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充電學(xué)習(xí):電路的隔離方法以及分類

發(fā)布時(shí)間:2015-10-16 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】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。
 
一.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。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),一般采用互感器(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。
 
1.供電系統(tǒng)的隔離
 
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(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。
 
隨著技術(shù)的進(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。
 
二.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器(即DC/DC變換器)。
 
1.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:
 
——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;
 
——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.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,其抑制噪聲的原理與隔離變壓器類似,這里不再贅述?;ジ衅鞲綦x的應(yīng)用。
 
3.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ISO106,其主要參數(shù)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(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。
 
4.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。
 
三.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。
 
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)部電路隔離開來(lái),或者是把內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開來(lái)。
 
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)。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,僅為幾個(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1kHz~1MHz之間,新型的高頻脈沖變壓器的傳遞頻率可達(dá)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(yīng)用實(shí)例。
 
3.繼電器隔離
 
繼電器是常用的數(shù)字輸出隔離元件,用繼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來(lái),使高壓交流側(cè)的干擾無(wú)法進(jìn)入低壓直流側(cè)。
 
四.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)字地分開布線,參見(jiàn)圖7(a)。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來(lái),常用的隔離方法是在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,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,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,這樣一來(lái),既防止了數(shù)字系統(tǒng)的高頻干擾進(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,是數(shù)模轉(zhuǎn)換(D/A)電路的隔離方法之一。
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