考慮寄生電容的長(zhǎng)距離強(qiáng)電電流環(huán)通訊電路的研究

鄒宏亮 左 攀 解超群

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前家用空調(diào)的內(nèi)外機(jī)通訊一般采用強(qiáng)電電流環(huán)通訊電路實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)通訊主要的特點(diǎn)在于通訊電路與強(qiáng)電電源供電電路可以共用零線，只需外加一根通訊線即可實(shí)現(xiàn)內(nèi)外機(jī)間的通訊，整個(gè)通訊電路連接線少、成本低。但也正因?yàn)殡娏鳝h(huán)通訊需要與電源電路共用零線，所以在實(shí)際安裝時(shí)，通訊線與電源線多是并行走線，并行走線必然會(huì)導(dǎo)致通訊線與電源線間會(huì)有寄生電容產(chǎn)生，當(dāng)連接線較短時(shí)，寄生電容較小，電容充放電對(duì)通訊線電平的影響較小，當(dāng)連接逐漸加長(zhǎng)后，寄生電容也隨之增大，電容充放電對(duì)通信線電平的影響也將加大，當(dāng)連接線加到一定長(zhǎng)度后，寄生電容充放電引起的電平波動(dòng)會(huì)干擾通訊線上有效電平的傳遞，從而導(dǎo)致通訊失敗。所以傳統(tǒng)電流環(huán)通訊的有效通訊距離往往都比較短，一般只有30～50 m，這也電流環(huán)通訊電路很少在需要長(zhǎng)距離通訊的產(chǎn)品上使用的主要原因。

為了實(shí)現(xiàn)100 m的有效通訊距離，本文在傳統(tǒng)電流環(huán)電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了新的電流環(huán)通訊電路，電路采用雙環(huán)路控制方案，減弱了寄生電容對(duì)通訊信號(hào)的影響，減小了連接線長(zhǎng)度對(duì)電流環(huán)通訊距離的限制；通過(guò)鉗位分壓，通訊電流提高了一倍，加大了電流環(huán)的驅(qū)動(dòng)能力，提高了電流環(huán)通訊的抗干擾能力。既繼承了傳統(tǒng)電流環(huán)通訊方案連接線少、成本低的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電流環(huán)方案通訊距離不夠長(zhǎng)的缺點(diǎn)。

1 傳統(tǒng)電流環(huán)通訊電路

傳統(tǒng)電流環(huán)通訊電路如圖1所示，其中L為火線，N為零線，S為通訊線。火線L經(jīng)過(guò)半波整流、鉗位后向電容C1充電，充滿后電壓U0作為電流環(huán)通訊的電源。PC10、PC11、PC20、PC21為光耦，可以隔離強(qiáng)弱電信號(hào)，R1～R6為電阻，D1～D5為二極管，D6為鉗位二極管。主機(jī)發(fā)送端發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)PC10、PC11、S線、PC20、PC21、最后經(jīng)過(guò)零線N形成閉環(huán)，且所有信號(hào)都是經(jīng)過(guò)這個(gè)環(huán)路。

圖1 傳統(tǒng)電流環(huán)電路

為了研究長(zhǎng)距離連接線的寄生電容對(duì)電流環(huán)通訊的影響，本文選取了市場(chǎng)上常用的兩種連接線：1.5 mm2和2.5 mm2，其中測(cè)量的100 m線長(zhǎng)、1.5 mm2線徑連接線的電容值如圖2。并測(cè)量了50 Hz頻率下，不同長(zhǎng)度連接線的電容值，如表1。

表1 50 Hz下的電容值

圖2 100 m線長(zhǎng)1.5 mm2線徑連接線電容值

由于要求實(shí)際使用有效距離是100 m，所以本文直接使用100 m四芯2.5 mm2連接線，傳統(tǒng)電流環(huán)電路的通訊波形如圖3，其中通道1為220 V市電電壓波形，通道2為S線對(duì)零線N的通訊波形。從圖中可以看出，主機(jī)和從機(jī)無(wú)法通訊，只有主機(jī)點(diǎn)名數(shù)據(jù)，從機(jī)無(wú)答復(fù)，通訊波形中的低電平應(yīng)該為0 V，但由于火線電壓波動(dòng)、寄生電容放電的影響變?yōu)樨?fù)值，進(jìn)而影響通訊回路中光耦的導(dǎo)通與關(guān)斷，造成通訊異常。

圖3 100 m下傳統(tǒng)電流環(huán)電路通訊波形

2 雙環(huán)路控制電流環(huán)通訊電路

為了解決寄生電容帶來(lái)的干擾，本文在傳統(tǒng)電流環(huán)通訊電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行了升級(jí)，如圖4示，其中C2表示寄生電容。由于低電平信號(hào)和高電平信號(hào)分別走不同的通訊環(huán)路，故稱之為雙環(huán)路控制電流環(huán)通訊電路。

圖4 雙環(huán)路控制電流環(huán)通訊電路

其中，C1、PC10、PC11、D4、D5、R3、R4、R5、D6、D8、R7、R8、PC20、PC21、D9、R9 構(gòu)成主通訊環(huán)路，由C2、R6、PC12構(gòu)成第一放電環(huán)路；C2、D7構(gòu)成第二放電環(huán)路，由C1、PC10、R4、R5、D6、C2構(gòu)成充電回路。

由于高低電平走不同的通訊環(huán)路，整個(gè)通訊過(guò)程可以分為主機(jī)發(fā)送高電平信號(hào)、主機(jī)發(fā)送低電平信號(hào)、從機(jī)發(fā)送高電平信號(hào)、從機(jī)發(fā)送低電平信號(hào)等四部分。

2.1 主機(jī)發(fā)送高電平信號(hào)

主機(jī)控制PC10導(dǎo)通、PC12關(guān)斷，從機(jī)控制PC20持續(xù)導(dǎo)通狀態(tài)不變，這樣第一通訊環(huán)路就被激活，而第一、第二放電環(huán)路均處于關(guān)斷狀態(tài)，電流流過(guò)從機(jī)的接收光耦PC21，即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)到從機(jī)的高電平信號(hào)傳遞。

2.2 主機(jī)發(fā)送低電平信號(hào)

主機(jī)控制PC10關(guān)斷、PC12導(dǎo)通，從機(jī)控制PC20保持導(dǎo)通狀態(tài)不變，主通訊環(huán)路被關(guān)斷，當(dāng)寄生電容C2受電源線火線電壓波動(dòng)影響，處于充電狀態(tài)時(shí)，此時(shí)S線電壓高于N線電壓，由于PC12導(dǎo)通，第一放電回路激活，C2可通過(guò)第一放電回路放電，確保S線與N線電平基本保持一致，從機(jī)接收光耦PC21無(wú)法導(dǎo)通，即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)到從機(jī)的低電平信號(hào)傳遞；當(dāng)寄生電容C2受電源線火線電壓波動(dòng)影響，處于放電狀態(tài)時(shí)，此時(shí)S線電壓低于N線電壓，第二放電回路激活，C2可通過(guò)第二放電回路放電，確保S線與N線電平基本保持一致，從機(jī)接收光耦PC21無(wú)法導(dǎo)通，即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)到從機(jī)的低電平信號(hào)傳遞。

2.3 從機(jī)發(fā)送高電平信號(hào)

主機(jī)控制PC10導(dǎo)通PC12關(guān)斷，從機(jī)控制PC20導(dǎo)通，第一通訊環(huán)路被激活，第一、第二放電環(huán)路均處于關(guān)斷狀態(tài)，電流流過(guò)主機(jī)接收光耦PC11，即可實(shí)現(xiàn)從機(jī)到主機(jī)的高電平信號(hào)傳遞。

2.4 從機(jī)發(fā)送低電平信號(hào)

主機(jī)控制PC10導(dǎo)通PC12關(guān)斷，從機(jī)控制PC20斷開，主通訊環(huán)路被關(guān)斷，S線電壓等于C1電源電壓，當(dāng)寄生電容C2受電源線火線電壓波動(dòng)影響，處于充電狀態(tài)時(shí)，此時(shí)S線電壓被抬高，主機(jī)接收光耦PC12無(wú)法導(dǎo)通，可實(shí)現(xiàn)從機(jī)到主機(jī)的低電平傳遞；當(dāng)寄生電容C2受電源線火線電壓波動(dòng)影響，處于放電狀態(tài)時(shí)，電源C1通過(guò)PC10、R4、R5、D6給寄生電容C2充電，從機(jī)接收光耦PC21無(wú)電流通過(guò)，即可實(shí)現(xiàn)主機(jī)到從機(jī)的低電平信號(hào)傳遞。

為了對(duì)比驗(yàn)證連接線寄生電容對(duì)電流環(huán)通訊的影響，本文只能調(diào)整了電路參數(shù)，機(jī)組、連接線、電源等始終使用同一套設(shè)備。

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)、不斷調(diào)整電路參數(shù)后，使用100 m線長(zhǎng)2.5 mm2連接線通訊波形如圖5示，為S線對(duì)N的通訊波形，從圖中可以看出，主機(jī)與從機(jī)通訊正常，在傳輸高電平時(shí)，由于環(huán)路電流較大，L線電壓波動(dòng)對(duì)S線通訊電平的影響可以忽略；在傳輸?shù)碗娖綍r(shí)，采用補(bǔ)償環(huán)路把S線的電平與N線電平牢牢的固定住，使得通訊S線電平不再受L線電壓波動(dòng)的影響，從而減弱了長(zhǎng)連接線耦合電容對(duì)電流環(huán)通訊的影響，通訊距離由30 m提高至100 m。

圖5 100 m下雙環(huán)路電流環(huán)電路通訊波形

3 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)強(qiáng)電電流環(huán)通訊電路的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際使用中遇到的難題，分別對(duì)不同線徑、不同長(zhǎng)度的連接線進(jìn)行了通訊測(cè)量實(shí)驗(yàn)，不斷調(diào)整電路參數(shù)，最終調(diào)整出了適合長(zhǎng)距離通訊的雙環(huán)路控制電流環(huán)通訊電路，減弱了連接線寄生電容對(duì)通訊線S的影響，并且鉗位分壓提高了整個(gè)通訊環(huán)路電流，提高了驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力，既兼容的傳統(tǒng)電流環(huán)電路的優(yōu)點(diǎn)，又實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)距離通訊，對(duì)強(qiáng)電電流環(huán)通訊的研究具有一定的參考價(jià)值，并且具有很強(qiáng)的可行性。