電器隔離技術(shù)

1、電器隔離技術(shù)對(duì)電子電氣電路的各種隔離進(jìn)行了詳盡的分析討論，提岀了抑制干擾而采取的電氣隔離的技 術(shù)措施，從而保證電氣設(shè)備的正常工作。關(guān)鍵詞：電子；電路；電氣隔離；干擾；電磁兼容Technologies of Circuit Isolation in Electronic and ElectricalEquipmentsHUANG Yao-feng, WANG Chuan-liang, ZHANG Chao-qunAbstract：The many isolation technologies of the electronic and electrical circuit are put for

2、ward and analyzed, discussed in detail. So the normal operation of the electronic and electrical equipments are guarantedKeywords:Electron; Circuit; Electrical isolation; Interference; Electromagnatic compatibility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

3、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

4、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

5、。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), 一般釆用互感器（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

6、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(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如電容的情況。圖1 變壓器隔離9/17Me_ 飆直疽切欲q無(wú)屏蔽釉糾cediy. com有屏蔽在圖1 （a）中，隔離變壓器不加屏蔽層，

7、G：是一次繞組和二次繞 組之間的分布電容，在共模電壓血的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲 電壓為血，G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 lhe 為-iZzc UicCiz/（ G2 + Ge）在圖1 （b）中，隔離變壓器加屏蔽層，其中Go、Go分別代表一次 繞組和二次繞組對(duì)屏蔽層的分布電容，Z是屏蔽層的對(duì)地阻抗，d是二次 繞側(cè)的對(duì)地電容，則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓血為：6LZ +1 / 丿 3 Go）（ Go + Ge）由于C是屏蔽層的對(duì)地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，么(1/丿3編)，所 以血一0。由此可見(jiàn)，釆取屏蔽措施后，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

8、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，形狀與其線 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

9、器(即DC/DC變換器),如圖2 (b)所示。(a)交流側(cè)隔直流隔離圖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：一一防止模擬系統(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；一一在精密測(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)。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

10、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。認(rèn)於系統(tǒng)& wm妝曲級(jí)5叫切線性隔離放大器圖3 模擬信號(hào)輸入隔離系統(tǒng)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IS0106,其主要參數(shù)如下：交流耐壓 3 5kV/lmin, 60Hz；直流耐壓495kV；沖擊耐壓8kVPK/10s：非線性誤差0.

11、 007%；隔離噪聲抑制比交流130dB,直流160dBoIS0106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

12、。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)，如圖4 (a)、(b)所示。內(nèi)部電路的隔5瑜控制輸出隔離與外部電路的光電耦合器電目前，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，乂有高速高頻光電 耦合器件（頻率高達(dá)10MHz） o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脈沖變壓器隔離電器隔離技術(shù)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

13、電容特小，僅為兒個(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，新型的高頻脈沖變壓器 的傳遞頻率可達(dá)到lOMHzo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。J1IULOwmv.ceJUUL妙脈沖變壓22OVacpicTI）脈沖變17 / 17應(yīng)用于開(kāi)關(guān)電源中脈沖變壓器的應(yīng)用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

14、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) o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

15、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)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(kāi)，這樣一來(lái)，既防止了數(shù)字系統(tǒng)的高 頻干

16、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。(a) 點(diǎn)接地單端隔離的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路1咿辰 輸;I；性低込爭(zhēng)創(chuàng)胡I(d)單端隔離的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(c)雙端隔離的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖7 模擬電路與數(shù)字電路之間的隔離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)部噪聲與外部干擾進(jìn)行全面的分 析，結(jié)合“接地問(wèn)題”，“屏蔽問(wèn)題”，選擇合理

17、的隔離方式與其恰當(dāng)?shù)?隔離部位，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)一般工業(yè)控制系統(tǒng)既包括弱電控制部分，又包括強(qiáng)電控制部分。為了使兩 者之間既保持控制信號(hào)聯(lián)系，又要隔絕電氣方面的聯(lián)系，即實(shí)行弱電和強(qiáng) 電隔離，是保證系統(tǒng)工作穩(wěn)定，設(shè)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(kāi)來(lái)，從而達(dá) 到隔離現(xiàn)場(chǎng)干擾的目的。一、信號(hào)隔離信號(hào)的隔離目的之一是把引進(jìn)的干擾通道切斷，使測(cè)控裝置與現(xiàn)場(chǎng)僅保持 信號(hào)聯(lián)系，不直接發(fā)生電的聯(lián)系。工控裝置與現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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

18、由光電耦合器件來(lái)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（100QlkQ）與一般干擾源的阻抗（105106Q）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，它所能提供的電流并不 大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光。另外光電耦合器的隔離電阻很大（約1012 Q）、隔離電容很?。s兒個(gè)pF）,所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾, 被控設(shè)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(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)，如圖1所示。開(kāi)關(guān)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

19、輸入開(kāi)關(guān)量中的各種干擾脈沖都被擋在 輸入回路的一側(cè)。由于光電耦合器不是將輸入側(cè)和輸出側(cè)的電信號(hào)進(jìn)行直 接耦合，而是以光為媒介進(jìn)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(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）o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(cè)，這種工藝使得它的分布電容特小，僅為兒個(gè)pF,所以可作為脈沖信 號(hào)的隔離元

20、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,PLC使用的數(shù)字量信號(hào)輸入/輸出的控制設(shè)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(yīng)用。圖2是脈沖變壓器的應(yīng)用實(shí)例。電路的外部信號(hào)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(cè)。為了防止過(guò)高的對(duì)稱信號(hào)擊穿電路元件，脈沖變壓器的 二次側(cè)輸出電壓被穩(wěn)壓管限幅后進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)內(nèi)部。一般地說(shuō)，脈沖變壓 器的信號(hào)傳遞頻率在1kHz1MHz之間，新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻 率可達(dá)到lOMHzo3. 繼電器隔離繼電器的線圈和觸點(diǎn)沒(méi)有電氣上的聯(lián)系，因此，可利用繼電器的線圈接受 信號(hào)，利用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出控制信號(hào)，從而避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直 接接觸，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。圖3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. 布線隔離將微弱信號(hào)電路與易產(chǎn)生噪聲污染的電路分開(kāi)布線，最基本的要求是信號(hào) 線路必須和強(qiáng)電控制線路、電源線路分開(kāi)走線，而且相互間要保持一定的 距離。配線時(shí)應(yīng)區(qū)別分開(kāi)交流線、直流穩(wěn)壓電源線、數(shù)字信號(hào)線、模擬信 號(hào)線、感性負(fù)載驅(qū)動(dòng)線等。配線間隔越大，配線越短，則噪聲影響越小。但是，實(shí)際設(shè)備的內(nèi)外空間是有限的，配線間隔不可能太大，只要能維持 最低限度的間隔距離便可。附表列出了信號(hào)線和動(dòng)力線之間應(yīng)保持的最小間距。