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中心議題：

• 電氣隔離的分類和方法
• 模擬電路的隔離、數字電路的隔離
• 模擬電路與數字電路之間的隔離 

解決方案：

• 對相應的模擬電路分別進行變壓器隔離等方法
• 對相應的數字電路分別進行脈沖變壓器隔離，光電耦合器隔離等方法 
• 對數字電路和模擬電路采用轉換裝置等方法

1 引言
電路隔離的主要目的是通過隔離元器件把噪聲干擾的路徑切斷，從而達到抑制噪聲干擾的效果。在采用了電路隔離的措施以后，絕大多數電路都能夠取得良好的抑制噪聲的效果，使設備符合電磁兼容性的要求。電路隔離主要有：模擬電路的隔離、數字電路的隔離、數字電路與模擬電路之間的隔離。所使用的隔離方法有：變壓器隔離法、脈沖變壓器隔離法、繼電器隔離法、光電耦合器隔離法、直流電壓隔離法、線性隔離放大器隔離法、光纖隔離法、A/D轉換器隔離法等。

數字電路的隔離主要有：脈沖變壓器隔離、繼電器隔離、光電耦合器隔離、光纖隔離等。其中數字量輸入隔離方式主要采用脈沖變壓器隔離、光電耦合器隔離；而數字量輸出隔離方式主要采用光電耦合器隔離、繼電器隔離、高頻變壓器隔離（個別情況下采用）。

模擬電路的隔離比較復雜，主要取決于對傳輸通道的精度要求，對精度要求越高，其通道的成本也就越高；然而，當性能的要求上升為主要矛盾時，應當以性能為主選擇隔離元器件，把成本放在第二位；反之，應當從價格的角度出發選擇隔離元器件。模擬電路的隔離主要采用變壓器隔離、互感器隔離、直流電壓隔離器隔離、線性隔離放大器隔離。

模擬電路與數字電路之間的隔離主要采用模/數轉換裝置；對于要求較高的電路，除采用模/數轉換裝置外，還應在模/數轉換裝置的兩端分別加入模擬隔離元器件和數字隔離元器件。

2 模擬電路的隔離
一套控制裝置或者一臺電子電氣設備，通常包含供電系統，模擬信號測量系統，模擬信號控制系統。而供電系統又可分為交流供電系統和直流供電系統，交流供電系統主要采用變壓器隔離，直流供電系統主要采用直流電壓隔離器隔離。模擬信號測量系統相對來說比較復雜，既要考慮其精度，頻帶寬度的因素，又要考慮其價格因素；對于高電壓、大電流信號，一般采用互感器（電壓互感器、電流互感器）隔離法，近年來，又出現了霍爾變送器，這些元器件都是高電壓、大電流信號測量常規使用的元器件；對于微電壓、微電流信號，一般采用線性隔離放大器。模擬信號控制系統與模擬信號測量系統的隔離類似，一般采用變壓器、直流電壓隔離器。

2.1 供電系統的隔離

2.1.1 交流供電系統的隔離
由于交流電網中存在著大量的諧波，雷擊浪涌，高頻干擾等噪聲，所以對由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設備，都應采取抑制來自交流電源干擾的措施。采用電源隔離變壓器，可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是，普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用，這是因為，雖然一次繞組和二次繞組之間是絕緣的，能夠阻止一次側的噪聲電壓、電流直接傳輸到二次側，有隔離作用。然而，由于分布電容（繞組與鐵心之間，繞組之間，層匝之間和引線之間）的存在，交流電網中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側。為了抑制噪聲，必須在繞組間加屏蔽層，這樣就能有效地抑制噪聲，消除干擾，提高設備的電磁兼容性。圖1(a)、(b)所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。

在圖1（a）中，隔離變壓器不加屏蔽層，C₁₂是一次繞組和二次繞組之間的分布電容，在共模電壓u1C的作用下，二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為u2C，C2E是二次側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u2C為：


在圖1（b）中，隔離變壓器加屏蔽層，其中C₁₀、C₂₀分別代表一次繞組和二次繞組對屏蔽層的分布電容，Z_E是屏蔽層的對地阻抗，C_2E是二次繞側的對地電容，則從圖可知二次側的共模噪聲電壓u_2C為：


由于C2是屏蔽層的對地阻抗，在低頻范圍內，ZE《(1/jωC₁₀)，所以u_2C→0。由此可見，采取屏蔽措施后，通過隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。

隨著技術的進步，國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（NoiseCutoutTransformer，簡稱NCT），這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結構，鐵心材料，形狀及其線圈位置都比較特殊，它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈，從而使差模噪聲不易感應到二次側，故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓，又能切斷差模噪聲電壓，是比較理想的隔離變壓器。

2.1.2 直流供電系統的隔離
當控制裝置和電子電氣設備的內部子系統之間需要相互隔離時，它們各自的直流供電電源間也應該相互隔離，其隔離方式如下：第一種是在交流側使用隔離變壓器，如圖2（a）所示；第二種是使用直流電壓隔離器（即DC/DC變換器），如圖2（b）所示。
2.2 模擬信號測量系統的隔離
對于具有直流分量和共模噪聲干擾比較嚴重的場合，在模擬信號的測量中必須采取措施，使輸入與輸出完全隔離，彼此絕緣，消除噪聲的耦合。隔離對系統有如下好處：

——防止模擬系統干擾，尤其是電力系統的接地干擾進入邏輯系統，導致邏輯系統的工作紊亂；

——在精密測量系統中，防止數字系統的脈沖波動干擾進入模擬系統，尤其是前置放大部分，因為前置放大部分的信號非常微弱，較小的騷擾波動信號就會把有用信號淹沒。
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2.2.1 高電壓、大電流信號的隔離
高電壓、大電流信號采用互感器隔離，其抑制噪聲的原理與隔離變壓器類似，這里不再贅述。互感器隔離的應用如圖3（a）所示。

2.2.2 微電壓、微電流信號的隔離
微電壓、微電流模擬信號的隔離系統相對來說比較復雜，既要考慮其精度，頻帶寬度的因素，又要考慮其價格因素。一般情況下，對于較小量的共模噪聲，采用差動放大器或儀表放大器就能夠取得良好的效果，但對于具有較大量的共模噪聲，且測量精度要求比較高的場合，應該選擇高精度線性隔離放大器，如BB公司的ISO106，其主要參數如下：

——交流耐壓35kV/1min，60Hz；

——直流耐壓495kV；

——沖擊耐壓8kVPK/10s；

——非線性誤差0.007％；

——隔離噪聲抑制比交流130dB，直流160dB。

ISO106的優秀參數，使其大量地應用于精密測量系統中，線性隔離放大器的應用如圖3（b）所示。

2.3 模擬信號控制系統的隔離
如前所述，模擬信號控制系統的隔離與模擬信號測量系統的隔離類似，即交流信號一般采用變壓器隔離，直流信號一般采用直流電壓隔離器或線性隔離器隔離。

3 數字電路的隔離
與模擬系統類似，一套控制裝置，或者一臺電子電氣設備，通常所包含的數字系統有：數字信號輸入系統，數字信號輸出系統。數字量輸入系統主要采用脈沖變壓器隔離，光電耦合器隔離；而數字量輸出系統主要采用光電耦合器隔離，繼電器隔離，個別情況也可采用高頻變壓器隔離。

3.1 光電耦合器隔離
這種隔離方法是用光電耦合器把輸入信號與內部電路隔離開來，或者是把內部輸出信號與外部電路隔離開來，如圖4(a)、(b)所示。