第四届中国国际防雷论坛论文摘编P r o c e e d i n go nI n t e r n a t i o n a lL i g h t n i n gC o n f e r e n c ei nC h i n a ( I L C C )光电隔离产品在雷电防护工程中的应用T h eA p p l i c a t i o no fO p t o e l e c t r o n i cI s o l a t e dP r o d u c t si nL i g h t n i n gP r o t e c t i o nE n g i n e e r i n g周慧生Z h o uH u i s h e n g( 北京同为基业科技发展有限公司，北京1 0 0 0 8 3 )在苛刻的工业环境下，串口通信的可靠度通常会受到相当大的影响。与审口通信设备连接的线路有可能会被电源线、发动机、或会产生静电的设备所环绕。串口设备很有可能被这些设备突然发出的浪涌电波侵袭而受损。这时候，解决方案除了使用常规浪涌保护装置( 串口S P D ) 外，还可考虑采用光电隔离保护器，必要时也可以两者结合保护使用。其隔离电压连续2 5 0 0 V ，瞬间7 0 0 0 V浪涌脉冲，没有任何残压和漏流，有些指标优于普通浪涌保护器。当两个距离遥远的串口设备被直接连接在一起时，不稳定的地电位可能会对其产生重大的损害。两个串口间不稳定的地电位会形成所谓的“地电回路”，并在两个串口设备问引起巨大的电流，事实上，除了对数据传输干扰外，还可能会造成设备无法修复的损害。在这种状况下，使用光电隔离保护可以让串口完全的绝缘，而不会受到电涌的侵袭，完全可以替代常规浪涌保护器，特别是在接地不好处理和复杂环境时使用效果优于浪涌保护器。光电隔离通常使用一个光藕将电子信号转换为光信号，在另一边再将光信号转换回电予信号。如此，这两个电路就可以互相的隔离。光电耦合器在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号噪声比大为提高，输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏设备。1 光电耦合器件简介光电耦合器件是把发光器件( 如发光二极管) 和光敏器件( 如光敏三极管) 组装在一起，通过光线实现耦合构成电一光和光一电的转换器件。图1 所示为常用的三极管型光电耦合器原理图。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，C E 导通；当输入端无信号，发光二极管不亮，光敏三极管截止，C E 不通。对于数字量，当输入为低电平“O ”时，光敏三极管截止，输出为高电平“1 ”；当输入为高电平“1 ”时，光敏三极管饱和导通，输出为低电平“0 ”。若基极有引出线则可满足温度补偿、检测调制要求。这种光耦合器性能较好，价格便宜，因而应用广泛。照鞭囊堍凝2 7 4燃 I t U t 麓麓麓 豫1 黛壤羹越糍鸯蔫食羹纛骥麓光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰，使通道上的信号六j 防雷产品开发、测试与应用D e v e l o p m e n t a n d A p p l i c a t i o n o f P r o d u c t s a n d T e s t i n g I n s t r u ，m e n t s f o r L i g h t n i n g P r o t e c t i o n 噪声比大为提高，主要有以下几方面的原因：( 1 ) 光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为1 0 5 1 0 6 Q 。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉了。( 2 ) 光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。( 3 ) 光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏设备。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。 2 光电隔离产品概述串行口光电隔离保护器采用先进的光电隔离技术，极大限度的保护了R S 2 3 2 串口设备，避免了地线回路电压、浪涌、感应雷击、静电、热插拔等恶劣环境对R S 2 3 2 设备的损坏。由于R S 2 3 2 口定义了通信距离为1 5 m ，信号电压 1 5 V ，电流 2 0 m A ，不能防止静电和浪涌，不能带电插拔电缆，所以容易受到损坏，从而影响正常的通信，使用光电隔离器后，两侧R S 2 3 2 接口可以承受瞬间7 5 0 0 V ，连续2 5 0 0 V 的电压差，可以有效吸收静电和电磁干扰，保护设备的R S 2 3 2 接口，同时，由于采用了光电隔离技术，完全隔离了两端R S 2 3 2 设备的电气和地线回路，使信号在产品内部经过光电转换，从而保护两侧通信设备免受因地电位不同形成“地环流”的影响，电源地线和浪涌的干扰和损坏，明显地提高了通信系统的可靠性和稳定性。光电隔离保护器无需外接电源( 也有外接电源) ，可以直接串接到设备的R S 2 3 2 接口和电缆之间，在电力、保险、电信、银行、证券、工控等行业的点对点R S 2 3 2 通信系统、U n i x 多用户系统、监视系统、程控交换机计费终端、卫星接收机、A T M 自动提款机等方面有广泛应用。光电隔离产品一般性能参数如下：接口：符合E I AR S 2 3 2 和C C I T YV 2 4 异步协议电源：无需外接电源，可以从T X D 脚馈电。传输模式：异步、全双工、全透明隔离电压：连续2 5 0 0 V ，瞬间7 5 0 0 V 。工作环境：温度0 5 0 。C相对湿度5 - 9 0 传输速率：5 7 6 k b p s3 产品安装与连接接终端设备一侧采用孔头，接通信设备一侧采用针头，信号电平兼容R S 2 3 2V 2 8 电平，内部信号线均是独立的。直接接入R S 2 3 2 接口，使用方便。实际工程施工中可参照串口电涌保护器的安装方法和使用场合，但可以不必考虑接地，所以安装极为简单。以下是两种情况下的安装示意图：AD T E 设备与D C E 设备连接，连接线作一一连接。三三三三i 三至匮至囝 一一对应2 7 5 第四届中国国际防雷论坛论文摘编 一Proceedingo nI n t e r n a t i o n a lL i g h t n i n gC o n f e r e n c ei nC h i n a ( I L C C )BD T E 设备与D T E 设备连接，在任意一侧将连接线作2 ，3 交叉，其余一一对应。主机光电隔离2 - 一一一3 3 一一一一2r - - - - - - - - 15 一5 】萁他D T E 设备I 除2 ，3 外萁1I 余一一对应下面是某监控机房的拓扑图的前后对比，( 图三) 中各设备的信号通过串口扩展箱直接相连，通过同一地线形成回路，所有的设备连接相当于一个大的串口网络，这种情况下，任何一台设备和串口的损坏都会影响到其它的设备和串口，严重的会导致整个网络瘫痪。( 图四) 是采用光电隔离保护器组成的串口通信网络，在该网络中，每个设备和串口都是彼此相对独立的，其中任何一个损坏都不会影响其他的设备或串口，从而保证联网的计算机与上位机之间网络的正常运行。2 7 6现有的网络组成( 图三)使用光电隔离保护器的网络组成( 图四)六、防雷产品开发、测试与应用里! ! 1 2 2 竺型翌壁垒塑! ! ! 丝2 呈竺墅塑垫竺皇! 空垒竖! 呈! 业旦兰坐! 垒! 兰i 曼塑! 呈墨! 塑堡! 皇2 呈 4 使用注意事项( 1 ) 在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。( 2 ) 当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号( 包括数字量信号、控制量信号、状态信号) 全部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。( 3 ) 实际应用于防雷工程施工中，还应考虑安装位置所处的防雷分区，注意光电隔离产品的电涌防护能力，必要时可以结合常规电涌保护产品使用。由此可见，在串口网络各串口之间加装串口隔离保护装置，可以把电位差降在隔离器上，有效地解决因电位差造成串口的损坏，相对于串口常规防雷( 加装电涌保护器) 而言，不失为另一种较好的解决方案，有异曲同工之妙，国外已有公司将光电隔离产品归为浪涌保护产品。