对于数据通信网络设计的光纤与铜缆

由于各种原因，工业环境对于数据通信网络设计尤其具有挑战性。除非采取一切预防措施，否则通常会充斥电磁干扰（EMI），否则这些嘈杂的环境会严重破坏过程控制，自动化反馈监控以及使用双绞铜线链路建立的数据网络。由于链路之间的接地电位不同，这些环境还可能产生过大的接地环路电流，从而极大地提高了系统，I / O卡和组件之间的电流绝缘。

为工业环境做出正确的选择

由于各种原因，工业环境对于数据通信网络设计尤其具有挑战性。除非采取一切预防措施，否则通常会充斥电磁干扰（EMI），否则这些嘈杂的环境会严重破坏过程控制，自动化反馈监控以及使用双绞铜线链路建立的数据网络。由于链路之间的接地电位不同，这些环境还可能产生过大的接地环路电流，从而极大地提高了系统，I / O卡和组件之间的电流绝缘。数据速率的提高进一步加剧了这些问题，使有效的网络设计面临挑战，而媒体选择也变得至关重要。

光纤链路为工业环境带来的这些和其他问题提供了解决方案。例如，在许多工业应用中，例如RS-485和快速以太网，聚合物光纤（POF）一直在稳步取代铜缆。与可以充当天线并在整个网络中传播噪声的铜缆不同，玻璃纤维和塑料纤维是介电材料，因此不受电动机驱动器，AC / DC电力逆变器和配电系统中常见的杂散电磁场的影响。这些光纤甚至可以与高压电力电缆一起放置在导管中，而无需担心串扰，而双绞铜缆则需要最短的距离或昂贵的电力线屏蔽，以确保无错误的数据传输。

光纤还完全消除了接地回路及其潜在的噪声和安全问题。其固有的绝缘特性使系统集成变得简单而有效。光纤也是高压应用中所需的许多监视和控制功能的理想选择，它是迄今为止通过隔离栅将控制触发器连接到高电流/电压开关电路的最佳介质。

许多设计工程师都不愿在其数据和控制网络中使用光纤。在大多数情况下，这是由于人们认为的成本劣势，对易用和/或安装的担忧，或者仅仅是对铜的更加熟悉，以及过多的传统铜基础设施所致。但是，正如本白皮书将演示的那样，在电绝缘，共模抗扰性和电磁干扰（EMI）抗扰性方面，光纤是铜的可行替代品。此外，它在成本方面具有竞争力，并且在某些环境下，与铜相比，它更易于使用，设计和安装。

电绝缘

铜线是一项成熟的技术，已成功用于各种工业，医疗和专有应用中的数据传输，但是在许多情况下，铜可能难以使用或无法使用。设计人员通常采用差动线路接收器，RF，电磁，电容或光耦合器以及变压器来确保足够的电绝缘（即，将电气系统的功能部分分开以防止直流电流通过）。但是，设计人员还必须确保在初次安装期间和之后的所有操作均不得破坏数据，这些数据是由相邻的电源线或地电位的差异引起的电缆噪声引入的。在存在很大的开关电流和电压的情况下，例如大型风力涡轮机或太阳能电池板阵列，这些预防措施可能会被证明是不够的。

与铜线不同，光纤不需要严格的接地规则来避免接地环路干扰，也不需要端接电阻器来避免反射。正确使用的光收发器和光缆可以防止雷击对设备造成昂贵的损坏，并为户外和塔顶安装应用提供更安全的隔离。

根据IEC 664-1：1992标准值（图1），即使在最恶劣的环境（即室外）中，工作电压10kV的最小标准距离也为45cm，这被认为是超短链路。典型的塑料光纤应用。在平均安装长度为10m的情况下，可能的工作电压超过标准20倍。因此，光纤的电绝缘性能非常适合恶劣的工业环境。

根据IEC 664-1：1992标准值建议的最小爬电距离

链节还必须提供足够的间隙，以防止由于高压尖峰而产生电弧。为了证明光纤的功效，我们使用40mm的光学链路（最短的链路长度），45mm的间隙和55mm的爬电距离设置创建了一个测试装置（图2）。装置承受的电压为20kV（14kVrms），这是可用测试设备所能达到的最大电压，没有放电。但是，发送端和接收端的这种紧密接近是现实世界中光纤链路的典型特征。但是，这表明光纤很容易提供足够的间隙来抑制由于高压尖峰引起的电弧放电。

电绝缘测试配置

共模隔离

抑制工业通信链路中的共模噪声或接地环路是鲁棒链路设计的主要考虑因素。一种常见的解决方案是使用光耦合器在数据源（P，UART等）与驱动双绞线电缆的铜收发器之间放置长达15 mm的电绝缘。这可以防止共模噪声传播到敏感的Rx决策电路中，而后者可能导致数据传输中的错误。但是，由于耦合器中的发射器和接收器非常接近，因此仅在跨隔离栅使杂散电容最小的情况下才有效。隔离材料的使用可确保共模噪声“尖峰”不会从输入到输出交叉。使用光纤链路方法时，由于标准链路长度为几米，实际的有效隔离屏障变为米（不是毫米）。这有效地将杂散电容减小到零，从而消除了任何实际的共模噪声路径。

编辑：hfy