共零線電流環(huán)通信電路的原理與應用

陳慶江

(廣東美的制冷設備有限公司，廣東 佛山 528311）

0 引言

工業(yè)控制應用中常涉及到數(shù)據(jù)或控制信號的長距離準確傳輸。以電流作為載體傳輸數(shù)據(jù)，可增大信號的噪聲容限和提高信號的抗衰減能力。將信號載在電流環(huán)上，實現(xiàn)較遠距離信號傳輸?shù)碾娏鳝h(huán)通信電路，經(jīng)常將電流環(huán)與交流電源的零線（N線）共用一根線，組成共零線電流環(huán)通信電路。

本文對共零線電流環(huán)通信電路的通信原理和電路進行了闡述與分析，同時對各器件的選擇進行了說明，最后介紹了電路在實際應用中出現(xiàn)的有關問題，并給出實際可行的解決方案。

1 電路與通信原理

如圖1所示的共零線電流環(huán)通信電路，當通信處于室內(nèi)發(fā)送、室外接收時，室外OUTDOOR-TXD置高電平，光耦IC21始終導通，若室內(nèi)INDOOR-TXD發(fā)送高電平“1”，光耦IC2導通，電流環(huán)閉合，光耦IC1、IC20導通， 室外 OUTDOOR-RXD接收高電平 “1”； 若室內(nèi)INDOOR-TXD 發(fā)送低電平“0”，IC2 截止，電流環(huán)斷開，IC1、IC20 截止，室外OUTDOOR-RXD接收低電平“0”，從而實現(xiàn)了通信信號由室內(nèi)向室外的傳輸。同理，可分析通信信號由室外向室內(nèi)的傳輸過程。

圖1

2 電路分析與器件選擇

2.1 電源電路

FUSE1、ZR1、C5、L1、C6 是室內(nèi)電源電路，C23、L2、C24 是室外電源電路，根據(jù)室內(nèi)外電控實際需要確定參數(shù)或是否使用。D1，R1，R2，R3，E1，C1，DZ1組成穩(wěn)壓電源電路。交流220V經(jīng)D1半波整流，R1，R2分壓、限流，R3分流，穩(wěn)壓二極管DZ1穩(wěn)壓，再經(jīng)E1，C1濾波后，為電流環(huán)提供穩(wěn)定的24V電壓。

如室內(nèi)側(cè)有主電源繼電器（如圖1 RY1），則室內(nèi)通信電路的火線要從繼電器的輸出取電；如有共模電感（如圖1 L1），因其會影響電流環(huán)通信波形，則室內(nèi)通信電路的零線要接共模電感的前端，但要經(jīng)過強電濾波電容C5。同樣，如室外側(cè)有共模電感（如圖1 L2），則室外零線也要接在其前端，并經(jīng)過C23。

2.2 電流環(huán)電路

IC1，R5，C3，IC2，C2，R4，D2，D20，R20，C20，IC21，IC20，R21，C21組成電流環(huán)。

光耦IC1，IC2，IC20，IC21起隔離作用，防止電流環(huán)上的大電流、高電壓串入損壞芯片。其中IC1、IC20用于信號接收，IC2、IC21用于信號發(fā)送；R4，R20電阻起限流作用，將穩(wěn)定的24V轉(zhuǎn)換為3mA左右的電流，R5，R21電阻分流，起到保護光耦的作用，D2，D20防止N、S反接導致其它元器件的損壞，C2，C3，C20，C21 高頻濾波， 其中 C2、C20選用安規(guī)電容；C3、C21選用耐壓50V的瓷片電容或貼片電容。

快恢復二極管D3，D4，在電路中起保護光耦的作用，能有效釋放連接線上的浪涌電壓。由于要求反應時間短，所以應選用快恢復管。

2.3 發(fā)送接收電路

R24，R25，R26，Q20，IC21組成室外發(fā)送電路，R22，R23，C22，IC20 組成室外接收電路，R8，R9，R10，Q1，IC2 組成室內(nèi)發(fā)送電路，R6，R7，C4，IC1 組成室內(nèi)接收電路。

R7，R9，R23，R24 電阻限流，R10，R25，R6，R22 電阻分流保護光耦，都可以選用1/4W貼片電阻。C4、C22高頻濾波。

2.4 器件選擇

整流二極管要選反向擊穿電壓較高的二極管，最好≥1KV，同時要根據(jù)工作電流選取二極管的功率。

光耦的選型要根據(jù)通信的速率考慮光耦的開通和關斷延時（尤其要考慮高溫時光耦的延時會加大），如波特率為600bps，即每位數(shù)據(jù)的寬度約為1666μs，則光耦的開通或關斷延時最大不能超過80μs；由于外界干擾的作用，會在發(fā)送光耦的輸出端感應出較高的電壓，因此發(fā)送光耦要選用耐壓較高的型號,如選Vce為300V的PC851，其開通和關斷延時最大為12μs；另PC817的Vce為35V，開通和關斷延時最大為18μs，只可作為信號接收。

R5、R10、R21、R25 起分流作用，保護光耦不被大電流損壞，其阻值不能選的太小，否則分流過大，光耦輸入電流過小，影響光耦的開關速度或開通不完全。

R1、R2要根據(jù)穩(wěn)壓管DZ1的工作電流范圍來選，本電路電流環(huán)電流為3mA～6mA，穩(wěn)壓電壓為24V，電源電壓在175V～275V之間，可計算出分壓電阻阻值為20K－40K，可選兩個11K、3W的功率電阻串聯(lián)。因電阻直接接在高壓端，耐壓要高于300V。

R4、R20的選型也要根據(jù)電流環(huán)電流的大小來選擇。電流環(huán)電流過大，則通訊波形不好；過小，則電流環(huán)無法正常工作，導致經(jīng)常出現(xiàn)通訊保護。本電流環(huán)電流選3mA－6mA，則總限流電阻約為4K-8K，為保證通信可靠性，選擇較大的通信電流，則室內(nèi)、室外各一個電阻，各分一半為2K。為防止N、S兩端誤接到L、N兩端上，損壞電阻，故要選擇功率比較大的電阻，需要選擇3W以上。

高頻濾波電容 C2，C3，C4，C20，C21，C22 選取時， 一般不要大于0.001uF，過大會使通訊信號的波形有部分被濾出，導致通訊不良。C3，C4，C21，C22選耐壓50V的102即可，C2，C20選耐壓250V的471即可。

穩(wěn)壓二極管DZ1的作用是穩(wěn)定電流環(huán)工作電壓，提供通信電流環(huán)需要的工作電流。一般選用24V穩(wěn)壓二極管，為保證電流環(huán)的電流大于3mA，需要選擇1W的穩(wěn)壓二極管。

為保證足夠大的驅(qū)動電流驅(qū)動光耦，在室內(nèi)外信號發(fā)射端需增加兩個驅(qū)動三極管Q1、Q20進行驅(qū)動，可選擇8050的管子。

3 應用中的問題及解決

電路設計完成后，需要增加低溫環(huán)境下的通信可靠性測試，要求在室外－15℃下確保通信正常，用示波器測試通信波形，不應出現(xiàn)丟幀現(xiàn)象。同時，需要增加延長通信線的通信可靠性試驗，要求在通信線延長到15米時，電路仍可靠、穩(wěn)定工作，用示波器測試通信波形，應無丟幀的現(xiàn)象發(fā)生。

但是，實際的應用中，由于電網(wǎng)電壓的波動，通信線布線雜亂并且靠近其它強電干擾設備，還有通信線長度可能超過50米，往往會出現(xiàn)通信不良或通信不上等故障。

我們可以設計一個100米通信線的實驗，并進行4KV的EFT實驗，用示波器測試通信波形，會發(fā)現(xiàn)波形的失真和丟幀的情況。如圖2所示。

圖2

圖3

問題的原因主要在內(nèi)外側(cè)的接收端，是通信環(huán)路中存在的干擾通過光耦傳遞到MCU。首先，電源要進行濾波處理，可以使用π型濾波。接著要增大中間環(huán)路的通信電流，增強抵抗干擾的能力，可以把R4，R20多并聯(lián)一個電阻。然后，是避免干擾通過光耦，一方面把R5，R21電阻調(diào)小到1K，盡量把干擾從旁路流走；同時減少光耦IC1，IC20的傳輸比，控制在150左右（也不能太小），令干擾不被放大到接收端。最后，將R6，R22改小到2K，增加接收端電流，增強抵抗干擾的能力。調(diào)整后的實驗波形如圖3所示。如果軟件上再做好濾波的程序處理。這個電路的可靠性會進一步提升。

4 結(jié)束語

本文介紹了共零線電流環(huán)通信電路的電路圖及通信原理，并對其電路及器件的選擇進行了簡要的分析，最后對這個電路在實際應用中的有關問題進行了介紹和闡述，同時分析了具體的原因和解決的措施。這些實際的電路和措施已經(jīng)經(jīng)過多次嚴格的實驗，以及過十萬臺產(chǎn)品的實際安裝應用，具有很強的實際使用和操作性。

［1］EDNCHINA.基于電流環(huán)電路的遠距離數(shù)據(jù)傳輸[J].2012,8.

［2］肖曉波,董新民.一種利用電流環(huán)的長距離串行通信的實現(xiàn)[M].現(xiàn)代電子技術(shù),2002,8.