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电子电气设备的电路隔离技术


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电子电气设备的电路隔离技术
1 引言 电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制噪声干扰 的效果。在采用了电路隔离的措施以后,绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果, 使设备符合电磁兼容性的要求。电路隔离主要有:

模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字 电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有:变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继 电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、 A/D转换器隔离法等。 数字电路的隔离主要有:脉冲变压器隔离、继电器隔离、光电耦合器隔离、光纤隔离等。 其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出隔离方 式主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离、高频变压器隔离(个别情况下采用)。 模拟电路的隔离比较复杂,主要取决于对传输通道的精度要求,对精度要求越高,其通 道的成本也就越高;然而,当性能的要求上升为主要矛盾时,应当以性能为主选择隔离元器 件,把成本放在第二位;反之,应当从价格的角度出发选择隔离元器件。模拟电路的隔离主 要采用变压器隔离、互感器隔离、直流电压隔离器隔离、线性隔离放大器隔离。 模拟电路与数字电路之间的隔离主要采用模/数转换装置;对于要求较高的电路,除采 用模/数转换装置外,还应在模/数转换装置的两端分别加入模拟隔离元器件和数字隔离元器 件。 2 模拟电路的隔离 一套控制装置或者一台电子电气设备,通常包含供电系统,模拟信号测量 系统,模拟信 号控制系统。而供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统,交流供电系统主要采用变 压器隔离,直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离。模拟信号测量系统相对来说比较复 杂,既要考虑其精度,频带宽度的因素,又要考虑其价格因素;对于高电压、大电流信号, 一般采用互感器(电压互感器、电流互感器)隔离法,近年来,又出现了霍尔变送器,这些 元器件都是高电压、大电流信号测量常规使用的元器件;对于微电压、微电流信号,一般采 用线性隔离放大器。模拟信号控制系统与模拟信号测量系统的隔离类似,一般采用变压器、 直流电压隔离器。 2.1 供电系统的隔离 2.1.1 交流供电系统的隔离 由于交流电网中存在着大量的谐波,雷击浪涌,高频干扰等噪声, 所以对由交流电源供 电的控制装置和电子电气设备,都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。采用电源隔离变压 器,可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是,普通变压器却不能完全起到抗干扰 的作用,这是因为,虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的,能够阻止一次侧的噪声电压、 电流直接传输到二次侧,有隔离作用。然而,由于分布电容(绕组与铁心之间,绕组之间, 层匝之间和引线之间)的存在,交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制 噪声,必须在绕组间加屏蔽层,这样就能有效地抑制噪声,消除干扰,提高设备的电磁兼容 性。图1(a)、(b)所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况。

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图 1 变 压 器 隔离

(a)无 屏 蔽

(b)有 屏 蔽 在图 1(a)中,隔离变压器不加屏蔽层,C12 是一次绕组和二次绕组之间的分布电容,在共 模电压 u1C 的作用下,二次绕组所耦合的共模噪声电压为 u2C,C2E 是二次侧的对地电容, 则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C为: u2C=u1CC12/(C12+C2E) 在图 1(b)中,隔离变压器加屏蔽层,其中 C10、C20 分别代表一次绕组和二次绕组对屏蔽 层的分布电容,ZE 是屏蔽层的对地阻抗,C2E 是二次绕侧的对地电容,则从图可知二次侧 的 共模噪声电压u2C为: u2C=〔u1CZE/(ZE+1/jωC10)〕〔C2E/(C20+C2E)〕 由于C2是屏蔽层的对地阻抗,在低频范围内,ZE《(1/jωC10),所以u2C→0。由此可见, 采 取屏蔽措施后,通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了。 随着技术的进步,国外已 研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器(NoiseCutoutTransformer,简称 NCT),这是一种绕组 和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器。这类变压器的结构,

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www.symcukf.co m 铁心材料,形状及其线圈位置都比较特殊,它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链,从而 使差模噪声不易感应到二次侧,故这种变压器既能切断共模噪声电压,又能切断差模噪声电 压,是比较理想的隔离变压器。 2.1.2 直流供电系统的隔离 当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时,它 们各自的直流供电电 源间也应该相互隔离,其隔离方式如下:第一种是在交流侧使用隔离变压器,如图 2(a) 所示;第二种是使用直流电压隔离器(即DC/DC变换器),如图2(b)所示。

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(a)交 流 侧 隔 离

(b)直 流 隔 离 图 2 直 流 电 源 系 统 的 隔离 2.2 模拟信号测量系统的隔离 对于具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合,在模拟 信号的测量中必须采取措 施,使输入与输出完全隔离,彼此绝缘,消除噪声的耦合。隔离对系统有如下好处: ? 防止模拟系统干扰,尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统,导致逻辑系统的工作紊 乱; ? 在精密测量系统中,防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统,尤其是前置放大部分, 因为前置放大部分的信号非常微弱,较小的骚扰波动信号就会把有用信号淹没。 2.2.1 高电压、大电流信号的隔离 高电压、大电流信号采用互感器隔离,其抑制噪声的原理 与隔离变压器类似,这里不再 赘述。互感器隔离的应用如图3(a)所示。

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(a)互 感 器 隔 离 电 路

(b)线 性 隔 离 放 大 器 图 3 模 拟 信 号 输 入 隔 离 系统 2.2.2 微电压、微电流信号的隔离 微电压、微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂,既要考虑其精度,频带宽度的 因素,又要考虑其价格因素。一般情况下,对于较小量的共模噪声,采用差动放大器或仪表 放大器就能够取得良好的效果,但对于具有较大量的共模噪声,且测量精度要求比较高的场 合,应该选择高精度线性隔离放大器,如BB公司的ISO106,其主要参数如下: ——交流耐压3 5kV/1min,60Hz; ——直流耐压4 95kV; ——冲击耐压8kVPK/10s; ——非线性误差0.007%; ——隔离噪声抑制比交流130dB,直流160dB。 ISO106的优秀参数,使其大量地应用于精密测量系统中,线性隔离放大器的应用如图3(b) 所示。 2.3 模拟信号控制系统的隔离 如前所述,模拟信号控制系统的隔离与模拟信号测量系统的隔 离类似,即交流信号一般采用变压器隔离,直流信号一般采用直流电压隔离器或线性隔离器 隔离。 3 数字电路的隔离 与模拟系统类似,一套控制装置,或者一台电子电气设备,通常所包含的 数字系统有: 数字信号输入系统,数字信号输出系统。数字量输入系统主要采用脉冲变压器隔离,光电耦 合器隔离;而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离,继电器隔离,个别情况也可采用高 频变压器隔离。 3.1 光电耦合器隔离 这种隔离方法是用光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来,或者是 把内部输出信号 与外部电路隔离开来,如图4(a)、(b)所示。

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图 4 光 电 耦 合 器 电路 目前,大多数光电耦合器件的隔离电压都在 2.5kV 以上,有些器件达到了 8kV,既有高 压大电流大功率光电耦合器件,又有高速高频光电耦合器件(频率高达 10MHz)。常用的 器 件如:4N25,其隔离电压为5.3kV;6N137,其隔离电压为3kV,频率在10MHz以上。 3.2 脉冲变压器隔离 脉冲变压器的匝数较少,而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯 的两侧,这种工 艺使得它的分布电容特小,仅为几个pF,所以可作为脉冲信号的隔离元件。脉冲变压器传 递输入、输出脉冲信号时,不传递直流分量,因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应 用。一般地说,脉冲变压器的信号传递频率在1kHz~1MHz之间,新型的高频脉冲变压器的 传递频率可达到 10MHz。图 5(a)是脉冲变压器的示意图。脉冲变压器主要用于晶闸管(SCR)、 大功率晶体管(CTR)、IGBT 等可控器件的控制隔离中。图 5(b)是脉冲变压器的应用实例。

(a)脉 冲 变 压 器

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(b) 脉 冲 变 压 器 应 用 于 开 关 电 源 中 图 5 脉 冲变压器的应用 3.3 继电器隔离 继电器是常用的数字输出隔离元件,用继电器作为隔离元件简单实用,价格低廉。图6 是继电器输出隔离的实例示意图。在该电路中,通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来, 使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。

图 6继电器隔离 4 模拟电路与数字电路之间的隔离 一般地说,模拟电路与数字电路之间的转换通过模数转换 器(A/D)或数模转换器(D/A) 来实现。但是,若不采取一定的措施,数字电路中的高频振荡信号就会对模拟电路带来一定 的干扰,影响测量的精度。为了抑制数字电路对模拟电路带来的高频干扰,一般须将模拟地 与数字地分开布线,参见图 7(a)。这种布线方式不能彻底排除来自数字电路的高频干扰, 要想排除来自数字电路的高频干扰,必须把数字电路与模拟电路隔离开来,常用的隔离方法 是在A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器,把数字电路与模拟电路隔离开,参见图7 (b)。但这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题,仍然存在着一定的缺陷, 这是因为信号电路中的共模干扰和差模干扰没有得到有效的抑制,对于高精密测量的场合, 还不能满足要求。对于具有严重干扰的测量场合,可采用图7(c)所示的电路。在该电路 中,把信号接收部分与模拟处理部分也进行了隔离,因为在前置处理级与模数转换器(A/D) 之间加入线性隔离放大器,把信号地与模拟地隔开,同时在模数转换器(A/D)与数字电路 之间采用光电耦合器隔离,把模拟地与数字地隔开,这样一来,既防止了数字系统的高频干 扰进入模拟部分,又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。当然,这种系统的造 价较高,一般只用于高精度的测量系统中。 数模转换(D/A)电路的隔离与模数转换(A/D)电路的隔离类似,因而所采取的技术措 施也差不多,图7(d)是数模转换(D/A)电路的隔离方法之一。

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(a)一 点 接 地

(d) 单 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路

(c)双 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路 图 7 模 拟 电 路 与 数 字 电 路 之 间 的 隔离 5 结语 以上对电子电路的电气隔离问题作出了概括性的论述,在产品的研制实践中 ,还要对电 子电气设备的内部噪声及外部干扰进行全面的分析,结合“接地问题”,“屏蔽问题”,选 择合 理的隔离方式及其恰当的隔离部位,进行统一部署,才能设计出满足电磁兼容性要求的 合格 产品,造福于社会。

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