電路隔離方法與分類(lèi)

1、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

2、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

3、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(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

4、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

5、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/j 3CIO) 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/j 3

6、CIO)，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。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

7、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(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)。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

8、隔離變壓器類(lèi)似，這里不再贅述。互感器隔離的應(yīng)用。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495kV;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)

9、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(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)。目前

10、，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3 kV，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1kHz1MHz之間，新型的高頻脈沖

11、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(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)。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

12、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，參見(jiàn)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(kāi)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(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