电子电气设备的电路隔离技术

摘要：对电子电气电路的各种隔离进行了详尽的分析讨论，提出了抑制干扰而采取的电气隔离的技术措施，从而保证电气设备的正常工作。

关键词：电子；电路；电气隔离；干扰；电磁兼容

 

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。

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u_1C的作用下，二次绕组所耦合的共模噪声电压为u_2C，C_2E是二次侧的对地电容，则从图可知二次侧的共模噪声电压u_2C为：

      u_2C=u_1CC₁₂/（C₁₂＋C_2E）

    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，Z_E是屏蔽层的对地阻抗，C_2E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u_2C为：

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

    由于C₂是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，Z_E《(1/jωC₁₀)，所以u_2C→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，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。

(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。

(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。

(a)外 部 输 入 与 内 部 电 路 的 隔 离

    

(b)控 制 输 出 与 外 部 电 路 的 隔 离

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

   

(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。

(a)一 点 接 地     (b)单 端 隔 离 的 数 模 转 换 电 路 

(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。