基于塑料光纖的高壓隔離通信接口設(shè)計(jì)
電力輸配電現(xiàn)場存在各種各樣的干擾,電力儀表的傳感器部分往往處于高電位,所以,高壓隔離通信是電力電子設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的課題。根據(jù)隔離信號種類的不同,分為模擬信號隔離和數(shù)字信號隔離;根據(jù)隔離介質(zhì)的不同,又分為變壓器隔離、運(yùn)放隔離、光耦隔離、紅外隔離、光纖隔離、無線隔離等。模擬信號的隔離常用隔離運(yùn)放,這種方法存在隔離過程中可能引入新的量化誤差。輸入信號頻率不能太高等問題。而數(shù)字信號隔離則沒有上述問題。因此,數(shù)字信號隔離應(yīng)用廣泛。特別是塑料光纖隔離具有隔離電壓高,工作頻率比較寬,也無需進(jìn)行信號調(diào)制解調(diào),隔離距離較遠(yuǎn),不易被干擾,可靠性高,硬件接口簡單,成本比較低的優(yōu)點(diǎn)。因此,塑料光纖隔離傳輸在電力系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
1 塑料光纖
與電纜相比,塑料光纖POF(Plastic Optical Fiber)不受電磁干擾、無電磁輻射。與玻璃光纖相比,塑料光纖成本低,較柔軟、容易安裝和維護(hù),POF芯徑通常為0.3~1mm,而玻璃光纖芯徑為62.5μm或50μm,芯徑大10倍左右的POF連接對準(zhǔn)容易,連接中即使有30μm的偏移,也不嚴(yán)重影響耦合損耗(約增加損耗0.03 dB),使用廉價(jià)的注塑連接器,從而顯著降低系統(tǒng)的總成本。
塑料光纖的連接器可以根據(jù)應(yīng)用的不同可自行設(shè)計(jì)。在高壓隔離通信中,常用的軟件協(xié)議有RS232總線,SPI總線,CAN總線等,這些接口的信號頻率小于10 MHz,這與光學(xué)數(shù)字音頻接口(TOSLINK)的頻段相同,使用標(biāo)準(zhǔn)的TOSLINK接口可以進(jìn)一步降低成本,提高可靠性。
TOSLINK是東芝連接(Toshiba Link)的縮寫,也是一種標(biāo)準(zhǔn)光學(xué)數(shù)字音頻接口,可用于在各種器材之間,通過一種光導(dǎo)體,利用光作載體傳送數(shù)字音頻信號(左右聲道或多聲道)。TOSLINK可以使用塑料光纖做塑料光纖音頻跳線。TOSLINK接口是一個(gè)光收發(fā)器,將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)化為光信號并傳輸數(shù)據(jù)。它通過光發(fā)送模塊將數(shù)字電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字光信號,轉(zhuǎn)化后的光信號通過塑料光纖到達(dá)光接收模塊。光接收模塊將光信號轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字電信號。光發(fā)送模塊主要元件是LED,它是一個(gè)光發(fā)射元件,通過驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)。光接收模塊由感光元件和波形修整電路組成。電路使用標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平或者ECL電平,它們能夠很容易與外圍電路相配合。
塑料光纖隔離通信系統(tǒng)的核心元件是光發(fā)送器和光接收器。其中,光發(fā)送器是由發(fā)光二極管及光纖連接器構(gòu)成。發(fā)光二極管使用高亮度、大小為1 mmx1 mm表面貼片封裝的發(fā)光二極管,這種發(fā)光管具有驅(qū)動(dòng)電流小、價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn),發(fā)光面大小與塑料光纖的直徑相當(dāng),容易將光信號與塑料光纖耦合。發(fā)光二極管的工作波長也要與塑料光纖的工作波長相配合。光纖連接器是將發(fā)光二極管與塑料光纖進(jìn)行有效對接的機(jī)械結(jié)構(gòu)。光纖連接器一般采用槽形結(jié)構(gòu),易于快速正確插撥。光接收器是由光敏二極管及光纖連接器構(gòu)成。光接收器收到的信號經(jīng)放大、濾波后,輸出TTL兼容信號。其光纖連接器與光發(fā)送器中的連接器完全相同。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
基于TOSLINK接口的光收發(fā)模塊很多,其硬件接口是類似的,光和電參數(shù)根據(jù)應(yīng)用不同而不同。市場上有很多相關(guān)的生產(chǎn)廠家。這里以DLRllll和DLTllll對管為例,說明塑料光纖的接口電路設(shè)計(jì)方法。DLRllll和DLTllll的外形和封裝形式完全一樣,如圖l所示。
DLRllll主要參數(shù)如下:工作電壓為2.7~5 V;工作電流為6.5 mA;工作波長為700 nm;工作頻率小于16 Mb/s;傳輸距離小于20m。
從以上參數(shù)來看,該器件可以滿足各種常見的高壓隔離通信的要求。
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