在工廠中,出于安全和實現(xiàn) 信號質(zhì)量的原因,測量和控制信號的傳輸幾乎總是要求對處理的信號進行電氣隔離(見圖1)。
在危險高壓下,或者有爆炸危險的區(qū)域測量時,不同地電位(見圖2,例如工廠中相隔很遠的兩個部分)以及高共模電壓不允許將測量信號與其它設(shè)備或組件直接相連。這種情況下,對傳輸?shù)男盘栠M行電氣隔離是必要的。
Knick為各種設(shè)計提供合適的電氣隔離組件以滿足這些要求。產(chǎn)品范圍包括模塊式外 殼、達到IP68防護標準的M12現(xiàn)場外殼、焊入式模塊和歐洲標準卡。根據(jù)型號不同,適當(dāng)?shù)臏y量信號也可以放大或轉(zhuǎn)換為10 V或20 mA的標準值。幾mV到3000 V的電壓和幾μA到10 A的電流可以實現(xiàn)高精度傳輸或轉(zhuǎn)換。
圖1:危險高壓的隔離
圖2:避免電位差引起干擾
有源和無源隔離器
工作原理:
交流電壓和交流電流很容易利用變壓器傳輸并進行電氣隔離。變壓器非??煽?、易于生產(chǎn)且適合較高的工作或隔離電壓。
然而,變壓器不能傳輸直流電壓信號。因此,首先利用電子斬波器將直流電壓信號轉(zhuǎn)換為交流電壓。然后,通過一個變壓器將該交流電壓傳輸?shù)礁边呺娐?,在副邊電路中用斬波頻率對其進行同步整流(見圖3)。由此得到的直流電壓便可根據(jù)需要進行轉(zhuǎn)換或放大。
圖3:采用基于變壓器隔離的隔離器框圖
VariTrans系列現(xiàn)代可切換隔離放大器或新型6-mm級變送器用于依據(jù)不同的原 理進行信號處理。輸入信號轉(zhuǎn)換為恒定頻率的矩形信號。矩形電壓的占空比隨輸入電壓而變化(脈寬調(diào)制或PWM)。脈寬調(diào)制的矩形信號通過變壓器實現(xiàn)的電氣隔 離傳輸?shù)捷敵龆耍?然后利用低通濾波器將其重新轉(zhuǎn)換為電壓或電流(見圖4)。
圖4:PWM原理:脈寬調(diào)制
隔離放大器或變送器的傳輸比由微控制器控制。設(shè)置利用DIP和旋轉(zhuǎn)編碼器開關(guān)設(shè)定。這些開關(guān)并未納入放大器電路的負反饋中,僅用于切換數(shù)字信號,因此并不攜帶電流,不會引起任何接觸電阻故障。
1.1 外部供電的隔離放大器(有源隔離器)
隔離放大器是測量信號電流隔離zui常用的一類器件。通常,它們不僅用作電位隔離器,而且 用作變送器,將電壓或電流轉(zhuǎn)換為20 mA或10 V標準信號。測量信號以1:1傳輸時,它們還可用于提高信號負載容量。隔離放大器對輸入信號的負載一般可忽略不計。隔離放大器一般需要外部電源??汕袚Q隔 離放大器VariTrans P 27000和P 15000是典型實例。
單極性信號處理用隔離放大器
僅適合傳輸單極性測量信號的隔離放大器,可以用在許多應(yīng)用中,例如處理標準0/4 ... 20 mA和0 ... 10 號。Knick所有單極性隔離放大器的控制范圍均擴展到負范圍的幾個百分點,以便在零點附近也能實現(xiàn)精確傳輸(見圖5)。
圖5:有源單極性隔離放大器框圖
雙極性信號處理用隔離放大器
常常需要處理雙極性測量信號,例如當(dāng)電機電流必須在兩個旋轉(zhuǎn)方向上進行測量時。測量距離或為了提高測量信號的分辨率時,也會處理雙極性信號。Knick同樣提供多種類型的雙極性隔離放大器,例如用于處理雙極性標準信號的VariTrans A 26000(見圖6)。
圖6:有源雙極性隔離放大器框圖
1.2 環(huán)路供電隔離器(無源隔離器)
外加電流信號的電位隔離并不一定需要有源隔離放大器。常常也可以不受限制地使用環(huán)路供電隔離器。Knick無源隔離器不需要電源,電源由測量信號在輸入引腳上的壓降提供。無源隔離器的電壓要求會降低輸入信號的負載能力。
無源隔離器適合單極性電流信號的1:1傳輸。是否適合某種應(yīng)用,應(yīng)根據(jù)輸入信號負載能力和輸出負載進行檢查。
例1:
環(huán)路供電隔離器輸入為0 ... 20-mA信號的變送器可以支持的zui大負載為10 V(Iin = 0 ...20 mA,Vin max = 10 V)。環(huán)路供電隔離器的壓降Vdrop額定值為2.5 V。利用公式Vin = Vdrop + (Iout • RL),得出zui大輸出負載為:
RL max = (Vin max – Vdrop) / 20 mA = 375 ohms(見圖7)
圖7:例1的電路圖
環(huán)路供電隔離器不支持信號放大,并且有反饋,也就是說輸出負載會直接作用于輸入信號。因此,當(dāng)輸出開路時(無限阻抗),電流無法在輸入電路中流動(見圖8)。
圖8:輸出開路的環(huán)路供電隔離器
直到目前,對于無法杜絕輸出電路中斷的情況,處理方法還是在隔離器輸出端并聯(lián)一個齊納二極管。當(dāng)輸出電路開路時,輸入電流流經(jīng)輸出端的齊納二極管(見圖9)。這種方法常常會變得很復(fù)雜,在實踐中容易出問題。
圖9:長距離傳輸測量信號
Knick利用Bürdenstop®(負載停止)功能解決了這個問題,從而大大擴展 了環(huán)路供電隔離器的可能應(yīng)用范圍。原邊提供的電流保持不變,獨立于輸出負載。這樣就可以補償輸出端任何過大的負載增加,例如線路中斷或不定負載(包括復(fù)阻 抗)引起的負載增加。無源隔離器IsoTrans M12-A200和IsoTrans A 20400提供負載停止功能選項。當(dāng)輸出負載(例如控制器的輸入電阻)zui高為60 Ω時,帶負載停止功能的無源隔離器是 解決方案(見圖10)。
圖10:帶負載停止功能的傳遞函數(shù)
Knick無源隔離器所需的工作電流非常低。根據(jù)型號不同,其工作電流在大約2 μA到150 μA范圍,不