電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)

1 引言

電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后，絕大多數(shù)電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設(shè)備符合電磁兼容性的要求。電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離、數(shù)字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D轉(zhuǎn)換器隔離法等。

數(shù)字電路的隔離主要有：脈沖變壓器隔離、繼電器隔離、光電耦合器隔離、光纖隔離等。其中數(shù)字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離；而數(shù)字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、繼電器隔離、高頻變壓器隔離（個別情況下采用）。

模擬電路的隔離比較復雜，主要取決于對傳輸通道的精度要求，對精度要求越高，其通道的成本也就越高；然而，當性能的要求上升為主要矛盾時，應(yīng)當以性能為主選擇隔離元器件，把成本放在第二位；反之，應(yīng)當從價格的角度出發(fā)選擇隔離元器件。模擬電路的隔離主要采用變壓器隔離、互感器隔離、直流電壓隔離器隔離、線性隔離放大器隔離。

模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離主要采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置；對于要求較高的電路，除采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置外，還應(yīng)在模/數(shù)轉(zhuǎn)換裝置的兩端分別加入模擬隔離元器件和數(shù)字隔離元器件。

2 模擬電路的隔離

一套控制裝置或者一臺電子電氣設(shè)備，通常含供電系統(tǒng)，模擬信號測量系統(tǒng)，模擬信號控制系統(tǒng)。而供電系統(tǒng)又可分為交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)，交流供電系統(tǒng)主要采用變壓器隔離，直流供電系統(tǒng)主要采用直流電壓隔離器隔離。模擬信號測量系統(tǒng)相對來說比較復雜，既要考慮其精度，頻帶寬度的因素，又要考慮其價格因素；對于高電壓、大電流信號，一般采用互感器（電壓互感器、電流互感器）隔離法，近年來，又出現(xiàn)了霍爾變送器，這些元器件都是高電壓、大電流信號測量常規(guī)使用的元器件；對于微電壓、微電流信號，一般采用線性隔離放大器。模擬信號控制系統(tǒng)與模擬信號測量系統(tǒng)的隔離類似，一般采用變壓器、直流電壓隔離器。

2.1 供電系統(tǒng)的隔離

2.1.1 交流供電系統(tǒng)的隔離

由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波，雷擊浪涌，高頻干擾等噪聲，所以對由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備，都應(yīng)采取抑制來自交流電源干擾的措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，雖然一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè)，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間，繞組之間，層匝之間和引線之間）的存在，交流電網(wǎng)中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側(cè)。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設(shè)備的電磁兼容性。圖1(a)、(b)所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。

圖1 變 壓 器 隔 離

(a)無 屏 蔽

(b)有 屏 蔽

在圖1（a）中，隔離變壓器不加屏蔽層，C12是一次繞組和二次繞組之間的分布電容，在共模電壓u1C的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為u2C，C2E是二次側(cè)的對地電容，則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓u2C為：

u2C=u1CC12/（C12＋C2E）

在圖1（b）中，隔離變壓器加屏蔽層，其中C10、C20分別代表一次繞組和二次繞組對屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對地阻抗，C2E是二次繞側(cè)的對地電容，則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓u2C為：

u2C=〔u1CZE/（ZE＋1/jωC10）〕〔C2E/（C20＋C2E)〕

由于C2是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，ZE《(1/jωC10)，所以u2C→0。由此可見，采取屏蔽措施后，通過隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。

隨著技術(shù)的進步，國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（NoiseCutoutTransformer，簡稱NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu)，鐵心材料，形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè)，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。

2.1.2 直流供電系統(tǒng)的隔離

當控制裝置和電子電氣設(shè)備的內(nèi)部子系統(tǒng)之間需要相互隔離時，它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離，其隔離方式如下：第一種是在交流側(cè)使用隔離變壓器，如圖2（a）所示；第二種是使用直流電壓隔離器（即DC/DC變換器），如圖2（b）所示。

(a)交 流 側(cè) 隔 離

(b)直 流 隔 離

圖2 直 流 電 源 系 統(tǒng) 的 隔 離

2.2 模擬信號測量系統(tǒng)的隔離

對于具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴重的場合，在模擬信號的測量中必須采取措施，使輸入與輸出完全隔離，彼此絕緣，消除噪聲的耦合。隔離對系統(tǒng)有如下好處：

——防止模擬系統(tǒng)干擾，尤其是電力系統(tǒng)的接地干擾進入邏輯系統(tǒng)，導致邏輯系統(tǒng)的工作紊亂；

——在精密測量系統(tǒng)中，防止數(shù)字系統(tǒng)的脈沖波動干擾進入模擬系統(tǒng)，尤其是前置放大部分，因為前置放大部分的信號非常微弱，較小的騷擾波動信號就會把有用信號淹沒。

2.2.1 高電壓、大電流信號的隔離

高電壓、大電流信號采用互感器隔離，其抑制噪聲的原理與隔離變壓器類似，這里不再贅述。互感器隔離的應(yīng)用如圖3（a）所示。

(a)互 感 器 隔 離 電 路

(b)線 性 隔 離 放 大 器

圖3 模 擬 信 號 輸 入 隔 離 系 統(tǒng)

2.2.2 微電壓、微電流信號的隔離

微電壓、微電流模擬信號的隔離系統(tǒng)相對來說比較復雜，既要考慮其精度，頻帶寬度的因素，又要考慮其價格因素。一般情況下，對于較小量的共模噪聲，采用差動放大器或儀表放大器就能夠取得良好的效果，但對于具有較大量的共模噪聲，且測量精度要求比較高的場合，應(yīng)該選擇高精度線性隔離放大器，如BB公司的ISO106，其主要參數(shù)如下：

——交流耐壓35kV/1min，60Hz；

——直流耐壓495kV；

——沖擊耐壓8kVPK/10s；

——非線性誤差0.007％；

——隔離噪聲抑制比交流130dB，直流160dB。

ISO106的優(yōu)秀參數(shù)，使其大量地應(yīng)用于精密測量系統(tǒng)中，線性隔離放大器的應(yīng)用如圖3（b）所示。

2.3 模擬信號控制系統(tǒng)的隔離

如前所述，模擬信號控制系統(tǒng)的隔離與模擬信號測量系統(tǒng)的隔離類似，即交流信號一般采用變壓器隔離，直流信號一般采用直流電壓隔離器或線性隔離器隔離。

3 數(shù)字電路的隔離

與模擬系統(tǒng)類似，一套控制裝置，或者一臺電子電氣設(shè)備，通常所含的數(shù)字系統(tǒng)有：數(shù)字信號輸入系統(tǒng)，數(shù)字信號輸出系統(tǒng)。數(shù)字量輸入系統(tǒng)主要采用脈沖變壓器隔離，光電耦合器隔離；而數(shù)字量輸出系統(tǒng)主要采用光電耦合器隔離，繼電器隔離，個別情況也可采用高頻變壓器隔離。

3.1 光電耦合器隔離

這種隔離方法是用光電耦合器把輸入信號與內(nèi)部電路隔離開來，或者是把內(nèi)部輸出信號與外部電路隔離開來，如圖4（a）、（b）所示。

(a)外 部 輸 入 與 內(nèi) 部 電 路 的 隔 離

(b)控 制 輸 出 與 外 部 電 路 的 隔 離

圖4 光 電 耦 合 器 電 路

目前，大多數(shù)光電耦合器件的隔離電壓都在2.5kV以上，有些器件達到了8kV，既有高壓大電流大功率光電耦合器件，又有高速高頻光電耦合器件（頻率高達10MHz）。常用的器件如：4N25，其隔離電壓為5.3kV；6N137，其隔離電壓為3kV，頻率在10MHz以上。

3.2 脈沖變壓器隔離

脈沖變壓器的匝數(shù)較少，而且一次繞組和二次繞組分別繞于鐵氧體磁芯的兩側(cè)，這種工藝使得它的分布電容特小，僅為幾個pF，所以可作為脈沖信號的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號時，不傳遞直流分量，因而在微電子技術(shù)控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一般地說，脈沖變壓器的信號傳遞頻率在1kHz～1MHz之間，新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達到10MHz。圖5（a）是脈沖變壓器的示意圖。脈沖變壓器主要用于晶閘管（SCR）、大功率晶體管（CTR）、IGBT等可控器件的控制隔離中。圖5（b）是脈沖變壓器的應(yīng)用實例。

（a）脈 沖 變 壓 器

(b) 脈 沖 變 壓 器 應(yīng) 用 于 開 關(guān) 電 源 中

圖 5 脈 沖 變 壓 器 的 應(yīng) 用

3.3 繼電器隔離

繼電器是常用的數(shù)字輸出隔離元件，用繼電器作為隔離元件簡單實用，價格低廉。圖6是繼電器輸出隔離的實例示意圖。在該電路中，通過繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開來，使高壓交流側(cè)的干擾無法進入低壓直流側(cè)。

圖6 繼電器隔離

4 模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離

一般地說，模擬電路與數(shù)字電路之間的轉(zhuǎn)換通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）或數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）來實現(xiàn)。但是，若不采取一定的措施，數(shù)字電路中的高頻振蕩信號就會對模擬電路帶來一定的干擾，影響測量的精度。為了抑制數(shù)字電路對模擬電路帶來的高頻干擾，一般須將模擬地與數(shù)字地分開布線，參見圖7（a）。這種布線方式不能徹底排除來自數(shù)字電路的高頻干擾，要想排除來自數(shù)字電路的高頻干擾，必須把數(shù)字電路與模擬電路隔離開來，常用的隔離方法是在A/D轉(zhuǎn)換器與數(shù)字電路之間加入光電耦合器，把數(shù)字電路與模擬電路隔離開，參見圖7（b）。但這種電路還不能從根本上解決模擬電路中的干擾問題，仍然存在著一定的缺陷，這是因為信號電路中的共模干擾和差模干擾沒有得到有效的抑制，對于高精密測量的場合，還不能滿足要求。對于具有嚴重干擾的測量場合，可采用圖7（c）所示的電路。在該電路中，把信號接收部分與模擬處理部分也進行了隔離，因為在前置處理級與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）之間加入線性隔離放大器，把信號地與模擬地隔開，同時在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）與數(shù)字電路之間采用光電耦合器隔離，把模擬地與數(shù)字地隔開，這樣一來，既防止了數(shù)字系統(tǒng)的高頻干擾進入模擬部分，又阻斷了來自前置電路部分的共模干擾和差模干擾。當然，這種系統(tǒng)的造價較高，一般只用于高精度的測量系統(tǒng)中。

數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）電路的隔離與模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）電路的隔離類似，因而所采取的技術(shù)措施也差不多，圖7（d）是數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）電路的隔離方法之一。

(a)一 點 接 地 (b)單 端 隔 離 的 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 電 路

(d) 單 端 隔 離 的 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 電 路

(c)雙 端 隔 離 的 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 電 路
圖7 模 擬 電 路 與 數(shù) 字 電 路 之 間 的 隔 離

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