电子电气设备的电路隔离技术
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。
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