電流隔離 – 信號(hào)隔離和電源隔離

介紹

電流隔離技術(shù)有多種類型，選擇合適的技術(shù)取決于隔離的類型、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、它們的工作原理以及在設(shè)計(jì)中的使用位置。

1.信號(hào)隔離

2.功率電平隔離

3.電容器作為隔離器

當(dāng)兩個(gè)不同性質(zhì)的電路使用某種類型的信號(hào)相互通信時(shí)，需要信號(hào)電平隔離。例如，兩個(gè)電路使用獨(dú)立的電源并運(yùn)行不同的電壓電平。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)隔離通過(guò)使用不同類型的隔離器來(lái)完成。光隔離器和電磁隔離器主要用于信號(hào)隔離目的。這兩個(gè)隔離器可防止不同的接地源組合在一起。每個(gè)隔離器都有自己獨(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(méi)有電連接。通信只能通過(guò)光學(xué)燈完成。

考慮上圖。流行的光隔離器PC817隔離兩個(gè)獨(dú)立的電路。電路1是帶有開關(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)部的LED亮起并打開晶體管。邏輯狀態(tài)將從高更改為低。

電路1和電路2使用上述電路進(jìn)行隔離。電流隔離對(duì)于上述電路非常有用。在幾種情況下，高電位接地噪聲在低電位接地中引起，并產(chǎn)生接地環(huán)路，進(jìn)一步導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確。與PC817類似，有許多類型的光耦合器可滿足不同的應(yīng)用要求。

2. 電磁隔離器

光隔離器可用于直流信號(hào)隔離，但電磁隔離器（如小信號(hào)變壓器）可用于交流信號(hào)隔離。像音頻變壓器這樣的變壓器的初級(jí)和次級(jí)側(cè)是隔離的，可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布線與內(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(guò)電磁隔離的，因此它只能與交流電一起使用。

上圖是帶有集成脈沖變壓器的RJ45插孔的內(nèi)部原理圖，用于隔離帶有輸出的MCU部分。

需要功率電平隔離，以便將低功耗敏感器件與高功率噪聲線路隔離，反之亦然。此外，功率電平隔離通過(guò)將高壓線路與操作員和系統(tǒng)的其他部分隔離，提供適當(dāng)?shù)?/span>危險(xiǎn)線路電壓安全性。

1. 變壓器

流行的功率電平隔離器又是變壓器。變壓器有巨大的應(yīng)用，最常見的用途是從高壓源提供低電壓。變壓器在初級(jí)和次級(jí)之間沒(méi)有連接，但可以將電壓從高壓交流降壓到低壓交流，而不會(huì)失去電流隔離。

上圖顯示了一個(gè)工作中的降壓變壓器，其中初級(jí)側(cè)輸入連接到墻上插座，次級(jí)側(cè)輸入連接在阻性負(fù)載上。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，在電子和電氣領(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。流行的類型是電磁繼電器和固態(tài)繼電器。

電磁繼電器與電磁和機(jī)械可移動(dòng)部件一起工作，通常稱為極點(diǎn)。它包含一個(gè)電磁鐵，用于移動(dòng)極點(diǎn)并完成電路。當(dāng)高壓電路需要從低壓電路控制時(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)電路可以激勵(lì)繼電器以控制另一個(gè)電路。

在上圖中，兩個(gè)電路在電氣上彼此獨(dú)立。但是通過(guò)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(méi)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(méi)有直接連接，可能會(huì)建立電流隔離。

3. 霍爾效應(yīng)傳感器

不用說(shuō)，電流測(cè)量是電氣和電子工程的一部分。目前有不同類型的電流傳感方法。通常需要對(duì)高電壓和高電流路徑進(jìn)行測(cè)量，并且值讀取必須發(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，侵入性測(cè)量是危險(xiǎn)的，也是不可能實(shí)現(xiàn)的?；魻栃?yīng)傳感器提供精確的非接觸式電流測(cè)量，并幫助以非侵入性的方式測(cè)量通過(guò)導(dǎo)體的電流。它提供了適當(dāng)?shù)母綦x，并確保了遠(yuǎn)離危險(xiǎn)電力的安全?；魻栃?yīng)傳感器利用通過(guò)導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)來(lái)估計(jì)通過(guò)它的電流。

芯環(huán)以非侵入性方式鉤在導(dǎo)體上，并且如上圖所示進(jìn)行電氣隔離。

最不常用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)建粗糙的隔離器時(shí)，它可能會(huì)派上用場(chǎng)。電容器阻斷直流并允許傳遞高頻交流信號(hào)。由于這種優(yōu)異的性能，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。

上圖顯示了用于隔離目的的電容器。****和接收器都是隔離的，但可以進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

電流隔離非常重要，應(yīng)用范圍也很大。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)備等都需要電氣隔離。

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連接。這些設(shè)備是心電圖，內(nèi)窺鏡，除顫器，各種想象設(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、切換器、電話交換機(jī)等。普通消費(fèi)品，如充電器、SMPS、計(jì)算機(jī)邏輯板是使用電流隔離的最常見產(chǎn)品。

以下電路是與微控制器單元在RS-485通信線路上電隔離全雙工IC MAX14852（通信速度為500 kbps）或MAX14854（通信速度為25 Mbps）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。

這個(gè)例子是工業(yè)設(shè)備上電流隔離的例子之一。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的流行用途是在TTL段上使用MODBUS協(xié)議。

假設(shè)高壓交流變壓器通過(guò)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(wèn)題出在直接溝通線上。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可能處于高風(fēng)險(xiǎn)之中，需要電氣隔離。

這些IC對(duì)于保護(hù)PLC免受ESD或浪涌的影響非常有用。

根據(jù)數(shù)據(jù)表，兩款IC的耐受能力為+/- 35kV ESD，2.75kVrms的耐受隔離電壓長(zhǎng)達(dá)60秒。不僅如此，這些IC還確認(rèn)445Vrms的工作隔離電壓，使其成為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中使用的合適隔離器。