Quando gli ingegneri pensano alla fibra ottica, i primi vantaggi che vengono spesso in mente sono una maggiore larghezza di banda e una maggiore distanza di trasmissione.né può essere la ragione principale per l'uso di fibre.
Un segnale di controllo può aver bisogno di viaggiare solo pochi metri all'interno di una macchina, tra due armadi, o da un controller a una fase di conversione di potenza.Tuttavia, un collegamento ottico può ancora fornire un importante vantaggio a livello di sistema: le informazioni possono attraversare i domini elettrici senza che il supporto di comunicazione stesso debba creare un percorso elettrico conduttivo tra di loro.
Tale distinzione è importante in ambienti che contengono azionamenti a frequenza variabile, servosistemi, convertitori di potenza di commutazione, contattori, grandi motori, apparecchiature di stoccaggio dell'energia,con un'intensità di potenza superiore a 50 WPotenziali di terra diversi, disturbi di modalità comune, transienti di commutazione e interferenze elettromagnetiche possono rendere più difficili la gestione dei collegamenti di comunicazione collegati elettricamente.
La comprensione dell'isolamento ottico industriale inizia quindi da un problema di ingegneria fondamentale:due apparecchi possono avere bisogno di scambiare informazioni anche se non operano nello stesso ambiente elettrico.
L'isolamento ottico in un sistema industriale è il trasferimento di segnali di controllo o dati tra domini elettrici separati senza richiedere un percorso di segnale conduttivo tra di loro.Il segnale viene convertito da forma elettrica a luce, trasmesso attraverso un supporto ottico e convertito di nuovo in un segnale elettrico sul lato ricevente.
Il punto importante non è semplicemente che il segnale diventi ottico: il percorso di comunicazione stesso non ha più bisogno di collegare elettricamente i due endpoint.
Un collegamento elettrico convenzionale utilizza normalmente conduttori tra i dispositivi, che a seconda dell'interfaccia possono includere fili di segnale, conduttori di riferimento, scudi,o altri percorsi conduttivi associati al sistema di comunicazioneSe i due dispositivi si trovano a potenziali elettrici diversi, il cablaggio di comunicazione può diventare parte del percorso attraverso il quale viene trasferita corrente o tensione indesiderata.
Un collegamento ottico cambia questa relazione. L'elettronica da un lato guida un trasmettitore ottico. La luce viaggia attraverso la fibra.Un ricevitore ottico dall'altra parte converte la luce in un segnale elettrico.
Quando il collegamento di fibra non contiene alcun percorso conduttivo attraverso il confine di isolamento,le due parti elettroniche non devono condividere un conduttore del segnale o un riferimento elettrico comune attraverso il mezzo di trasmissione.
Il condizionamento del segnale e l'isolamento galvanico risolvono problemi diversi.
Il filtraggio può ridurre i componenti di frequenza indesiderati. La segnalazione differenziale può migliorare il rigetto di disturbi che appaiono in modo simile su entrambi i conduttori del segnale.Lo schermo può ridurre l'accoppiamento elettromagneticoI componenti di protezione contro le sovratensioni possono limitare lo stress transitorio.
Tutte queste tecniche sono utili, ma non separano automaticamente due domini elettrici.
Isolamento galvanicosignifica che la corrente elettrica normale non può fluire direttamente attraverso la barriera di isolamento, mentre le informazioni o la potenza vengono trasferite attraverso un altro meccanismo.isolatori capacitivi, isolatori magnetici e collegamenti in fibra ottica sono modi diversi di creare tali confini.
L'isolamento è spesso associato alla protezione da tensioni pericolose, ma la comunicazione industriale ha un altro motivo per usarlo: l'integrità del segnale.
Due circuiti possono funzionare a tensioni relativamente basse e avere ancora abbastanza differenza di potenziale di terra o disturbo di modalità comune per creare problemi di comunicazione.
L'isolamento industriale può quindi essere utilizzato per separare potenziali di riferimento incompatibili, interrompere percorsi di corrente di terra indesiderati,ridurre la propagazione di disturbi elettrici attraverso i cavi di comunicazione, o proteggere l'elettronica di controllo a bassa tensione da transienti ad alta tensione.
Per questo motivo, l'isolamento fa spesso parte dell'architettura stessa della comunicazione piuttosto che solo una componente di sicurezza aggiunta in seguito.
Gli schemi elettrici spesso rappresentano il terreno come un singolo nodo a zero volt.
I conduttori a terra hanno resistenza e induttanza. Le correnti elettriche fluiscono attraverso conduttori, reti protettive a terra, strutture di armadi, cornici di macchine e sistemi di distribuzione.Le apparecchiature possono anche essere alimentate da fonti diverse o installate a distanza.
Di conseguenza, non è garantito che due punti con l'etichetta "ground" su apparecchiature diverse rimangano esattamente allo stesso potenziale istantaneo.
Considerate un controller installato in un armadio e un'unità installata in un altro.
Entrambi i dispositivi possono essere correttamente messa a terra. i loro riferimenti di terra locale può ancora differire a causa di una caduta di tensione lungo i conduttori di messa a terra, alta corrente che scorre attraverso impedanze condivise,differenze nella distribuzione dell'energia, cambiamento di transitori, o separazione fisica.
Se un cavo di comunicazione elettrica è collegato tra questi sistemi, può diventare parte del percorso attraverso il quale la differenza di potenziale tenta di equalizzare.
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Come la differenza di potenziale del terreno crea un circuito di terra
Acircuito di messa a terrapuò formarsi quando più di un percorso conduttivo collega punti che sono nominalmente a terra ma non effettivamente allo stesso potenziale.
La corrente può quindi circolare attraverso percorsi destinati principalmente al riferimento del segnale, allo schermo o alla comunicazione piuttosto che per trasportare la corrente di equalizzazione.
La corrente risultante crea ulteriori cali di tensione lungo il percorso di comunicazione. Il ricevitore non vede più solo il segnale di informazione differenziale previsto;l'intero segnale può anche spostarsi rispetto al proprio riferimento locale del ricevitore.
Qui è dove la differenza di potenziale di terra diventa un problema di modalità comune.
I ricevitori elettrici operano in un ambiente a modalità comune limitata.
Se la differenza di tensione tra i sistemi connessi diventa troppo grande, o se la tensione in modalità comune cambia troppo rapidamente, il margine di segnale disponibile può diminuire.Le strutture di protezione possono iniziare a condurre, o i componenti di interfaccia possono subire ulteriori sollecitazioni elettriche.
Questi problemi sono spesso intermittenti.
Un collegamento di comunicazione può funzionare durante la messa in servizio ma diventare instabile dopo che più attrezzature sono collegate.Il protocollo stesso può funzionare correttamente mentre la relazione elettrica tra gli endpoint non è.
La differenza di potenziale di terra è solo una parte dell'ambiente elettrico industriale.
Le fabbriche e i sistemi di potenza elettronica contengono anche forti fonti diinterferenze elettromagnetiche (EMI). I cavi del motore trasportano correnti in rapida variazione. Gli inverter e i convertitori di commutazione creano transizioni di tensione ripide. I contattori e i relè scambiano carichi induttivi.I conduttori ad alta corrente possono funzionare vicino al cablaggio di controllo a basso livello.
I cavi di comunicazione elettrica funzionano all'interno di questo stesso ambiente.
Il rumore può entrare in un sistema di comunicazione conduttiva attraverso diversi meccanismi.
Un campo magnetico in cambiamento può indurre tensione in un circuito di conduttori. Un campo elettrico in cambiamento può accoppiare capacitivamente energia in conduttori vicini.Il rumore può anche entrare attraverso potenza condivisa o impedanze di messa a terra.
I sistemi di comunicazione industriale si basano quindi su tecniche quali segnalazione differenziale, impedenza controllata, schermatura, strategia di messa a terra, filtraggio, protezione dalle sovratensioni, incanalamento dei cavi,e isolamento galvanico.
Ognuno affronta una parte diversa del problema.
La comunicazione differenziale è ampiamente utilizzata perché il ricevitore risponde principalmente alla differenza di tensione tra due conduttori piuttosto che a entrambi i conduttori singolarmente.
Se lo stesso disturbo appare ugualmente su entrambe le linee, gran parte di esso può essere respinto.
In pratica, tuttavia, il rumore è raramente perfettamente equilibrato. Geometria del cavo, schermatura, terminazione, frequenza, messa a terra, qualità dell'installazione e capacità di condivisione del ricevitore influiscono tutti sul risultato.
Ancora più importante, la segnalazione differenziale non elimina da sola il percorso conduttivo tra i domini elettrici.
Un collegamento in rame ben progettato può funzionare in modo molto affidabile nei sistemi industriali.La vera domanda di progettazione è se l'applicazione beneficia del mantenimento dei due domini elettrici fisicamente collegati..
La fibra cambia il problema della comunicazione perché le informazioni non devono più attraversare il confine come corrente elettrica o tensione.
Un tipico collegamento ottico industriale segue una sequenza semplice:
segnale elettrico → trasmettitore ottico → fibra → ricevitore ottico → segnale elettrico
L'elettronica esiste ancora alle due estremità, ma il mezzo di trasmissione trasporta luce piuttosto che un segnale elettrico.
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Perché il rame porta disturbi elettrici mentre la fibra rompe il percorso conduttivo
Supponiamo che un regolatore a bassa tensione mandi un comando a un'apparecchiatura che opera in un altro dominio elettrico.
Con una connessione diretta in rame, entrambi i sistemi diventano collegati elettricamente attraverso il cablaggio di comunicazione.
Con un percorso ottico completamente non conduttivo, non vi è alcun conduttore di segnale metallico attraverso il quale la corrente di equalizzazione a terra possa fluire da un endpoint all'altro.
L'informazione attraversa il limite, ma il potenziale elettrico non deve seguirlo.
Si tratta di un approccio fondamentalmente diverso dal semplice aumento della tolleranza al rumore di un ricevitore elettrico.
Un conduttore di rame sostiene la corrente elettrica e la tensione, in modo che i campi elettrici e magnetici esterni possano interagire direttamente con il circuito di comunicazione.
Il segnale ottico all'interno di una fibra dielettrica è diverso. Non c'è un conduttore di segnale elettrico che percorre la fibra per un campo elettromagnetico esterno per guidare nello stesso modo.
Per questo motivo la fibra ottica è molto preziosa in ambienti industriali elettricamente rumorosi.
La distinzione non deve essere però esagerata: il PCB trasmettitore, il PCB ricevitore, le sorgenti elettriche locali, l'elettronica dei connettori e i circuiti circostanti sono ancora sistemi elettronici.Sfida di messa a terra, debole integrità di alimentazione, inadeguata protezione transitorio, o layout PCB scadente può ancora causare guasti.
La fibra elimina un importante percorso di accoppiamento e corrente, ma non elimina la necessità di una corretta progettazione EMC ai punti finali.
La fibra ottica non e' l'unico modo per creare l'isolamento galvanico.
L'elettronica industriale utilizza anche optocoppler, isolatori capacitivi, isolatori magnetici, trasformatori di isolamento e altre tecnologie.Questi possono fornire un isolamento altamente efficace mantenendo il segnale interamente su un PCB o all'interno di un'interfaccia elettrica.
Il confronto utile non è quindi se la fibra è meglio di ogni isolante elettrico.
La questione più importante è dove deve essere posizionato il confine dell'isolamento.
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Isolamento a livello di scheda vs Isolamento a livello di dominio
Consideriamo un controller PCB contenente un microcontrollore e un'interfaccia di comunicazione isolata.
Un isolatore digitale può separare il dominio del controller dall'elettronica dell'interfaccia.ma l'architettura della scheda impedisce alla corrente di attraversare la barriera di isolamento locale nel dominio del controller.
Per molte applicazioni, questa è esattamente la soluzione giusta.
Gli isolatori elettrici possono essere compatti, veloci, economici e facili da integrare.
La fibra diventa più attraente quando il limite di isolamento richiesto si estende oltre un PCB locale.
Il percorso di comunicazione può essere percorso tra armadi, tra macchine diverse, tra l'elettronica di controllo e una sezione di alimentazione ad alta tensione,o attraverso aree con potenziale di terra incerto e rumore di commutazione grave.
In queste situazioni, il mezzo di trasmissione stesso può diventare parte dell'architettura di isolamento.
Invece di isolare elettricamente un'interfaccia mentre continuiamo a indirizzare un cavo conduttivo attraverso l'ambiente,un collegamento in fibra può mantenere la separazione elettrica in tutta la distanza fisica tra i punti terminali.
| Considerazioni ingegneristiche | Collegamento diretto di rame | Interfaccia in rame isolato elettricamente | Collegamento in fibra ottica |
|---|---|---|---|
| Percorso del segnale conduttivo tra i punti terminali | Presente | Interrotto da una barriera di isolamento locale | Nessun percorso di segnale conduttivo attraverso la sezione ottica quando viene utilizzato un gruppo di fibre non metalliche |
| Percorso del circuito terrestre attraverso il supporto di comunicazione | Possibile | Può essere interrotto dall'architettura dell'isolatore | Rimozione attraverso la sezione ottica |
| Interazione dell'EMI con il mezzo di trasmissione | Richiede un controllo elettrico EMC | Il cavo elettrico rimane esposto all'ambiente | Il mezzo ottico non è influenzato nello stesso modo conduttivo |
| Scala di isolamento tipica | Stesso dominio elettrico | Limite del PCB o dell'interfaccia | Disegno, armadio, macchina o confine del dominio elettrico |
| Forza di progetto principale | Semplicità e ampia disponibilità dell'interfaccia | Isolamento galvanico locale mantenendo l'infrastruttura di rame | Separazione elettrica fisica lungo il percorso di comunicazione |
Queste architetture risolvono problemi correlati ma diversi. La scelta appropriata dipende da dove esiste il percorso elettrico indesiderato e da dove il sistema deve interrompere.
Lo stesso principio elettrico appare in molte applicazioni industriali anche se le apparecchiature hanno un aspetto molto diverso.
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Isolamento ottico nei sistemi industriali ad alta tensione
Gli azionamenti motori combinano elettronica di controllo a bassa tensione con fasi di potenza ad alta corrente e con rapida commutazione.
Il controller può gestire comandi, informazioni di posizione, diagnostica o feedback, mentre lo stadio inverter passa una tensione e una corrente sostanziali al motore.
Cavi motori e nodi di commutazione possono creare un ambiente elettromagnetico difficile.e sistemi di propulsione possono anche sedersi a potenziali di terra leggermente diversi.
La comunicazione ottica può essere utile quando un percorso di controllo o di feedback deve attraversare uno di questi confini senza estendere la connessione elettrica.
Questo non significa che ogni servo o azionamento a frequenza variabile richieda fibra.La fibra diventa più preziosa quando la separazione fisica e la separazione del dominio elettrico sono entrambe parte del requisito.
I sistemi di stoccaggio dell'energia contengono più domini elettrici.
I circuiti di monitoraggio delle batterie, l'elettronica di comunicazione, i sistemi di controllo e gli stadi di conversione di potenza possono funzionare a potenziali molto diversi.Queste sezioni devono ancora scambiarsi informazioni impedendo allo stesso tempo che lo stress elettrico indesiderato si propaga liberamente tra loro.
L'isolamento galvanico è quindi una parte importante dell'architettura del sistema.
La fibra può essere utile quando la comunicazione attraversa un confine elettrico fisicamente separato o particolarmente rumoroso.Il metodo appropriato dipende dalla topologia del sistema, tensione, distanza, larghezza di banda, requisiti di sicurezza e costo.
I sistemi di gate-driver mostrano chiaramente il problema dell'isolamento.
Un regolatore a bassa tensione deve dire a un transistor di potenza quando passare, mentre il transistor può sedersi su un nodo di commutazione il cui potenziale cambia rapidamente rispetto alla terra del regolatore.
Con IGBT, MOSFET SiC e altri dispositivi ad alta potenza, la barriera di isolamento deve continuare a trasferire il segnale di controllo corretto mentre la tensione tra i suoi domini elettrici cambia rapidamente.
E' qui cheImmunità transitoria in modalità comune (CMTI)CMTI descrive la capacità di un dispositivo isolato di mantenere un comportamento corretto del segnale durante rapidi transizioni di tensione di modalità comune.
Un percorso di controllo ottico si avvicina allo stesso problema da un'altra direzioneUna parte del percorso di comunicazione può essere trasportata come luce piuttosto che come segnale elettrico che attraversa i due domini.
Il sistema completo richiede ancora una potenza idonea, un'adeguata potenza isolata, un'adeguata portata e un'adeguata distanza, una protezione per la commutazione, la progettazione del PCB e il controllo EMC. La fibra indirizza il percorso di comunicazione,non tutti i requisiti di isolamento nella fase di alimentazione.
Non tutti i collegamenti ottici industriali richiedono fibre di telecomunicazione a lunga distanza.
All'interno di macchine, armadi, azionamenti, sistemi di automazione e apparecchiature elettroniche di potenza, la distanza richiesta può essere di pochi metri o decine di metri.In questo intervallo,fibre ottiche di plastica (POF)può fornire una combinazione utile di isolamento elettrico e caratteristiche pratiche di installazione.
La POF industriale comune utilizza un nucleo ottico relativamente grande rispetto alla fibra di telecomunicazione convenzionale.
Questo può rendere l'allineamento ottico e la terminazione meno impegnativi, il che è utile nei collegamenti a livello di macchina in cui la praticità dell'installazione, la manutenzione,e la manipolazione dei connettori può avere più importanza della lunga distanza di trasmissione.
POF è anche flessibile e leggero.
Il materiale della giacca, il rinforzo meccanico, la temperatura, il comportamento della fiamma, la resistenza alla trazione, le prestazioni di piegatura,e resistenza al movimento ripetuto determinano se un cavo è effettivamente adatto a un particolare ambiente industriale.
Per tale motivo, un collegamento POF industriale dovrebbe essere valutato come un sistema completo di cavi e connettori e non solo per il materiale in fibra ottica.
Un collegamento ottico industriale breve può essere rappresentato come:
elettronica dei controller
→ trasmettitore ottico
→ Cavo POF
→ ricevitore ottico
→ elettronica a lato isolato
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Architettura del collegamento di isolamento POF a breve distanza
L'elettronica a entrambe le estremita' richiede ancora energia locale.
Il vantaggio dell'isolamento deriva dall'assenza di un percorso di comunicazione conduttivo tra i due domini.
A seconda dell'architettura del ricevitore e dell'interfaccia selezionata, questo tipo di collegamento può trasportare comandi di controllo, informazioni sullo stato, dati seriali o altri segnali industriali a breve distanza.
È facile valutare la fibra ottica principalmente in base alla distanza di trasmissione.
Da questo punto di vista, l'uso della fibra per una connessione breve può sembrare superfluo quando il rame potrebbe facilmente trasportare i dati richiesti sulla stessa distanza.
Ma la distanza potrebbe non essere il vero problema ingegneristico.
Se quei pochi metri attraversano diversi domini di terra, passano accanto a un inverter ad alta potenza, collegano un armadietto di controllo a uno stadio di commutazione, o creano un percorso di corrente indesiderata tra pezzi di attrezzatura,il valore del collegamento ottico deriva dalla separazione elettrica piuttosto che dalla portata.
Un collegamento ottico breve può quindi risolvere un problema a livello di sistema che ha poco a che fare con la distanza massima di trasmissione.
Il POF ha anche dei confini chiari.
Distanza più lunga, velocità di trasmissione più elevata, requisiti di perdita ottica più stretti, temperatura elevata, esposizione ambientale, architettura dei connettori,e il margine del collegamento di sistema può favorire altri supporti ottici come la silice rigida, silice rivestito di polimeri o fibra di vetro convenzionale.
La decisione dovrebbe iniziare con i requisiti di applicazione piuttosto che con la preferenza per un tipo di fibra.
Per un collegamento di isolamento corto a livello di macchina, POF può essere molto pratico.
La decisione dovrebbe iniziare con il limite elettrico, non con il materiale del cavo.
In primo luogo, determinare se entrambi gli endpoint condividono realmente lo stesso potenziale di riferimento stabile.o collegati a diversi punti di messa a terra non possono.
Poi, esaminate l'ambiente acustico: motori, contattori, nodi di commutazione dell'inverter, cavi ad alta corrente, convertitori DC/DC, moduli IGBT, impianti di alimentazione SiC,e carichi induttivi possono tutti aumentare la tensione su un collegamento di comunicazione elettrica.
La posizione fisica del confine di isolamento è altrettanto importante. Se il problema esiste solo attraverso un piccolo confine del PCB, un isolatore digitale o un optocoppler può essere la soluzione più semplice.Se il percorso di comunicazione incrocia gli armadi, macchine, zone ad alta tensione o domini terrestri incerti, spostare il limite di isolamento nel mezzo di trasmissione stesso può fornire un valore aggiunto.
I requisiti di comunicazione devono quindi essere considerati insieme all'isolamento: velocità dei dati, latenza, distanza di collegamento, temperatura, movimento del cavo, requisiti di piegatura, durata del connettore, metodo di manutenzione,bilancio di potenza ottica, e il comportamento di fallimento influenzano l'architettura finale.
La scelta non è quindi semplicemente tra rame e fibra, ma tra comunicazione elettrica diretta, comunicazione in rame isolato elettricamente, POF, HCS/PCS,o fibra di vetro in base al limite elettrico e di comunicazione effettivo.
Le fibre industriali non devono essere intese solo come una versione più veloce del rame.
In molti sistemi di controllo, la sua proprietà più importante è più fondamentale:La luce può trasportare informazioni tra luoghi senza che tali luoghi debbano essere collegati elettricamente attraverso il supporto di comunicazione.
Questo importa quando i potenziali di terra sono diversi, e quando la corrente indesiderata circolerebbe attraverso i cavi di comunicazione.È importante quando il commutazione ad alta potenza crea condizioni difficili di modalità comune ed EMIÈ importante anche quando un controller deve comunicare attraverso un limite fisico di alta tensione.
Isolatori elettrici, interfacce differenziali, schermatura, filtraggio, protezione da sovratensioni e un'attenta messa a terra rimangono strumenti di ingegneria essenziali.
Fornisce un'altra opzione architettonica: rimuovere del tutto il percorso del segnale conduttivo.
Per i sistemi a lunga distanza o ad alta larghezza di banda, che possono essere associati ai noti vantaggi di trasmissione della fibra ottica.il vantaggio principale può essere molto più semplice:
il segnale attraversa il confine, mentre il terreno no.
L'isolamento ottico consente ai segnali di dati o di controllo di attraversare i domini elettrici senza richiedere un percorso di comunicazione conduttivo tra di loro.ridurre l'effetto delle differenze di potenziale terreno, e impedire che il cavo di comunicazione diventi un'altra connessione elettrica tra sezioni rumorose o ad alta tensione.
Un circuito di terra richiede un percorso chiuso conduttivo attraverso il quale la corrente può circolare.la fibra non fornisce un percorso di ritorno elettrico per quella corrente.
The optical transmission medium does not interact with electromagnetic interference in the same way as an electrical conductor because the information is carried as light rather than electrical current or voltageIl trasmettitore, il ricevitore, le sorgenti di alimentazione locali e l'elettronica circostante richiedono ancora una corretta progettazione EMC.
Gli isolatori digitali e gli optoaccoppiatori sono spesso adatti all'isolamento a livello di PCB o di interfaccia.La fibra diventa particolarmente utile quando la separazione elettrica necessaria deve estendersi fisicamente tra gli armadi, macchine, zone ad alta tensione o apparecchiature con differenze di potenziale di terra incerte.
POF combina un percorso ottico non conduttivo con un nucleo relativamente grande, flessibilità e maneggevolezza.e collegamenti a livello di apparecchiatura in cui l'isolamento elettrico e la praticità dell'installazione sono più importanti di una distanza di trasmissione molto lunga.
Si', un collegamento ottico puo' formare parte del percorso di controllo tra l'elettronica di controllo a bassa tensione e un dominio di commutazione ad alta tensione.protezione di commutazione, creepage e clearance, performance di tempistica e progettazione EMC.
Quando gli ingegneri pensano alla fibra ottica, i primi vantaggi che vengono spesso in mente sono una maggiore larghezza di banda e una maggiore distanza di trasmissione.né può essere la ragione principale per l'uso di fibre.
Un segnale di controllo può aver bisogno di viaggiare solo pochi metri all'interno di una macchina, tra due armadi, o da un controller a una fase di conversione di potenza.Tuttavia, un collegamento ottico può ancora fornire un importante vantaggio a livello di sistema: le informazioni possono attraversare i domini elettrici senza che il supporto di comunicazione stesso debba creare un percorso elettrico conduttivo tra di loro.
Tale distinzione è importante in ambienti che contengono azionamenti a frequenza variabile, servosistemi, convertitori di potenza di commutazione, contattori, grandi motori, apparecchiature di stoccaggio dell'energia,con un'intensità di potenza superiore a 50 WPotenziali di terra diversi, disturbi di modalità comune, transienti di commutazione e interferenze elettromagnetiche possono rendere più difficili la gestione dei collegamenti di comunicazione collegati elettricamente.
La comprensione dell'isolamento ottico industriale inizia quindi da un problema di ingegneria fondamentale:due apparecchi possono avere bisogno di scambiare informazioni anche se non operano nello stesso ambiente elettrico.
L'isolamento ottico in un sistema industriale è il trasferimento di segnali di controllo o dati tra domini elettrici separati senza richiedere un percorso di segnale conduttivo tra di loro.Il segnale viene convertito da forma elettrica a luce, trasmesso attraverso un supporto ottico e convertito di nuovo in un segnale elettrico sul lato ricevente.
Il punto importante non è semplicemente che il segnale diventi ottico: il percorso di comunicazione stesso non ha più bisogno di collegare elettricamente i due endpoint.
Un collegamento elettrico convenzionale utilizza normalmente conduttori tra i dispositivi, che a seconda dell'interfaccia possono includere fili di segnale, conduttori di riferimento, scudi,o altri percorsi conduttivi associati al sistema di comunicazioneSe i due dispositivi si trovano a potenziali elettrici diversi, il cablaggio di comunicazione può diventare parte del percorso attraverso il quale viene trasferita corrente o tensione indesiderata.
Un collegamento ottico cambia questa relazione. L'elettronica da un lato guida un trasmettitore ottico. La luce viaggia attraverso la fibra.Un ricevitore ottico dall'altra parte converte la luce in un segnale elettrico.
Quando il collegamento di fibra non contiene alcun percorso conduttivo attraverso il confine di isolamento,le due parti elettroniche non devono condividere un conduttore del segnale o un riferimento elettrico comune attraverso il mezzo di trasmissione.
Il condizionamento del segnale e l'isolamento galvanico risolvono problemi diversi.
Il filtraggio può ridurre i componenti di frequenza indesiderati. La segnalazione differenziale può migliorare il rigetto di disturbi che appaiono in modo simile su entrambi i conduttori del segnale.Lo schermo può ridurre l'accoppiamento elettromagneticoI componenti di protezione contro le sovratensioni possono limitare lo stress transitorio.
Tutte queste tecniche sono utili, ma non separano automaticamente due domini elettrici.
Isolamento galvanicosignifica che la corrente elettrica normale non può fluire direttamente attraverso la barriera di isolamento, mentre le informazioni o la potenza vengono trasferite attraverso un altro meccanismo.isolatori capacitivi, isolatori magnetici e collegamenti in fibra ottica sono modi diversi di creare tali confini.
L'isolamento è spesso associato alla protezione da tensioni pericolose, ma la comunicazione industriale ha un altro motivo per usarlo: l'integrità del segnale.
Due circuiti possono funzionare a tensioni relativamente basse e avere ancora abbastanza differenza di potenziale di terra o disturbo di modalità comune per creare problemi di comunicazione.
L'isolamento industriale può quindi essere utilizzato per separare potenziali di riferimento incompatibili, interrompere percorsi di corrente di terra indesiderati,ridurre la propagazione di disturbi elettrici attraverso i cavi di comunicazione, o proteggere l'elettronica di controllo a bassa tensione da transienti ad alta tensione.
Per questo motivo, l'isolamento fa spesso parte dell'architettura stessa della comunicazione piuttosto che solo una componente di sicurezza aggiunta in seguito.
Gli schemi elettrici spesso rappresentano il terreno come un singolo nodo a zero volt.
I conduttori a terra hanno resistenza e induttanza. Le correnti elettriche fluiscono attraverso conduttori, reti protettive a terra, strutture di armadi, cornici di macchine e sistemi di distribuzione.Le apparecchiature possono anche essere alimentate da fonti diverse o installate a distanza.
Di conseguenza, non è garantito che due punti con l'etichetta "ground" su apparecchiature diverse rimangano esattamente allo stesso potenziale istantaneo.
Considerate un controller installato in un armadio e un'unità installata in un altro.
Entrambi i dispositivi possono essere correttamente messa a terra. i loro riferimenti di terra locale può ancora differire a causa di una caduta di tensione lungo i conduttori di messa a terra, alta corrente che scorre attraverso impedanze condivise,differenze nella distribuzione dell'energia, cambiamento di transitori, o separazione fisica.
Se un cavo di comunicazione elettrica è collegato tra questi sistemi, può diventare parte del percorso attraverso il quale la differenza di potenziale tenta di equalizzare.
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Come la differenza di potenziale del terreno crea un circuito di terra
Acircuito di messa a terrapuò formarsi quando più di un percorso conduttivo collega punti che sono nominalmente a terra ma non effettivamente allo stesso potenziale.
La corrente può quindi circolare attraverso percorsi destinati principalmente al riferimento del segnale, allo schermo o alla comunicazione piuttosto che per trasportare la corrente di equalizzazione.
La corrente risultante crea ulteriori cali di tensione lungo il percorso di comunicazione. Il ricevitore non vede più solo il segnale di informazione differenziale previsto;l'intero segnale può anche spostarsi rispetto al proprio riferimento locale del ricevitore.
Qui è dove la differenza di potenziale di terra diventa un problema di modalità comune.
I ricevitori elettrici operano in un ambiente a modalità comune limitata.
Se la differenza di tensione tra i sistemi connessi diventa troppo grande, o se la tensione in modalità comune cambia troppo rapidamente, il margine di segnale disponibile può diminuire.Le strutture di protezione possono iniziare a condurre, o i componenti di interfaccia possono subire ulteriori sollecitazioni elettriche.
Questi problemi sono spesso intermittenti.
Un collegamento di comunicazione può funzionare durante la messa in servizio ma diventare instabile dopo che più attrezzature sono collegate.Il protocollo stesso può funzionare correttamente mentre la relazione elettrica tra gli endpoint non è.
La differenza di potenziale di terra è solo una parte dell'ambiente elettrico industriale.
Le fabbriche e i sistemi di potenza elettronica contengono anche forti fonti diinterferenze elettromagnetiche (EMI). I cavi del motore trasportano correnti in rapida variazione. Gli inverter e i convertitori di commutazione creano transizioni di tensione ripide. I contattori e i relè scambiano carichi induttivi.I conduttori ad alta corrente possono funzionare vicino al cablaggio di controllo a basso livello.
I cavi di comunicazione elettrica funzionano all'interno di questo stesso ambiente.
Il rumore può entrare in un sistema di comunicazione conduttiva attraverso diversi meccanismi.
Un campo magnetico in cambiamento può indurre tensione in un circuito di conduttori. Un campo elettrico in cambiamento può accoppiare capacitivamente energia in conduttori vicini.Il rumore può anche entrare attraverso potenza condivisa o impedanze di messa a terra.
I sistemi di comunicazione industriale si basano quindi su tecniche quali segnalazione differenziale, impedenza controllata, schermatura, strategia di messa a terra, filtraggio, protezione dalle sovratensioni, incanalamento dei cavi,e isolamento galvanico.
Ognuno affronta una parte diversa del problema.
La comunicazione differenziale è ampiamente utilizzata perché il ricevitore risponde principalmente alla differenza di tensione tra due conduttori piuttosto che a entrambi i conduttori singolarmente.
Se lo stesso disturbo appare ugualmente su entrambe le linee, gran parte di esso può essere respinto.
In pratica, tuttavia, il rumore è raramente perfettamente equilibrato. Geometria del cavo, schermatura, terminazione, frequenza, messa a terra, qualità dell'installazione e capacità di condivisione del ricevitore influiscono tutti sul risultato.
Ancora più importante, la segnalazione differenziale non elimina da sola il percorso conduttivo tra i domini elettrici.
Un collegamento in rame ben progettato può funzionare in modo molto affidabile nei sistemi industriali.La vera domanda di progettazione è se l'applicazione beneficia del mantenimento dei due domini elettrici fisicamente collegati..
La fibra cambia il problema della comunicazione perché le informazioni non devono più attraversare il confine come corrente elettrica o tensione.
Un tipico collegamento ottico industriale segue una sequenza semplice:
segnale elettrico → trasmettitore ottico → fibra → ricevitore ottico → segnale elettrico
L'elettronica esiste ancora alle due estremità, ma il mezzo di trasmissione trasporta luce piuttosto che un segnale elettrico.
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Perché il rame porta disturbi elettrici mentre la fibra rompe il percorso conduttivo
Supponiamo che un regolatore a bassa tensione mandi un comando a un'apparecchiatura che opera in un altro dominio elettrico.
Con una connessione diretta in rame, entrambi i sistemi diventano collegati elettricamente attraverso il cablaggio di comunicazione.
Con un percorso ottico completamente non conduttivo, non vi è alcun conduttore di segnale metallico attraverso il quale la corrente di equalizzazione a terra possa fluire da un endpoint all'altro.
L'informazione attraversa il limite, ma il potenziale elettrico non deve seguirlo.
Si tratta di un approccio fondamentalmente diverso dal semplice aumento della tolleranza al rumore di un ricevitore elettrico.
Un conduttore di rame sostiene la corrente elettrica e la tensione, in modo che i campi elettrici e magnetici esterni possano interagire direttamente con il circuito di comunicazione.
Il segnale ottico all'interno di una fibra dielettrica è diverso. Non c'è un conduttore di segnale elettrico che percorre la fibra per un campo elettromagnetico esterno per guidare nello stesso modo.
Per questo motivo la fibra ottica è molto preziosa in ambienti industriali elettricamente rumorosi.
La distinzione non deve essere però esagerata: il PCB trasmettitore, il PCB ricevitore, le sorgenti elettriche locali, l'elettronica dei connettori e i circuiti circostanti sono ancora sistemi elettronici.Sfida di messa a terra, debole integrità di alimentazione, inadeguata protezione transitorio, o layout PCB scadente può ancora causare guasti.
La fibra elimina un importante percorso di accoppiamento e corrente, ma non elimina la necessità di una corretta progettazione EMC ai punti finali.
La fibra ottica non e' l'unico modo per creare l'isolamento galvanico.
L'elettronica industriale utilizza anche optocoppler, isolatori capacitivi, isolatori magnetici, trasformatori di isolamento e altre tecnologie.Questi possono fornire un isolamento altamente efficace mantenendo il segnale interamente su un PCB o all'interno di un'interfaccia elettrica.
Il confronto utile non è quindi se la fibra è meglio di ogni isolante elettrico.
La questione più importante è dove deve essere posizionato il confine dell'isolamento.
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Isolamento a livello di scheda vs Isolamento a livello di dominio
Consideriamo un controller PCB contenente un microcontrollore e un'interfaccia di comunicazione isolata.
Un isolatore digitale può separare il dominio del controller dall'elettronica dell'interfaccia.ma l'architettura della scheda impedisce alla corrente di attraversare la barriera di isolamento locale nel dominio del controller.
Per molte applicazioni, questa è esattamente la soluzione giusta.
Gli isolatori elettrici possono essere compatti, veloci, economici e facili da integrare.
La fibra diventa più attraente quando il limite di isolamento richiesto si estende oltre un PCB locale.
Il percorso di comunicazione può essere percorso tra armadi, tra macchine diverse, tra l'elettronica di controllo e una sezione di alimentazione ad alta tensione,o attraverso aree con potenziale di terra incerto e rumore di commutazione grave.
In queste situazioni, il mezzo di trasmissione stesso può diventare parte dell'architettura di isolamento.
Invece di isolare elettricamente un'interfaccia mentre continuiamo a indirizzare un cavo conduttivo attraverso l'ambiente,un collegamento in fibra può mantenere la separazione elettrica in tutta la distanza fisica tra i punti terminali.
| Considerazioni ingegneristiche | Collegamento diretto di rame | Interfaccia in rame isolato elettricamente | Collegamento in fibra ottica |
|---|---|---|---|
| Percorso del segnale conduttivo tra i punti terminali | Presente | Interrotto da una barriera di isolamento locale | Nessun percorso di segnale conduttivo attraverso la sezione ottica quando viene utilizzato un gruppo di fibre non metalliche |
| Percorso del circuito terrestre attraverso il supporto di comunicazione | Possibile | Può essere interrotto dall'architettura dell'isolatore | Rimozione attraverso la sezione ottica |
| Interazione dell'EMI con il mezzo di trasmissione | Richiede un controllo elettrico EMC | Il cavo elettrico rimane esposto all'ambiente | Il mezzo ottico non è influenzato nello stesso modo conduttivo |
| Scala di isolamento tipica | Stesso dominio elettrico | Limite del PCB o dell'interfaccia | Disegno, armadio, macchina o confine del dominio elettrico |
| Forza di progetto principale | Semplicità e ampia disponibilità dell'interfaccia | Isolamento galvanico locale mantenendo l'infrastruttura di rame | Separazione elettrica fisica lungo il percorso di comunicazione |
Queste architetture risolvono problemi correlati ma diversi. La scelta appropriata dipende da dove esiste il percorso elettrico indesiderato e da dove il sistema deve interrompere.
Lo stesso principio elettrico appare in molte applicazioni industriali anche se le apparecchiature hanno un aspetto molto diverso.
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Isolamento ottico nei sistemi industriali ad alta tensione
Gli azionamenti motori combinano elettronica di controllo a bassa tensione con fasi di potenza ad alta corrente e con rapida commutazione.
Il controller può gestire comandi, informazioni di posizione, diagnostica o feedback, mentre lo stadio inverter passa una tensione e una corrente sostanziali al motore.
Cavi motori e nodi di commutazione possono creare un ambiente elettromagnetico difficile.e sistemi di propulsione possono anche sedersi a potenziali di terra leggermente diversi.
La comunicazione ottica può essere utile quando un percorso di controllo o di feedback deve attraversare uno di questi confini senza estendere la connessione elettrica.
Questo non significa che ogni servo o azionamento a frequenza variabile richieda fibra.La fibra diventa più preziosa quando la separazione fisica e la separazione del dominio elettrico sono entrambe parte del requisito.
I sistemi di stoccaggio dell'energia contengono più domini elettrici.
I circuiti di monitoraggio delle batterie, l'elettronica di comunicazione, i sistemi di controllo e gli stadi di conversione di potenza possono funzionare a potenziali molto diversi.Queste sezioni devono ancora scambiarsi informazioni impedendo allo stesso tempo che lo stress elettrico indesiderato si propaga liberamente tra loro.
L'isolamento galvanico è quindi una parte importante dell'architettura del sistema.
La fibra può essere utile quando la comunicazione attraversa un confine elettrico fisicamente separato o particolarmente rumoroso.Il metodo appropriato dipende dalla topologia del sistema, tensione, distanza, larghezza di banda, requisiti di sicurezza e costo.
I sistemi di gate-driver mostrano chiaramente il problema dell'isolamento.
Un regolatore a bassa tensione deve dire a un transistor di potenza quando passare, mentre il transistor può sedersi su un nodo di commutazione il cui potenziale cambia rapidamente rispetto alla terra del regolatore.
Con IGBT, MOSFET SiC e altri dispositivi ad alta potenza, la barriera di isolamento deve continuare a trasferire il segnale di controllo corretto mentre la tensione tra i suoi domini elettrici cambia rapidamente.
E' qui cheImmunità transitoria in modalità comune (CMTI)CMTI descrive la capacità di un dispositivo isolato di mantenere un comportamento corretto del segnale durante rapidi transizioni di tensione di modalità comune.
Un percorso di controllo ottico si avvicina allo stesso problema da un'altra direzioneUna parte del percorso di comunicazione può essere trasportata come luce piuttosto che come segnale elettrico che attraversa i due domini.
Il sistema completo richiede ancora una potenza idonea, un'adeguata potenza isolata, un'adeguata portata e un'adeguata distanza, una protezione per la commutazione, la progettazione del PCB e il controllo EMC. La fibra indirizza il percorso di comunicazione,non tutti i requisiti di isolamento nella fase di alimentazione.
Non tutti i collegamenti ottici industriali richiedono fibre di telecomunicazione a lunga distanza.
All'interno di macchine, armadi, azionamenti, sistemi di automazione e apparecchiature elettroniche di potenza, la distanza richiesta può essere di pochi metri o decine di metri.In questo intervallo,fibre ottiche di plastica (POF)può fornire una combinazione utile di isolamento elettrico e caratteristiche pratiche di installazione.
La POF industriale comune utilizza un nucleo ottico relativamente grande rispetto alla fibra di telecomunicazione convenzionale.
Questo può rendere l'allineamento ottico e la terminazione meno impegnativi, il che è utile nei collegamenti a livello di macchina in cui la praticità dell'installazione, la manutenzione,e la manipolazione dei connettori può avere più importanza della lunga distanza di trasmissione.
POF è anche flessibile e leggero.
Il materiale della giacca, il rinforzo meccanico, la temperatura, il comportamento della fiamma, la resistenza alla trazione, le prestazioni di piegatura,e resistenza al movimento ripetuto determinano se un cavo è effettivamente adatto a un particolare ambiente industriale.
Per tale motivo, un collegamento POF industriale dovrebbe essere valutato come un sistema completo di cavi e connettori e non solo per il materiale in fibra ottica.
Un collegamento ottico industriale breve può essere rappresentato come:
elettronica dei controller
→ trasmettitore ottico
→ Cavo POF
→ ricevitore ottico
→ elettronica a lato isolato
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Architettura del collegamento di isolamento POF a breve distanza
L'elettronica a entrambe le estremita' richiede ancora energia locale.
Il vantaggio dell'isolamento deriva dall'assenza di un percorso di comunicazione conduttivo tra i due domini.
A seconda dell'architettura del ricevitore e dell'interfaccia selezionata, questo tipo di collegamento può trasportare comandi di controllo, informazioni sullo stato, dati seriali o altri segnali industriali a breve distanza.
È facile valutare la fibra ottica principalmente in base alla distanza di trasmissione.
Da questo punto di vista, l'uso della fibra per una connessione breve può sembrare superfluo quando il rame potrebbe facilmente trasportare i dati richiesti sulla stessa distanza.
Ma la distanza potrebbe non essere il vero problema ingegneristico.
Se quei pochi metri attraversano diversi domini di terra, passano accanto a un inverter ad alta potenza, collegano un armadietto di controllo a uno stadio di commutazione, o creano un percorso di corrente indesiderata tra pezzi di attrezzatura,il valore del collegamento ottico deriva dalla separazione elettrica piuttosto che dalla portata.
Un collegamento ottico breve può quindi risolvere un problema a livello di sistema che ha poco a che fare con la distanza massima di trasmissione.
Il POF ha anche dei confini chiari.
Distanza più lunga, velocità di trasmissione più elevata, requisiti di perdita ottica più stretti, temperatura elevata, esposizione ambientale, architettura dei connettori,e il margine del collegamento di sistema può favorire altri supporti ottici come la silice rigida, silice rivestito di polimeri o fibra di vetro convenzionale.
La decisione dovrebbe iniziare con i requisiti di applicazione piuttosto che con la preferenza per un tipo di fibra.
Per un collegamento di isolamento corto a livello di macchina, POF può essere molto pratico.
La decisione dovrebbe iniziare con il limite elettrico, non con il materiale del cavo.
In primo luogo, determinare se entrambi gli endpoint condividono realmente lo stesso potenziale di riferimento stabile.o collegati a diversi punti di messa a terra non possono.
Poi, esaminate l'ambiente acustico: motori, contattori, nodi di commutazione dell'inverter, cavi ad alta corrente, convertitori DC/DC, moduli IGBT, impianti di alimentazione SiC,e carichi induttivi possono tutti aumentare la tensione su un collegamento di comunicazione elettrica.
La posizione fisica del confine di isolamento è altrettanto importante. Se il problema esiste solo attraverso un piccolo confine del PCB, un isolatore digitale o un optocoppler può essere la soluzione più semplice.Se il percorso di comunicazione incrocia gli armadi, macchine, zone ad alta tensione o domini terrestri incerti, spostare il limite di isolamento nel mezzo di trasmissione stesso può fornire un valore aggiunto.
I requisiti di comunicazione devono quindi essere considerati insieme all'isolamento: velocità dei dati, latenza, distanza di collegamento, temperatura, movimento del cavo, requisiti di piegatura, durata del connettore, metodo di manutenzione,bilancio di potenza ottica, e il comportamento di fallimento influenzano l'architettura finale.
La scelta non è quindi semplicemente tra rame e fibra, ma tra comunicazione elettrica diretta, comunicazione in rame isolato elettricamente, POF, HCS/PCS,o fibra di vetro in base al limite elettrico e di comunicazione effettivo.
Le fibre industriali non devono essere intese solo come una versione più veloce del rame.
In molti sistemi di controllo, la sua proprietà più importante è più fondamentale:La luce può trasportare informazioni tra luoghi senza che tali luoghi debbano essere collegati elettricamente attraverso il supporto di comunicazione.
Questo importa quando i potenziali di terra sono diversi, e quando la corrente indesiderata circolerebbe attraverso i cavi di comunicazione.È importante quando il commutazione ad alta potenza crea condizioni difficili di modalità comune ed EMIÈ importante anche quando un controller deve comunicare attraverso un limite fisico di alta tensione.
Isolatori elettrici, interfacce differenziali, schermatura, filtraggio, protezione da sovratensioni e un'attenta messa a terra rimangono strumenti di ingegneria essenziali.
Fornisce un'altra opzione architettonica: rimuovere del tutto il percorso del segnale conduttivo.
Per i sistemi a lunga distanza o ad alta larghezza di banda, che possono essere associati ai noti vantaggi di trasmissione della fibra ottica.il vantaggio principale può essere molto più semplice:
il segnale attraversa il confine, mentre il terreno no.
L'isolamento ottico consente ai segnali di dati o di controllo di attraversare i domini elettrici senza richiedere un percorso di comunicazione conduttivo tra di loro.ridurre l'effetto delle differenze di potenziale terreno, e impedire che il cavo di comunicazione diventi un'altra connessione elettrica tra sezioni rumorose o ad alta tensione.
Un circuito di terra richiede un percorso chiuso conduttivo attraverso il quale la corrente può circolare.la fibra non fornisce un percorso di ritorno elettrico per quella corrente.
The optical transmission medium does not interact with electromagnetic interference in the same way as an electrical conductor because the information is carried as light rather than electrical current or voltageIl trasmettitore, il ricevitore, le sorgenti di alimentazione locali e l'elettronica circostante richiedono ancora una corretta progettazione EMC.
Gli isolatori digitali e gli optoaccoppiatori sono spesso adatti all'isolamento a livello di PCB o di interfaccia.La fibra diventa particolarmente utile quando la separazione elettrica necessaria deve estendersi fisicamente tra gli armadi, macchine, zone ad alta tensione o apparecchiature con differenze di potenziale di terra incerte.
POF combina un percorso ottico non conduttivo con un nucleo relativamente grande, flessibilità e maneggevolezza.e collegamenti a livello di apparecchiatura in cui l'isolamento elettrico e la praticità dell'installazione sono più importanti di una distanza di trasmissione molto lunga.
Si', un collegamento ottico puo' formare parte del percorso di controllo tra l'elettronica di controllo a bassa tensione e un dominio di commutazione ad alta tensione.protezione di commutazione, creepage e clearance, performance di tempistica e progettazione EMC.