 路 的 杆 塔 ; (10) 安 装 在 电 力 线 路 杆 塔 上 的 开 关 设 备 电 容 器 等 电 气 装 置 的 外 露 导 电 部 分 及 支 架 ; (11) 铠 装 控 制 电 缆 的 金 属 护 层, 非 铠 装 或 非 金 属 护 套 电 缆 闲 置 的 1~2 根 芯 线 ; (12) 封 闭 母 线 金 属 外 壳 ; (13) 箱 式 变 电 站 的 金 属 箱 体 2. 电 气 设 备 的 下 列 外 露 导 电 部 分 可 不 接 地 (1) 在 非 导 电 场 所, 例 如 有 木 质 沥 青 等 不 良 导 电 地 面 及 绝 缘 的 墙 的 电 气 设 备, 当 满 足 二 ( 一 )4.(3) 款 采 用 非 导 电 场 所 的 要 求 时 ; (2) 在 干 燥 场 所, 交 流 额 定 电 压 50V 以 下, 直 流 额 定 电 压 120V 以 下 电 气 设 备 或 电 气 装 置 的 外 露 导 电 部 分, 但 爆 炸 危 险 场 所 除 外 ; (3) 安 装 在 配 电 屏 控 制 屏 和 电 气 装 置 上 的 电 气 测 量 仪 表 继 电 器 和 其 它 低 压 电 器 等 的 外 壳, 以 及 当 发 生 绝 缘 损 坏 时, 在 支 持 物 上 不 会 引 起 危 险 电 压 的 绝 缘 子 金 属 底 座 等 ; (4) 安 装 在 已 接 地 的 金 属 构 架 上 电 气 接 触 良 好 的 设 备, 如 套 管 底 座 等, 但 爆 炸 危 险 场 所 除 外 ; (5) 额 定 电 压 220V 及 以 下 的 蓄 电 池 室 内 的 支 架 ; (6) 与 已 接 地 的 机 座 之 问 有 可 靠 电 气 接 触 的 电 动 机 和 电 器 的 外 露 导 电 部 分, 但 爆 炸 危 险 场 所 除 外 3. 外 部 导 电 部 分 外 部 导 电 部 分 中 可 能 有 电 击 危 险 的 地 方 应 予 接 地, 通 常 需 要 接 地 的 部 分 如 下 : (l) 建 筑 物 内 或 其 上 的 大 面 积 可 能 带 电 的 金 属 构 架 可 能 与 人 发 生 接 触 时, 则 应 予 接 地, 以 提 高

302 其安全性 2 电气操作起重机的轨道和桁架 3 装有线组的升降机框架 4 电梯的金属提升绳或缆绳 如已与电梯本体连接成导电通路的则可不接地 5 变电站或变压器室以外的线间电压超过 750V 的电气设备周围的金属间隔 金属遮栏等类 似的金属围护结构 6 活动房屋或旅游车中的裸露的金属部分 包括活动房屋的金属结构 旅游车金属车架应接 地 五 按电击危险程度划分的环境分类 由于环境的不同 有些会造成绝缘破坏 有些会使人的皮肤阻抗降低 这些都将容易造成 电击危险 根据电击的危险程度将环境分为以下三类 有助于在进行接地工作时 采取适当的措 施 1 特别危险的环境 在建筑物内存在下列条件之一者 则为特别危险环境 1 特别潮湿 即建筑物内空气的相对湿度接近 100 者 此时 建筑物内的天花板 墙壁 地板以及物件完全处于湿气笼罩之下 例如浴室 游泳池 2 建筑物内具有化学活性或有机介质 即建筑物内经常或长期具有腐蚀蒸汽 气体 液 体 形成能损坏电气设备和线路的绝缘和导电部分的沉积层或霉层 例如化工车间 3 建筑物内同时存在下述较危险环境的两个及以上条件者 4 放置户外电气装置的场所 2 较危险的环境 在建筑物内存在下列条件之一者 则为较危险环境 1 很湿的或具有粉尘的环境 即建筑物内空气相对湿度超过 75 的场所 或在生产过 程中排出的工艺粉尘的数量能沉积在电气设备和导线上的场所 2 具有金属 土 砖或钢筋混凝土等导电地面的场所 3 高温环境 即在各种热辐射的作用下 使建筑物内温度经常或大于一昼夜周期时间内 超过 35 的场所 例如安装有干燥炉 烘炉 焙烧炉或锅炉的建筑物 4 人有可能一方面接触到建筑物内接地的金属结构 工艺设备和金属管道等 另一方面 又同时接触电气设备的金属外壳的场所 3 无多大危险的环境

303 不存在或不能造成上述较危险环境或特别危险环境的建筑物内的场所 则为无多大危险的 环境 PLC 是一种用于工业生产自动化控制的设备 一般不需要采取什么措施 就可以 直接在工业环境中使用 然而 尽管有如上所述的可靠性较高 抗干扰能力较强 但当生产环境过于恶劣 电磁干扰特别强烈 或安装使用不当 就可能造成程序错 误或运算错误 从而产生误输入并引起误输出 这将会造成设备的失控和误动作 从而不能保证 PLC 的正常运行 要提高 PLC 控制系统可靠性 一方面要求 PLC 生产 厂家提高设备的抗干扰能力 另一方面 要求设计 安装和使用维护中引起高度重 视 多方配合才能完善解决问题 有效地增强系统的抗干扰性能 因此在使用中应 注意以下问题 1.工作环境 1 温度 PLC 要求环境温度在 0~55oC 安装时不能放在发热量大的元件下面 四周通风 散热的空间应足够大 2 湿度 为了保证 PLC 的绝缘性能 空气的相对湿度应小于 85% 无凝露 3 震动 应使 PLC 远离强烈的震动源 防止振动频率为 10~55Hz 的频繁或连续振动 当 使用环境不可避免震动时 必须采取减震措施 如采用减震胶等 4 空气 避免有腐蚀和易燃的气体 例如氯化氢 硫化氢等 对于空气中有较多粉尘或 腐蚀性气体的环境 可将 PLC 安装在封闭性较好的控制室或控制柜中 5 电源 PLC 对于电源线带来的干扰具有一定的抵制能力 在可靠性要求很高或电源干 扰特别严重的环境中 可以安装一台带屏蔽层的隔离变压器 以减少设备与地之间 的干扰 一般 PLC 都有直流 24V 输出提供给输入端 当输入端使用外接直流电源时 应选用直流稳压电源 因为普通的整流滤波电源 由于纹波的影响 容易使 PLC 接 收到错误信息

304 2. 控 制 系 统 中 干 扰 及 其 来 源 现 场 电 磁 干 扰 是 PLC 控 制 系 统 中 最 常 见 也 是 最 易 影 响 系 统 可 靠 性 的 因 素 之 一, 所 谓 治 标 先 治 本, 找 出 问 题 所 在, 才 能 提 出 解 决 问 题 的 办 法 因 此 必 须 知 道 现 场 干 扰 的 源 头 (1) 干 扰 源 及 一 般 分 类 影 响 PLC 控 制 系 统 的 干 扰 源, 大 都 产 生 在 电 流 或 电 压 剧 烈 变 化 的 部 位, 其 原 因 是 电 流 改 变 产 生 磁 场, 对 设 备 产 生 电 磁 辐 射 ; 磁 场 改 变 产 生 电 流, 电 磁 高 速 产 生 电 磁 波 通 常 电 磁 干 扰 按 干 扰 模 式 不 同, 分 为 共 模 干 扰 和 差 模 干 扰 共 模 干 扰 是 信 号 对 地 的 电 位 差, 主 要 由 电 网 串 入 地 电 位 差 及 空 间 电 磁 辐 射 在 信 号 线 上 感 应 的 共 态 ( 同 方 向 ) 电 压 叠 加 所 形 成 共 模 电 压 通 过 不 对 称 电 路 可 转 换 成 差 模 电 压, 直 接 影 响 测 控 信 号, 造 成 元 器 件 损 坏 ( 这 就 是 一 些 系 统 I/O 模 件 损 坏 率 较 高 的 主 要 原 因 ), 这 种 共 模 干 扰 可 为 直 流, 亦 可 为 交 流 差 模 干 扰 是 指 作 用 于 信 号 两 极 间 的 干 扰 电 压, 主 要 由 空 间 电 磁 场 在 信 号 间 耦 合 感 应 及 由 不 平 衡 电 路 转 换 共 模 干 扰 所 形 成 的 电 压, 这 种 干 扰 叠 加 在 信 号 上, 直 接 影 响 测 量 与 控 制 精 度 (2)PLC 系 统 中 干 扰 的 主 要 来 源 及 途 径 强 电 干 扰 PLC 系 统 的 正 常 供 电 电 源 均 由 电 网 供 电 由 于 电 网 覆 盖 范 围 广, 它 将 受 到 所 有 空 间 电 磁 干 扰 而 在 线 路 上 感 应 电 压 尤 其 是 电 网 内 部 的 变 化, 刀 开 关 操 作 浪 涌 大 型 电 力 设 备 起 停 交 直 流 传 动 装 置 引 起 的 谐 波 电 网 短 路 暂 态 冲 击 等, 都 通 过 输 电 线 路 传 到 电 源 原 边 柜 内 干 扰 控 制 柜 内 的 高 压 电 器, 大 的 电 感 性 负 载, 混 乱 的 布 线 都 容 易 对 PLC 造 成 一 定 程 度 的 干 扰 来 自 信 号 线 引 入 的 干 扰 与 PLC 控 制 系 统 连 接 的 各 类 信 号 传 输 线, 除 了 传 输 有 效 的 各 类 信 息 之 外, 总 会 有 外 部 干 扰 信 号 侵 入 此 干 扰 主 要 有 两 种 途 径 : 一 是 通 过 变 送 器 供 电 电 源 或 共 用 信 号 仪 表 的 供 电 电 源 串 入 的 电 网 干 扰, 这 往 往 被 忽 视 ; 二 是 信 号 线 受 空 间 电 磁 辐 射 感 应 的 干 扰, 即 信 号 线 上 的 外 部 感 应 干 扰, 这 是 很 严 重 的 由 信 号 引 入 干 扰 会 引 起 I/O 信 号 工 作 异 常 和 测 量 精 度 大 大 降 低, 严 重 时 将 引 起 元 器 件 损 伤 来 自 接 地 系 统 混 乱 时 的 干 扰

305 接 地 是 提 高 电 子 设 备 电 磁 兼 容 性 (EMC) 的 有 效 手 段 之 一 正 确 的 接 地, 既 能 抑 制 电 磁 干 扰 的 影 响, 又 能 抑 制 设 备 向 外 发 出 干 扰 ; 而 错 误 的 接 地, 反 而 会 引 入 严 重 的 干 扰 信 号, 使 PLC 系 统 将 无 法 正 常 工 作 来 自 PLC 系 统 内 部 的 干 扰 主 要 由 系 统 内 部 元 器 件 及 电 路 间 的 相 互 电 磁 辐 射 产 生, 如 逻 辑 电 路 相 互 辐 射 及 其 对 模 拟 电 路 的 影 响, 模 拟 地 与 逻 辑 地 的 相 互 影 响 及 元 器 件 间 的 相 互 不 匹 配 使 用 等 变 频 器 干 扰 一 是 变 频 器 启 动 及 运 行 过 程 中 产 生 谐 波 对 电 网 产 生 传 导 干 扰, 引 起 电 网 电 压 畸 变, 影 响 电 网 的 供 电 质 量 ; 二 是 变 频 器 的 输 出 会 产 生 较 强 的 电 磁 辐 射 干 扰, 影 响 周 边 设 备 的 正 常 工 作 3. 主 要 抗 干 扰 措 施 (1) 电 源 的 合 理 处 理, 抑 制 电 网 引 入 的 干 扰 对 于 电 源 引 入 的 电 网 干 扰 可 以 安 装 一 台 带 屏 蔽 层 的 变 比 为 1:1 的 隔 离 变 压 器, 以 减 少 设 备 与 地 之 间 的 干 扰, 还 可 以 在 电 源 输 入 端 串 接 LC 滤 波 电 路 (4) 正 确 选 择 接 地 点, 完 善 接 地 系 统 良 好 的 接 地 是 保 证 PLC 可 靠 工 作 的 重 要 条 件, 可 以 避 免 偶 然 发 生 的 电 压 冲 击 危 害 接 地 的 目 的 通 常 有 两 个, 其 一 为 了 安 全, 其 二 是 为 了 抑 制 干 扰 完 善 的 接 地 系 统 是 PLC 控 制 系 统 抗 电 磁 干 扰 的 重 要 措 施 之 一 PLC 控 制 系 统 的 地 线 包 括 系 统 地 屏 蔽 地 交 流 地 和 保 护 地 等 接 地 系 统 混 乱 对 PLC 系 统 的 干 扰 主 要 是 各 个 接 地 点 电 位 分 布 不 均, 不 同 接 地 点 间 存 在 地 电 位 差, 引 起 地 环 路 电 流, 影 响 系 统 正 常 工 作 例 如 电 缆 屏 蔽 层 必 须 一 点 接 地, 如 果 电 缆 屏 蔽 层 两 端 A B 都 接 地, 就 存 在 地 电 位 差, 有 电 流 流 过 屏 蔽 层, 当 发 生 异 常 状 态 如 雷 击 时, 地 线 电 流 将 更 大 此 外, 屏 蔽 层 接 地 线 和 大 地 有 可 能 构 成 闭 合 环 路, 在 变 化 磁 场 的 作 用 下, 屏 蔽 层 内 又 会 出 现 感 应 电 流, 通 过 屏 蔽 层 与 芯 线 之 间 的 耦 合, 干 扰 信 号 回 路 若 系 统 地 与 其 它 接 地 处 理 混 乱, 所 产 生 的 地 环 流 就 可 能 在 地 线 上 产 生 不 等 电 位 分 布, 影 响 PLC 内 逻 辑 电 路 和 模 拟 电 路 的 正 常 工 作 PLC 工 作 的 逻 辑 电 压 干 扰 容 限 较 低, 逻 辑 地 电 位 的 分 布 干 扰 容 易 影 响 PLC 的 逻 辑 运 算 和 数 据 存 贮, 造 成 数 据 混 乱 程 序 跑 飞 或 死 机 模 拟 地 电 位 的 分 布 将 导 致 测 量 精 度 下 降, 引 起 对 信 号 测 控 的 严 重 失 真 和 误 动 作

306 安 全 地 或 电 源 接 地 将 电 源 线 接 地 端 和 柜 体 连 线 接 地 为 安 全 接 地 如 电 源 漏 电 或 柜 体 带 电, 可 从 安 全 接 地 导 入 地 下, 不 会 对 人 造 成 伤 害 系 统 接 地 PLC 控 制 器 为 了 与 所 控 的 各 个 设 备 同 电 位 而 接 地, 叫 系 统 接 地 接 地 电 阻 值 不 得 大 于 4Ω, 一 般 需 将 PLC 设 备 系 统 地 和 控 制 柜 内 开 关 电 源 负 端 接 在 一 起, 作 为 控 制 系 统 地 信 号 与 屏 蔽 接 地 一 般 要 求 信 号 线 必 须 要 有 唯 一 的 参 考 地, 屏 蔽 电 缆 遇 到 有 可 能 产 生 传 导 干 扰 的 场 合, 也 要 在 就 地 或 者 控 制 室 唯 一 接 地, 防 止 形 成 地 环 路 信 号 源 接 地 时, 屏 蔽 层 应 在 信 号 侧 接 地 ; 不 接 地 时, 应 在 PLC 侧 接 地 ; 信 号 线 中 间 有 接 头 时, 屏 蔽 层 应 牢 固 连 接 并 进 行 绝 缘 处 理, 一 定 要 避 免 多 点 接 地 ; 多 个 测 点 信 号 的 屏 蔽 双 绞 线 与 多 芯 对 绞 总 屏 蔽 电 缆 连 接 时, 各 屏 蔽 层 应 相 互 连 接 好, 并 经 绝 缘 处 理, 选 择 适 当 的 接 地 处 单 点 接 点 (5) 对 变 频 器 干 扰 的 抑 制 变 频 器 的 干 扰 处 理 一 般 有 下 面 几 种 方 式 : 加 隔 离 变 压 器, 主 要 是 针 对 来 自 电 源 的 传 导 干 扰, 可 以 将 绝 大 部 分 的 传 导 干 扰 阻 隔 在 隔 离 变 压 器 之 前 使 用 滤 波 器, 滤 波 器 具 有 较 强 的 抗 干 扰 能 力, 还 具 有 防 止 将 设 备 本 身 的 干 扰 传 导 给 电 源, 有 些 还 兼 有 尖 峰 电 压 吸 收 功 能 使 用 输 出 电 抗 器, 在 变 频 器 到 电 动 机 之 间 增 加 交 流 电 抗 器 主 要 是 减 少 变 频 器 输 出 在 能 量 传 输 过 程 中 线 路 产 生 电 磁 辐 射, 影 响 其 它 设 备 正 常 工 作