共零线电流环通信电路的原理与应用

陈庆江

(广东美的制冷设备有限公司，广东 佛山 528311）

0 引言

工业控制应用中常涉及到数据或控制信号的长距离准确传输。以电流作为载体传输数据，可增大信号的噪声容限和提高信号的抗衰减能力。将信号载在电流环上，实现较远距离信号传输的电流环通信电路，经常将电流环与交流电源的零线（N线）共用一根线，组成共零线电流环通信电路。

本文对共零线电流环通信电路的通信原理和电路进行了阐述与分析，同时对各器件的选择进行了说明，最后介绍了电路在实际应用中出现的有关问题，并给出实际可行的解决方案。

1 电路与通信原理

如图1所示的共零线电流环通信电路，当通信处于室内发送、室外接收时，室外OUTDOOR-TXD置高电平，光耦IC21始终导通，若室内INDOOR-TXD发送高电平“1”，光耦IC2导通，电流环闭合，光耦IC1、IC20导通， 室外 OUTDOOR-RXD接收高电平 “1”； 若室内INDOOR-TXD 发送低电平“0”，IC2 截止，电流环断开，IC1、IC20 截止，室外OUTDOOR-RXD接收低电平“0”，从而实现了通信信号由室内向室外的传输。同理，可分析通信信号由室外向室内的传输过程。

图1

2 电路分析与器件选择

2.1 电源电路

FUSE1、ZR1、C5、L1、C6 是室内电源电路，C23、L2、C24 是室外电源电路，根据室内外电控实际需要确定参数或是否使用。D1，R1，R2，R3，E1，C1，DZ1组成稳压电源电路。交流220V经D1半波整流，R1，R2分压、限流，R3分流，稳压二极管DZ1稳压，再经E1，C1滤波后，为电流环提供稳定的24V电压。

如室内侧有主电源继电器（如图1 RY1），则室内通信电路的火线要从继电器的输出取电；如有共模电感（如图1 L1），因其会影响电流环通信波形，则室内通信电路的零线要接共模电感的前端，但要经过强电滤波电容C5。同样，如室外侧有共模电感（如图1 L2），则室外零线也要接在其前端，并经过C23。

2.2 电流环电路

IC1，R5，C3，IC2，C2，R4，D2，D20，R20，C20，IC21，IC20，R21，C21组成电流环。

光耦IC1，IC2，IC20，IC21起隔离作用，防止电流环上的大电流、高电压串入损坏芯片。其中IC1、IC20用于信号接收，IC2、IC21用于信号发送；R4，R20电阻起限流作用，将稳定的24V转换为3mA左右的电流，R5，R21电阻分流，起到保护光耦的作用，D2，D20防止N、S反接导致其它元器件的损坏，C2，C3，C20，C21 高频滤波， 其中 C2、C20选用安规电容；C3、C21选用耐压50V的瓷片电容或贴片电容。

快恢复二极管D3，D4，在电路中起保护光耦的作用，能有效释放连接线上的浪涌电压。由于要求反应时间短，所以应选用快恢复管。

2.3 发送接收电路

R24，R25，R26，Q20，IC21组成室外发送电路，R22，R23，C22，IC20 组成室外接收电路，R8，R9，R10，Q1，IC2 组成室内发送电路，R6，R7，C4，IC1 组成室内接收电路。

R7，R9，R23，R24 电阻限流，R10，R25，R6，R22 电阻分流保护光耦，都可以选用1/4W贴片电阻。C4、C22高频滤波。

2.4 器件选择

整流二极管要选反向击穿电压较高的二极管，最好≥1KV，同时要根据工作电流选取二极管的功率。

光耦的选型要根据通信的速率考虑光耦的开通和关断延时（尤其要考虑高温时光耦的延时会加大），如波特率为600bps，即每位数据的宽度约为1666μs，则光耦的开通或关断延时最大不能超过80μs；由于外界干扰的作用，会在发送光耦的输出端感应出较高的电压，因此发送光耦要选用耐压较高的型号,如选Vce为300V的PC851，其开通和关断延时最大为12μs；另PC817的Vce为35V，开通和关断延时最大为18μs，只可作为信号接收。

R5、R10、R21、R25 起分流作用，保护光耦不被大电流损坏，其阻值不能选的太小，否则分流过大，光耦输入电流过小，影响光耦的开关速度或开通不完全。

R1、R2要根据稳压管DZ1的工作电流范围来选，本电路电流环电流为3mA～6mA，稳压电压为24V，电源电压在175V～275V之间，可计算出分压电阻阻值为20K－40K，可选两个11K、3W的功率电阻串联。因电阻直接接在高压端，耐压要高于300V。

R4、R20的选型也要根据电流环电流的大小来选择。电流环电流过大，则通讯波形不好；过小，则电流环无法正常工作，导致经常出现通讯保护。本电流环电流选3mA－6mA，则总限流电阻约为4K-8K，为保证通信可靠性，选择较大的通信电流，则室内、室外各一个电阻，各分一半为2K。为防止N、S两端误接到L、N两端上，损坏电阻，故要选择功率比较大的电阻，需要选择3W以上。

高频滤波电容 C2，C3，C4，C20，C21，C22 选取时， 一般不要大于0.001uF，过大会使通讯信号的波形有部分被滤出，导致通讯不良。C3，C4，C21，C22选耐压50V的102即可，C2，C20选耐压250V的471即可。

稳压二极管DZ1的作用是稳定电流环工作电压，提供通信电流环需要的工作电流。一般选用24V稳压二极管，为保证电流环的电流大于3mA，需要选择1W的稳压二极管。

为保证足够大的驱动电流驱动光耦，在室内外信号发射端需增加两个驱动三极管Q1、Q20进行驱动，可选择8050的管子。

3 应用中的问题及解决

电路设计完成后，需要增加低温环境下的通信可靠性测试，要求在室外－15℃下确保通信正常，用示波器测试通信波形，不应出现丢帧现象。同时，需要增加延长通信线的通信可靠性试验，要求在通信线延长到15米时，电路仍可靠、稳定工作，用示波器测试通信波形，应无丢帧的现象发生。

但是，实际的应用中，由于电网电压的波动，通信线布线杂乱并且靠近其它强电干扰设备，还有通信线长度可能超过50米，往往会出现通信不良或通信不上等故障。

我们可以设计一个100米通信线的实验，并进行4KV的EFT实验，用示波器测试通信波形，会发现波形的失真和丢帧的情况。如图2所示。

图2

图3

问题的原因主要在内外侧的接收端，是通信环路中存在的干扰通过光耦传递到MCU。首先，电源要进行滤波处理，可以使用π型滤波。接着要增大中间环路的通信电流，增强抵抗干扰的能力，可以把R4，R20多并联一个电阻。然后，是避免干扰通过光耦，一方面把R5，R21电阻调小到1K，尽量把干扰从旁路流走；同时减少光耦IC1，IC20的传输比，控制在150左右（也不能太小），令干扰不被放大到接收端。最后，将R6，R22改小到2K，增加接收端电流，增强抵抗干扰的能力。调整后的实验波形如图3所示。如果软件上再做好滤波的程序处理。这个电路的可靠性会进一步提升。

4 结束语

本文介绍了共零线电流环通信电路的电路图及通信原理，并对其电路及器件的选择进行了简要的分析，最后对这个电路在实际应用中的有关问题进行了介绍和阐述，同时分析了具体的原因和解决的措施。这些实际的电路和措施已经经过多次严格的实验，以及过十万台产品的实际安装应用，具有很强的实际使用和操作性。

［1］EDNCHINA.基于电流环电路的远距离数据传输[J].2012,8.

［2］肖晓波,董新民.一种利用电流环的长距离串行通信的实现[M].现代电子技术,2002,8.