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什么是电气隔离,电气隔离有哪些方式

2019-10-11

电气隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来,从而达到隔离现场干扰的目的。

一、信号隔离

信号的隔离目的之一是把引进的干扰通道切断,使测控装置与现场仅保持信号联系,不直接发生电的联系。工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。

1.光电隔离

光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源,输出端配置受光器,因而输入和输出在电气上是完全隔离的。由于光电耦合器的输入阻抗(100Ω~1kΩ)与一般干扰源的阻抗(105~106Ω)相比较小,因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小,它所能提供的电流并不大,不易使半导体二极管发光。另外光电耦合器的隔离电阻很大(约1012Ω)、隔离电容很小(约几个pF),所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰,被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。

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1所示。开关量输入电路接入光电耦合器后,由于光电耦合器的隔离作用,使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合,而是以光为媒介进行耦合,具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

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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。

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,使用的数字量信号输入/输出的控制设备不要求传递直流分量,因而在工控系统中得到了广泛的应用。

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图2是脉冲变压器的应用实例。

电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰,然后输入脉冲变压器的一次侧。为了防止过高的对称信号击穿电路元件,脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限幅后进入测控系统内部。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。

3.继电器隔离

继电器的线圈和触点没有电气上的联系,因此,可利用继电器的线圈接受信号,利用触点发送和输出控制信号,从而避免强电和弱电信号之间的直接接触,实现了抗干扰隔离。

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图3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。

4.布线隔离

将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线,最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线,而且相互间要保持一定的距离。配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。配线间隔越大,配线越短,则噪声影响越小。但是,实际设备的内外空间是有限的,配线间隔不可能太大,只要能维持最低限度的间隔距离便可。

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附表列出了信号线和动力线之间应保持的最小间距。如果受环境条件的限制,信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时,就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。

二、供电系统的隔离

采用1∶1隔离变压器供电是传统的抗干扰措施,对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。

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图4是典型的隔离变压器原理图。

它抗干扰的原理是一次侧对高频干扰呈现很高的阻抗,而位于一次、二次绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了一、二次侧所产生的分布电容,因此一次绕组只有对屏蔽层的分布电容存在,高频干扰通过这个分布电容而被旁路入地。1∶1隔变效果的好坏,往往取决于屏蔽层的工艺。最好选用0.2mm厚的纯铜板材,一次侧、二次侧各加一个屏蔽层。通常,一次侧的屏蔽层通过一个电容器与二次侧的屏蔽层接到一起,再接到二次侧的地上。也可以一次侧的屏蔽层接一次侧的地线,二次侧的屏蔽层接二次侧的地线。并且接地引线的截面积也要大一些好。1∶1隔变还有效地隔离了接地环路的共模干扰。

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。

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图5a、5b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。

在图5a中,隔离变压器不加屏蔽层,C12是一次侧和二次侧之间的分布电容,在共模电压U1C的作用下,二次绕组所耦合的共模噪声电压为U2C,C2E是二次侧的对地电容,则从图可知二次侧的共模噪声电压U2C为: U2C=U1CC12/(C12+C2E)

在图5b中,隔离变压器加屏蔽层,其中C10、C20分别代表一次侧和二次侧对屏蔽层的分布电容,ZE是屏蔽层的对地阻抗,C2E是二次侧的对地电容,则从图可知二次侧的共模噪声电压U2C为: U2C=〔U1CZE/(ZE+1/jωC10)〕〔C2E/(C20+C2E)〕

由于C2是屏蔽层的对地阻抗,在低频范围内,ZE<<(1/jωC10),所以U2C→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。

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图6所示为交流电源抗干扰的综合方案。

为了将测控系统和供电电网电源隔离开,消除因公共电阻引起的耦合,减少负载波动的影响,同时也为了安全,常常在电源变压器和低通滤波器之前增加一个1∶1的隔离变压器。目前,国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器(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.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7a所示;第二种是使用直流电压隔离器(即DC/DC变换器),如图7b所示。

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采用了电气隔离的措施以后,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。