光隔離探頭與高壓差分探頭的可替代性討論

一、原理

光隔離探頭主要基于光電轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行工作。如圖1所示，當(dāng)探頭感應(yīng)到線路中的電流或電壓信號(hào)時(shí)，電信號(hào)通過電光轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，光信號(hào)通過光纖進(jìn)行傳輸，再通過光電還原器還原為電信號(hào)，輸入到示波器等測(cè)量設(shè)備，進(jìn)行下一步處理和分析。光信號(hào)在傳輸過程中不依靠電氣連接且本身不攜帶電能。因此，可以隔絕線路和測(cè)量設(shè)備之間的電氣通路。即使線路電壓極高，也不會(huì)通過光隔離探頭傳導(dǎo)到測(cè)試人員身上或測(cè)量設(shè)備中，具有較高的安全性。

圖1 光隔離探頭原理圖

類似的，高壓差分探頭也可以用來測(cè)量高壓信號(hào)，且擁有共模抑制能力。但高壓差分探頭仍然依賴電氣連接進(jìn)行工作，在共模電壓較高、噪聲干擾強(qiáng)的環(huán)境中，差分探頭可能會(huì)引發(fā)測(cè)量設(shè)備損壞。而光隔離探頭通過光信號(hào)傳遞電壓變化，不依賴于輸入端和輸出端的電氣連接，可以完全切斷地線之間可能形成的回路或者干擾。這種特性使光隔離探頭在某些應(yīng)用場(chǎng)合中成為唯一可供使用的探頭。

二、高壓差分探頭能否替代光隔離探頭?

1. 不能替代的應(yīng)用場(chǎng)景

當(dāng)測(cè)量全橋或者半橋結(jié)構(gòu)的上管柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)候，高側(cè)的參考電位會(huì)隨主路的電壓上下浮動(dòng)。此時(shí)，使用光隔離探頭進(jìn)行測(cè)量就可以避免接地電位差帶來的風(fēng)險(xiǎn)，保證測(cè)量設(shè)備不被損壞。由于共模電壓過高，若使用高壓差分探頭進(jìn)行測(cè)量，容易超過探頭的耐壓范圍，損傷探頭或者測(cè)量設(shè)備。在電動(dòng)汽車逆變器測(cè)試、軌道交通牽引系統(tǒng)等浮地高壓系統(tǒng)中，功率回路懸浮在高壓上。在這種情況下，同樣只有使用光隔離探頭才能實(shí)現(xiàn)真正的安全測(cè)量。

2. 可替代的應(yīng)用場(chǎng)景

在一些電氣環(huán)境較為溫和、共模電壓較低且測(cè)試參考地清晰的場(chǎng)景中，使用高壓差分探頭則可以在保證基本安全與測(cè)量精度的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的有效捕捉，且通常成本更低、連接更簡(jiǎn)便。如果信號(hào)的共模電壓相對(duì)穩(wěn)定，地線之間沒有明細(xì)的電位差，且額定共模范圍在差分探頭的額定范圍以內(nèi)。例如，測(cè)量工業(yè)電子設(shè)備中器件兩端的電壓變化、開關(guān)電源低壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，差分探頭可以準(zhǔn)確并安全的進(jìn)行測(cè)量。且因?yàn)椴罘痔筋^的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、信號(hào)延遲較小，可以進(jìn)行快速重復(fù)性的測(cè)量。

三、總結(jié)

因此，在涉及到高共模電壓、不穩(wěn)定參考地的場(chǎng)合下，若想保證測(cè)試設(shè)備和測(cè)試人員的安全，必須使用光隔離探頭。當(dāng)電壓范圍測(cè)量設(shè)備可以適應(yīng)且共模干擾相對(duì)較小時(shí)，高壓差分探頭則可以成為有效的替代方案。

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