电磁兼容设计中的隔离技术
1. 电气隔离的必要性电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断,从而达到抑制干扰保护电路不受危险电压和电路危害的效果,使电子电气设备符合电磁兼容性的要求同时提升设备的可靠性。
2. 需要电气隔离的场合
采用隔离技术的场合主要有两种:一种是在有可能存在损坏设备或危害人员的应用中进行电气隔离,如医疗上的应用、电机控制、总线隔离等方面。第二种情况是:必须避免存在不同电位和分裂的接地回路的互联。
3. 电气隔离的类型
根据隔离的信号类型不同,电路隔离主要有:模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离方法有:变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、A/D 转换器隔离法等多种
4. 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。随着技术的进步,国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器(NOISE CUTOUTT RANSFORMER,简称N C T),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。
5. 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;第二种是使用DC/DC 隔离变换器。
6. 光电隔离
光电隔离器(optoelectronic isolator,英文缩写为OC)亦称光电耦合器、光耦合器,简称光耦。光耦合技术是在透明绝缘隔离层(例如空气间隙)上的光传输,完成了电一光电的转换,从而起到输入、输出隔离的作用。是应用最为广泛的隔离方式。
光耦合器一般由三部分组成:光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管(LED),使之发出一定波长的光,被光探测器接收而产生光电流,再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换,从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离,电信号传输具有单向性等特点,因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件,因而具有很强的共模抑制能力。所以,它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件,可以大大增加计算机工作的可靠性。
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