電子電氣設(shè)備的電路隔離技術(shù)

摘要：對電子電氣電路的各種隔離進(jìn)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(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 Electrical Equipments

HUANG Yao-feng, WANG Chuan-liang, ZHANG Chao-qun

Abstract:The many isolation technologies of the electronic and electrical circuit are put forward and analyzed,discussed in detail. So the normal operation of the electronic and electrical equipments are guaranted.

Keywords:Electron; Circuit; Electrical isolation; Interference; Electromagnatic compatibility

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(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(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)測量系統(tǒng)相對來說比較復(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，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)測量常規(guī)使用的元器件；對于微電壓、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

(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屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對地阻抗，C2E是二次繞側(cè)的對地電容，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是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，ZE《(1/jωC10)，所以u2C→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(shù)的進(jìn)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(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。