盟通科普向|貴重設(shè)備缺乏防護(hù)？電氣隔離了解一下

前言

有很多客戶在選擇我們產(chǎn)品的時(shí)候可能會(huì)注意到，具有相同功能的兩個(gè)模塊。一個(gè)帶有電氣隔離另一個(gè)則沒有。這兩個(gè)差別看似不大，但是他們的價(jià)格相差的確實(shí)不小。這時(shí)候有的客戶就會(huì)問，電氣隔離究竟有什么用，會(huì)影響正常的設(shè)備功能嗎？

這個(gè)問題的回答是這樣的：沒有電氣隔離版本的設(shè)備沒有保護(hù)，建議選用電氣隔離的版本。但這時(shí)往往會(huì)讓人理解成不具備電氣隔離版本的模塊是易損的，事實(shí)上并非如此。

電氣隔離是什么？

要想知道這其中的緣由，必須先了解電氣隔離是什么。

來自維基百科的解釋如下：它是一種隔離電氣系統(tǒng)功能部分以防止電流流動(dòng)的原理，不允許有直接傳導(dǎo)通路。能量或信息仍然可以通過其他方式在各部分之間交換，例如電容、電感、輻射、光學(xué)、聲學(xué)或機(jī)械耦合。電氣隔離也用于安全，防止意外觸電。

特別要注意的是電氣隔離英文“Electrical isolation”的含義與“Electrical insulation”并不相同，后者更偏向于我們通常意義理解的絕緣性。而前者“Electrical isolation”則是我們今天的主角。

通俗意義來說，為了將各級(jí)電路分開，而又要保證每一級(jí)的設(shè)備之間的信息和能量能夠傳遞，以此為目的的措施我們可以認(rèn)為是電氣隔離。

為什么需要隔離？

隔離的目的通常出于三種，降低干擾、保護(hù)設(shè)備及保障人身安全。為什么我們的設(shè)備通常都會(huì)標(biāo)明該設(shè)備是否具備了電氣隔離？因?yàn)閷?duì)于通訊設(shè)備而言，一個(gè)模塊的抗干擾能力是非常重要的。而電氣隔離的設(shè)計(jì)可以很好的消除干擾電位的影響。

例如，當(dāng)傳感器直接接駁在被測物品(例如電源)上，該物品在地面上具有電位(即大于0伏)，這可能會(huì)對(duì)信號(hào)施加直流偏移。電氣干擾或噪聲也可以采取由信號(hào)路徑或測試周圍環(huán)境中的其他電氣元件產(chǎn)生的交流信號(hào)的形式。

而如果將傳感器進(jìn)行電氣隔離后，即使被測物品相對(duì)于地面具有電位，由于沒有通路可以將電勢施加到隔離的電路上，即保證了傳感器相對(duì)于地面的電勢為0。這樣得到的信號(hào)是沒有收到干擾的正確的信號(hào)。

對(duì)于保護(hù)設(shè)備和保障人身安全來說，電氣隔離也是同樣重要的。一般情況下的電磁干擾只能算得上小風(fēng)浪。真正的“洪水猛獸”才會(huì)對(duì)設(shè)備甚至人身產(chǎn)生威脅。它們通常能夠產(chǎn)生幾千伏特的高壓，同時(shí)伴隨著強(qiáng)電流，這也是我們的一些模塊會(huì)有“高壓電氣隔離版本”分支。這需要特定的設(shè)備預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)，隔離掉這些危害設(shè)備的電路，保護(hù)設(shè)備不受損、人員不受傷。

什么時(shí)候需要隔離？

講了這么多，那么什么時(shí)候需要電氣隔離，又該如何選擇呢？

通常我們的CAN接口模塊，出于通訊的目的，他們都設(shè)計(jì)了電氣隔離，其目的主要是為了降低干擾。而干擾通常來自于設(shè)備的工作環(huán)境。

僅在一般辦公場景下我們建議客戶選用無電氣隔離版本的型號(hào)，當(dāng)您打算選用非隔離版本的設(shè)備控制成本的時(shí)候，嘗試問自己幾個(gè)問題：

• 附近有危險(xiǎn)的高壓嗎?(外面有高壓電線嗎?發(fā)電機(jī)?)
• 是否有大型電機(jī)，渦輪機(jī)，焊接機(jī)，或任何機(jī)器使用大電流在同一建筑物或同一電網(wǎng)?
• 電力系統(tǒng)的接地電位是否波動(dòng)或變化?
• 電力系統(tǒng)是否有過電流尖峰或瞬變現(xiàn)象?
• 是否直接對(duì)可能存在于不同電壓電位的組件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行非常毫伏級(jí)別的信號(hào)測量?例如邏輯分析儀或者示波器。

①如果以上的條件都不具備，那么很好，電氣隔離不是必要的選擇。

②如果具備了上述的條件，那么電氣隔離就非常必要了，選擇不帶電氣隔離的版本設(shè)備可能會(huì)導(dǎo)致除了本設(shè)備之外的后續(xù)與他同一回路的設(shè)備同時(shí)被燒毀。

這里回到開始的話題，例如IXXAT的USB to CAN V2模塊電氣隔離版本，面對(duì)超出模塊規(guī)格的高壓，不一定能夠保護(hù)自身不會(huì)燒毀，但能夠最大程度防止后續(xù)與他同一回路的設(shè)備不被燒毀。但就自身壽命和抗流能力來說，與不帶電氣隔離的USB to CAN V2區(qū)別不是很大。

③如果您的環(huán)境在上述的條件且程度非常嚴(yán)重，那么不僅僅要選擇電氣隔離版本的設(shè)備，還需要增加特定的模塊來對(duì)您的整套電路做高強(qiáng)度的電氣隔離。

例如：在汽車生產(chǎn)及測試車間的設(shè)備，經(jīng)常面臨著高壓高磁的環(huán)境，且共地的電機(jī)可能會(huì)產(chǎn)生非常大的電勢差（相對(duì)于地面）。這種情況可以用IXXAT的CR 110/FO或者CR210/FO來將CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換為光纖信號(hào)。模塊本身的電氣隔離高于一般的設(shè)備，且傳輸形式采用光纖不僅能夠保護(hù)后續(xù)設(shè)備，還能夠抗強(qiáng)磁場帶來的干擾。

電氣隔離的作用

對(duì)于電氣隔離作用的最好解釋其實(shí)就是：棄車保帥。我們?cè)谠O(shè)計(jì)之初將各個(gè)電氣部件模塊化，從而保障某個(gè)設(shè)備或者說器件有電位的時(shí)候，不會(huì)影響到其他設(shè)備。

正如下圖所示，如果在設(shè)計(jì)之初就將設(shè)備分為了6個(gè)模塊，每個(gè)模塊之間是隔離的。這樣一來，當(dāng)其中一個(gè)模塊被外界干擾甚至損毀的時(shí)候，其他單元不會(huì)受到影響。

這其中最值得保護(hù)的部分就是Processor（處理器），因?yàn)樗枪δ茏钊娴?，同時(shí)也是價(jià)格最貴的，放在整機(jī)系統(tǒng)中也是一樣的。對(duì)于幾十萬的設(shè)備連接的都是帶有電氣隔離的設(shè)備。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)來的時(shí)候這些設(shè)備能夠抵御大部分的電流和電勢，保護(hù)主帥安全。即使極端情況，模塊燒毀了也不會(huì)導(dǎo)致主設(shè)備的損壞，而他們的價(jià)格就很低廉了。