电子设备中的隔离技术
隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一，其主要目的是通过隔离元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。一般电子设备的电路可分为两部分，即强电部分与弱电部分。前者一般是电磁干扰源，后者为被干扰对象。为了使设备正常工作，除了解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外，还要解决控制部分的抗电磁干扰的问题，特别是当变换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其重要。电子设备中常采用的隔离技术可分为磁电隔离、光电隔离、机电隔离、浮地隔离等几种，下面对这几种加以介绍。不管那种隔离方式，在电磁兼容性方面的实质是人为地造成电的隔离，以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。
一、电磁隔离
电磁隔离主要采用变压器来实现,通过变压器传递电信号，阻止了电路性耦合产生的电磁干扰。对于交流的场合使用较为方便，主要应用于电源电路中。须注意若设备使用开关电源，由于开关变压器绕组间分布电容较大，所以使用时应当与屏蔽和接地相配合。
变压器主要由绕在铁心上的两个或多个绕组组成。当在主绕组上加上交变电压时，由于电磁感应而在其它绕组上感生出交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的，它们在电路上是互相隔离的。由于实际变压器铁心存在涡流损耗和磁滞损耗，这些损耗不仅导致变压器的效率降低，而且引起铁心发热、甚至可能导致绝缘损坏。而铁心的涡流损耗和磁滞损耗都与电压和频率有关，所以对不同的电压和频率，应当选择不同的铁心材料。变压器的漏磁易对变压器附近的元器件和导线形成干扰，为此，在选用变压器作隔离时，应当选择漏磁小的变压器，否则，应对变压器加强磁场屏蔽。由于电源变压器原、副边间存在寄生电容，进入电源变压器初级的高频干扰能通过寄生电容耦合到的次级。而在电源变压器初、次级间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容，当将屏蔽接地后，可以将高频干扰接地，而起到抗电磁干扰的作用。绕组之间以及对地的绝缘强度取决于需要隔离的耐压水平。该耐压水平包括工作电压、电压波动、可能的瞬态过电压以及为可靠工作而留有的余量。工作频率不仅对变压器的铁心损耗产生影响，而且变压器的阻抗与频率密切相关。由于普通变压器绕组间的寄生电容较大（未加屏蔽层为nF级，加屏蔽为pF级），为了提高对高频干扰的隔离效果，可以在普通变压器绕组间增加一层屏蔽，并将该层屏蔽接地（接地线的长度应尽量短，否则因接地线的阻抗分压而使对扰的衰减变差）而成为隔离变压器。如果在上述基础上，再对变压器的每个绕组都分别增加一层屏蔽，并将各绕组的屏蔽分别接到各绕组的低电位上，其隔离效果会更好。
二、光电隔离
光电隔离采用光电耦合器来实现通过半导体发光二极管（LED）的光发射和光敏半导体（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等）的光接收，来实现信号传递的。由于发光二极管和光敏半导体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离。如光电耦合器可应用于开关电源的反馈稳压电路中，通过光电耦合器和变压器的隔离作用可使电子设备的主电路与市电电网实现电气隔离，使主电路板为“冷底板”，从而实现了安全隔离。
光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在其输入端的干扰电压较小，而且一般干扰源的内阻较大，它所能提供的电流并不大。光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响，其隔离电阻很大（约1012Ω），隔离电容很小（约数pF）能较好的阻止电路性耦合产生的电磁干扰。只是光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。
三、 机电隔离
机电隔离主要采用继电器来实现其线圈接收信号，机械触点发送信号。机械触点分断时，由于阻抗很大、电容很小，从而阻止了电路性耦合产生的电磁干扰。继电器一般用在弱电控制强电的电路中，如电视机中的遥控开关机电路。通过继电器也可以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。采用继电器的缺点是线圈工作频率低，不适合于工作频率较高的场合使用。由于在机械触点分断信号电流的过程中，由于电路电感的存在，将会在触点间感生过电压，这个过电压可能会导致触点间隙击穿而产生电弧；当触点间隙加大时，电弧熄灭，触点间电压又升高，电弧又重燃；如此重复，直到触点间距足够大，电流中断时为止。上述过程中，产生的电弧和峰值大、频率高的电压脉冲串将通过辐射和传导对其它电路和器件形成强烈的干扰。
四、 浮地隔离
浮地是指该电路的地与大地无电气连接（绝缘电阻在50兆欧以上）。采用浮地的目的是将电路或设备与公共接地系统，或与可能引起环流的公共导线隔离开来。浮地还可使不同电位间的电路配合变得容易。实现电路或设备浮地的方法有变压器隔离和光电隔离。如在开关电源部分可将这两种方法相结合实现浮地隔离，从而使设备的主电路的地与市电实现隔离。
采用浮地隔离的优点是该电路不受大地电性能的影响；其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使电路的地电位变动，且增加了对模拟电路的干扰。
1、浮地技术的应用
交流电源地与直流电源地分开。一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外，交流电源的零线上往往存在很多干扰，如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此，采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。
2、放大器的浮地技术
对于放大器而言，特别是微小输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此，采用放大器的浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。
3、浮地技术的注意事项
（1）尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。
（2）注意浮地系统对地存在的寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中，这时可在浮地系统与公共地之间加若干高耐压的小电容和数兆欧姆的泄放电阻，这样高频干扰可通过公共地泄放，从而改善整机特性。
（3）浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。
（4）采用浮地技术时，应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。
五、其它常见的电路隔离：
1、 模拟电路内的隔离
对于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，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、 数字电路内的隔离
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、 模拟电路与数字电路之间的隔离
一般来说，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，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，但这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题，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。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。
|
楼主
标题置顶
标题高亮
