電子和電氣設備的電路隔離技術

摘要：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

1?? 引言

??? 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、數字電路的隔離、數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）。

??? 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。

??? 模擬電路與數字電路之間的隔離主要采用模/數轉換裝置；對于要求較高的電路，除采用模/數轉換裝置外，還應在模/數轉換裝置的兩端分別加入模擬隔離元器件和數字隔離元器件。

2?? 模擬電路的隔離

?? 一套控制裝置或者一臺電子電氣設備，通常包含供電系統，模擬信號測量系統，模擬信號控制系統。而供電系統又可分為交流供電系統和直流供電系統，交流供電系統主要采用變壓器隔離，直流供電系統主要采用直流電壓隔離器隔離。模擬信號測量系統相對來說比較復雜，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。模擬信號控制系統與模擬信號測量系統的隔離類似，一般采用變壓器、直流電壓隔離器。

2.1?? 供電系統的隔離

2.1.1?? 交流供電系統的隔離

??? 由于交流電網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、電流直接傳輸到二次側，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u_1C的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為u_2C，C_2E是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u_2C為：

????? u_2C=u_1CC₁₂/（C₁₂＋C_2E）

??? 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，Z_E是屏蔽層的對地阻抗，C_2E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u_2C為：

??? u_2C=〔u_1CZ_E/（Z_E＋1/jωC₁₀）〕〔C_2E/（C₂₀＋C_2E)〕

??? 由于C₂是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內，Z_E《(1/jωC₁₀)，所以u_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。

??? 隨著技術的進步，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?? 直流供電系統的隔離

??? 當控制裝置和電子電氣設備的內部子系統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）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 的 隔 離

2.2?? 模擬信號測量系統的隔離

??? 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。隔離對系統有如下好處：

??? ——防止模擬系統干擾，尤其是電力系統的接地干擾進入邏輯系統，導致邏輯系統的工作紊亂；

??? ——在精密測量系統中，防止數字系統的脈沖波動干擾進入模擬系統，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

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(b)線 性 隔 離 放 大 器

圖3? 模 擬 信 號 輸 入 隔 離 系 統

2.2.2?? 微電壓、微電流信號的隔離

??? 微電壓、微電流模擬信號的隔離系統相對來說比較復雜，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的優秀參數，使其大量地應用于精密測量系統中，線性隔離放大器的應用如圖3（b）所示。

2.3?? 模擬信號控制系統的隔離

??? 如前所述，模擬信號控制系統的隔離與模擬信號測量系統的隔離類似，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?? 數字電路的隔離

??? 與模擬系統類似，一套控制裝置，或者一臺電子電氣設備，通常所包含的數字系統有：數字信號輸入系統，數字信號輸出系統。數字量輸入系統主要采用脈沖變壓器隔離，光電耦合器隔離；而數字量輸出系統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部電路隔離開來，或者是把內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 部 電 路 的 隔 離

???

(b)控 制 輸 出 與 外 部 電 路 的 隔 離

圖4? 光 電 耦 合 器 電 路

??? 目前，大多數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，因而在微電子技術控制系統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1kHz～1MHz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

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(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

??? 繼電器是常用的數字輸出隔離元件，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?? 模擬電路與數字電路之間的隔離

??? 一般地說，模擬電路與數字電路之間的轉換通過模數轉換器（A/D）或數模轉換器（D/A）來實現。但是，若不采取一定的措施，數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。為了抑制數字電路對模擬電路帶來的高頻干擾，一般須將模擬地與數字地分開布線，參見圖7（a）。這種布線方式不能徹底排除來自數字電路的高頻干擾，要想排除來自數字電路的高頻干擾，必須把數字電路與模擬電路隔離開來，常用的隔離方法是在A/D轉換器與數字電路之間加入光電耦合器，把數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，同時在模數轉換器（A/D）與數字電路之間采用光電耦合器隔離，把模擬地與數字地隔開，這樣一來，既防止了數字系統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，這種系統的造價較高，一般只用于高精度的測量系統中。

??? 數模轉換（D/A）電路的隔離與模數轉換（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 模 轉 換 電 路?

(d) 單 端 隔 離 的 數 模 轉 換 電 路

(c)雙 端 隔 離 的 數 模 轉 換 電 路?

圖7?? 模 擬 電 路 與 數 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，在產品的研制實踐中,還要對電子電氣設備的內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的隔離部位，進行統一部署，才能設計出滿足電磁兼容性要求的合格產品，造福于社會。