電子電氣電路的隔離技術

錢 旭

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

隨著當代科學技術的不斷發(fā)展與進步，我國在電氣電路方面也取得了一定的成就。電子電路的隔離技術是通過電子設備和電氣設備而集成在一起的開關隔離技術，它可以更好連接電氣設備和電子設備，讓其設備充分發(fā)揮性能的同時提高電氣電路的隔離性能。

電氣電路的有效隔離，可以切斷和抑制噪聲的傳播。本文就一些常見的隔離技術進行了分析與探究，希望能對讀者與電子電器設備行業(yè)產生積極影響。

1 電子電氣電路隔離技術的概述以及其作用

電子電氣電路是指通過使用光電耦合、繼電器以及光纖方式等實現有效隔離的一種電路，工作人員可以通過輸入數字量來實現耦合器的有效隔離。電氣電路隔離技術的主要價值體現在，它可以對電路在使用過程中對產生的噪聲在短時間內進行有效切斷和抑制，從而提高設備的運行效率并降低噪聲。

模擬電路的隔離技術相對于傳統的技術來說高效很多。通過模擬電路的測量，可以對整個電路進行系統分析，并對其進行拆分管理，進而提高隔離的效果。當內部性能和實際情況存在矛盾時，就需要通過選擇合理的方式來隔離。然而，從傳統的發(fā)展過程來看，一般生產的隔離元件精密度都較低，難以滿足用戶的需求。因此，廣大電力企業(yè)一定要通過綜合運用直流電壓隔離技術、線性隔離技術和其他類型的隔離技術來全面進行處理。

生活中所運用到的所有電氣設備都會或多或少的產生噪聲，隔離技術的作用就是在電路運行時用最短的時間控制噪聲，然后通過相應的技術使之在整個運行過程中不斷地控制噪聲。這不僅能發(fā)揮電氣設備的性能，而且該技術能充分反映開關隔離技術的性能[1]。

2 電子電氣電路隔離技術的分類

2.1 脈沖變壓器的隔離

脈沖信號的隔離元件比較特殊，其中一次繞組和二次繞組都包裹在鐵氧體磁芯周圍，具有較低的電容。脈沖變壓器隔離技術在電子電路和電氣線路的隔離中發(fā)揮著很大的作用，其隔離效果非常明顯。然而，由于使用過程的復雜性，因此在實際應用中必須要將一次繞組和二次繞組的匝數均勻地分布在鐵氧體磁芯的兩側。另外，當電路的電容量較大時，這種隔離技術的效果不明顯。將內部信息輸入進脈沖變壓器時，通常也無法獲得最佳的直流分量隔離效果。而且在電子電器電路中應用脈沖變壓器隔離技術還要對傳播頻率進行控制。隨著科技的不斷發(fā)展，現在傳播頻率可以提升到10 MHz以內，從而更好地發(fā)揮相互隔離的作用。

2.2 光電耦合器隔離技術

光電耦合器在電子電氣電路中的作用較明顯，在隔離技術中的應用也最為典型。采用光電耦合器隔離技術可以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和圖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和不同的接地方式，消除產生的干擾與噪聲電流，提高整個電路的穩(wěn)定性。目前，我國的光電耦合器隔離技術已處于世界先進水平，廣泛應用于2.5～8 kV線路，并取得了很好的應用效果[2]。

圖1 外部輸出電路與內部電路隔離技術

圖2 內部輸出與外部電路隔離技術

2.3 繼電器隔離技術

在電子電路隔離技術中，繼電器隔離技術的應用范圍非常廣。在實際應用過程中，相關技術人員需要全面檢查并分析與數字輸出有關的所有元件。在掌握這些元件的實際情況后，將用于隔離的元件安裝在合理的位置。繼電器隔離技術能隔離開關操作中的高低壓電流，使電子電路和電氣電路的工作穩(wěn)定性得到顯著提高。

2.4 高低壓信號隔離技術

在采用高壓信號隔離技術時，高頻電流信號可以通過互感器的作用來進行隔離，但在實際應用過程中要注意，如果互感器的型號不同，那么即使隔離方式比較相似，但最終的隔離效果相差也會很大。因此，在使用互感器之前，首先要檢測高壓信號的頻率，然后根據檢測結果選擇合適的互感器，最終達到良好的隔離效果。在設計電子電路時應充分考慮高壓信號的隔離，并做好準備，同時變壓器的應用方式應根據實際隔離要求制定[3]。

對低壓信號進行隔離主要應用的是測量系統隔離技術，它也是電子電路的重要組成部分。在應用測量系統隔離低壓信號時，必須有機結合高壓信號才能達到最佳的隔離效果。同時，在實際應用過程中必須充分考慮寬帶、頻率以及精度，以避免對隔離效果產生影響，從而進一步提高低壓信號隔離的效率。

2.5 供電系統的隔離

在電子電器電路隔離中，供電系統的有效隔離也是電子電路隔離的重要組成部分。在供電系統的隔離中，必須找到合適的隔離方式才可以有效控制整個供電系統的各項噪音。隨著整個供電系統在供電量復雜性上的不斷提升，傳統的方式很難滿足隔離需求。因此，技術人員應該全面分析供電系統的信號隔離，制定相應的解決方案，從而有效避免系統運行中的噪聲干擾。

2.5.1 交流電隔離技術

交流電網運行時會產生大量噪聲干擾，主要以諧波、雷電以及高頻干擾等為主，如果不對其進行隔離，將嚴重影響交流電網的穩(wěn)定運行，甚至產生更嚴重的后果，因此必須采取有效的隔離措施。在傳統的交流電隔離技術中，由于分布電容的存在，一次繞組和二次繞組中的噪聲被重新連接起來，從而降低實際的隔離效果。所以，必須在傳統隔離的基礎上進行創(chuàng)新和改進，在一次繞組和二次繞組之間設置屏蔽層，避免發(fā)生噪聲耦合，從而提高整體的隔離效果[4]。

2.5.2 直流電隔離技術

在實際的隔離過程中，必須找到一種合適的隔離方式，使噪聲易于被降解和控制。傳統模式的操作已經難達要滿足相應的工作要求，為此技術人員必須全面分析整個系統，在分析結果的基礎上進行設計。另外，在設計隔離層時，必須有效地抑制噪聲，才能有效提升電磁設備的兼容性。

直流電隔離技術中，技術人員需要通過有效運用直流供電系統內部的隔離技術來全面提升運行的成效，從而更好地達到預期的運行效果，提升隔離的效果。在控制相關電子電器設備裝置的過程中，尤其需要全面做好隔離的工作，并通過設置交流隔離的設施來在之后科學開展隔離工作，以便能夠更好地提升隔離技術的應用質量。同時還需要通過科學設計電壓隔離器來增強工作的成效[5]。

2.6 模擬電路隔離技術

在電子和電氣的運行中，通常包括一系列控制裝置、電源以及模擬信號的產生和測量系統。根據不同的電子電器設備來使用不同的頻率，另外根據電氣設備的應用范圍不同，供電系統可分為交流供電系統和直流供電系統兩部分。

由于模擬電路的組成結構和信號測量結構復雜，因此在對噪聲與干擾進行處理時，不僅要考慮信號的精度，而且還要考慮頻帶的寬度等因素。對高壓電器和大電流信號等的噪聲與干擾隔離，主要采用電壓互感器（電流互感器）等設備來進行，而對于微電壓和微電流信號中出現的干擾與噪聲主要采用線性隔離放大器來實現隔離。此外，模擬信號控制電路一般采用的時變壓器或者自流電壓隔離器進行隔離。

2.7 模擬信號測量系統的隔離

在具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴重的場合中，測量模擬信號時必須采取措施將輸入與輸出完全隔離，消除噪聲耦合。這樣對系統有兩點好處，一是可以防止邏輯系統工作紊亂和，二是防止有用信號的淹沒[6]。

3 數字電路與模擬電路的隔離

對于數模電路之間的隔離，主要采用數模轉換器，但是對于要求較高的電路，除了采用轉換器外，在其兩端還需要增加模擬裝置和數字裝置的隔離元件[7]。

在A/D轉換器和數字開關之間增加光電耦合器，以避免數字電路產生的高頻率振蕩對數據產生的影響，但還不能從根本上解決模擬電路中的干擾問題。這是由于共模干擾和差模干擾沒有得到有效的抑制，不能滿足高精密測量場合的要求，仍存在缺陷。

在有嚴重干擾的測量場合需要將信號接收部分與模擬處理部分進行隔離。在前置處理級與模數轉換器（A/D）之間加入線性隔離放大器，將信號地與模擬地隔離開來，同時采用光電耦合器將模數轉換器（A/D）與數字電路隔離，從而隔離了模擬地與數字地。這樣既阻止了數字系統的高頻干擾進入模擬部分，還阻斷了前置電路部分產生的共模干擾和差模干擾[8]。當然，這種造價極高的系統通常只適用于高精度的測量系統。

4 電子電氣電路技術存在的意義

任何形式的電子電氣設備內部隔離技術的首要任務都是對噪音進行切斷和抑制。目前，電子電路隔離技術已經得到了廣泛應用，這些隔離技術的存在使得電子電氣設備更加安全、高效，同時也減少了一定的損耗。雖然如此，在產品開發(fā)過程中仍需要重視電子電器設備對外部產生噪聲和干擾的問題，并找出最合適的方式對產品進行降噪處理。只有靈活運用電子電路隔離技術，才能在一定程度上滿足電子設備的使用及電氣設備的噪聲抑制功能，電子電器設備才可以充分發(fā)揮其功能，提高工作效率[9]。

電子電氣電路的隔離方式主要包括脈沖變壓器、光電耦合器以及繼電器等。利用這種先進的電子電路隔離技術，提升了電子電器設備的工作性能，提高了電氣電子設備的工作效率，這與我國相關行業(yè)的整體發(fā)展密不可分[10-12]。

5 結 論

電子電路隔離技術是通過光電耦合器、繼電器和交流電、直流電隔離實現有效隔離的技術。其應用的主要價值是它們能在最短的時間內有效切斷電路使用過程中的噪聲，從而使電子電路的運行更加穩(wěn)定。為了使電子電氣電路的運行更加穩(wěn)定，通常需要在其不同環(huán)節(jié)施加隔離技術，而不同環(huán)節(jié)的隔離技術有著很大差別。在整個電路的運行過程中，主要應用的幾種隔離技術為光電耦合器、繼電器、脈沖變壓器、高低壓信號、交流電以及直流電等。相關技術人員要充分重視各種隔離技術的應用細節(jié)，才能為最終的隔離提供保障。