如何通过信号隔离消除接地环路

隔离电路有很多原因，显着的是避免接地环路或消除敏感电子电路中的传导噪声。工程师可能还需要将工作在不同电势下的两个电路桥接在一起。无论哪种情况，应用电流隔离对于良好的工程实践都是必不可少的，并且可以在许多商业和工业产品和设备中找到。无论何种应用，辐射噪声和传导噪声都会显着降低电路稳健地生成或传输信号的能力，尤其是在可能存在机器、电机、高压和大电流的商业应用中。有时，需要完全隔离的电源来消除接地环路和机箱噪声。该项目的重点是提供干净的隔离电源和控制系统的隔离信号路径。请注意，多个信号隔离器可用于构建闭环控制系统，这是当今自动化所必需的。隔离电源和隔离信号是两个不同的东西，所以让我们来探讨一下。

1. 隔离电源：几乎每个隔离电源（交流或直流）都是围绕变压器隔离构建的，但在本项目中，我们将重点关注隔离概念而不是电源设计。DC 到 DC 的转换很复杂，添加隔离使得从头开始设计变得更加困难。好消息是，许多集成电路制造商已经承担了复杂性，并在易于使用的芯片中为我们提供了许多很棒的选择！我们将使用 Texas Instrument 的DCH01，这是一款现成的微型 5 伏 DC-DC 转换器，具有内置电流隔离以提供隔离电源。我们将对输入引脚施加 5VDC 和接地，并在输出引脚上接收隔离的 5VDC 和接地。多么酷啊！

2. 隔离信号：隔离信号有几种不同的方法，但在本项目中，我们将使用光隔离器（也称为光耦合器）。几十年来，光隔离器一直是工程界的主要产品。它们将传入的电信号转换为光，然后光通过间隙传输并由光电晶体管接收，光电晶体管将光转换回电信号。该间隙提供了移除接地环路所需的隔离屏障。 

在下面的实验中，让我们学习如何使用少量组件、一个电源和一块面包板构建隔离电路。一旦我们构建了所有内容并测试了电路，我们将在混音中添加一个 Arduino Uno 并创建一个隔离信号输出。 

下面是您可以构建和测试以开始使用的电路示意图。我们将修改它以合并 Arduino Uno，但现在它解释了基础知识。顶部的黄色框是 DCH01 DC-DC 转换器的示意图。当您将 5VDC 施加到引脚 1 并接地到引脚 2 时，当参考引脚 5 时，您在引脚 7 上实现了一个隔离的 5VDC。（*注意，如果引脚 7 没有负载，输出读数应该在 8VDC 左右 - 这没关系.) 灰色框是 HCPL2631 光电耦合器的示意图。光耦合器的每个输入 LED 都有相应的“集电极开路”输出。当电流流过内部光学器件时，它会通过隔离间隙传输光，并使输出晶体管“导通”。在我们的示例中，输出端（引脚 7）上的隔离信号被 1.5k 欧姆电阻拉高，因此默认情况下信号为高电平。当输入（引脚 2）上的开关闭合时，电流流过输入 LED 并允许输出晶体管“导通”（或达到饱和）。一旦输出晶体管达到饱和状态，它就会从上拉电阻吸收电流，并使隔离信号尽可能接近隔离地。因此，在数字方面，LOW 输入 = LOW 输出，HIGH 输入 = HIGH 输出。

好的，现在我们已经熟悉了隔离原理和功能原型电路，让我们添加智能（好吧，有点像！）Arduino Uno。首先，让 Arduino Uno 开始工作。启动Arduino IDE编程环境（可以在这里）。打开 Arduino 示例中的“Blink”草图。然后，在 Tools --> Board --> Arduino Uno 下选择你的目标 Arduino，并上传代码。

从您的 Arduino Uno 到 HCPL2631 和 DCH010505 进行以下连接。我们将在 Arduino 上使用引脚 13，因为它与 LED 相连。然后，当 Arduino LED 闪烁时，我们隔离的 LED 也会闪烁！

当 Arduino Uno 将引脚 13 设置为高电平时，没有电流流过光隔离器的输入，隔离信号保持拉高。当 Arduino 将引脚 13 设置为低时，电流流过光隔离器输入并对输出晶体管进行偏置，从而允许电流流过隔离 LED 并提供低隔离信号。下面是我的面包板设置和演示设置的简短视频。干杯!