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电气隔离

2018-08-21 09:56:45     所属分类:电路
变压器是最常用来作电气隔离的设备
光电耦合元件是数位电路中常用的电气隔离设备
标准双列直插封装中光电耦合元件,平面(上方)及硅圆顶(下方)配置的截面图。LED(红色)和感测器(绿色)的大小都比实际大小要大
光晶体管常会用来驱动HVDC的电路

电气隔离(Galvanic isolation)是指在电路中避免电流直接从某一区域流到另外一区域的方式,也就是在两个区域间不建立电流直接流动的路径[1]。虽然电流无法直接流过,但能量或是资讯仍可以经由其他方式传递,例如电容、电磁感应或电磁波,或是利用光学、声学或是机械的方式进行。

电气隔离常用在二个电路的接地在不同电势,但彼此需要交换资讯或是能量的场合。电气隔离因为让二个电路可以不共用接地导体,可以避免不想要的电流在二个电路之间流动,也就切断了接地回路英语ground loop (electricity)。电气隔离也用在电气安全上,避免意外产生的电流流到人员身上,因而造成触电。

目录

  • 1 方式
    • 1.1 变压器
    • 1.2 光电耦合元件
    • 1.3 机械式
    • 1.4 电容器
    • 1.5 霍尔效应
    • 1.6 磁致电阻
  • 2 应用
  • 3 参考资料
  • 4 相关条目

方式

变压器

变压器靠磁通量互相耦合,一次侧和二次侧的线圈之间没有导体使电流可以直接流过(自耦变压器的一次侧和二次侧是相连的,因此没有电气隔离的功能),依照工业标准,二个线圈之间的电压差可以高达数千伏特(隔离电压),而不会有绝缘破坏的情形。磁放大器英语Magnetic amplifier也是依类似的原理运作。变压器一般会用来改变交流电压的大小,而匜数比1:1的隔离变压器英语isolation transformer则用在安全相关的应用上。

若二个电气系统有共同的地点,这二个电气系统之间就没有电气隔离。共同地点一般来说不会(也不应该)连接到机能性的端子上,不过常常会连接到端子上。因此隔离变压器不会提供GND/earth的端子。

光电耦合元件

光电耦合元件利用光(或是红外线)来传递资讯。传收端(光源)及接收端(光感测器)在电气上是不相连的,一般会放在一个透明、绝缘的塑胶基材中。

机械式

继电器是用较小电流来控制较大电流的开关,小电流部分的电路通路时会启动电磁铁,使大电流部分电路电导通或是断开,二部分的电路也是隔离的,一般而言继电器的输出端允许电流较光电耦合元件要大,但其反应时间比较慢。

接触器的原理和继电器类似,而大电流(某些型别可达800安培)部分一般会有多组接点,可以控制交流与直流主回路,一般会连接电器或是马达等大型设备。

电容器

电容器可以允许交流电通过,但是会阻隔直流电,因此可以在不同直流电压的电路中传递交流信号,不过若电压差过大,电容器也可能会失效,变成二端直接短路的情形。

霍尔效应

霍尔效应传感器透过电感器,将磁场变化的资讯传换为电压。光电耦合元件中的光源寿命是有限的,而霍尔效应传感器无此问题,霍尔效应传感器也不用像变压器一样要考虑直流电压平衡的问题。

磁致电阻

磁耦合器(Magnetocouplers)利用了巨磁阻效应(GMR)将交流讯号转换为直流讯号。

应用

光电耦合元件常用来将控制电路和输电网络或是其他高电压电路隔离,原因可能是因为安全或是保护设备。例如功率半导体多半是用低压的电路来控制,并透过光电耦合元件来驱动功率半导体,因此低压电路可以和功率半导体的输出隔离。

变压器可以产生一组输出,其参考点相对于接地点的电压是浮动的,以避免可能出现的接地回路。功率级的隔离变压器可以提升设备的安全性,人员碰到设备后,不会有电流经由人体流到大地。例如电胡刀英语Electric razor专用的插头需要隔离变压器,这様若电胡刀掉到水中的话,也不会有触电的情形。

参考资料

  1. ^ John Huntington Show Networks and Control Systems: Formerly Control Systems for Live Entertainment 2012 ISBN 0615655904, page 98

相关条目

  • 光电耦合元件
  • 绝缘体

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