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電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)

發(fā)布時(shí)間:2009-12-18

中心議題:
  • 電氣隔離的分類和方法
  • 模擬電路的隔離、數(shù)字電路的隔離
  • 模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離 
解決方案:
  • 對(duì)相應(yīng)的模擬電路分別進(jìn)行變壓器隔離等方法
  • 對(duì)相應(yīng)的數(shù)字電路分別進(jìn)行脈沖變壓器隔離,光電耦合器隔離等方法 
  • 對(duì)數(shù)字電路和模擬電路采用轉(zhuǎn)換裝置等方法

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(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)?,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(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
  

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(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)外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器(NoiseCutoutTransformer,簡(jiǎn)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),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)。
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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)用如圖3(a)所示。

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(cè)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(cè)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(lái),或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開來(lái),如圖4(a)、(b)所示。

 
 
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。
 

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來(lái),使高壓交流側(cè)的干擾無(wú)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(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)字地分開布線,參見圖7(a)。這種布線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來(lái),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(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(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。

 

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)出滿足電磁兼容性要求的合格產(chǎn)品,造福于社會(huì)。

 
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