可编程控制器的雷击电涌抑制技术

张 军 平

(上海电器科学研究院, 上海 200063)

0 引 言

可编程序逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)是一种专门为在工业场景下应用而设计的数字运算操作电子系统,以其高速、高稳定性和高可靠度而被广泛应用于工业控制领域。随着工业化和信息化的快速推进,构成PLC的内部CMOS大规模集成电路、中央处理单元(CPU)主控芯片等集成度不断提高,导致PLC及其内部的芯片、电子元器件的抗干扰性不断降低。由于PLC通常所处的工业环境相对比较恶劣,干扰对PLC的可靠性和安全性会造成很大的影响,其中雷击电涌电压脉冲带来的损害更是不容忽视[1-2]。

1 雷击电涌脉冲特性

我国电子设备雷击抗扰度试验标准是GB/T 17626.5—1999[3](等同于IEC 61000-4-5),针对的是二次雷击在输电线上感应的电涌电压脉冲。讨论的PLC雷击电涌防护应遵循上述标准。

1.1 雷电电涌脉冲发生电路图

模拟雷电在输电线路中感应产生电涌脉冲的电路原理图如图1所示,其中U为高压源,Rc为充电电阻,Cc为储能电容,Rs1、Rs2为脉冲持续时间形成的电阻,Rm为阻抗匹配电阻,Lr为上升时间形成的电感。

图1 模拟雷电在输电线路中感应产生电涌脉冲的电路原理图

1.2 雷击电涌脉冲电压和电流的基本参数

雷击电涌脉冲电压和电流的基本参数要求:

(1) 开路输出电压。开路电压波前时间为1.2 μs,半峰值时间为50 μs。电压范围为0.5～6 kV,分5等级电压输出,最后一级X级由用户自定义。

(2) 短路输出电流。开路电流波前时间为8 μs,半峰值时间为20 μs。电流范围为0.25～2 kA,根据不同等级试验而不同。

(3) 内阻。内阻为2 Ω,附加电阻可为10、12、40、42 Ω,供其他不同等级试验用。

2 常用防雷器件

2.1 气体放电管

气体放电管(Gas Discharge Tube,GDT)是一种间隙型的防雷保护组件,内部有两个或多个带间隙的金属电极,充以惰性气体(氩气或氖气)构成,当施加在两极之间的外加电压超过气体的绝缘强度所能忍受的限值时,两极间的间隙将被击穿而放电,气体由原来的绝缘状态转变为导电状态,导通后放电管两极之间的电压维持在放电弧道所决定的残压水平。这种残压一般很低,从而保护与放电管并联的电子设备免受过电涌脉冲干扰的冲击而损坏。气体放电管主要参数有直流击穿电压、冲击击穿电压、通流容量、响应时间、绝缘电阻、极间电容等。

2.2 压敏电阻

压敏电阻(Metal Oxide Varistor,MOV)是一种具有非线性伏安特性的电阻器件,主要用于电路承受过压时进行电压钳位,吸收多余的电流以保护后面的重要器件。

压敏电阻是一种限压型保护器件(伏安特性呈非线性的敏感器件),当过电压施加在压敏电阻的两极间时内阻急剧下降并迅速导通,可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,实现对后级电路的保护。当电压低于压敏电阻工作电压时,压敏电阻两极间阻值很大,接近断路,因而不会影响被保护器件的正常工作。压敏电阻的主要参数有压敏电压、最大连续工作电压、最大限制电压、最大能量、通流容量等。

2.3 瞬态电压抑制管

瞬态电压抑制管(Transient Voltage Suppressor,TVS)是在稳压管工艺基础上发展起来的一种产品,其电路符号和普通稳压二极管相同,主要特点是在反向应用条件下当承受高能量的脉冲时,工作阻抗极短的时间内降至极低。

TVS二极管两极受到反向瞬态高能量冲击时,能以皮秒量级的速度迅速将其两极间的高阻抗变为极低阻抗,吸收高达数千瓦的电涌功率,使两极间的电压钳位于预先设定的值,从而有效地保护电子线路中的重要器件,免受电涌脉冲的损坏。TVS主要参数有击穿电压UBR、最大反向脉冲峰值电流IPP、最大反向工作电压URWM(或变位电压)、最大箝位电压UC(max)、反向脉冲峰值功率PPR。

GDT、MOV和TVS主要特性参数比较如表1所示。

表1 GDT、MOV和TVS主要特性参数比较

注:给出的参数范围是针对大多数器件,不是绝对的。

3 PLC雷击电涌防护实例

PLC组成通常主要包括交流电源电路、CPU、输入电路单元、输出电路单元和通信接口电路单元等部分。其中CPU单元因为不直接和外部接口,所以被雷击电涌击中的几率不大。下面就其他接口单元中雷击电涌的防护措施进行探讨。

3.1 PLC交流电源电涌抑制

PLC交流电源电涌抑制电路如图2所示,其中FU为熔断器,起断路保护作用。G1和G2是气体放电管,主要对共模高压电涌脉冲有很强的抑制作用,对差模电涌脉冲也有抑制作用,工作时大部分的过电流通过气体放电管泄放至PE地。压敏电阻RV1和RV2进一步增强对共模电涌脉冲的抑制,但由于压敏电阻存在剩余电流,所以增加气体放电管G3接至PE地,保证电源电路正常工作时对地剩余电流为0。选择G3的击穿电压比G1、G2小很多,RV1和RV2的击穿电压也应较低。

在该典型的三级雷击电涌抑制电路中,气体放电管通常作为一级电涌抑制器件。在二级抑制电路中,气体放电管和压敏电阻一起共同起作用,将电涌电流泄放到地(PE)。TVS作为三级电涌抑制器件,当电涌到来时最先启动,在瞬间把电涌电压控制在可接受的水平下保护后续电路;随着电涌电流逐渐增大,压敏电阻启动,泄放一定的电涌电流;随后启动气体放电管,把主要的电涌电流泄放到地。注意的是,必须要将响应速度快的器件放在防护电路后面。

图2 PLC交流电源电涌抑制电路

除了使用防雷击电涌器件实现PLC的交流电源防护外,还在PCB设计时采用容易实现的PCB放电间隙法。PCB放电间隙法示意图如图3所示。这种在PCB板上制作的放电间隙装置工作原理是:是利用合适的爬电距离,使得雷击电涌电压瞬间来袭时,将两个相对的齿尖铜皮间隙之间的空气击穿,从而一部分电涌脉冲通过空气放电而泄放到保护地(PE)。在空气中,1 mm的放电电压为1 kV左右,则6 mm间隙距离的放电电压约为6 kV。需要注意的是,中间电极一定要接到三端电源线的保护地(PE)上。PCB放电间隙法可以代替气体放电管。

图3 PCB放电间隙法示意图

3.2 PLC输入、输出单元防雷击电涌

3.2.1 输入单元防雷击电涌

PLC输入单元电路光耦器件如图4所示,通常是由光耦和其他器件组成,光耦器件本身有一定的隔离度,将外部输入与内部电路隔离开来,例如东芝TLP109有3 kV以上的隔离度。所以,可利用光耦的隔离特性来提高输入单元的抗电涌能力。需要注意的是,光耦的初、次级必须不共用同一个地,才能保证光耦的高隔离度。

图4 PLC输入单元电路光耦器件

3.2.2 输出单元防雷击电涌

在继电器型输出的PLC中,由于继电器的良好隔离性,将输出节点和内部电路有效地隔离开来,很多继电器的触点与线圈之间的耐电涌电压能达到4 kV甚至6 kV以上,有效地抑制电涌脉冲。

晶体管输出型PLC则是CPU通过光耦器件控制晶体管的通断,进而驱动外部负载。如前所述,光耦器件具有较高的隔离度,同理也能很好地抑制电涌脉冲。

3.3 通信端口防雷击电涌

通信电路的工作电压比较低,遭受二次雷击产生的电涌电压相对也比较低,相应的抑制电路也要简单些。PLC常用的通信端口有以太网口、RS-485和RS-232等,下面以RS-485和以太网端口为例,分别说明如何有效地抑制雷击电涌脉冲。

3.3.1 RS-485通信口的电涌抑制

RS-485接口采用差分方式传输信号,对共模干扰本身具有一定的抑制能力,由于RS-485收发器的工作电压低,电平在+2～+6 V之间,代表一个逻辑状态,电平在-6～-2 V之间,代表另一个逻辑状态。简单的RS-485端口(室内走线)防电涌方案是使用两个双向TVS管。RS-485端口电涌防护设计如图5所示,设计时保证击穿电压UBR大于最大正常工作电压6 V,例如SMBJ6.8CA的UBRmin为6.45 V,UBRmax为7.14 V,其反向脉冲峰值功率PPR为600 W,其中R1为端接匹配电阻。

3.3.2 以太网口的电涌抑制

当在户外走线时端口的防护等级要求比较高。以太网口电涌防护设计如图6所示,第一级防护由气体放电管G1、G2和压敏电阻RV1、RV2组成。由于G1和G2存在续流问题,所以需要串接压敏电阻RV1和RV2,起到电涌过后的续流遮断作用。第二级防护是TVS1和TVS2管,R1、R2、R3和R4为退耦电阻,使前后级防护电路很好地配合发挥作用。

图5 RS-485端口电涌防护设计

需要注意的是,良好的接地对电涌的防护起到至关重要的作用,通过接地端可以将电涌引导泄放掉。设计中RJ45端子的外壳地需要接到保护地PE端,变压器的中心抽头应该串接端接电阻75 Ω(R5)和一个高压电容(容值通常为1 nF/2 kV,图6中为C4)连接PE地,PE地应该通过一个高压电容(图6中为C3,1 nF/2 kV)与网络变压器二次侧的地GND连接。

图6 以太网口电涌防护设计

除了通过以上电涌抑制器件实现防护外,网络变压器的隔离特性也很好地起到对电涌脉冲干扰的防护。电涌干扰首先经过RJ45端口施加到网络变压器一次侧,由于变压器的隔离特性,使得只要电涌干扰不超过变压器一次侧与二次侧的耐压能力范围,变压器不会被击穿,电涌干扰会被隔离在一次侧,从而对二次侧基本不造成影响,达到对以太网口的保护目的。

4 结 语

可编程控制器的雷击电涌脉冲抑制措施可以由引导泄放、限压以及隔离等方法来实现,实际上有效的电涌防护系统常常需要多种器件、多种措施的有效组合来实现。比如气体放电管和压敏电阻配合来用就可以解决压敏电阻剩余电流以及气体放电管续流遮断的问题。除外,由于PLC的特殊性,一些构成PLC的具有良好电气隔离度的器件,如继电器、光耦器件和变压器等,利用其隔离性同样可以很好地抑制雷击电涌脉冲,从而保护重要的电路不受损坏。