電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)

電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)??

摘要：對(duì)電子電氣電路的各種隔離進(jìn)行了詳盡的分析討論，提出了抑制干擾而采取的電氣隔離的技術(shù)措施，從而保證電氣設(shè)備的正常工作。

關(guān)鍵詞：電子；電路；電氣隔離；干擾；電磁兼容

Technologies of Circuit Isolation in Electronic and Electrical Equipments

HUANG Yao-feng, WANG Chuan-liang, ZHANG Chao-qun

Abstract:The many isolation technologies of the electronic and electrical circuit are put forward and analyzed,discussed in detail. So the normal operation of the electronic and electrical equipments are guaranted.

Keywords:Electron; Circuit; Electrical isolation; Interference; Electromagnatic compatibility?

1?? 引言

??? 電路隔離的主要目的是通過(guò)隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達(dá)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(xiàn)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(gè)別情況下采用）。

??? 模擬電路的隔離比較復(fù)雜，主要取決于對(duì)傳輸通道的精度要求，對(duì)精度要求越高，其通道的成本也就越高；然而，當(dāng)性能的要求上升為主要矛盾時(shí)，應(yīng)當(dāng)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(dāng)從價(jià)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(xiàn)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(duì)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(tái)電子電氣設(shè)備，通常包含供電系統(tǒng)，模擬信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，模擬信號(hào)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(hào)測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，既要考慮其精度，頻帶寬度的因素，又要考慮其價(jià)格因素；對(duì)于高電壓、大電流信號(hào)，一般采用互感器（電壓互感器、電流互感器）隔離法，近年來(lái)，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(hào)測(cè)量常規(guī)使用的元器件；對(duì)于微電壓、微電流信號(hào)，一般采用線(xiàn)性隔離放大器。模擬信號(hào)控制系統(tǒng)與模擬信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的隔離類(lèi)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(duì)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(lái)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?yàn)椋m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(xiàn)之間）的存在，交流電網(wǎng)中的噪聲會(huì)通過(guò)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(wú) 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(duì)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(duì)屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對(duì)地阻抗，C2E是二次繞側(cè)的對(duì)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(duì)地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，ZE《(1/jωC10)，所以u(píng)2C→0。由此可見(jiàn)，采取屏蔽措施后，通過(guò)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(jìn)步，國(guó)外已研制成功了專(zhuān)門(mén)抑制噪聲的隔離變壓器（NoiseCutoutTransformer，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lèi)變壓器的結(jié)構(gòu)，鐵心材料，形狀及其線(xiàn)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(dāng)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(shí)，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(hào)測(cè)量系統(tǒng)的隔離

??? 對(duì)于具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合，在模擬信號(hào)的測(cè)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(duì)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(jìn)入邏輯系統(tǒng)，導(dǎo)致邏輯系統(tǒng)的工作紊亂；

??? ——在精密測(cè)量系統(tǒng)中，防止數(shù)字系統(tǒng)的脈沖波動(dòng)干擾進(jìn)入模擬系統(tǒng)，尤其是前置放大部分，因?yàn)榍爸梅糯蟛糠值男盘?hào)非常微弱，較小的騷擾波動(dòng)信號(hào)就會(huì)把有用信號(hào)淹沒(méi)。

2.2.1?? 高電壓、大電流信號(hào)的隔離

??? 高電壓、大電流信號(hào)采用互感器隔離，其抑制噪聲的原理與隔離變壓器類(lèi)似，這里不再贅述?；ジ衅鞲綦x的應(yīng)用如圖3（a）所示。

(a)互 感 器 隔 離 電 路??? (b)線(xiàn) 性 隔 離 放 大 器

圖3? 模 擬 信 號(hào) 輸 入 隔 離 系 統(tǒng)

2.2.2?? 微電壓、微電流信號(hào)的隔離

??? 微電壓、微電流模擬信號(hào)的隔離系統(tǒng)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，既要考慮其精度，頻帶寬度的因素，又要考慮其價(jià)格因素。一般情況下，對(duì)于較小量的共模噪聲，采用差動(dòng)放大器或儀表放大器就能夠取得良好的效果，但對(duì)于具有較大量的共模噪聲，且測(cè)量精度要求比較高的場(chǎng)合，應(yīng)該選擇高精度線(xiàn)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(xiàn)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(cè)量系統(tǒng)中，線(xiàn)性隔離放大器的應(yīng)用如圖3（b）所示。

2.3?? 模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的隔離

??? 如前所述，模擬信號(hào)控制系統(tǒng)的隔離與模擬信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的隔離類(lèi)似，即交流信號(hào)一般采用變壓器隔離，直流信號(hào)一般采用直流電壓隔離器或線(xiàn)性隔離器隔離。

3?? 數(shù)字電路的隔離

??? 與模擬系統(tǒng)類(lèi)似，一套控制裝置，或者一臺(tái)電子電氣設(shè)備，通常所包含的數(shù)字系統(tǒng)有：數(shù)字信號(hào)輸入系統(tǒng)，數(shù)字信號(hào)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(gè)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(hào)與內(nèi)部電路隔離開(kāi)來(lái)，或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開(kāi)來(lái)，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(dá)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(dá)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(gè)pF，所以可作為脈沖信號(hào)的隔離元件。脈沖變壓器傳遞輸入、輸出脈沖信號(hào)時(shí)，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(shuō)，脈沖變壓器的信號(hào)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(dá)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(shí)例。

(a)? 脈 沖 變 壓 器??? (b)? 脈 沖 變 壓 器 應(yīng) 用 于 開(kāi) 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(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉。圖6是繼電器輸出隔離的實(shí)例示意圖。在該電路中，通過(guò)繼電器把低壓直流與高壓交流隔離開(kāi)來(lái)，使高壓交流側(cè)的干擾無(wú)法進(jìn)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(shuō)，模擬電路與數(shù)字電路之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）或數(shù)模轉(zhuǎn)換器（D/A）來(lái)實(shí)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(hào)就會(huì)對(duì)模擬電路帶來(lái)一定的干擾，影響測(cè)量的精度。為了抑制數(shù)字電路對(duì)模擬電路帶來(lái)的高頻干擾，一般須將模擬地與數(shù)字地分開(kāi)布線(xiàn)，參見(jiàn)圖7（a）。這種布線(xiàn)方式不能徹底排除來(lái)自數(shù)字電路的高頻干擾，要想排除來(lái)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(kāi)來(lái)，常用的隔離方法是在A(yíng)/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(kāi)，參見(jiàn)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(wèn)題，仍然存在著一定的缺陷，這是因?yàn)樾盘?hào)電路中的共模干擾和差模干擾沒(méi)有得到有效的抑制，對(duì)于高精密測(cè)量的場(chǎng)合，還不能滿(mǎn)足要求。對(duì)于具有嚴(yán)重干擾的測(cè)量場(chǎng)合，可采用圖7（c）所示的電路。在該電路中，把信號(hào)接收部分與模擬處理部分也進(jìn)行了隔離，因?yàn)樵谇爸锰幚砑?jí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）之間加入線(xiàn)性隔離放大器，把信號(hào)地與模擬地隔開(kāi)，同時(shí)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(kāi)，這樣一來(lái)，既防止了數(shù)字系統(tǒng)的高頻干擾進(jìn)入模擬部分，又阻斷了來(lái)自前置電路部分的共模干擾和差模干擾。當(dāng)然，這種系統(tǒng)的造價(jià)較高，一般只用于高精度的測(cè)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(lèi)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(diǎn) 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

5?? 結(jié)語(yǔ)

??? 以上對(duì)電子電路的電氣隔離問(wèn)題作出了概括性的論述，在產(chǎn)品的研制實(shí)踐中,還要對(duì)電子電氣設(shè)備的內(nèi)部噪聲及外部干擾進(jìn)行全面的分析，結(jié)合“接地問(wèn)題”，“屏蔽問(wèn)題”,選擇合理的隔離方式及其恰當(dāng)?shù)母綦x部位，進(jìn)行統(tǒng)一部署，才能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品，造福于社會(huì)。

參考文獻(xiàn)

[1]邱關(guān)源.電路[M].北京：人民教育出版社，1999.

[2]馮慈章,馬西奎.工程電磁學(xué)導(dǎo)論[M].北京：人民教育出版社，2000.

[3]W.O亨利.電子系統(tǒng)噪聲抑制技術(shù)[M].張忱(譯).北京：國(guó)防工業(yè)出版社,1985

[4]張志文,黃耀峰.電氣設(shè)備外部噪聲的抗干擾技術(shù)[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1999（3）:217～219

[5]黃耀峰.電氣設(shè)備內(nèi)部干擾的抑制[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2001,4(8):17～19.

[6]黃耀峰.電子電氣設(shè)備的接地[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2001,4(10):11～14.