如何设计保护工业自动化系统的电路

在之前的博文中，我说明了如何设计工业自动化用二线制或回路供电模拟输出。在熟知变送器设计和运行的前提下，本文将讨论如何设计保护这些系统的电路。图1为基本的二线制变送器设计供参考。

   



二线制变送器保护电路需要保护该系统面临的两种风险：

• 工业瞬态过电和辐射发射。
• 变送器端反接。
  

IEC61000-4测试标准复制了几种常见的工业瞬态信号和辐射发射情况，我的同事Ian Williams在其系列文章中对此作了介绍，点击此处进行阅读。简而言之，这些测试中电压为高压，有时电流也很高，而且为瞬时过程，能够很轻易地破坏敏感的模拟元件。为了保护二线制变送器不受这些信号的损坏，供电端和/或回路端电压和电流必须加以限制。

双向瞬态电压抑制（TVS）二极管是限制两端电压的完美元件。TVS二极管是简单的钳位设备，在其两端的电压超过击穿电压后会导通。TVS二极管有多个击穿电压选项，击穿电压应当根据二线制变送器设计中稳压器能承受的最大电压进行选择。低反向漏电流也是需要考虑的重要问题，因为漏电流会降低变送器的精确度。

变送器两端之间添加TVS二极管可以限制电压，但是还需要另外的元件限制变送器的电流。可以选择使用串联电阻限制变送器的电流，但是电阻产生的电压降会增加变送器设计的顺从电压，而这往往是需要避免的。而磁珠在直流电路中的阻抗较低，也不会增加设计的顺从电压，但仍能提供限制瞬态过电的串联电流。图2为根据上述方法的完整设计，包含了一个可选择的电容，帮助进一步减弱瞬态过电。




变送器还需要保护避免发生供电和回路端的反接。因为误接是有可能发生的。一种方法是在供电和回路电路上添加串联二极管，阻止反向电流。在这种情况下，变送器不会受到反向电流的损坏，但是在恢复正确连接以前不会正常工作。

另一种反接保护解决方案是以桥型连接的方式放置四个二极管，如图3中的完整解决方案所示，在变送器和TVS二极管/磁珠之间。在这种配置下，二极管桥会对供电和回路连接起到整流作用，使变送器在连接至供电和回路任意一端时都能正常工作。





本文是工业DAC系列的最后一篇，通过这一系列文章，应当能够掌握工业模拟输出模块设计与保护的基本知识。如果您希望在未来的文章中更多地了解某一方面的知识，请在下面评论区留言。