电气的六种隔离方式

　　电气隔离是什么意思?电气隔离是指将电源与电路电气隔离，即把电的分支电路与整个电气系统隔离，使之成为一个电气隔离的、独立的不接地的安全系统，以防止外露导体发生故障、带电时发生间接触电的危险。

　　电气隔离后，两个电路之间没有直接的电气连接。也就是说，这两个电路是相互绝缘的。同时要保证两条回路保持能量传递的关系。电气隔离的主要作用是减少两个不同电路之间的相互干扰和噪声。

　　要实施电气隔离，必须满足以下条件:每个支路使用一个隔离变压器，其耐压试验电压高于普通变压器，应满足二类电气产品的要求，也可绕线，绝缘性能与隔离变压器相同。电气隔离目的之一是从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，从而达到隔离现场干扰的目的。

　　一、信号隔离

　　信号的隔离目的之一是把引进的干扰通道切断，使测控装置与现场仅保持信号联系，不直接发生电的联系。

　　工控装置与现场信号之间常用的隔离方式有光电隔离、脉冲变压器隔离、继电器隔离和布线隔离等。

　　1.光电隔离

　　光电隔离是由光电耦合器件来完成的。其输入端配置发光源，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。

　　由于光电耦合器的输入阻抗(100Ω～1kΩ)与一般干扰源的阻抗(105～106Ω)相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光。

　　另外光电耦合器的隔离电阻很大(约1012Ω)、隔离电容很小(约几个pF)，所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰，被控设备的各种干扰很难反馈到输入系统。

　　光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来。

　　开关量输入电路接入光电耦合器后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。

　　由于光电耦合器不是将输入侧和输出侧的电信号进行直接耦合，而是以光为媒介进行耦合，具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

　　目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5kV以上，有些器件达到了8kV，既有高压大电流大功率光电耦合器件，又有高速高频光电耦合器件(频率高达10MHz)。

　　常用的器件如4N25，其隔离电压为5.3kV，6N137，其隔离电压为3kV，频率在10MHz以上。

　　2.脉冲变压器隔离

　　脉冲变压器的匝数较少，而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧，这种工艺使得的分布电容特小，仅为几个pF，所以可作为脉冲信号的隔离元件。

　　脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时，不传递直流分量，使用的数字量信号输入/输出的控制设备不要求传递直流分量，因而在工控系统中得到了广泛的应用。

　　电路的外部信号经RC滤波电路和双向稳压管抑制常模噪声干扰，然后输入脉冲变压器的一次侧。

　　为了防止过高的对称信号击穿电路元件，脉冲变压器的二次侧输出电压被稳压管限制后进入测控系统内部。

　　一般地说，脉冲变压器的信号传递频率在1kHz～1MHz之间，新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。

　　3.继电器隔离

　　继电器的线圈和触点没有电气上的联系，因此，可利用继电器的线圈接受信号，利用触点发送和输出控制信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接接触，实现了抗干扰隔离。

　　在该电路中，通过继电器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。

　　4.布线隔离

　　将微弱信号电路与易产生噪声污染的电路分开布线，最基本的要求是信号线路必须和强电控制线路、电源线路分开走线，而且相互间要保持一定的距离。

　　配线时应区别分开交流线、直流稳压电源线、数字信号线、模拟信号线、感性负载驱动线等。

　　配线间隔越大，配线越短，则噪声影响越小。

　　但是，实际设备的内外空间是有限的，配线间隔不可能太大，只要能维持最低限度的间隔距离便可。

　　附表列出了信号线和动力线之间应保持的最小间距。如果受环境条件的限制，信号线不能与高压线和动力线等离得足够远时，就得采用诸如信号线路接电容器等各种抑制电磁感应噪声的措施。

　　二、供电系统的隔离

　　采用1∶1隔离变压器供电是传统的抗干扰措施，对电网尖峰脉冲干扰有很好的效果。

　　抗干扰的原理是一次侧对高频干扰呈现高阻抗，而位于一次、二次绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了一、二次侧所产生的分布电容，因此一次绕组只有对屏蔽层的分布电容存在，高频干扰通过这个分布电容而被旁路入地。

　　1∶1隔变效果的好坏，往往取决于屏蔽层的工艺。最好选用0.2mm厚的纯铜板材，一次侧、二次侧各加一个屏蔽层。

　　通常，一次侧的屏蔽层通过一个电容器与二次侧的屏蔽层接到一起，再接到二次侧的地上。也可以一次侧的屏蔽层接一次侧的地线，二次侧的屏蔽层接二次侧的地线，并且接地引线的截面积也要大一些好。1∶1隔变还有效地隔离了接地环路的共模干扰。

　　1.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。

　　隔离变压器不加屏蔽层，C12是一次侧和二次侧之间的分布电容，在共模电压U1C的作用下，二次绕组所耦合的共模噪声电压为U2C，C2E是二次侧的对地电容，二次侧的共模噪声电压U2C为：U2C=U1CC12/(C12+C2E)

　　隔离变压器加屏蔽层，其中C10、C20分别代表一次侧和二次侧对屏蔽层的分布电容，ZE是屏蔽层的对地阻抗，C2E是二次侧的对地电容，可知二次侧的共模噪声电压U2C为：U2C=〔U1CZE/(ZE+1/jωC10)〕〔C2E/(C20+C2E)〕

　　由于C2是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，ZE<<(1/jωC10)，所以U2C→0。

　　由此可见，采取屏蔽措施后，通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了。

　　为了将测控系统和供电电网电源隔离开，消除因公共电阻引起的耦合，减少负载波动的影响，同时也为了安全，常常在电源变压器和低通滤波器之前增加一个1∶1的隔离变压器。

　　目前，国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器(简称NCT)，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，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。

　　2.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，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;

　　第二种是使用直流电压隔离器(即DC/DC变换器)。

　　采用了电气隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好抑制噪声的效果，使设备符合电磁兼容性的要求。