table des matières
2. Analyse d'isolement dans EMC
2.3. Isolation de la self de mode commun (inductance de mode commun)
Dans la conception de produits électroniques, afin de couper le canal de transmission des interférences entre le circuit interne du produit et le monde extérieur, ou pour des raisons d'isolation de sécurité, l'isolation est généralement utilisée dans le processus de transmission du signal du port d'E / S ou du circuit interne. Cette technologie d'isolation est L'une des technologies importantes de la CEM, son objectif principal est d'essayer de couper le chemin des interférences sonores à travers des composants d'isolation, de manière à obtenir l'effet de suppression des interférences sonores. Dans le cas des basses fréquences, après avoir adopté des mesures d'isolation, la plupart des circuits peuvent obtenir de bons effets de suppression du bruit, ce qui permet à l'équipement de répondre aux exigences de la CEM basse fréquence.
1. Classification d'isolement
L'isolement de circuit commun est couramment utilisé dans les situations suivantes:
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Isolation dans les circuits analogiques
Pour le système de mesure de signal analogique, le circuit d'isolation est relativement compliqué et il est nécessaire de prendre en compte les facteurs de précision et de bande passante, ainsi que le facteur de prix.
Dans le même temps, il existe des signaux haute tension et haute intensité, ainsi que des signaux micro-tension et micro-courant. Ces signaux doivent être isolés pour obtenir une isolation à une certaine fréquence.
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Isolation dans les circuits numériques
Le système d'entrée numérique utilise principalement l'isolation du transformateur d'isolation par impulsions et l'isolation du photocoupleur; le système de sortie numérique utilise principalement l'isolation du coupleur photoélectrique et l'isolation du relais. Dans certains cas, l'isolation du transformateur d'isolation haute fréquence peut également être utilisée.
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Isolation entre les circuits analogiques et numériques
D'une manière générale, la conversion entre un circuit analogique et un circuit numérique est réalisée par un convertisseur analogique / numérique (A / N) ou un convertisseur numérique / analogique (N / A). Cependant, si certaines mesures ne sont pas prises, les signaux périodiques haute fréquence dans le circuit numérique provoqueront une certaine interférence avec le circuit analogique et affecteront la précision de la mesure.
Afin de supprimer les interférences causées par le circuit numérique sur le circuit analogique, il est généralement nécessaire de câbler le circuit analogique et le circuit numérique séparément, mais ce type de méthode de câblage ne peut parfois pas éliminer complètement les interférences du circuit numérique. Pour éliminer les interférences du circuit numérique, vous pouvez isoler le circuit numérique du circuit analogique. La méthode d'isolation couramment utilisée consiste à ajouter un photocoupleur entre le convertisseur A / N et le circuit numérique pour isoler le circuit numérique du circuit analogique. Si ce circuit ne peut pas résoudre fondamentalement le problème d'interférence dans le circuit analogique, la partie de réception de signal et la partie de traitement analogique sont également isolées.
Par exemple, un amplificateur d'isolation linéaire est ajouté entre l'étage de pré-traitement et le convertisseur analogique-numérique (A / N), et un photocoupleur est utilisé pour isoler le convertisseur analogique-numérique (A / N) et le circuit numérique. Séparé du sol numérique. De cette manière, il empêche non seulement les interférences du système numérique d'entrer dans la partie analogique, mais bloque également les interférences de mode commun et les interférences de mode différentiel de la partie de circuit avant. L'isolement du circuit numérique-analogique (N / A) est similaire à l'isolement du circuit analogique-numérique (A / N), de sorte que les mesures techniques prises sont similaires.
2. Analyse d'isolement dans EMC
Ensuite, nous utiliserons des boîtiers d'isolement optocoupleur, d'isolation de relais et d'isolement de self de mode commun (inductance de mode commun) pour comprendre la méthode de conception d'isolement en CEM.
2.1, isolation optocoupleur
Les optocoupleurs ont les caractéristiques de petite taille, longue durée de vie, large plage de températures de fonctionnement et sans contact, ils sont donc largement utilisés dans divers appareils électroniques. Les optocoupleurs peuvent être utilisés dans les circuits d'isolation, les interfaces de charge et divers produits industriels, appareils ménagers et autres circuits. Les dispositifs de couplage optique sont couramment utilisés dans le matériel pour réaliser une isolation «électricité-optique-électricité», qui peut détruire l'entrée de courant de mode commun dans une certaine mesure, réaliser de manière fiable une isolation du signal et former facilement divers états fonctionnels.
L'utilisation de photocoupleurs (optocoupleurs pour faire court) peut couper la connexion directe des signaux électriques et utiliser la lumière pour réaliser la transmission du signal. L'isolation photoélectrique est réalisée par des dispositifs de couplage photoélectrique. Le dispositif de couplage photoélectrique est un dispositif qui combine des dispositifs électroluminescents (tels que des diodes électroluminescentes) et des dispositifs photosensibles (tels que des triodes photosensibles) ensemble, et forme des dispositifs de conversion électrique-optique et optique-électrique par couplage photoélectrique. La figure ci-dessous est un diagramme schématique d'un photocoupleur triode couramment utilisé. La lumière est utilisée comme support pour transmettre des informations lors du travail, de sorte que l'entrée et la sortie sont isolées électriquement.
Il existe une capacité parasite entre les deux extrémités de l'optocoupleur isolées par le signal optique, qui est généralement de 2pF Un optocoupleur peut assurer une bonne isolation à de très hautes fréquences. Lorsqu'un signal électrique est envoyé à l'extrémité d'entrée du photocoupleur, la diode électroluminescente émet de la lumière à travers le courant, et l'élément photosensible génère du courant après avoir été éclairé, et le phototransistor est activé; lorsqu'il n'y a pas de signal à l'extrémité d'entrée, la diode électroluminescente est désactivée et le phototransistor est désactivé. Pour les grandeurs numériques, lorsque l'entrée est de niveau bas "0", le phototransistor est coupé, lorsque l'entrée est de niveau haut "1", le phototransistor est saturé et conduit.
En raison de la série de caractéristiques susmentionnée des dispositifs de couplage photoélectrique, ils ont été largement utilisés dans les produits électroniques, en particulier dans les systèmes de mesure et de contrôle, et sont devenus des dispositifs d'isolation très importants dans la technologie d'interface.
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Isolation photoélectrique dans le circuit d'interface du micro-ordinateur monopuce
Le micro-ordinateur monopuce dispose de plusieurs ports d'entrée pour recevoir les signaux d'état des dispositifs de terrain distants.Une fois que le processeur monopuce traite ces signaux, il délivre divers signaux de commande pour effectuer les opérations correspondantes. Lorsque l'environnement du site est rude, les interférences sonores sont plus importantes. Si ces interférences pénètrent dans le système du micro-ordinateur avec le signal d'entrée, la précision du contrôle sera réduite et des dysfonctionnements se produiront.
Par conséquent, un optocoupleur peut être utilisé comme interface aux extrémités d'entrée et de sortie du microcontrôleur pour isoler le signal et le bruit. Par exemple, une isolation optique est effectuée à la sortie de signal numérique du "convertisseur A / N" pour isoler le circuit analogique et le circuit numérique l'un de l'autre, et jouer un rôle dans la suppression des interférences de mode commun. Pour les voies de circuits analogiques linéaires, les photocoupleurs doivent être capables de conversion linéaire et de caractéristiques de transmission.
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Isolation photoélectrique du circuit de commande de puissance
Dans le système de contrôle, l'isolation photoélectrique est largement utilisée dans le contrôle des grandeurs de commutation. Ces quantités de commutation sont généralement fournies par les E / S du micro-ordinateur monopuce, et la capacité de pilotage des E / S est limitée, généralement insuffisante pour piloter certains actionneurs électromagnétiques, et elle doit être connectée au variateur. Pour éviter les interférences, le circuit d'interface doit être isolé. Par exemple, le circuit principal où se trouve le thyristor est généralement une boucle de courant alternatif fort, avec une tension élevée et un courant élevé, et il n'est pas facile de se connecter directement avec le micro-ordinateur monopuce. Un optocoupleur peut être utilisé pour isoler le signal de commande du micro-ordinateur du circuit de déclenchement du thyristor. Le schéma du variateur d'isolement du thyristor bidirectionnel est le suivant Montré:
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Transmission isolée longue distance
Dans le système de mesure et de contrôle, une transmission à fil long est inévitablement nécessaire entre le système de mesure et de contrôle et l'équipement mesuré et contrôlé, et le signal est facilement interféré pendant le processus de transmission, entraînant une distorsion ou une distorsion du signal de transmission. De plus, entre des appareils éloignés les uns des autres par un long câble, la différence de potentiel de masse entre les appareils (à basses fréquences) se traduit souvent par un courant de boucle de masse en mode commun basse fréquence, formant une tension d'interférence en mode différentiel sur le circuit. Afin d'assurer la fiabilité de la transmission à long terme, des mesures d'isolation du coupleur photoélectrique peuvent être utilisées pour améliorer les performances anti-interférences du système de circuits. Si la ligne de transmission est longue et que les interférences de champ sont graves, la longue ligne peut être complètement «flottée» par un photocoupleur à deux étages, et le photocoupleur de la ligne de transmission peut être flotté, comme le montre la figure suivante:
Le «flottement» de la transmission sur longue ligne consiste à retirer le fil de terre commun aux deux extrémités du long fil, ce qui non seulement élimine efficacement la diaphonie de la tension de bruit générée lorsque le courant de chaque circuit passe à travers le fil de terre commun, mais résout également efficacement l'entraînement de longue ligne et l'adaptation d'impédance problème. Dans le même temps, lorsque l'appareil contrôlé est court-circuité, il peut protéger le système contre les dommages. Mais ce genre de "flottant" ne convient que pour les basses fréquences, à haute fréquence, le "flottant" causera de sérieux problèmes CEM. Beaucoup de gens pensent que les optocoupleurs sont le moyen le plus idéal pour couper les chemins d'interférence. Cependant, bien que les optocoupleurs présentent les caractéristiques et avantages ci-dessus qui sont propices à la CEM, lorsque vous utilisez des optocoupleurs pour l'isolation, vous devez faire attention aux points suivants:
1. Des alimentations séparées et isolées doivent être utilisées dans la partie entrée et la partie sortie du photocoupleur.Si les deux extrémités partagent une alimentation électrique, la fonction d'isolement du photocoupleur n'aura aucun sens. Même s'il s'agit d'une alimentation isolée, si vous souhaitez assurer une isolation haute fréquence, vous devez vous assurer que l'isolation de l'alimentation est équivalente à celle de l'optocoupleur, c'est-à-dire que la capacité parasite entre deux alimentations indépendantes est équivalente à la capacité parasite aux deux extrémités de l'optocoupleur. Sinon, les signaux haute fréquence entreront de l'autre côté de l'isolement via l'alimentation électrique, ce qui entraînera l'échec de l'isolement aux hautes fréquences. En fait, en raison de la capacité parasite relativement importante entre les transformateurs d'isolement d'alimentation primaire et secondaire, l'alimentation ne peut pas être bien isolée à hautes fréquences, ce qui réduit l'effet d'isolation global.
2. Lors de l'utilisation d'un photocoupleur pour isoler les canaux d'entrée / sortie, tous les signaux (y compris les signaux numériques, les signaux de commande et les signaux d'état) doivent être isolés afin qu'il n'y ait pas de connexion électrique entre les deux côtés de l'isolement, sinon cela Cet isolement n'a pas de sens.
3. Pour l'isolation du signal multicanal, plusieurs optocoupleurs sont utilisés en parallèle, ce qui réduira l'isolation haute fréquence de l'ensemble du circuit, car la connexion en parallèle de plusieurs optocoupleurs augmente la capacité parasite totale entre les deux extrémités de l'optocoupleur, ce qui entraîne une haute fréquence L'effet d'isolement s'aggrave.
4. L'optocoupleur n'étant pas complètement isolé au sens de haute fréquence, dans la conception du produit, lorsqu'une interférence est appliquée à une extrémité de l'optocoupleur, le signal à l'autre extrémité de l'optocoupleur doit également être filtré.
Il existe deux méthodes de filtrage optocoupleur:
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Pour un optocoupleur avec une borne de base, un condensateur de filtrage est connecté en parallèle à la borne de base. La valeur du condensateur de filtrage est supérieure à 100pF. La valeur spécifique dépend de la fréquence de fonctionnement de l'optocoupleur, comme illustré dans la figure suivante:
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Pour un optocoupleur sans borne de base, un condensateur de filtrage est connecté en parallèle à la borne de collecteur. La valeur du condensateur de filtrage est également supérieure à 100pF. La valeur spécifique dépend de la fréquence de fonctionnement de l'optocoupleur. Comme indiqué ci-dessous:
2.2. Isolation des relais
Les relais électromagnétiques sont généralement composés d'un noyau de fer, d'une bobine, d'une armature, d'une lame de contact, etc. Tant qu'une certaine tension est appliquée aux deux extrémités de la bobine, un certain courant circulera dans la bobine, ce qui produira des effets électromagnétiques. Sous l'action de l'attraction électromagnétique, l'armature surmontera la force de traction du ressort de rappel et attirera vers le noyau, entraînant ainsi l'armature. Le contact mobile et le contact statique (contact normalement ouvert) sont rapprochés. Lorsque la bobine est mise hors tension, l'attraction électromagnétique disparaîtra également et l'armature reviendra à sa position d'origine sous l'action de la force de réaction du ressort, de sorte que le contact mobile est attiré vers le contact statique d'origine (contact normalement fermé). Un tel tirage et une telle libération ont pour but de conduire et de couper dans le circuit. Pour les contacts "normalement ouverts et normalement fermés" du relais, il peut être distingué comme suit: le contact statique qui est à l'état bloqué lorsque le relais n'est pas alimenté est appelé "contact normalement ouvert", et le contact statique qui est à l'état passant est appelé " Contact normalement fermé ".
Le relais est en fait un dispositif de contrôle électronique, qui possède un système de contrôle (également appelé boucle d'entrée) et un système contrôlé (également appelé boucle de sortie). Il est généralement utilisé dans les circuits de contrôle automatique. Il utilise en fait un courant plus petit pour contrôler Une sorte de "commutateur automatique" avec un courant plus élevé, qui joue le rôle d'ajustement automatique, de protection de sécurité et de circuit de conversion dans le circuit. Comme le montre la figure ci-dessous, lorsqu'un niveau élevé est entré au point A, le transistor T est saturé et activé, et le relais J est fermé; lorsque le point A est à un niveau bas, T est désactivé et le relais J est relâché, terminant le processus de transmission du signal. D est une diode de protection. Lorsque T passe de marche à arrêt, une force électromagnétique arrière élevée est générée aux deux extrémités de la bobine de relais pour continuer à maintenir le courant I. Étant donné que la force contre-électromotrice est généralement élevée, il est facile de provoquer une rupture en T. Après avoir ajouté la diode D, un circuit de décharge est prévu pour l'EMF arrière, protégeant ainsi le transistor T.
Apprentissage étendu: comment concevoir un circuit de relais de commande de transistor
Dans l'application, l'isolation du relais est généralement utilisée avec l'optocoupleur. Le schéma de principe est le suivant:
2.3. Isolation de la self de mode commun (inductance de mode commun)
Lors de la discussion sur les interférences de mode commun, il existe un dispositif d'inductance utilisé pour supprimer les interférences de mode commun appelé inductance de mode commun (Choke de mode commun), également appelée inductance de mode commun. L'inductance de mode commun n'est pas un dispositif d'isolation comme l'isolement optocoupleur et l'isolement de relais.Les deux extrémités isolées de ces dispositifs sont transmises par des signaux magnétiques ou optiques. Lorsque des inductances de mode commun sont utilisées dans le domaine CEM, leur fonction principale est d'isoler les interférences de mode commun aux extrémités d'entrée / sortie de l'inductance de mode commun.
La figure suivante montre le diagramme schématique de l'inductance de mode commun. Sur la photo, La et Lb sont des bobines d'inductance en mode commun. Les deux bobines sont enroulées sur le même noyau de fer avec le même nombre de spires et de phase (enroulement dans des sens opposés). De cette façon, lorsque le courant normal dans le circuit circule à travers l'inductance de mode commun, les courants génèrent des champs magnétiques opposés dans les bobines d'inductance enroulées dans la même phase et s'annulent. À ce stade, le courant de signal normal n'est affecté que par la résistance de la bobine (et une petite quantité de fuite due à une fuite). Lorsqu'un courant de mode commun circule à travers la bobine, en raison de la même direction du courant de mode commun, un champ magnétique dans le même sens sera généré dans la bobine, ce qui augmentera la réactance inductive de la bobine, faisant que la bobine se comporte comme une impédance élevée. Effet d'amortissement fort, afin d' atténuer le courant de mode commun, pour atteindre l'objectif de filtrage . Une autre caractéristique des inductances de mode commun est que pour éviter la saturation magnétique, les inductances de mode commun peuvent utiliser un noyau à perméabilité plus élevée et obtenir une inductance plus élevée lorsque le noyau est relativement petit, c'est pourquoi il ne peut pas être utilisé. La raison pour laquelle deux inductances de mode différentiel connectées en série sur la ligne de signal et la ligne de retour de signal remplacent une inductance de mode commun.
Les inductances de mode commun sont généralement utilisées en série entre des signaux de transmission équilibrés tels que des signaux différentiels et ne peuvent pas être utilisées dans des circuits de signaux asymétriques. La conception des bus de communication RS485 et CAN dans l'industrie utilise principalement des inductances de mode commun pour l'isolation. Un exemple de schéma de principe de bus RS485 industriel est présenté ci-dessous:
