對于數(shù)據(jù)通信網絡設計的光纖與銅纜

由于各種原因，工業(yè)環(huán)境對于數(shù)據(jù)通信網絡設計尤其具有挑戰(zhàn)性。除非采取一切預防措施，否則通常會充斥電磁干擾（EMI），否則這些嘈雜的環(huán)境會嚴重破壞過程控制，自動化反饋監(jiān)控以及使用雙絞銅線鏈路建立的數(shù)據(jù)網絡。由于鏈路之間的接地電位不同，這些環(huán)境還可能產生過大的接地環(huán)路電流，從而極大地提高了系統(tǒng)，I / O卡和組件之間的電流絕緣。

為工業(yè)環(huán)境做出正確的選擇

由于各種原因，工業(yè)環(huán)境對于數(shù)據(jù)通信網絡設計尤其具有挑戰(zhàn)性。除非采取一切預防措施，否則通常會充斥電磁干擾（EMI），否則這些嘈雜的環(huán)境會嚴重破壞過程控制，自動化反饋監(jiān)控以及使用雙絞銅線鏈路建立的數(shù)據(jù)網絡。由于鏈路之間的接地電位不同，這些環(huán)境還可能產生過大的接地環(huán)路電流，從而極大地提高了系統(tǒng)，I / O卡和組件之間的電流絕緣。數(shù)據(jù)速率的提高進一步加劇了這些問題，使有效的網絡設計面臨挑戰(zhàn)，而媒體選擇也變得至關重要。

光纖鏈路為工業(yè)環(huán)境帶來的這些和其他問題提供了解決方案。例如，在許多工業(yè)應用中，例如RS-485和快速以太網，聚合物光纖（POF）一直在穩(wěn)步取代銅纜。與可以充當天線并在整個網絡中傳播噪聲的銅纜不同，玻璃纖維和塑料纖維是介電材料，因此不受電動機驅動器，AC / DC電力逆變器和配電系統(tǒng)中常見的雜散電磁場的影響。這些光纖甚至可以與高壓電力電纜一起放置在導管中，而無需擔心串擾，而雙絞銅纜則需要最短的距離或昂貴的電力線屏蔽，以確保無錯誤的數(shù)據(jù)傳輸。

光纖還完全消除了接地回路及其潛在的噪聲和安全問題。其固有的絕緣特性使系統(tǒng)集成變得簡單而有效。光纖也是高壓應用中所需的許多監(jiān)視和控制功能的理想選擇，它是迄今為止通過隔離柵將控制觸發(fā)器連接到高電流/電壓開關電路的最佳介質。

許多設計工程師都不愿在其數(shù)據(jù)和控制網絡中使用光纖。在大多數(shù)情況下，這是由于人們認為的成本劣勢，對易用和/或安裝的擔憂，或者僅僅是對銅的更加熟悉，以及過多的傳統(tǒng)銅基礎設施所致。但是，正如本白皮書將演示的那樣，在電絕緣，共?？箶_性和電磁干擾（EMI）抗擾性方面，光纖是銅的可行替代品。此外，它在成本方面具有競爭力，并且在某些環(huán)境下，與銅相比，它更易于使用，設計和安裝。

電絕緣

銅線是一項成熟的技術，已成功用于各種工業(yè)，醫(yī)療和專有應用中的數(shù)據(jù)傳輸，但是在許多情況下，銅可能難以使用或無法使用。設計人員通常采用差動線路接收器，RF，電磁，電容或光耦合器以及變壓器來確保足夠的電絕緣（即，將電氣系統(tǒng)的功能部分分開以防止直流電流通過）。但是，設計人員還必須確保在初次安裝期間和之后的所有操作均不得破壞數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是由相鄰的電源線或地電位的差異引起的電纜噪聲引入的。在存在很大的開關電流和電壓的情況下，例如大型風力渦輪機或太陽能電池板陣列，這些預防措施可能會被證明是不夠的。

與銅線不同，光纖不需要嚴格的接地規(guī)則來避免接地環(huán)路干擾，也不需要端接電阻器來避免反射。正確使用的光收發(fā)器和光纜可以防止雷擊對設備造成昂貴的損壞，并為戶外和塔頂安裝應用提供更安全的隔離。

根據(jù)IEC 664-1：1992標準值（圖1），即使在最惡劣的環(huán)境（即室外）中，工作電壓10kV的最小標準距離也為45cm，這被認為是超短鏈路。典型的塑料光纖應用。在平均安裝長度為10m的情況下，可能的工作電壓超過標準20倍。因此，光纖的電絕緣性能非常適合惡劣的工業(yè)環(huán)境。

根據(jù)IEC 664-1：1992標準值建議的最小爬電距離

鏈節(jié)還必須提供足夠的間隙，以防止由于高壓尖峰而產生電弧。為了證明光纖的功效，我們使用40mm的光學鏈路（最短的鏈路長度），45mm的間隙和55mm的爬電距離設置創(chuàng)建了一個測試裝置（圖2）。裝置承受的電壓為20kV（14kVrms），這是可用測試設備所能達到的最大電壓，沒有放電。但是，發(fā)送端和接收端的這種緊密接近是現(xiàn)實世界中光纖鏈路的典型特征。但是，這表明光纖很容易提供足夠的間隙來抑制由于高壓尖峰引起的電弧放電。

電絕緣測試配置

共模隔離

抑制工業(yè)通信鏈路中的共模噪聲或接地環(huán)路是魯棒鏈路設計的主要考慮因素。一種常見的解決方案是使用光耦合器在數(shù)據(jù)源（?P，UART等）與驅動雙絞線電纜的銅收發(fā)器之間放置長達15 mm的電絕緣。這可以防止共模噪聲傳播到敏感的Rx決策電路中，而后者可能導致數(shù)據(jù)傳輸中的錯誤。但是，由于耦合器中的發(fā)射器和接收器非常接近，因此僅在跨隔離柵使雜散電容最小的情況下才有效。隔離材料的使用可確保共模噪聲“尖峰”不會從輸入到輸出交叉。使用光纖鏈路方法時，由于標準鏈路長度為幾米，實際的有效隔離屏障變?yōu)槊祝ú皇呛撩祝?。這有效地將雜散電容減小到零，從而消除了任何實際的共模噪聲路徑。

編輯：hfy