電路隔離方法與分類
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(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)測量系統(tǒng)相對(duì)來說比較復(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，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)，一般采用線性隔離放大器。模擬信號(hào)控制系統(tǒng)與模擬信號(hào)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(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)?，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(huì)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
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，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(jìn)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(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)。
2.2 模擬信號(hào)測量系統(tǒng)的隔離
對(duì)于具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴(yán)重的場合，在模擬信號(hào)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(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。
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似，這里不再贅述?；ジ衅鞲綦x的應(yīng)用。
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)來說比較復(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(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)測量系統(tǒng)的隔離類似，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(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)部電路隔離開來，或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開來。
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，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。
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(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(jìn)入低壓直流側(cè)。
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(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)模擬電路帶來一定的干擾，影響測量的精度。為了抑制數(shù)字電路對(duì)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?yàn)樾盘?hào)電路中的共模干擾和差模干擾沒有得到有效的抑制，對(duì)于高精密測量的場合，還不能滿足要求。對(duì)于具有嚴(yán)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(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)之間加入線性隔離放大器，把信號(hào)地與模擬地隔開，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，這樣一來，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，是數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)電路的隔離方法之一。
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