電器隔離技術

1、.對電子電氣電路的各種隔離進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措施，從而保證電氣設備的正常工作。 關鍵詞：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 forw

2、ard 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      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)

3、電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設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）。   

4、60; 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，應當以性能為主選擇隔離元器件，把成本放在第二位；反之，應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)轉換裝置；對于要求較高的電路，除采用模/數(shù)轉換裝置外，還應在模/數(shù)轉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

5、或者一臺電子電氣設備，通常包含供電系統(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

6、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備，都應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，能夠阻止一次側的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?，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。為了抑制噪聲，必須在繞組間加

7、屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設備的電磁兼容性。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是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C為：       u2C=u1CC12/（C1

8、2C2E）     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是二次繞側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C為：     u2C=u1CZE/（ZE1/jC10）C2E/（C20C2E)     由于C2是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，ZE(1/jC10)，所以u2C0。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。     隨著技術的進步，國外已研制

9、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。這類變壓器的結構，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到二次側，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該相互隔離，其隔離方式如下：第一種是在交流側使用隔離變壓器，如圖2（a

10、）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 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；  

11、0;  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

12、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35kV/1min，60Hz；     直流耐壓495kV；     沖擊耐壓8kVPK/10s；   

13、0; 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)，使其大量地應用于精密測量系統(tǒng)中，線性隔離放大器的應用如圖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

14、者一臺電子電氣設備，通常所包含的數(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

15、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，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

16、，因而在微電子技術控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。一般地說，脈沖變壓器的信號傳遞頻率在1kHz1MHz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）是脈沖變壓器的應用實例。 (a)  脈 沖 變 壓 器    (b)  脈 沖 變 壓 器 應 用 于 開 關 電 源 中 圖 5   脈 沖 變 壓 器 的 應 用 3.3   繼電器隔離   

17、0; 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，使高壓交流側的干擾無法進入低壓直流側。 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)字電路之間的轉換通過模數(shù)轉換器（A/D）或數(shù)模轉換器（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

18、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，

19、同時在模數(shù)轉換器（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)模轉換（D/A）電路的隔離與模數(shù)轉換（A/D）電路的隔離類似，因而所采取的技術措施也差不多，圖7（d）是數(shù)模轉換（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 換 電 路  (d) 單 端 隔 離 的 數(shù) 模 轉 換 電

20、路 (c)雙 端 隔 離 的 數(shù) 模 轉 換 電 路  圖7   模 擬 電 路 與 數(shù) 字 電 路 之 間 的 隔 離 5   結語     以上對電子電路的電氣隔離問題作出了概括性的論述，在產(chǎn)品的研制實踐中,還要對電子電氣設備的內(nèi)部噪聲及外部干擾進行全面的分析，結合“接地問題”，“屏蔽問題”,選擇合理的隔離方式及其恰當?shù)母綦x部位，進行統(tǒng)一部署，才能設計出滿足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品，造福于社會一般工業(yè)控制系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強電控制部分。為了使兩者之間既保持控制信號聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實行

21、弱電和強電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，設備與操作人員安全的重要措施。電氣隔離目的之一是從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，從而達到隔離現(xiàn)場干擾的目的。一、信號隔離信號的隔離目的之一是把引進的干擾通道切斷，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號聯(lián)系，不直接發(fā)生電的聯(lián)系。工控裝置與現(xiàn)場信號之間常用的隔離方式有光電隔離、脈沖變壓器隔離、繼電器隔離和布線隔離等。1光電隔離光電隔離是由光電耦合器件來完成的。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。由于光電耦合器的輸入阻抗（1001k）與一般干擾源的阻抗（105106）相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供

22、的電流并不大，不易使半導體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大（約1012）、隔離電容很?。s幾個pF），所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾，被控設備的各種干擾很難反饋到輸入系統(tǒng)。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1所示。開關量輸入電路接入光電耦合器后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾雜在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。由于光電耦合器不是將輸入側和輸出側的電信號進行直接耦合，而是以光為媒介進行耦合，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。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

23、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。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，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，PLC使用的數(shù)字量信號輸入輸出的控制設備不要求傳遞直流分量，因而在工控系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。圖2是脈沖變壓器的應用實例。電路的外部信號經(jīng)RC濾波電路和雙向穩(wěn)壓管抑制常模噪聲干擾，然后輸入脈沖變壓器的一次側。為了防止過高的對稱

24、信號擊穿電路元件，脈沖變壓器的二次側輸出電壓被穩(wěn)壓管限幅后進入測控系統(tǒng)內(nèi)部。一般地說，脈沖變壓器的信號傳遞頻率在1kHz1MHz之間，新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達到10MHz。3繼電器隔離繼電器的線圈和觸點沒有電氣上的聯(lián)系，因此，可利用繼電器的線圈接受信號，利用觸點發(fā)送和輸出控制信號，從而避免強電和弱電信號之間的直接接觸，實現(xiàn)了抗干擾隔離。 圖3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，使高壓交流側的干擾無法進入低壓直流側。4布線隔離將微弱信號電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開布線，最基本的要求是信號線路必須和強電控制線路、電源線路分開走線，而且相互間要保持一定的距離。配線時應區(qū)別