隔離方法在電氣電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)上的應(yīng)用介紹
出處:電子發(fā)燒友 發(fā)布于:2019-04-28 14:36:28
接地、屏蔽、濾波、瞬態(tài)抑制、隔離等是電磁兼容設(shè)計(jì)中常見的措施或方法,其中隔離方法在提高電氣電子設(shè)備的安全與電磁兼容性能發(fā)揮著重要的作用。
電磁干擾一般分為共模干擾與差模干擾,共模干擾指兩根信號(hào)線與大地之間的電磁干擾,其共模電流在兩根導(dǎo)線上具有幅度和方向者相同的特點(diǎn),而差模電流干擾指在兩根導(dǎo)線上幅度相同但方向相反的干擾電流。
理論與實(shí)踐證明,電氣電子產(chǎn)品電磁兼容問題的主要是共模干擾,或者是共模干擾通過不平衡線纜傳輸轉(zhuǎn)化為差模電流引起的,因此,在電氣電子產(chǎn)品的開發(fā)與應(yīng)用中,通常會(huì)在其I/O端口、電源端口或內(nèi)部電路信號(hào)傳輸過程中采用磁電、扼流圈、光電、繼電器、浮地等隔離方法或措施,將共模電磁騷擾的傳播路徑切斷或改變其流向,避免其流向電磁騷擾敏感器件或部位。
本文將重點(diǎn)描述磁電、光電、繼電器、扼流圈、浮地等隔離方法在電氣電子產(chǎn)品電磁兼容設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。
2 磁電隔離
在AC/DC開關(guān)電源、DC/DC電源模塊、以太網(wǎng)、傳感器信號(hào)調(diào)理電路中,為了提高電氣電子設(shè)備的抗干擾、可靠性、安全性等,磁電隔離技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。
2.1磁電隔離實(shí)質(zhì)
磁電隔離實(shí)質(zhì)上是利用變壓器實(shí)現(xiàn)磁電隔離的基本原理:變壓器主要由繞在共同鐵心上的兩個(gè)或多個(gè)繞組組成。當(dāng)在一個(gè)繞組上加上交變電壓時(shí),由于電磁感應(yīng)而在其它繞組上感生交變電壓。因此變壓器的幾個(gè)繞組之間是通過交變磁場互相聯(lián)系的,在電路上是互相隔離的。這樣可以使用變壓器切斷設(shè)備與外部接口(含電源)之間的共模電磁干擾傳播路途,讓一定頻率的差模信號(hào)可以通過。
2.2磁電隔離使用注意事項(xiàng)
對(duì)于電氣電子設(shè)備的電磁兼容來,變壓器隔離可以切斷變壓器兩端的共模電流,但是由于普通變壓器作為一般電源變壓器用,將某一等級(jí)的電壓和電流轉(zhuǎn)變成另一等級(jí)的電壓和電流,沒有采用任何特殊措施,其繞組間的寄生電容較大(未加屏蔽層為nF級(jí)),使得進(jìn)入變壓器原邊的高頻干擾容易通過寄生電容耦合到的副邊,騷擾副邊電路的正常運(yùn)行。
為提高變壓器高頻共模電磁干擾的抑制性能,一般會(huì)在變壓器原、副邊間增加靜電屏蔽后,減小原/副邊之間的寄生電容(一般可降到pF級(jí))。
該屏蔽與繞組間形成新的分布電容,當(dāng)將屏蔽接地后,可以將高頻干擾通過這一新的分布電容引回地,避免其對(duì)副邊電路產(chǎn)生干擾,如下圖所示:
3 光電隔離技術(shù)
3.1光電耦合器簡介
光電隔離(簡稱光耦)采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn),即通過半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等)的光接收,來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。由于發(fā)光二極管和光敏半導(dǎo)體是互相絕緣的,從而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。
當(dāng)給發(fā)光二極管加以正向電壓時(shí),由于空間電荷區(qū)勢(shì)壘下降,P區(qū)空穴注入到N區(qū),產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合,復(fù)合時(shí)放出大部分為光形式的能量。給發(fā)光二極管加的正向電壓越高,復(fù)合時(shí)放出的光通量越大。當(dāng)然,給發(fā)光二極管加的正向電壓受其允許電流的限制。
當(dāng)光敏半導(dǎo)體,比如光敏二極管,受到光照射時(shí),在PN結(jié)附近產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)電場作用下形成光電流。光的照度越強(qiáng),光電流就越大。當(dāng)光敏半導(dǎo)體沒受到光照射時(shí),只有很小的暗電流。
3.2光電耦合器的特性
從光電耦合器的特性曲線可以看出,光電耦合器的線性度較差,但可以利用反饋技術(shù)進(jìn)行校正。
3.3光耦應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小,因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小,它所能提供的電流并不大,不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光;由于光電耦合器的外殼是密封的,它不受外部光的影響;光電耦合器的隔離電阻很大(約1012Ω)、隔離電容很?。s幾個(gè)pF)所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低,抗干擾效果也將降低。
4 繼電器隔離技術(shù)
4.1電磁繼電器
電磁繼電器隔離一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成。只要在線圈兩端加上一定的電壓,線圈中就會(huì)流過一定的電流,從而產(chǎn)生的電磁效應(yīng),銜鐵就會(huì)在電磁吸引力的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯,從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)(常開觸點(diǎn))吸合。當(dāng)線圈斷電后,電磁的吸力也隨之消失,銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力的作用下返回原來的位置,使動(dòng)觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)(常閉觸點(diǎn))吸合。這樣的吸合、釋放。
繼電路實(shí)際上是一種電子控制器件,它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路),通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中,利用較小的電流去控制較大的電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”,在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。
繼電器的線圈和觸點(diǎn)之間沒有電氣上的聯(lián)系。因此,可以利用繼電器的線圈接受電氣信號(hào),而用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號(hào),從而在低頻時(shí),避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。
4.2繼電器使用注意事項(xiàng)
繼電器基本上具有較高的抗干擾能力,它本身不屬于干擾敏感器件,但是繼電器在應(yīng)用時(shí),也要注意控制其線圈和觸點(diǎn)回路之間的寄生電容,其大小一般為10pF左右,同時(shí),繼電器的線圈工作頻率較低,不適用于工作頻率較高的場合,另外還存在觸點(diǎn)通斷時(shí)的彈跳和火花干擾以及接觸電阻等缺點(diǎn)。
在機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)嘈盘?hào)電流的過程中,由于電路電感的存在將會(huì)在觸點(diǎn)間感應(yīng)過電壓,這個(gè)過電壓可能會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙擊穿而產(chǎn)生電??;當(dāng)觸點(diǎn)間隙加大時(shí),電弧熄滅,觸點(diǎn)間電壓又升高,電弧又重燃;如此重復(fù),直到觸點(diǎn)間距足夠大電流中斷時(shí)為止。
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