隔离保护: 保证可靠性的完美投资
1999年，美国国家航空和宇宙航行局科技部进行了一项对闪电、接地电压和结构的影响的调查研究。研究中使用了北卡罗来纳州的一栋建筑物，离该建筑物45米范围内有一座42米的水塔。在长达5个月的时间里，该地区共发生5起独立的雷击放电现象。
虽然建筑物本身从未被攻击过，但它却吸收了大量附近的闪电所放出的地电压。造成的后果是“两棵树死亡，电气设备失火，所有电话线全部损坏，电气装置遭到严重破坏。” (NASA，科技部，“Human Voltage”,1999年 6月18日)
不幸的是，这种破坏对没有保护的设备来说很频繁。美国国家闪电安全协会估计这种自然灾害每年给公司和个人造成的损失在40～50亿美元之间。火上浇油的是，美国国家雷电监测网估计每年平均要有25,000,0000次云地间闪电。
当然，雷击并不是产生可能造成系统破坏的高电压浪涌的唯一罪魁祸首。传输线路电涌、布线误差、地环流以及一些内部因素都可能产生瞬态电压，进而进入网络、电话线、串口通信系统以及其它贵重设备。
接地电压: 永远变化着的潜在破坏
懂得造成高接地电压现象的原因对于如何在工业场所有效保护昂贵的电气组件和设备并不让其受到损坏来说是非常有益的。
当闪电释放出来的高浪涌电流进入地连接时(或是一些类似的下流向电源线)，能量就会像波浪一样向外扩展。您可以设想将一块大石头扔进一个安静的池塘，石头掉进去的地方所产生的波纹最频繁而且最剧烈，而随着波纹向外扩展，它们会变得更长，强度也会随之减小。
同理，闪电释放点的接地电位有可能比几百英尺以外的地方高几百伏。 这种电压水平差就是问题的症结所在。随着电流流过地线，它会自然寻找平衡方法，并沿着阻抗最小的路径前行。在此路径边建造的工业楼宇会接地，并有埋地地线、电缆以及其它可使电流进入建筑的接入点。这些电线在理论上为高电压通过提供了较容易且较易平衡的路径。
这样一来的后果是可能导致大量电流从多个不同的接入点进入楼宇。显然，建筑物越大，进入的瞬态电压的电位就越大。而当这个高电压接触到一些不能承受这种突发浪涌的设备和部件时，便会对其产生损坏， 仅在美国这种损失每年就要超过40亿美元。
最大限度地减少危害：保护系统概述
鉴于替换受损设备的成本以及停工对生产及收入的影响，最大限度地减少浪涌的损坏对每一个工业环境来说都是至关重要的。
很重要的一点，瞬态电压浪涌和地环流主要有两个路径：数据线和端口以及电源线。这些路径对浪涌来说都是“阻抗最小路径”，因此必须加保护。如下所述，对不同的路径，使用不同的浪涌保护方法 可以起到更好的保护效果。
以下是目前采用的4种主要的保护方法：
浪涌抑制器
从电脑与电源间简单的电源板，到大容量DIN轨安装模块，浪涌设备在形状、大小和等级上都有很大不同。 B&B电子可提供一些重载， 3 步浪涌抑制器。HESP4DR, 485HESP, 422HESP和 232HESP 是销售最好的四款产品。EIRSP1 和 USBSSP还可以提供以太网和USB浪涌保护。
抑制器所能做的是抑制浪涌 ，并在它进入并损坏重要部件之前将其消除。你可以想象一个遭受强烈浪击的大型水坝，然后慢慢从溢出口将其放出，这就是抑制器工作原理的形象解释。
如果使用的当，或与其它保护措施一并使用，抑制器还是很有用的。它们可以保护电源线和数据线，但当用作电源线的第一道防御线时最有效。现有型号可以 DIN 轨安装或直接连接到机柜，浪涌保护等级可高达39kA ，反应时间低于1ns。
尽管如此，仅使用抑制器必须要考虑到如下缺点和潜在危险：
- 不恰当安装
- 抑制设备选择范围窄
- 抑制器通常只保护电源线– 数据线和端口不受保护
- 最大的问题：万一“波浪”高过“水坝”该怎么办？
最后，许多“受到很好保护”的系统有可能会受到致命打击，尤其是在遭遇到大的或快速连接性的雷击时。
有鉴于此，在一些情况下，只简单地安装几个浪涌抑制器甚至会弊大于利。
任何情况下，需要稳固的解决方案来保护其数据系统和任务关键设备的厂商都需要在抑制器上添加 一个浪涌保护的附加层。依隔离方式不同而程度不同的隔离delivers this added safety net，为防止瞬态电压提供了最大保护。
机械隔离（变压器）
变压器曾经在隔离灵敏设备时起到了极其重要的作用。与防止高电压浪涌的抑制器不同，变压器 只阻止浪涌的DC部件。
由于具有严格定义的频率范围，变压器在使用已调制信号的隔离系统中也可以正常工作， 如电话系统和以太网通信系统。另外，为了将电压调至一个适当的水平，几乎所有的交流电传输中都必须具备变压器隔离。
同样，在隔离数据电路中使用变压器也有许多困挠：
- 变压器只在自身设定的有限的频率范围内有效
- 高频率“噪音”也会通过变压器传输，有可能损坏数据
- 在遇到可能损害设备的高浪涌水平时会产生过多热量
- 即使是较小的变压器经常拥挤的工业环境中也会占用相当宝贵的空间。
在运用数字信号的隔离系统中（如串口通信系统）使用变压器还有另外一个困难。未调制数字数据的运行频率范围极其宽泛，这从根本上是与变压器隔离不相容的。
光隔离
光隔离的概念很简单，它解决了变压器和浪涌抑制器中出现的绝大多数数据通信隔离问题。
数据进入隔离模块并通过一个微小的发光二极管转换成光信号 (LED)。这个信号被处于同一个隔离模块中的图像二极管接收器接收，并转回到它的原始形式。The physical gap between the光发射器和接收器之间的物理间隙提供了瞬态电流所需要的隔离。
根据需要，光隔离电路可以通过不同的方式配置。以下是两个光隔离工作原理示意图：
光隔离工作原理(开关式电源)
光隔离工作原理 (USB)
B&B电子几乎可以为您提供所有串口协议的光隔离器。串口隔离器包括 DIN 轨型号232OPDR和485OPDR以及一系列内嵌隔离器。
三重隔离
三重隔离可以轻而易举地将隔离扩展到每个数据端口和电源，保证了一个完全的隔离系统。 每个模块里的电路都被严格分开，电路板的任意两个端口都没有电气连接。为了给电路板的每个端口供电，需要另外内置一个隔离电源。
由于切断了瞬态浪涌和地环流的所有可能的通过路径，这种隔离可以让你的设备享受最好保护。大部分采用三重隔离的设备所能承受的电压范围都在2，000 – 3，000之间。 B&B电子的232OPDRi和485OPDRi 是三重隔离应用的理想选择。
综述
瞬态电源浪涌和地环流产生的原因有许多，包括传输线路浪涌、内部系统配置错误等，当然还有最常见的一个原因，那就是闪电。
因为没有采用合理措施保护贵重设备，每年商界和个人都要承受超过40亿美元的损失。形式多样的隔离设备可以提供他们所需要的保护。
那么是不是隔离设备都要比非隔离的贵呢？答案是肯定的。如在某些情况下， 一个隔离设备的价格会比非隔离设备高30～50美元。
然而真正的成本是什么呢？ 三重隔离中继器可以有效保护位于通信线路上的设备。大多数情况下，线路的两端分别是一个PLC或PC和一个工业生产或数据处理设备。PLC’s要几百或几千美元，其它设备则要上万甚至几十万，与此相比，隔离的成本相对较低。
说了这么多，在决定是否需要隔离时，最重要的成本效益因素或许要数生产周期了。
在对生产和收入产生消极影响之前，系统或相关设备又能支撑多长的故障时间呢？为了保证利益率、良好的客户服务以及客户可以接受的交货时间，大多数工业环境下的故障时间都应该尽量减少或避免。
最后， 通过机械隔离、光隔离或两者都使用的系统隔离，并通过浪涌保护器建立“水坝”防止破坏性的“波浪”，可以极大减少由电源浪涌带来的维修和置换成本。
这是一项可以在提供最大保护的同时提高最大产量和收入的必要投资。
补充说明: 专业咨询
究竟什么应该用隔离和浪涌保护器保护，如何正确安装需要的设备？这些难题可以很复杂，让人很烦恼。别担心，B&B 电子可以为您提供免费的专业咨询。您只需给我们一个电话。我们的应用工程师 会很乐意与您探讨您的具体问题并为您提出专业的支持和建议。
