原创 电流隔离 – 信号隔离和电源隔离

电流隔离 – 信号隔离和电源隔离

介绍

电流隔离技术有多种类型，选择合适的技术取决于隔离的类型、承受能力、应用要求，显然还涉及成本因素。在本文中，我们将了解不同类型的隔离、它们的工作原理以及在设计中的使用位置。

1.信号隔离

2.功率电平隔离

3.电容器作为隔离器

当两个不同性质的电路使用某种类型的信号相互通信时，需要信号电平隔离。例如，两个电路使用独立的电源并运行不同的电压电平。在这种情况下，为了隔离两个独立电源的单独接地并在这两个电路之间进行通信，需要信号电平隔离。

信号隔离通过使用不同类型的隔离器来完成。光隔离器和电磁隔离器主要用于信号隔离目的。这两个隔离器可防止不同的接地源组合在一起。每个隔离器都有自己独特的工作原理和应用，将在下面讨论。

1. 光隔离器

光隔离器使用光在两个独立电路之间进行通信。通常，光隔离器又名光耦合器在单个硅芯片内有两个组件，一个发光二极管和一个光电晶体管。LED由一个电路控制，晶体管侧与另一个电路连接。因此，LED和晶体管没有电连接。通信只能通过光学灯完成。

考虑上图。流行的光隔离器PC817隔离两个独立的电路。电路1是带有开关的电源，电路2是连接不同5V电源的逻辑电平输出。逻辑状态由左电路控制。当开关闭合时，光耦合器内部的LED亮起并打开晶体管。逻辑状态将从高更改为低。

电路1和电路2使用上述电路进行隔离。电流隔离对于上述电路非常有用。在几种情况下，高电位接地噪声在低电位接地中引起，并产生接地环路，进一步导致测量不准确。与PC817类似，有许多类型的光耦合器可满足不同的应用要求。

2. 电磁隔离器

光隔离器可用于直流信号隔离，但电磁隔离器（如小信号变压器）可用于交流信号隔离。像音频变压器这样的变压器的初级和次级侧是隔离的，可用于不同的音频信号隔离。另一个最常见的用途是网络硬件或以太网部分。脉冲变压器用于将外部布线与内部硬件隔离。甚至电话线也使用基于变压器的信号隔离器。但是，由于变压器是通过电磁隔离的，因此它只能与交流电一起使用。

上图是带有集成脉冲变压器的RJ45插孔的内部原理图，用于隔离带有输出的MCU部分。

需要功率电平隔离，以便将低功耗敏感器件与高功率噪声线路隔离，反之亦然。此外，功率电平隔离通过将高压线路与操作员和系统的其他部分隔离，提供适当的危险线路电压安全性。

1. 变压器

流行的功率电平隔离器又是变压器。变压器有巨大的应用，最常见的用途是从高压源提供低电压。变压器在初级和次级之间没有连接，但可以将电压从高压交流降压到低压交流，而不会失去电流隔离。

上图显示了一个工作中的降压变压器，其中初级侧输入连接到墙上插座，次级侧输入连接在阻性负载上。合适的隔离变压器具有 1：1 的匝数比，并且不会改变两侧的电压或电流水平。隔离变压器的唯一目的是提供隔离。

2. 继电器

继电器是一种流行的隔离器，在电子和电气领域有着巨大的应用。根据应用的不同，电子市场上有许多不同类型的继电器。流行的类型是电磁继电器和固态继电器。

电磁继电器与电磁和机械可移动部件一起工作，通常称为极点。它包含一个电磁铁，用于移动极点并完成电路。当高压电路需要从低压电路控制时，继电器会产生隔离，反之亦然。在这种情况下，两个电路都是隔离的，但一个电路可以激励继电器以控制另一个电路。

在上图中，两个电路在电气上彼此独立。但是通过使用电路-1上的开关，用户可以控制电路2上的负载状态。了解有关如何在电路中使用继电器的更多信息。

固态继电器和机电继电器在工作方面没有太大区别。固态继电器的工作原理完全相同，但机电部分被光控二极管取代。由于固态继电器的输入和输出之间没有直接连接，可能会建立电流隔离。

3. 霍尔效应传感器

不用说，电流测量是电气和电子工程的一部分。目前有不同类型的电流传感方法。通常需要对高电压和高电流路径进行测量，并且值读取必须发送到作为测量电路一部分的低压电路。同样，从用户的角度来看，侵入性测量是危险的，也是不可能实现的。霍尔效应传感器提供精确的非接触式电流测量，并帮助以非侵入性的方式测量通过导体的电流。它提供了适当的隔离，并确保了远离危险电力的安全。霍尔效应传感器利用通过导体产生的电磁场来估计通过它的电流。

芯环以非侵入性方式钩在导体上，并且如上图所示进行电气隔离。

最不常用的隔离电路方法是使用电容器。由于效率低下和危险的故障结果，这不再是首选，但仍然知道当您想要构建粗糙的隔离器时，它可能会派上用场。电容器阻断直流并允许传递高频交流信号。由于这种优异的性能，电容器在需要阻断两个电路的直流电流但仍允许数据传输的设计中用作隔离器。

上图显示了用于隔离目的的电容器。发射器和接收器都是隔离的，但可以进行数据通信。

电流隔离非常重要，应用范围也很大。它是消费品以及工业、医疗和通信领域的重要参数。在工业电子市场中，配电系统、发电机、测量系统、电机控制器、输入输出逻辑设备等都需要电气隔离。

在医疗领域，隔离是设备的主要优先事项之一，因为医疗设备可以直接与患者的身体连接。这些设备是心电图，内窥镜，除颤器，各种想象设备。消费级通信系统也使用电流隔离。一个常见的例子是以太网、路由器、切换器、电话交换机等。普通消费品，如充电器、SMPS、计算机逻辑板是使用电流隔离的最常见产品。

以下电路是与微控制器单元在RS-485通信线路上电隔离全双工IC MAX14852（通信速度为500 kbps）或MAX14854（通信速度为25 Mbps）的典型应用电路。该IC由流行的半导体制造公司Maxim Integrated制造。

这个例子是工业设备上电流隔离的例子之一。RS-485是工业设备中广泛使用的传统通信协议。RS-485的流行用途是在TTL段上使用MODBUS协议。

假设高压交流变压器通过RS-485协议提供安装在变压器内部的传感器数据。需要将PLC设备与RS-485端口连接，以从变压器收集数据。但问题出在直接沟通线上。PLC使用非常低的电压电平，并且对高ESD或浪涌非常敏感。如果采用直接连接，PLC可能处于高风险之中，需要电气隔离。

这些IC对于保护PLC免受ESD或浪涌的影响非常有用。

根据数据表，两款IC的耐受能力为+/- 35kV ESD，2.75kVrms的耐受隔离电压长达60秒。不仅如此，这些IC还确认445Vrms的工作隔离电压，使其成为工业自动化设备中使用的合适隔离器。