可編程控制器的雷擊電涌抑制技術(shù)

張 軍 平

(上海電器科學(xué)研究院, 上海 200063)

0 引 言

可編程序邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是一種專門為在工業(yè)場景下應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字運算操作電子系統(tǒng),以其高速、高穩(wěn)定性和高可靠度而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。隨著工業(yè)化和信息化的快速推進,構(gòu)成PLC的內(nèi)部CMOS大規(guī)模集成電路、中央處理單元(CPU)主控芯片等集成度不斷提高,導(dǎo)致PLC及其內(nèi)部的芯片、電子元器件的抗干擾性不斷降低。由于PLC通常所處的工業(yè)環(huán)境相對比較惡劣,干擾對PLC的可靠性和安全性會造成很大的影響,其中雷擊電涌電壓脈沖帶來的損害更是不容忽視[1-2]。

1 雷擊電涌脈沖特性

我國電子設(shè)備雷擊抗擾度試驗標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 17626.5—1999[3](等同于IEC 61000-4-5),針對的是二次雷擊在輸電線上感應(yīng)的電涌電壓脈沖。討論的PLC雷擊電涌防護應(yīng)遵循上述標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 雷電電涌脈沖發(fā)生電路圖

模擬雷電在輸電線路中感應(yīng)產(chǎn)生電涌脈沖的電路原理圖如圖1所示,其中U為高壓源,Rc為充電電阻,Cc為儲能電容,Rs1、Rs2為脈沖持續(xù)時間形成的電阻,Rm為阻抗匹配電阻,Lr為上升時間形成的電感。

圖1 模擬雷電在輸電線路中感應(yīng)產(chǎn)生電涌脈沖的電路原理圖

1.2 雷擊電涌脈沖電壓和電流的基本參數(shù)

雷擊電涌脈沖電壓和電流的基本參數(shù)要求:

(1) 開路輸出電壓。開路電壓波前時間為1.2 μs,半峰值時間為50 μs。電壓范圍為0.5～6 kV,分5等級電壓輸出,最后一級X級由用戶自定義。

(2) 短路輸出電流。開路電流波前時間為8 μs,半峰值時間為20 μs。電流范圍為0.25～2 kA,根據(jù)不同等級試驗而不同。

(3) 內(nèi)阻。內(nèi)阻為2 Ω,附加電阻可為10、12、40、42 Ω,供其他不同等級試驗用。

2 常用防雷器件

2.1 氣體放電管

氣體放電管(Gas Discharge Tube,GDT)是一種間隙型的防雷保護組件,內(nèi)部有兩個或多個帶間隙的金屬電極,充以惰性氣體(氬氣或氖氣)構(gòu)成,當(dāng)施加在兩極之間的外加電壓超過氣體的絕緣強度所能忍受的限值時,兩極間的間隙將被擊穿而放電,氣體由原來的絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài),導(dǎo)通后放電管兩極之間的電壓維持在放電弧道所決定的殘壓水平。這種殘壓一般很低,從而保護與放電管并聯(lián)的電子設(shè)備免受過電涌脈沖干擾的沖擊而損壞。氣體放電管主要參數(shù)有直流擊穿電壓、沖擊擊穿電壓、通流容量、響應(yīng)時間、絕緣電阻、極間電容等。

2.2 壓敏電阻

壓敏電阻(Metal Oxide Varistor,MOV)是一種具有非線性伏安特性的電阻器件,主要用于電路承受過壓時進行電壓鉗位,吸收多余的電流以保護后面的重要器件。

壓敏電阻是一種限壓型保護器件(伏安特性呈非線性的敏感器件),當(dāng)過電壓施加在壓敏電阻的兩極間時內(nèi)阻急劇下降并迅速導(dǎo)通,可以將電壓鉗位到一個相對固定的電壓值,實現(xiàn)對后級電路的保護。當(dāng)電壓低于壓敏電阻工作電壓時,壓敏電阻兩極間阻值很大,接近斷路,因而不會影響被保護器件的正常工作。壓敏電阻的主要參數(shù)有壓敏電壓、最大連續(xù)工作電壓、最大限制電壓、最大能量、通流容量等。

2.3 瞬態(tài)電壓抑制管

瞬態(tài)電壓抑制管(Transient Voltage Suppressor,TVS)是在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種產(chǎn)品,其電路符號和普通穩(wěn)壓二極管相同,主要特點是在反向應(yīng)用條件下當(dāng)承受高能量的脈沖時,工作阻抗極短的時間內(nèi)降至極低。

TVS二極管兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時,能以皮秒量級的速度迅速將其兩極間的高阻抗變?yōu)闃O低阻抗,吸收高達數(shù)千瓦的電涌功率,使兩極間的電壓鉗位于預(yù)先設(shè)定的值,從而有效地保護電子線路中的重要器件,免受電涌脈沖的損壞。TVS主要參數(shù)有擊穿電壓UBR、最大反向脈沖峰值電流IPP、最大反向工作電壓URWM(或變位電壓)、最大箝位電壓UC(max)、反向脈沖峰值功率PPR。

GDT、MOV和TVS主要特性參數(shù)比較如表1所示。

表1 GDT、MOV和TVS主要特性參數(shù)比較

注:給出的參數(shù)范圍是針對大多數(shù)器件,不是絕對的。

3 PLC雷擊電涌防護實例

PLC組成通常主要包括交流電源電路、CPU、輸入電路單元、輸出電路單元和通信接口電路單元等部分。其中CPU單元因為不直接和外部接口,所以被雷擊電涌擊中的幾率不大。下面就其他接口單元中雷擊電涌的防護措施進行探討。

3.1 PLC交流電源電涌抑制

PLC交流電源電涌抑制電路如圖2所示,其中FU為熔斷器,起斷路保護作用。G1和G2是氣體放電管,主要對共模高壓電涌脈沖有很強的抑制作用,對差模電涌脈沖也有抑制作用,工作時大部分的過電流通過氣體放電管泄放至PE地。壓敏電阻RV1和RV2進一步增強對共模電涌脈沖的抑制,但由于壓敏電阻存在剩余電流,所以增加氣體放電管G3接至PE地,保證電源電路正常工作時對地剩余電流為0。選擇G3的擊穿電壓比G1、G2小很多,RV1和RV2的擊穿電壓也應(yīng)較低。

在該典型的三級雷擊電涌抑制電路中,氣體放電管通常作為一級電涌抑制器件。在二級抑制電路中,氣體放電管和壓敏電阻一起共同起作用,將電涌電流泄放到地(PE)。TVS作為三級電涌抑制器件,當(dāng)電涌到來時最先啟動,在瞬間把電涌電壓控制在可接受的水平下保護后續(xù)電路;隨著電涌電流逐漸增大,壓敏電阻啟動,泄放一定的電涌電流;隨后啟動氣體放電管,把主要的電涌電流泄放到地。注意的是,必須要將響應(yīng)速度快的器件放在防護電路后面。

圖2 PLC交流電源電涌抑制電路

除了使用防雷擊電涌器件實現(xiàn)PLC的交流電源防護外,還在PCB設(shè)計時采用容易實現(xiàn)的PCB放電間隙法。PCB放電間隙法示意圖如圖3所示。這種在PCB板上制作的放電間隙裝置工作原理是:是利用合適的爬電距離,使得雷擊電涌電壓瞬間來襲時,將兩個相對的齒尖銅皮間隙之間的空氣擊穿,從而一部分電涌脈沖通過空氣放電而泄放到保護地(PE)。在空氣中,1 mm的放電電壓為1 kV左右,則6 mm間隙距離的放電電壓約為6 kV。需要注意的是,中間電極一定要接到三端電源線的保護地(PE)上。PCB放電間隙法可以代替氣體放電管。

圖3 PCB放電間隙法示意圖

3.2 PLC輸入、輸出單元防雷擊電涌

3.2.1 輸入單元防雷擊電涌

PLC輸入單元電路光耦器件如圖4所示,通常是由光耦和其他器件組成,光耦器件本身有一定的隔離度,將外部輸入與內(nèi)部電路隔離開來,例如東芝TLP109有3 kV以上的隔離度。所以,可利用光耦的隔離特性來提高輸入單元的抗電涌能力。需要注意的是,光耦的初、次級必須不共用同一個地,才能保證光耦的高隔離度。

圖4 PLC輸入單元電路光耦器件

3.2.2 輸出單元防雷擊電涌

在繼電器型輸出的PLC中,由于繼電器的良好隔離性,將輸出節(jié)點和內(nèi)部電路有效地隔離開來,很多繼電器的觸點與線圈之間的耐電涌電壓能達到4 kV甚至6 kV以上,有效地抑制電涌脈沖。

晶體管輸出型PLC則是CPU通過光耦器件控制晶體管的通斷,進而驅(qū)動外部負(fù)載。如前所述,光耦器件具有較高的隔離度,同理也能很好地抑制電涌脈沖。

3.3 通信端口防雷擊電涌

通信電路的工作電壓比較低,遭受二次雷擊產(chǎn)生的電涌電壓相對也比較低,相應(yīng)的抑制電路也要簡單些。PLC常用的通信端口有以太網(wǎng)口、RS-485和RS-232等,下面以RS-485和以太網(wǎng)端口為例,分別說明如何有效地抑制雷擊電涌脈沖。

3.3.1 RS-485通信口的電涌抑制

RS-485接口采用差分方式傳輸信號,對共模干擾本身具有一定的抑制能力,由于RS-485收發(fā)器的工作電壓低,電平在+2～+6 V之間,代表一個邏輯狀態(tài),電平在-6～-2 V之間,代表另一個邏輯狀態(tài)。簡單的RS-485端口(室內(nèi)走線)防電涌方案是使用兩個雙向TVS管。RS-485端口電涌防護設(shè)計如圖5所示,設(shè)計時保證擊穿電壓UBR大于最大正常工作電壓6 V,例如SMBJ6.8CA的UBRmin為6.45 V,UBRmax為7.14 V,其反向脈沖峰值功率PPR為600 W,其中R1為端接匹配電阻。

3.3.2 以太網(wǎng)口的電涌抑制

當(dāng)在戶外走線時端口的防護等級要求比較高。以太網(wǎng)口電涌防護設(shè)計如圖6所示,第一級防護由氣體放電管G1、G2和壓敏電阻RV1、RV2組成。由于G1和G2存在續(xù)流問題,所以需要串接壓敏電阻RV1和RV2,起到電涌過后的續(xù)流遮斷作用。第二級防護是TVS1和TVS2管,R1、R2、R3和R4為退耦電阻,使前后級防護電路很好地配合發(fā)揮作用。

圖5 RS-485端口電涌防護設(shè)計

需要注意的是,良好的接地對電涌的防護起到至關(guān)重要的作用,通過接地端可以將電涌引導(dǎo)泄放掉。設(shè)計中RJ45端子的外殼地需要接到保護地PE端,變壓器的中心抽頭應(yīng)該串接端接電阻75 Ω(R5)和一個高壓電容(容值通常為1 nF/2 kV,圖6中為C4)連接PE地,PE地應(yīng)該通過一個高壓電容(圖6中為C3,1 nF/2 kV)與網(wǎng)絡(luò)變壓器二次側(cè)的地GND連接。

圖6 以太網(wǎng)口電涌防護設(shè)計

除了通過以上電涌抑制器件實現(xiàn)防護外,網(wǎng)絡(luò)變壓器的隔離特性也很好地起到對電涌脈沖干擾的防護。電涌干擾首先經(jīng)過RJ45端口施加到網(wǎng)絡(luò)變壓器一次側(cè),由于變壓器的隔離特性,使得只要電涌干擾不超過變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的耐壓能力范圍,變壓器不會被擊穿,電涌干擾會被隔離在一次側(cè),從而對二次側(cè)基本不造成影響,達到對以太網(wǎng)口的保護目的。

4 結(jié) 語

可編程控制器的雷擊電涌脈沖抑制措施可以由引導(dǎo)泄放、限壓以及隔離等方法來實現(xiàn),實際上有效的電涌防護系統(tǒng)常常需要多種器件、多種措施的有效組合來實現(xiàn)。比如氣體放電管和壓敏電阻配合來用就可以解決壓敏電阻剩余電流以及氣體放電管續(xù)流遮斷的問題。除外,由于PLC的特殊性,一些構(gòu)成PLC的具有良好電氣隔離度的器件,如繼電器、光耦器件和變壓器等,利用其隔離性同樣可以很好地抑制雷擊電涌脈沖,從而保護重要的電路不受損壞。