采用智能驅動器為長距離傳輸線路節能

采用智能驅動器為長距離傳輸線路節能

  當在長距離的線路傳輸信號時功率消耗會倍增,采用智能驅動器可以使得電線或者電纜減少功率消耗。對于控制工程中信號高電平使用24V這種特殊情況,這是采用線驅動器的一個潛在節能優勢。功率消耗下降使得線驅動器的外殼溫度顯著地減小。

線驅動器是被設計用來轉換邏輯電平和經由連接線傳輸他們作為電子輸出信號。通常在工業控制工程使用的信號擺率大約24V。電纜通常連接到接收器,接收器采用高阻抗來保持靜態功率低消耗。關于電纜的特性阻抗,大概100 ohm,控制單元的輸入阻抗大概幾千個ohm。這里所研究的是電氣上的電纜,即沒有連接的開路終端電線。

  在發射端,線驅動的輸出阻抗通常調節到匹配電纜的阻抗。圖1展示了一個這種驅動器的例子。這種推挽輸出驅動器的輸出特性可以簡單的由兩個理想的開關和一個串聯的電阻Rs來等效。這兩個開關HS(高邊)和LS(低邊)按照供給的輸入電壓(沒有在這里畫出)控制,由控制信號ENHi和ENLo來產生。

圖1:線驅動器輸出級電路原理圖

 

  最初,一個不帶電的電線由切換到高邊開關HS來充電,供電電壓VB沿著電線通過串聯電阻Rs和電線的特性阻抗ZL來分配。由于Rs大約等于特性阻抗,在電線的開始端A點上電時的電勢大約為供電電壓的一半(圖2)。再往前(2),整個電纜由線路的波動進展被充電到VB/2。

  一旦線路波到達接收器B(3),它在開路終端被反射。此反射波被疊加到輸入波,導致在B點由疊加波部分設置一個等于VB的電勢。接收器因此檢測到一個相當于全電源電壓VB的電壓擺率。

 整個電纜最終的電勢由反射波充電到VB(4),意味著一旦反射波到達驅動器輸出端A,電勢VB/2也上升到VB(5)。

 驅動器輸出端更進一步的反射由阻抗適配器和Rs有效的抑制,因此,線路電勢會趨于一個穩定值。當低邊開關LS切換時,電纜以同樣的方式又開始放電。

圖2:信號在一個開路電線上傳播

 

圖3所示是依據開關狀態從電纜的起始端A到終點B的電壓模型。此外,由驅動器本身的供電電壓和接收器輸入阻抗引起的靜態功率消耗是微不足道的,相當大的線驅動器功率消耗(P)時間在電纜的充電和放電。更長的電纜和更長的再充電時間以及更高的再充電頻率消耗的功率就越大。功率消耗隨著頻率線性增加。實際上,最大使用頻率由驅動器的最大功率消耗限值。

圖3:iC-DL在高邊和低邊開關有效信號ENHi和ENLo激勵下電纜起始端A到終端B電壓模型和驅動器功率消耗

減少動態功率消耗

  一種可能的由iC-HX減小動態功率消耗的方法如圖4。此驅動器管腳兼容iC-DL,具有一個外部連接一個負載電容Cx。工作時這個電容被充電到供電電壓的一半(VB/2)。

 


圖4:線驅動器帶開關X和電容Cx的電路原理

 

  iC-HX的工作特別之處是什么?信號傳輸時通過對電纜的充電、放電和iC-DL是一樣的,電源和切換實體不同,接下來由圖5說明。iC-HX在充電(1)期間高邊開關HS首先由電容Cx的開關連接到電纜取代,這將會充到電源電壓的一半。由于在這種情況下電流是由無功功率提供的,這幾乎沒有消耗任何電源功率,除了通過開關X的電阻性損耗。為了反射波能被驅動器內部吸收,在反射波到達驅動器輸出端A(5)之前,電容Cx必須立即和電纜斷開并且高邊開關HS有效閉合以便輸出阻抗Rs變為有效。僅僅在這個短暫的切換到高邊開關工作和反射波到達的瞬間功率消耗和iC-DL是一樣的。

圖5:iC-HX高邊,低邊和X開關在線路起點A到終點B的有效電壓信號模型,驅動器功率消耗僅出現在從X到HS以及X到LS短暫的切換時間

 

  類似的情形,當電纜第一次放電時電容Cx又通過開關X連接回電纜。這會引起電纜里的能量傳輸返回到Cx;僅在切換到低邊開關期間驅動器消耗少許能量。

  潛在的節能在于驅動器上電和斷電的運行時間的使用率有關。

  因此,有效應用上述原理,再充電點放置盡可能精確到僅僅在反射波返回前一點是必要的。剛開始iC-HX不知道電纜的運行時間;它必須首先檢測反射波朝向。在這個短暫的“學習期間”,iC-HX按照慣例工作幾個循環,和一個普通線驅動器一樣,不使用Cx切換到電容。一旦電纜運行時間符合規定,此器件自動切換到X開關模式。

 

潛在節能例子

  一個潛在節能的例子由圖6給出。此圖所描述的是使用四個通道,100m長電纜時驅動器的功率消耗。這是一個典型的增量編碼器應用,差分信號A和B使用差分信號傳輸到控制單元。

圖6:iC-DL和iC-HX使用兩對100m電纜工作時功率消耗對比

 

  如上文所述,由于電纜再充電是間歇的,隨著所傳輸脈沖的頻率增加功率消耗也會上升。對于一個給定的頻率,iC-HX節省功率消耗大概在30%到40%的范圍。相反的,這意味著在應用中由iC-HX替換iC-DL后驅動器溫度上升較低。例如,用這種方法,增量編碼器由距離決定功率消耗的較高工作溫度可以相當地降低到從80℃上升到100℃,在使用相同的機械裝配和相同的熱阻情況下,熱耗散較低。


 

上傳時間:2013-07-16
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