信號(hào)隔離和電源隔離的知識(shí)點(diǎn)解讀

在 110/220V AC 下運(yùn)行的普通家用微波爐內(nèi)部可產(chǎn)生高達(dá) 2800V 的電壓，這是危險(xiǎn)的致命性。除此之外，它還具有 3.5V 左右的較低水平 交流電壓 來(lái)點(diǎn)亮燈絲，以及用于數(shù)字電子部件（如顯示器或計(jì)時(shí)器）操作的 5V/3.3V 等穩(wěn)壓直流電壓。您有沒有想過，當(dāng)您觸摸烤箱時(shí)，是什么阻止了這些高壓通過按鈕或外殼到達(dá)您的手指？你的問題的答案是 “隔離”。 在設(shè)計(jì)涉及多于一種信號(hào)或多于一種工作電壓的電子產(chǎn)品時(shí)，隔離用于防止一個(gè)信號(hào)干擾另一個(gè)信號(hào)。它還通過防止工業(yè)級(jí)產(chǎn)品中的故障情況在安全方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這種隔離通常稱為 電流隔離。為什么用“電流”這個(gè)詞？這是因?yàn)殡娏鞔砟撤N化學(xué)作用產(chǎn)生的電流，并且由于我們通過斷開導(dǎo)體接觸來(lái)隔離該電流，因此稱為電流隔離。

電流隔離技術(shù)有多種類型， 選擇合適的一種取決于隔離類型、承受能力、應(yīng)用要求，顯然還涉及成本因素。在本文中，我們將了解不同類型的隔離、它們?nèi)绾喂ぷ饕约霸谖覀兊脑O(shè)計(jì)中使用它們的位置。

電流隔離的類型

信號(hào)隔離

功率級(jí)隔離

電容器作為隔離器

信號(hào)隔離

如果兩個(gè)不同性質(zhì)的電路使用某種類型的信號(hào)相互通信，則需要信號(hào)電平隔離。例如，兩個(gè)電路使用獨(dú)立的電源并且工作在不同的電壓電平。在這種情況下，為了隔離兩個(gè)獨(dú)立電源的單獨(dú)接地并在這兩個(gè)電路之間進(jìn)行通信，需要信號(hào)電平隔離。

信號(hào)隔離是通過使用不同類型的隔離器來(lái)完成的。 光和電磁隔離器 主要用于信號(hào)隔離目的。這兩種隔離器都可以防止不同的接地源組合在一起。每個(gè)隔離器都有其獨(dú)特的工作原理和應(yīng)用，將在下面討論。

1. 光隔離器

光隔離器 使用光在兩個(gè)獨(dú)立電路之間進(jìn)行通信。通常，光隔離器又名 光耦合器 在單個(gè)硅芯片內(nèi)有兩個(gè)組件，一個(gè) 發(fā)光二極管和一個(gè)光電晶體管。LED由一個(gè)電路控制，晶體管側(cè)與另一個(gè)電路連接。因此，LED和晶體管沒有電連接。通信僅通過光完成，光學(xué)。

考慮上圖。一種流行的 光隔離器 PC817 隔離了兩個(gè)獨(dú)立的電路。電路 1 是帶開關(guān)的電源，電路 2 是連接不同 5V 電源的邏輯電平輸出。邏輯狀態(tài)由左電路控制。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，光耦合器內(nèi)的 LED 點(diǎn)亮并打開晶體管。邏輯狀態(tài)將從高變?yōu)榈汀?/p>

使用上述電路隔離電路1和電路2。電流隔離對(duì)于上述電路非常有用。在幾種情況下，低電位接地會(huì)引起高電位接地噪聲，并產(chǎn)生接地回路，從而進(jìn)一步導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。與 PC817 類似，有多種 類型的光耦合器 可滿足不同的應(yīng)用需求。

2. 電磁隔離器

光隔離器可用于 直流信號(hào)隔離，但小 信號(hào)變壓器等電磁隔離器 可用于 交流信號(hào)隔離。像 音頻變壓器這樣的變壓器 ，其初級(jí)和次級(jí)是隔離的，可以用于不同的 音頻信號(hào)隔離。另一個(gè)最常見的用途是網(wǎng)絡(luò)硬件或以太網(wǎng)部分。 脈沖變壓器 用于將外部接線與內(nèi)部硬件隔離。甚至電話線也使用基于變壓器的信號(hào)隔離器。但是，由于變壓器是通過電磁隔離的，它只適用于交流電。

上圖是帶有集成脈沖變壓器的 RJ45 插孔的內(nèi)部示意圖，用于將 MCU 部分與輸出隔離。

功率級(jí)隔離

需要功率級(jí)隔離來(lái) 將低功率敏感設(shè)備與高功率噪聲線路隔離開來(lái)， 反之亦然。此外，功率級(jí)隔離 通過將高壓線路與操作員和系統(tǒng)的其他部分隔離開來(lái)，為危險(xiǎn)線路電壓提供適當(dāng)?shù)陌踩浴?/p>

1.變壓器

流行的功率級(jí)隔離器又是一個(gè)變壓器。變壓器有很多 應(yīng)用， 最常見的用途是從高壓源提供低壓。變壓器在初級(jí)和次級(jí)之間沒有連接，但可以將電壓從高壓交流電降壓到低壓交流電，而不會(huì)失去電流隔離。

上圖顯示了一個(gè)正在運(yùn)行的降壓變壓器，其中初級(jí)側(cè)輸入連接到墻壁插座，次級(jí)連接到電阻負(fù)載。合適的 隔離變壓器具有 1:1 的匝數(shù)比 ，并且不會(huì)改變兩側(cè)的電壓或電流水平。隔離變壓器的唯一目的是提供隔離。

2. 繼電器

繼電器是一種流行的隔離器，在電子電氣領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用。 根據(jù)應(yīng)用的不同，電子市場(chǎng)上有許多不同 類型的繼電器可供選擇。流行的類型是電磁繼電器和固態(tài)繼電器。

電磁繼電器與通常稱為磁極的電磁和機(jī)械可移動(dòng)部件一起工作。它包含一個(gè)電磁鐵，可以移動(dòng)磁極并完成電路。當(dāng)需要從低壓電路控制高壓電路時(shí)，繼電器會(huì)產(chǎn)生隔離，反之亦然。在這種情況下，兩個(gè)電路都是隔離的，但一個(gè)電路可以使繼電器通電以控制另一個(gè)電路。

在上圖中，兩個(gè)電路在電氣上相互獨(dú)立。但是通過使用電路 1 上的開關(guān)，用戶可以控制電路 2 上的負(fù)載狀態(tài)。了解有關(guān) 如何在電路中使用繼電器的更多信息。

固態(tài)繼電器和機(jī)電繼電器 在工作方面沒有太大 區(qū)別。固態(tài)繼電器的工作原理完全相同，但機(jī)電部分被光控二極管取代。由于固態(tài)繼電器的輸入和輸出之間沒有直接連接，可以建立電流隔離。

3. 霍爾效應(yīng)傳感器

不用說，電流測(cè)量是電氣和電子工程的一部分。有不同 類型的電流檢測(cè)方法 可用。通常需要對(duì)高壓和高電流路徑進(jìn)行測(cè)量，并且讀取的值必須發(fā)送到作為測(cè)量電路一部分的低壓電路。同樣從用戶的角度來(lái)看，侵入式測(cè)量是危險(xiǎn)的并且不可能實(shí)施?；魻栃?yīng)傳感器提供 準(zhǔn)確的非接觸式電流測(cè)量 ，并有助于以非侵入方式測(cè)量流過導(dǎo)體的電流。它提供適當(dāng)?shù)母綦x并確保免受危險(xiǎn)電力的影響?；魻栃?yīng)傳感器使用導(dǎo)體上產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)估計(jì)流過它的電流。

芯環(huán)以非侵入方式鉤在導(dǎo)體上，并且如上圖所示是電氣隔離的。

電容器作為隔離器

最不流行的隔離電路方法是使用 電容器。由于效率低下和危險(xiǎn)的故障結(jié)果，這不再是首選，但仍然知道當(dāng)您想要構(gòu)建粗隔離器時(shí)它可能會(huì)派上用場(chǎng)。電容器阻擋直流并允許通過高頻交流信號(hào)。由于這種優(yōu)異的特性，電容器在需要阻斷兩個(gè)電路的直流電流但仍允許數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)中用作隔離器。

上圖顯示電容器用于隔離目的。發(fā)射器和接收器都是隔離的，但可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

電流隔離 – 應(yīng)用

電流隔離非常重要，應(yīng)用非常廣泛。它是消費(fèi)品以及工業(yè)、醫(yī)療和通信領(lǐng)域的重要參數(shù)。在 工業(yè)電子市場(chǎng)中，配電系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、測(cè)量系統(tǒng)、電機(jī)控制器、輸入輸出邏輯設(shè)備等都需要電流隔離。

在 醫(yī)療領(lǐng)域，隔離是設(shè)備的主要優(yōu)先事項(xiàng)之一，因?yàn)獒t(yī)療設(shè)備可以直接與患者的身體相連。這樣的設(shè)備是心電圖、內(nèi)窺鏡、除顫器、不同種類的成像設(shè)備。 消費(fèi)級(jí)通信系統(tǒng) 也使用電流隔離。一個(gè)常見的例子是以太網(wǎng)、路由器、交換機(jī)、電話交換機(jī)等。普通消費(fèi)品，如充電器、SMPS、計(jì)算機(jī)的邏輯板是最常見的使用電流隔離的產(chǎn)品。

電流隔離的實(shí)際示例

下面的電路是電隔離全雙工IC MAX14852 （500 kbps 通信速度）或 MAX14854 （25 Mbps 通信速度）在RS-485 通信線上與微控制器單元的典型應(yīng)用電路。該 IC 由流行的半導(dǎo)體制造公司 Maxim Integrated 制造。

此示例是工業(yè)設(shè)備上電流隔離示例的最佳示例之一。RS-485是工業(yè)設(shè)備中廣泛使用的傳統(tǒng)通信協(xié)議。RS-485 的普遍用途是 在 TTL 段上使用MODBUS 協(xié)議。

假設(shè)高壓交流變壓器正在通過 RS-485 協(xié)議提供安裝在變壓器內(nèi)部的傳感器數(shù)據(jù)。需要將 PLC 設(shè)備與 RS-485 端口連接以從變壓器收集數(shù)據(jù)。但問題在于直接通信線路。PLC 使用非常低的電壓電平，并且對(duì)高 ESD 或浪涌非常敏感。如果采用直接連接，PLC 可能存在高風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行電隔離。

這些 IC 對(duì)于保護(hù) PLC 免受 ESD 或浪涌影響非常有用。

根據(jù)數(shù)據(jù)表，這兩款 IC 的 ESD 耐受能力為 +/- 35kV，最長(zhǎng) 60 秒的隔離電壓耐受能力為 2.75kVrms。不僅如此，這些 IC 還確認(rèn)了 445Vrms 工作隔離電壓，使其成為適用于工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的隔離器。