作者:kenton williston
投稿人:digikey 北美编辑
像智能电网、智能电表和智能路灯这样的智能能源基础设施装置都需要可靠、经济、安全的通信。虽然无线技术可以发挥作用,但其脆弱性、成本和覆盖范围的限制带来了巨大挑战。电力线通信 (plc) 技术可通过现有的电力线进行数据传输,是实现关键通信的良好基础技术。
尽管 plc 的定义明确且应用广泛,但设计人员仍需注意一些可能破坏通信的问题,如信号衰减、噪声和瞬态电压。要解决这些问题,就需要切实有效的解决方案,以确保最佳性能。plc 变压器和 gmov 过压保护器就是其中的两种解决方案。
plc 变压器经过优化,可将窄带 (nb) 应用中的插损降至最低。它们还能减少电隔离和电磁干扰 (emi) ,提高信号质量和可靠性。gmov 是一种混合过压保护元件,结合了气体放电管 (gdt) 和金属氧化物压敏电阻 (mov)。其设计克服了标准 mov 的局限性和故障问题,因为标准 mov 在恶劣和不受控制环境中容易发生降级和热击穿。
本文简要回顾了 plc 的工作原理及其适合智能基础设施的原因。然后介绍了 [bourns] 提供的 plc 变压器和 gmov 保护器实例器件,说明它们的工作原理,并介绍对之进行选择和应用时应考虑的一些因素。
plc 操作、应用和挑战在 plc 系统中,所要传输的数据要先调制到载波信号中,然后再注入电力线。不同应用的细节差别很大,但 ieee 1901.2 是全球电网标准。该标准规定了低频(≤ 500 千赫兹 (khz))窄带通信速率最高 500 千比特/秒(kb/s),适用于智能电网、智能电表和智能街道照明等应用。
尽管 plc 技术已被证明是智能能源基础设施设计人员的有用解决方案,但它也并非没有挑战。设计障碍包括信号衰减、噪声和瞬态电压,所有这些都会大大降低通信质量和可靠性。具体而言:
信号衰减是一个问题,因为 plc 信号使用的线路是为输电而设计的,而不是为数据设计的。这些线路的阻抗特性会造成相当大的衰减,尤其是在长距离上。由此造成的信号强度下降会降低有效范围,并可能导致数据丢失或出错。噪声有多种来源,如连接到电力线上的电子设备、供电变化和外部 emi。plc 数据信号的频率相对较高,因此特别容易受到非屏蔽电网中这些噪声源的影响。雷击或感性负载开关可能会导致 瞬态电压 。这种瞬态会在电力线上产生高电压,可能会损坏 plc 调制解调器。在应对 plc 系统面临的挑战时,设计人员可以采用两种关键技术:plc 变压器和 gmov 保护器。这两个组件在确保 plc 系统的可靠性、性能和安全性方面发挥着至关重要的作用。
设计评审:耦合电路中的 plc 变压器和 gmov为了说明 plc 变压器和 gmov 可以解决的问题,请参看图 1 所示的耦合电路。该电路必须将 plc 调制解调器 (z 模块 ) 与电力线 (z 线 ) 隔离,同时为数据信号提供路径。在此过程中,耦合电路必须同时处理高频、低功率通信信号和低频、高功率交流电。
图 1:所示为带浪涌保护功能的简化耦合电路,可将 plc 调制解调器 (z 模块 ) 与电力线 (z 线 ) 隔离,同时还能为数据信号提供路径。(图片来源:bourns)
plc 变压器 (t1) 在 plc 调制解调器和电力线之间提供电隔离,帮助将 plc 与交流电网分开。这些变压器有一个重要特征,就是插损极小,因此减少了信号失真和衰减。例如,图 2 显示了 bourns 的 pfb 系列 plc 变压器的性能,适用于 500 khz 以下的窄带应用。此外,plc 变压器抑制电磁干扰的能力也有助于降低噪音,从而提高通信的可靠性和效率。
图 2:所示为专为 500 khz 以下窄带应用定制的 pfb 系列 plc 变压器的插损与频率关系图。(图片来源:bourns)
在图 1 中,瞬态电压同样由 gmov 保护器处理(图 3)。这种新型器件是一种混合过压保护元件,集成了 mov 的快速响应和 gdt 的高浪涌电流处理能力。这种组合可提供强大的保护,防止雷击或开关事件引起的瞬态电压损坏 plc 系统中的电子电路。
在 gmov 中,mov 和 gdt 元件采用串联配置进行容性耦合。在低频条件下,gmov 元件的电压限制等于 mov 和 gdt 元件的电压限制之和。
图 3:gmov 结合了 mov 的快速响应和 gdt 的高浪涌电流处理能力。(图片来源:bourns)
与容易降级和热击穿的标准mov 不同,gmov 保护器的设计能够承受恶劣和不受控的环境。 mov 元件可将过高电压钳位到安全水平,而gdt 则可在极端浪涌条件下起到故障保护作用。这一功能可将过多的能量从mov 上引开,从而延长其使用寿命,降低系统故障的可能性。
plc 变压器和 gmov 保护器的设计考虑因素为 plc 系统设计线路耦合电路需要仔细考虑关键元件及其相互作用。以下是设计中需要考虑的一些问题。
plc 系统要求 :在开始设计流程之前,要清楚地了解 plc 系统的要求。这包括所需的数据传输速率、工作范围、工作的电力线类型以及所处的环境条件。
安全与合规 :对于用户或维护人员可能接触到的设计部分,安全问题尤为重要。根据应用的不同,设计可能需要符合 en 62368-1(信息技术和视听设备)或 en 61885(通信网络和电力设施自动化)规范要求。
从通信角度来看,设计通常必须符合欧洲 cenelec en 50065-1 标准,该标准规定了最大信号电平和允许的载波频段。
选择 plc 变压器 :检查变压器是否符合工作频率、电压和阻抗要求。例如,前面提到的 bourns pfb 系列针对 nb plc (nb-plc) 应用进行了优化,使其适用于远距离操作。pfb 系列支持低压和中压范围,可用于室内和室外环境。
请务必选择匝数比能使 plc 调制解调器阻抗与电力线阻抗相匹配的变压器。很多时候,调制解调器的阻抗无法改变,因此必须仔细选择变压器,以实现阻抗匹配,从而有效传输信号。
此外,还要考虑应用环境。例如,pfb 系列有标准型和加长型两种。标准型 [pfbr45-st13150s] 专为在安全外壳内使用而设计,而加长型 [pfb45-sp13150s]则增加了安全功能,可用于维护工人或用户可能接触到的区域。后一种型号的增强绝缘可防止电击,并将最终用户与危险的输入电压隔离开来。图 4 说明了这两种模式的主要特点。
| | bourns 零件编号 | 100 khz /1 v 时
初级侧电感 | 100 khz / 1 v 时
漏电感
(全部次级侧引脚均短接) | 匝比 | 最大 dcr | 50 khz 时绕组间电容 | 耐压
1 秒/1 ma
pfbr45-st13150s (1-4) 1 mh, +35%, -30% (1-4) 典型值 1.5 μh(最大值 2 μh) (1-4):(7-5) 2:1 ±3%
(1-4):(8-6) 2:1 ±3%
(7-5) 115 mω (8-6) 105 mω
pfbr45-sp13150s (9-6) 1.15 mh, +3% (9-6) 最大 1.3 μh (9-6):(1-4) 2:1 ±3%
(9-6):(2-5) 2:1 ±3% (1-5),(2,4) 短接 350 mω (1-5) 625 v 交流电
图 4:与 pfbr45-st13150s 相比,加长型 pfb45-sp13150s plc 变压器具有更强的安全功能。(图片来源:bourns)
选择 gmov 保护器 :在选择合适的保护器时,要考虑系统可能面临的电涌和瞬态电压类型。例如,bourns 提供 14 毫米 (mm) 的 gmov 保护器(如 [gmov-14d301k]),可支持 6 千安 (ka) 的浪涌电流,以及 20 毫米 (mm) 的变型(如 [gmov-20d151k]),可支持 10 千安的浪涌电流。值得注意的是,14 mm 和 20 mm 变型在尺寸和封装上都与标准 mov 兼容。图 5 提供了这些器件的完整可用配置列表。
| | bourns 零件编号 | 工作 | 保护 |
| ----------------------------------- | ------------------------------- | -------------------- |
| 最大持续工作电压 (mcov) | mcov 时的最大漏电流 | 最大电容 | i名义
ul 1449/第 4 版 | i最大限度 |环波浪涌
ieee 62.41 |保护级别/ 电流等级
iec 61051-1 | 钳位渡越时间 | 能量 |
| v有效值 | v直流 | a有效值 | 1 mhz | 15 工作 | 1 工作 | 200 a | 最大 | 类型 | 8/20 μs |
| v | v | μa | pf | a | a | 工作 | vfp | vc | μ s | j |
| gmov-14d450k | 45 | 45 56 | 56 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 900 | 900 150 | 150 0.3 | 0.3 24 |
| gmov-14d500k | 50 | 50 65 | 65 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 150 | 150 0.3 | 0.3 27 | 27
| gmov-14d650k | 65 | 65 85 | 85 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 185 | 185 0.3 | 0.3 33 | 33
| gmov-14d950k | 95 | 95 125 | 125 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 270 | 270 0.3 | 0.3 53 | 53
| gmov-14d111k | 115 | 115 150 | 150 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 320 | 320 0.3 | 0.3 60|
| gmov-14d131k | 130 | 130 170 | 170 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 800 | 360 | 360 0.3 | 0.3 70 | 70
| gmov-14d141k | 140 | 140 180 | 180 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 950 | 950 380 | 380 0.3 | 0.3 78 | 78
| gmov-14d151 | 150 | 150 200 | 200 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 950 | 950 420 | 420 0.3 | 0.3 84 | 84
| gmov-14d171k | 175 | 175 225 | 225 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 950 | 950 470 | 470 0.3 | 0.3 99 | 99
| gmov-14d231k | 230 | 230 300 | 300 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 620 | 620 0.3 | 0.3 130 | 130
| gmov-14d251k | 250 | 250 320 | 320 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 675 | 675 0.3 | 0.3 140 | 140
| gmov-14d271k | 275 | 275 350 | 350 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 730 | 730 0.3 | 0.3 155 | 155
| gmov-14d301k | 300 | 300 385 | 385 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 800 | 0.3 | 0.3 175 | 175
| gmov-14d321k | 320 | 320 145 | 145 <1 | 4 | 3,000 | 6,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 875 | 875 0.3 | 0.3 180 | 180
| |
| gmov-20d450k | 45 | 45 56 | 56 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 150 | 150 0.3 | 0.3 49 | 49
| gmov-20d500k | 50 | 50 65 | 65 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 900 | 900 150 | 150 0.3 | 0.3 56 | 56
| gmov-20d650k | 65 | 65 85 | 85 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 900 | 900 185 | 185 0.3 | 0.3 70 | 70
| gmov-20d950k | 95 | 95 125 | 125 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 900 | 900 270 | 270 0.3 | 0.3 106 | 106
| gmov-20d111k | 115 | 115 150 | 150 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 320 | 320 0.3 | 0.3 130 | 130
| gmov-20d131k | 130 | 130 170 | 170 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 360 | 360 0.3 | 0.3 140 | 140
| gmov-20d141k | 140 | 140 180 | 180 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 380 | 380 0.3 | 0.3 155 | 155
| gmov-20d151k | 150 | 150 200 | 200 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 420 | 420 0.3 | 0.3 168 | 168
| gmov-20d171k | 175 | 175 225 | 225 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 950 | 950 470 | 470 0.3 | 0.3 190 | 190
| gmov-20d231k | 230 | 230 300 | 300 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 620 | 620 0.3 | 0.3 255 | 255
| gmov-20d251k | 250 | 250 320 | 320 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 675 | 675 0.3 | 0.3 275 | 275
| gmov-20d271k | 275 | 275 350 | 350 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 730 | 730 0.3 | 0.3 305 | 305
| gmov-20d301k | 300 | 300 385 | 385 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 800 | 0.3 | 0.3 |
| gmov-20d321k | 320 | 320 415 | 415 <1 | 4 | 5,000 | 10,000 | ±250 | 1,300 | 1,300 875 | 875 0.3 | 0.3 360 | 360
图 5:gmov 保护器有 14 mm 和 20 mm 两种型号,后者可支持更大的浪涌电流。(图片来源:bourns)
同样重要的是,要注意电容和漏电流。高电容会阻碍 plc 系统的数据传输。bourns gmov 保护器的电容小于 2 皮法 (pf),可将信号失真降至最低,这意味着它不会对电力线上的数据传输造成明显影响。
bourns gmov 保护器的漏电流也小于 1 微安 (µa)。虽然泄漏看似小事一桩,但在城市规模的应用中,泄漏加起来就不容小觑了。例如,在路灯应用中,漏电流为 10 微安,乘以典型城市地区的一百万盏路灯,泄漏造成的能量损失就非常可观。
结语随着以智能电网、智能电表和智能路灯为特征的智能能源基础设施的出现,可靠、经济、高效的通信系统成为人们关注的需求焦点。综上所述,plc 就是一个合适的选择,特别是在有专门的 plc 变压器和 gmov 保护器的支持下,可确保信号质量和可靠性,防止瞬变或浪涌,同时最大限度地减少漏电流。
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