電子電氣電路的隔離技術(shù)

錢 旭

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 引 言

隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與進(jìn)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(shù)是通過電子設(shè)備和電氣設(shè)備而集成在一起的開關(guān)隔離技術(shù)，它可以更好連接電氣設(shè)備和電子設(shè)備，讓其設(shè)備充分發(fā)揮性能的同時(shí)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(shù)進(jìn)行了分析與探究，希望能對(duì)讀者與電子電器設(shè)備行業(yè)產(chǎn)生積極影響。

1 電子電氣電路隔離技術(shù)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(shí)現(xiàn)有效隔離的一種電路，工作人員可以通過輸入數(shù)字量來實(shí)現(xiàn)耦合器的有效隔離。電氣電路隔離技術(shù)的主要價(jià)值體現(xiàn)在，它可以對(duì)電路在使用過程中對(duì)產(chǎn)生的噪聲在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行有效切斷和抑制，從而提高設(shè)備的運(yùn)行效率并降低噪聲。

模擬電路的隔離技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的技術(shù)來說高效很多。通過模擬電路的測(cè)量，可以對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行系統(tǒng)分析，并對(duì)其進(jìn)行拆分管理，進(jìn)而提高隔離的效果。當(dāng)內(nèi)部性能和實(shí)際情況存在矛盾時(shí)，就需要通過選擇合理的方式來隔離。然而，從傳統(tǒng)的發(fā)展過程來看，一般生產(chǎn)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(yùn)用直流電壓隔離技術(shù)、線性隔離技術(shù)和其他類型的隔離技術(shù)來全面進(jìn)行處理。

生活中所運(yùn)用到的所有電氣設(shè)備都會(huì)或多或少的產(chǎn)生噪聲，隔離技術(shù)的作用就是在電路運(yùn)行時(shí)用最短的時(shí)間控制噪聲，然后通過相應(yīng)的技術(shù)使之在整個(gè)運(yùn)行過程中不斷地控制噪聲。這不僅能發(fā)揮電氣設(shè)備的性能，而且該技術(shù)能充分反映開關(guān)隔離技術(shù)的性能[1]。

2 電子電氣電路隔離技術(shù)的分類

2.1 脈沖變壓器的隔離

脈沖信號(hào)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(shù)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(fù)雜性，因此在實(shí)際應(yīng)用中必須要將一次繞組和二次繞組的匝數(shù)均勻地分布在鐵氧體磁芯的兩側(cè)。另外，當(dāng)電路的電容量較大時(shí)，這種隔離技術(shù)的效果不明顯。將內(nèi)部信息輸入進(jìn)脈沖變壓器時(shí)，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(yīng)用脈沖變壓器隔離技術(shù)還要對(duì)傳播頻率進(jìn)行控制。隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)在傳播頻率可以提升到10 MHz以內(nèi)，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(shù)

光電耦合器在電子電氣電路中的作用較明顯，在隔離技術(shù)中的應(yīng)用也最為典型。采用光電耦合器隔離技術(shù)可以將數(shù)字電路的內(nèi)部輸出信號(hào)與外部電路隔離開，防止內(nèi)外部電路之間的相互干擾，具體的隔離技術(shù)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(hào)回路可以分別采用獨(dú)立的電源和不同的接地方式，消除產(chǎn)生的干擾與噪聲電流，提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性。目前，我國的光電耦合器隔離技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平，廣泛應(yīng)用于2.5～8 kV線路，并取得了很好的應(yīng)用效果[2]。

圖1 外部輸出電路與內(nèi)部電路隔離技術(shù)

圖2 內(nèi)部輸出與外部電路隔離技術(shù)

2.3 繼電器隔離技術(shù)

在電子電路隔離技術(shù)中，繼電器隔離技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣。在實(shí)際應(yīng)用過程中，相關(guān)技術(shù)人員需要全面檢查并分析與數(shù)字輸出有關(guān)的所有元件。在掌握這些元件的實(shí)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(shù)能隔離開關(guān)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(hào)隔離技術(shù)

在采用高壓信號(hào)隔離技術(shù)時(shí)，高頻電流信號(hào)可以通過互感器的作用來進(jìn)行隔離，但在實(shí)際應(yīng)用過程中要注意，如果互感器的型號(hào)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(huì)很大。因此，在使用互感器之前，首先要檢測(cè)高壓信號(hào)的頻率，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果選擇合適的互感器，最終達(dá)到良好的隔離效果。在設(shè)計(jì)電子電路時(shí)應(yīng)充分考慮高壓信號(hào)的隔離，并做好準(zhǔn)備，同時(shí)變壓器的應(yīng)用方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際隔離要求制定[3]。

對(duì)低壓信號(hào)進(jìn)行隔離主要應(yīng)用的是測(cè)量系統(tǒng)隔離技術(shù)，它也是電子電路的重要組成部分。在應(yīng)用測(cè)量系統(tǒng)隔離低壓信號(hào)時(shí)，必須有機(jī)結(jié)合高壓信號(hào)才能達(dá)到最佳的隔離效果。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過程中必須充分考慮寬帶、頻率以及精度，以避免對(duì)隔離效果產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步提高低壓信號(hào)隔離的效率。

2.5 供電系統(tǒng)的隔離

在電子電器電路隔離中，供電系統(tǒng)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(tǒng)的隔離中，必須找到合適的隔離方式才可以有效控制整個(gè)供電系統(tǒng)的各項(xiàng)噪音。隨著整個(gè)供電系統(tǒng)在供電量復(fù)雜性上的不斷提升，傳統(tǒng)的方式很難滿足隔離需求。因此，技術(shù)人員應(yīng)該全面分析供電系統(tǒng)的信號(hào)隔離，制定相應(yīng)的解決方案，從而有效避免系統(tǒng)運(yùn)行中的噪聲干擾。

2.5.1 交流電隔離技術(shù)

交流電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)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(duì)其進(jìn)行隔離，將嚴(yán)重影響交流電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果，因此必須采取有效的隔離措施。在傳統(tǒng)的交流電隔離技術(shù)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(shí)際的隔離效果。所以，必須在傳統(tǒng)隔離的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新和改進(jìn)，在一次繞組和二次繞組之間設(shè)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(shù)

在實(shí)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(tǒng)模式的操作已經(jīng)難達(dá)要滿足相應(yīng)的工作要求，為此技術(shù)人員必須全面分析整個(gè)系統(tǒng)，在分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，在設(shè)計(jì)隔離層時(shí)，必須有效地抑制噪聲，才能有效提升電磁設(shè)備的兼容性。

直流電隔離技術(shù)中，技術(shù)人員需要通過有效運(yùn)用直流供電系統(tǒng)內(nèi)部的隔離技術(shù)來全面提升運(yùn)行的成效，從而更好地達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果，提升隔離的效果。在控制相關(guān)電子電器設(shè)備裝置的過程中，尤其需要全面做好隔離的工作，并通過設(shè)置交流隔離的設(shè)施來在之后科學(xué)開展隔離工作，以便能夠更好地提升隔離技術(shù)的應(yīng)用質(zhì)量。同時(shí)還需要通過科學(xué)設(shè)計(jì)電壓隔離器來增強(qiáng)工作的成效[5]。

2.6 模擬電路隔離技術(shù)

在電子和電氣的運(yùn)行中，通常包括一系列控制裝置、電源以及模擬信號(hào)的產(chǎn)生和測(cè)量系統(tǒng)。根據(jù)不同的電子電器設(shè)備來使用不同的頻率，另外根據(jù)電氣設(shè)備的應(yīng)用范圍不同，供電系統(tǒng)可分為交流供電系統(tǒng)和直流供電系統(tǒng)兩部分。

由于模擬電路的組成結(jié)構(gòu)和信號(hào)測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此在對(duì)噪聲與干擾進(jìn)行處理時(shí)，不僅要考慮信號(hào)的精度，而且還要考慮頻帶的寬度等因素。對(duì)高壓電器和大電流信號(hào)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(shè)備來進(jìn)行，而對(duì)于微電壓和微電流信號(hào)中出現(xiàn)的干擾與噪聲主要采用線性隔離放大器來實(shí)現(xiàn)隔離。此外，模擬信號(hào)控制電路一般采用的時(shí)變壓器或者自流電壓隔離器進(jìn)行隔離。

2.7 模擬信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的隔離

在具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴(yán)重的場(chǎng)合中，測(cè)量模擬信號(hào)時(shí)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(duì)系統(tǒng)有兩點(diǎn)好處，一是可以防止邏輯系統(tǒng)工作紊亂和，二是防止有用信號(hào)的淹沒[6]。

3 數(shù)字電路與模擬電路的隔離

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

在A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字開關(guān)之間增加光電耦合器，以避免數(shù)字電路產(chǎn)生的高頻率振蕩對(duì)數(shù)據(jù)產(chǎn)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(cè)量場(chǎng)合的要求，仍存在缺陷。

在有嚴(yán)重干擾的測(cè)量場(chǎng)合需要將信號(hào)接收部分與模擬處理部分進(jìn)行隔離。在前置處理級(jí)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）之間加入線性隔離放大器，將信號(hào)地與模擬地隔離開來，同時(shí)采用光電耦合器將模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）與數(shù)字電路隔離，從而隔離了模擬地與數(shù)字地。這樣既阻止了數(shù)字系統(tǒng)的高頻干擾進(jìn)入模擬部分，還阻斷了前置電路部分產(chǎn)生的共模干擾和差模干擾[8]。當(dāng)然，這種造價(jià)極高的系統(tǒng)通常只適用于高精度的測(cè)量系統(tǒng)。

4 電子電氣電路技術(shù)存在的意義

任何形式的電子電氣設(shè)備內(nèi)部隔離技術(shù)的首要任務(wù)都是對(duì)噪音進(jìn)行切斷和抑制。目前，電子電路隔離技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，這些隔離技術(shù)的存在使得電子電氣設(shè)備更加安全、高效，同時(shí)也減少了一定的損耗。雖然如此，在產(chǎn)品開發(fā)過程中仍需要重視電子電器設(shè)備對(duì)外部產(chǎn)生噪聲和干擾的問題，并找出最合適的方式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行降噪處理。只有靈活運(yùn)用電子電路隔離技術(shù)，才能在一定程度上滿足電子設(shè)備的使用及電氣設(shè)備的噪聲抑制功能，電子電器設(shè)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(jìn)的電子電路隔離技術(shù)，提升了電子電器設(shè)備的工作性能，提高了電氣電子設(shè)備的工作效率，這與我國相關(guān)行業(yè)的整體發(fā)展密不可分[10-12]。

5 結(jié) 論

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