關于電子電氣電路的隔離技術分析

鄧秋倫

摘要：電子電氣電路的隔離技術對電氣設備的性能影響十分重要，在電路設計中要求綜合的分析電路中的噪聲、干擾信號的來源，并結合具體的情況設計合適的隔離技術與方法，通過對模擬電路、數字電路以及二者之間結合電氣電路的隔離技術進行分析，探究了常用的電子電氣電路中隔離技術，為相關的工作人員提供借鑒與指導。

關鍵詞：電子電路；電氣設備；隔離技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）08-0229-02

在電子電氣設備中，為了有效地對電路中的干擾與噪聲進行隔離，提高電路工作的穩定性，通常采用電路隔離的方法來切點電路中噪聲與干擾產生的路徑，使得電氣電路能夠達到抑制噪聲的目的，使得電路在工作的過程中能夠滿足電磁兼容性的要求，在對電子電氣電路進行隔離時有很多方法，例如模擬/數字電路隔離方法、直流電壓隔離法、光纖隔離法等，在具體的隔離過程中，可以依據電氣電路的工作情況，采取合適的方法進行隔離，達到降低噪聲與干擾的目的。

1模擬電路隔離技術分析

在電子電氣設備中一般都包括一套控制裝置、供電系統、模擬信號產生與測量系統等部分，而根據電氣設備的應用范圍不同，供電系統可以分為交流供電系統與直流供電系統兩個部分，相對應地直流電壓供電系統一般采用直流電進行隔離，交流電壓供電系統采用交流電壓進行隔離。由于模擬電路的組成結構與信號測量的結構比較復雜，在對噪聲與干擾進行處理時，不僅要考慮信號的精度，同時還要考慮頻帶的寬度等因素，而對于高電壓器、大電流信號等設備噪聲與干擾的隔離，主要采用電壓互感器（電流互感器）等設備進行隔離，以提高電路的穩定性，而對于微電壓、微電流信號中出現干擾與噪聲主要采用線性隔離放大器來實現噪聲的隔離，而對模擬信號控制電路一般采用的是變壓器或者自流電壓隔離器的方式進行隔離。

1.1供電系統的隔離技術分析

1.1.1 交流供電系統隔離技術

一般情況下，交流電中往往會存在大量諧波、高頻干擾信息、環境干擾等情況，對于這種高頻諧波的現象的交流供電裝置，主要采用抑制干擾的方法對噪聲進行隔離，例如可以采用電壓隔離變壓器對供電設備中的竄入電路進行隔離，達到降低電路中存在的電磁干擾問題，但有時普通的變壓器的一次繞組與二次繞組之間是絕緣的，能夠有效地阻止變壓器一次側的噪聲、電流傳輸到二次側，具有一定的隔離作用，但是由于在變壓器中存在分布電容，這樣交流電中的噪聲會通過電容將噪聲、干擾傳遞到二次側，對后續的供電系統造成干擾，為了有效地抑制這種現象的出現，就必須在變壓器的繞組間添加屏蔽層，從而達到抑制噪聲與干擾的目的，同時也能夠提高電路設備的兼容性。隨著電子技術的發展，目前已經成功研制的隔離變壓器可以專門的抑制噪聲，它是繞組與變壓器的整體都采用屏蔽層的多層屏蔽變壓器，并對變壓器的鐵芯、線圈位置的設置等都做了特殊的處理，以切斷高頻噪聲的傳輸途徑，降低電子線路中的差模噪聲通過電容感應而傳輸到變壓器的二次側，起到良好的隔離作用，是一種比較理想的交流供電系統的隔離技術。

1.1.2 直流供電系統的隔離

直流供電系統的隔離一般采用的技術先對穩定，在系統的控制裝置與電子電路的設備需要隔離時，可以采用在交流側采用隔離變壓器就能夠有效地進行隔離，還可以在電氣設備中采用DC/DC變換器自流壓隔離器就能夠達到隔離的效果，起到對電流中的噪聲與干擾進行隔離的作用。

1.2 模擬電路信號測量系統的隔離技術分析

在模擬測量信號系統中往往具有一定的自流分量與共模噪聲，這會模擬測量系統的信號產生干擾，通過對信號干擾的處理，可以有效地對電路中的邏輯系統進行有效的隔離，導致電路的邏輯系統出現紊亂，特別是在精密測量系統中，就需要防止數字系統的脈沖干擾傳輸到模擬電路中，特別是前置放大部分，就需要對其進行合理隔離。

1）高電壓、大電流信號的技術。在模擬電路信號測量系統中出現干擾與噪聲信號，主要采用的是互感隔離器技術，在抑制電路噪聲與干擾的原理上與隔離變壓器的工作原理相似，在這里就不再重復。

2）微電壓、微電流信號的隔離技術分析。微電壓、微電流模擬信號產生過程比較復雜，在采用隔離技術時，不僅需要考慮電路的精度，同時還要考慮頻帶寬度與價格成本的問題，一般地，對于較小量的共模噪聲，基本上可以采用差動放大器與儀表放大器就可以有效地解決問題，而對于共模噪聲，要求處理的精度比較高，需要采用高精度的線性隔離放大器對其進行隔離，要求隔離放大器的參數沖擊耐壓8kVPK/lOs，非線性誤差在0.007%左右。

1.3 模擬信號控制系統的隔離技術

信號控制系統的隔離采用的措施與模擬測量系統的噪聲與干擾隔離的技術相類似，對于交流信號主要采用的是變壓器隔離技術，而直流信號主要采用的是自流變壓器或者非線性隔離器技術對噪聲與干擾進行隔離。

2 數字電路的隔離技術

電子電氣設備的數字技術主要包括信號輸入輸出系統、信號處理系統等，在不同的數據電路系統中，需要采用不同的隔離技術來處理噪聲、干擾等問題，才能有效地提高電路的通信質量。

2.1 光電耦合器隔離技術

在數字電路的輸入系統對噪聲與干擾的抑制主要采用的光電耦合器隔離方法，并可以運用光電耦合器隔離的方法將數字電路的內部輸出信號與外部電路隔離開，防止內外部電路之間的相互干擾，具體的隔離技術原理如圖1、圖2所示。

在圖1、圖2的隔離電路中，隔離的信號回路可以分別采用獨立的電源而且采用不同的接地方式，可以將產生干擾與噪聲電流消除，這樣即使在遠距離的信號傳輸，也可以有效的消除電路中的噪聲與干擾電流，提高整個電路的穩定性。

目前，對于大多數光電耦合器件的隔離電壓都控制在2.5kv以上，但是根據具體的工作情況來說，有的隔離元件控制電壓達到了8kv以上，這樣就存在高壓大電流的光電耦合器，同時還存在高速高頻光電耦合器件，可以快速地處理噪聲與電磁波的干擾問題，例如常用的隔離器件4N25，工作的隔離電源在5.3kv，但它的工作頻率在10MHz以上。因此，采用光電耦合隔離技術的性價比較好，但在使用應該注意隔離速度的問題。

2.2 脈沖變壓器隔離技術

采用脈沖變壓器隔離技術是運用分布較小的電容對來對電路中的噪聲進行隔離，而且脈沖電容容量也比較小，一般僅為幾個皮法拉，而且這種脈沖變壓器的匝數較少，將鐵氧磁芯導體兩側進行一次繞組與二次繞組，結合隔離電容而形成了脈沖信號隔離元件。采用這種技術可以將脈沖變壓器技術的傳遞輸入與輸出脈沖信號進行處理，而不需要直接傳遞自流分量，提高了電路中的穩定性，在微電子技術中得到了廣泛的應用。一般地，采用脈沖變壓器隔離技術的信號傳遞頻率控制在1kHz-lMkz之間，就可以達到對噪聲與干擾信號的隔離，而目前的新型的高頻脈沖變壓器也得到了廣泛的應用，傳遞頻率可達到10MHz以上，具有良好的隔離效果。如圖3所示的脈沖式隔離變壓器結構，主要采用的是大功率的晶閘管（SCR）與大功率晶體管（CTR）等可控器件對電子電氣中的干擾與噪聲進行隔離控制，而且它的傳遞頻率也達到了10MHZ以上，在電子電路中得到了廣泛的應用。

圖3 脈沖變壓器隔離技術

繼電器是常用的數字輸出隔離元件，具有良好的隔離特征，在數字電路傳輸的過程中，為了提高隔離效果，往往采用繼電器技術與脈沖變壓器結合在一起，將電路中的低壓電流與高壓電流隔離開，使得在高壓側的干擾、噪聲不能傳輸到低壓側，這樣對電子線路的干擾也能夠起到良好的控制作用。因此，在數字電路中采用繼電器技術作為隔離元件與其他的隔離技術結合在一起，簡單實用，隔離效果也比較好，而且價格低廉，應用根據廣泛。

3 模擬電路與數字電路之間的隔離技術

在電子電路技術中，往往存在數字電路與模擬電路之間混合使用的情況，而在數字電路與模擬電路之間的信號轉換時，主要采用模數轉換器（A/D）或數模轉換器（D/A）來實現二者之間的轉換，在轉換的過程中，需要采用一定的隔離技術進行處理，以防止二者在轉換的過程中容易出現干擾的情況，同時也容易影響測量電路的精度，在抑制電路干擾與降低電路噪聲時可以采用地線的方式將干擾信號進行接地處理，雖然這種方式不能有效的消除電路中的高頻干擾，但能夠起到降低噪聲的作用，為了有效地將模擬信號與數字信號隔離就需在模數（A/D）轉換器中添加光電耦合器，這樣能夠在一定的程度上將模擬信號與數字信號隔離開，但是在實際的應用中，還不能從根本上解決模擬電路中的干擾問題，對電路轉換中出現的共模干擾和差模干擾地抑制還不是十分理想，特別是在高精度的測量的場合，這種方式還不能滿足要求，這就需要將模擬信號與數字信號的處理部分與接收部分進行隔離處理，這樣就可以有效的方式數字信號中的高頻干擾進入模擬電路中，同時也能夠有效地阻止前置電路部分的共模干擾和差模干擾，提高了信號的處理效率，這就隔離技術一般應用在高精度的信號策略系統中。在數字信號與模擬信號的處理過程中，為了更好地保證信號穩定，還需要全面的分析其中內部設備的噪聲與外部干擾情況，進而要能夠有效地解決電路中的接地與信號屏蔽的問題，這樣就能夠有效的處理好電磁兼容性要求的合格產品，達到對模擬電路與數字電路自己信號隔離的效果。

4 結束語

當前，隨著人們對電子電氣設備性能的要求越來越高，隔離技術在電子電氣電路中得到了廣泛的應用，從而也能夠使得電子電氣設備更加具有安全性，在一定程度上也能夠有效地降低電氣設備的能耗，提高電路中隔離效果，降低電氣設備的噪聲與干擾信號，在實際應用的過程中，需要對電氣設備的內部噪聲與外部干擾進行全面的分析與處理，并選擇合適有效的方式選擇隔離部位，設計出滿足電磁兼容性要求的合格產品，提高電氣設備的節能效果與利用效率。

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【通聯編輯：唐一東】