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測試與測量  

透過有效隔離為測試與量測設備提供更佳保護

上網時間: 2008年02月25日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:實體隔離  電氣隔離  突波電壓 

要取得更高精確度的資料擷取能力,測試與量測設備設計工程師必須面對在高共模電壓影響系統的情況下測量小訊號變動的挑戰,這些高電壓主要由兩個接地面不同的電壓位準,或由閃電或者是馬達或交換設備電源突波等所造成的瞬間電壓變化所產生,這些電壓不僅會影響到測量的精確度,同時還可能破壞系統本身並造成操作人員觸電的危險。

因此我們需要能夠進行兩個系統實體與電氣隔離的隔離器來避免受到兩個系統或電路間瞬間電壓突波的破壞,加入它們來提供同時出現在兩個訊號接腳與共同接地間更高的共模電壓範圍,這對例如測量以串列方式連接電池組上的電壓相當重要。隔離器可以用來切斷接地迴路,也就是電氣系統中使用共同路徑兩點間不必要的電流,並且已經廣泛應用在測量差動電壓的探針量測系統中,此外,隔離器也可以做為位準轉換器,解決系統或電路間不同電壓位準的相容性問題。

應用在量測設備中的隔離器不僅能夠維護系統的安全性,同時還可以保護操作人員,在重要性上相當高,因此受到了高電壓儀器設備設計安全標準的規範,目前這方面主要有兩個標準,分別為測試與量測儀器設備用的IEC 61010-1,以及資訊相關應用設備的IEC60950-1。在標準中,30Vrms與40.2V峰值或60VDC被定義為具有危險性的電壓,因此在這個使用者會接觸的超低電壓電路上就需要隔離器。

市場上提供有許多具備不同絕緣能力的隔離器產品,通常以功能型、基本型、雙重型與強化型等類別來加以區分,功能型隔離器並不提供電氣衝擊的保護,基本絕緣則僅提供單一基本絕緣等級,使用者不會直接接觸,雙重絕緣則在基本絕緣上進一步加上輔助絕緣以提供電擊的保護,強化絕緣則是提供和雙重絕緣相同等級的電擊保護,並可以確保失效安全模式。

失效安全模式是一個當系統失效或偵測到錯誤情況發生時,自動停止運作並讓零組件維持在安全狀態的系統停止模式,以便讓操作人員可以安全地碰觸。在絕緣型式與工作電壓規格外,這些標準同時還定義了不同形式儀器設備所要求的間隔、沿面距離與隔空間隙,沿面距離定義為兩個通電隔離導體間實體介質上的最短表面路徑距離,外部隔空間隙則是兩個通電隔離導體間透過空氣或可視範圍路徑間的最短距離,例如以300V尖峰電壓運作的系統為例,沿面距離的要求在3~4mm。

隔離器可以依訊號傳輸技術的不同來加以分類,有三種主要型式,分別為電磁式、電容式與光學式隔離器,採用磁場耦合的變壓器式隔離器通常效率較高,普遍使用在超長距離應用上,基本上它會吸收不必要的頻率而不是提供真正的隔離,同時容易受到磁場干擾的影響。電容式隔離器則會在由氧化物組成的絕緣物上傳輸資料,不過由於元件本身的電容特性,因此容易在高工作頻率下受到高頻雜訊影響,造成瞬間電壓變化抵抗能力與隔離電壓的降低。

較為普遍的隔離器之一為光學隔離器,也就是我們所熟知的光耦合器,光耦合器使用光來傳輸訊號,同時這些光學訊號不會受到EMI干擾的影響,此外,不同包裝尺寸所提供高達5kV的電氣隔離效果可以符合系統間隔或8mm沿面距離與隔空間隙的要求。雖然過去光耦合器的工作頻率範圍受到限制,但透過技術的突破,光耦合器目前已經能夠以高達50MBd的速度傳送訊號,傳遞延遲則只有22ns,因此可以支援高頻率的資料傳輸。

由安華高科技(Avago)公司所提供的光耦合器在設計上能夠提供強化絕緣效果,並通過光學隔離半導體元件國際標準IEC/EN/DIN EN 60747-5-2的認證。此外,同樣由Avago提供,共模拒斥能力高達30kV/μs的光耦合器還可以確保高共模電壓變化不會影響到輸出的邏輯位準,光耦合器是傳遞目標差動模式訊號的高效率元件,可以遮斷因接地迴路電流所造成的不必要共模電流以及衍生的接地電壓差,圖一為光耦合器如何應用在資料擷取模組中的範例。

測試與量測設備要能夠確保資料完整性同時保護使用者,安全隔離的設計就顯得相當重要,在選擇隔離器時,不僅要考慮到反應速度效能表現,更重要的是必須注意到它所提供的絕緣能力與規格,以便能夠符合安全標準規範的要求。

圖1:安華高科技數位式光耦合器,如ACPL-072L-000E、HCPL-0723-000E與ACSL-6400應用在測試與量測設備中資料擷取模組上的情形。
圖1:安華高科技數位式光耦合器,如ACPL-072L-000E、HCPL-0723-000E與ACSL-6400應用在測試與量測設備中資料擷取模組上的情形。

作者:Yeo Siok Been

產品經理

安華高科技




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