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电路设计中的隔离元器件选用

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摘要:在一般的电子电路线路设计时,经常需要考虑数字部分与模拟部分的隔离、光信号与电气信号的隔离等,而选用合适的隔离元器件是达到设计目的重要保障。分析总结了在频率要求不高的应用环境中各类隔离元器件的优缺点和选用注意事项,以正确的隔离元器件把噪声干扰的路径切断,保证线路按预期工作。

关键词:电路;隔离;元器件;选用

引言

电路设计时,通常需要考虑噪声的隔离问题,而隔离元器件可有效解决该问题,从而达到电磁兼容的目的。目前,隔离方式主要有:磁隔离、光隔离和隔离芯片等,而具体实现相应功能的元器件有光电耦合隔离器、电磁继电器、固态继电器、数字隔离芯片、脉冲变压器,用途最广泛、用量最大的主要是光电耦合隔离器和电磁继电器。

1光电耦合隔离器

光电耦合隔离器(以下简称光耦)是一种在同一封装体内同时集成发光元件和光敏元件的半导体光电子器件,其内部发光元件接受外部电信号发光,光敏元件接收光信号而产生电信号,以此来实现电信号的传输,其是以光为媒介达到将输入信号与内部电路隔离开来,如图1所示,或是把内部输出信号与外部电路隔离开来,如图2所示[1]。当前多数光耦的隔离电压都可达到2.5kV以上,部分更可达到8kV或更高,除隔离电压越来越高,其功率及电流也越来越大,可满足大功率大电流电路设计的要求,同时光耦的频率也越来越高,已可达10MHz或更高。利用光耦隔离性价比较高,但是选用时应考虑其响应速度。光耦具有响应快、体积小、寿命长、耐冲击能力强等优点,并且无触点、工作温度范围宽,输入输出完全隔离,在电子电气线路中广泛应用。缺点:有静态损耗,功率驱动(电流较小)。选用光耦在电路中起隔离作用时一般应注意的几个问题是:①隔离模拟信号时,应注意光耦的非线性问题,此时可考虑选用线性光耦;②隔离数字信号时,应注意光耦的响应速度问题,此时可考虑选用高速线性光耦如:6N135/6N136等;③如果输出有功率要求的话,还得考虑光耦的功率接口设计问题(包括散热);④考虑温度对光耦的影响,温度变化对其一些参数有较大影响。

2电磁继电器

电磁继电器的内部电磁线圈和触点是没有任何电气连接的,继电器工作时内部线圈接受输入信号,控制触点断开或闭合,进而对外输出控制信号,其从物理上实现了电子线路中强电和弱电信号之间的绝对隔离,实现了抗干扰隔离。优点:简单实用,价格低廉,隔离为物理隔离,无静态损耗。缺点:由于触点的存在,抗振动能力,误触动(抖动),存在脉冲瞬间大电流,其失效率较高。电磁继电器由于结构相对较复杂,如图3所示,其内部不但有电路、磁路,而且还有可动的机械部分,所以其可靠性相对较低,故在选用电磁继电器时应注意以下问题:①电磁继电器触点切换负载的能力有一定的范围,超出规定范围,会造成触点损伤或切换出现异常,故实际选用时,建议按触点额定负载电流的50%~70%降额选择,以提高继电器的使用寿命和可靠性[2];②选用的电磁继电器在正常工作时,其线圈电压最好是在其额定电压下工作,不应降额使用,同时也不应施加过高电压,否则会危及线圈寿命和使用可靠性;③电磁继电器线圈在通电瞬间,会产生反电动势,其幅值可达几十伏,甚至上百伏,故在选型时应考虑是否需要选用内部有保护措施的继电器;④由于材料和结构不同,电磁继电器能承受的环境力学条件各异,不能选用超过产品标准规定的环境力学条件下使用,可按比整机的环境力学条件高一级的条件选用。

3脉冲变压器

脉冲变压器的一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧,且其线圈匝数较少,如图4所示,这种结构可使脉冲变压器的分布电容极小,仅为几个pF,所以可用于脉冲信号的隔离[3]。脉冲变压器在传输脉冲信号时,可滤除直流信号,因而在电子线路设计时得到了广泛的应用。一般脉冲变压器所传递信号的频率在1k~1MHz之间,现在已有的高频脉冲变压器的传输频率可达到10MHz[4]。作为信号传输过程中的隔离,不作为开关。优点:价格相对较低,使用简单,且为无源,环境适应能力强。缺点:有时间延时,响应速度不快,对波形整形有限,体积相对较大,较难集成,失效率较高。脉冲变压器选用时应注意输入输出的阻抗匹配问题,同时要统筹兼顾其安放空间,来决定需要选用的路数。

4固态继电器

固态继电器一种没有机械运动、不含运动零件的继电器,利用电子元器件(功率场效应管等)的开关特性,磁或光特性实现可靠隔离,可实现无触点开关的功能,其可实现功率驱动,可靠性较高,但存在静态损耗大,体积较大。优点:可靠性高,内部使用的部件非机械部件,可在冲击环境下稳定运行,寿命长;其切换速度较快,且本身不产生电磁干扰,电磁兼容性好;在结构上多采用的方式是灌封气密,具有很强的抗振性。缺点:大电流时会产生严重的温升,从而影响继电器性能;本身不是物理隔离,静态功耗相对较高,在一些场合不适用。在选择固态继电器时应注意以下问题:①实际应用时的工作电压,通常需要保留一定的余量;②选用的固态继电器应与负载类型相匹配;③实际工作时的负载电流不可超过器件规定的绝对最大值,在环境温度升高时需要降额使用;④固态继电器在关断时,负载与电源没有完全隔离,此时应考虑安全性等问题。

5数字隔离芯片

数字隔离芯片的发展时间不长,但是发展速度较快,用途越来越广泛,尤其需要更高隔离性能的数据测量、数据通信等领域,在低频电子线路中用的较少。数字隔离芯片相比光电耦合器具有尺寸小、功耗小、时序精度高、速度高、易集成的优点;尤其是其易集成的特点,使其功能不单一局限于隔离,还可扩展集成其它功能,如AD公司iCoupler数字隔离器系列,有标准数字隔离器、集成PWM控制器和变压器驱动器的数字隔离器、USB2.0兼容型隔离器和隔离式I2C数字隔离器等。数字隔离芯片目前普遍价格相对较高,隔离电压还不能做太高;由于其在内部集成有微型变压器,故在有强磁场环境中性能易受影响,且其驱动能力相对较低。在选用数字隔离芯片时应注意由于其内部结构的特殊,在系统中使用可能存在EMI问题,同时注意隔离特性参数的理解和选择,以免产生安全问题。

6结束语

本文对电子线路设计时可能用到的几种隔离元器件的优缺点及选用注意事项作了概括性的论述,但实际设计产品时,还要对电气产品的内部噪声及各种干扰进行全面的分析,选择合理的隔离方式及恰当的隔离部位,并兼顾其它一些电子线路设计原则,才能设计出性能优异的电子产品。

参考文献

[1]曾素琼.电子电气设备的电路隔离技术探讨[J].低压电器,2005(011):51-57.

[2]罗凌.电磁继电器选型及可靠使用问题的分析[J].自动化与仪器仪表,2014(2):63-65.

[3]宋滨.电路的隔离技术[J].科学咨询(决策管理),2008(7):51.

[4]赵艳春.谈电子电气设备的电路隔离技术[J].科技创新导报,2008(23):118.

作者:李念念 张小强 单位:中国空空导弹研究院

电路设计中的隔离元器件选用责任编辑:张雨    阅读:人次