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有源和无源隔离器

工作原理:

交流电压和交流电流很容易利用变压器传输并进行电气隔离。变压器非常可靠、易于生产且适合较高的工作或隔离电压。

然而,变压器不能传输直流电压信号。因此,首先利用电子斩波器将直流电压信号转换为交流电压。然后,通过一个变压器将该交流电压传输到副边电路,在副边电路中用斩波频率对其进行同步整流(见图3)。由此得到的直流电压便可根据需要进行转换或放大。

采用基于变压器隔离的隔离器框图

图3:采用基于变压器隔离的隔离器框图

VariTrans系列现代可切换隔离放大器或新型6-mm级变送器用于依据不同的原 理进行信号处理。输入信号转换为恒定频率的矩形信号。矩形电压的占空比随输入电压而变化(脉宽调制或PWM)。脉宽调制的矩形信号通过变压器实现的电气隔 离传输到输出端, 然后利用低通滤波器将其重新转换为电压或电流(见图4)。

PWM原理:脉宽调制

图4:PWM原理:脉宽调制

隔离放大器或变送器的传输比由微控制器控制。设置利用DIP和旋转编码器开关设定。这些开关并未纳入放大器电路的负反馈中,仅用于切换数字信号,因此并不携带电流,不会引起任何接触电阻故障。

1.1 外部供电的隔离放大器(有源隔离器)

隔离放大器是测量信号电流隔离最常用的一类器件。通常,它们不仅用作电位隔离器,而且 用作变送器,将电压或电流转换为20 mA或10 V标准信号。测量信号以1:1传输时,它们还可用于提高信号负载容量。隔离放大器对输入信号的负载一般可忽略不计。隔离放大器一般需要外部电源。可切换隔 离放大器VariTrans P 27000和P 15000是典型实例。

单极性信号处理用隔离放大器

仅适合传输单极性测量信号的隔离放大器,可以用在许多应用中,例如处理标准0/4 ... 20 mA和0 ... 10 V信号。Knick所有单极性隔离放大器的控制范围均扩展到负范围的几个百分点,以便在零点附近也能实现精确传输(见图5)。

有源单极性隔离放大器框图

图5:有源单极性隔离放大器框图

双极性信号处理用隔离放大器

常常需要处理双极性测量信号,例如当电机电流必须在两个旋转方向上进行测量时。测量距离或为了提高测量信号的分辨率时,也会处理双极性信号。Knick同样提供多种类型的双极性隔离放大器,例如用于处理双极性标准信号的VariTrans A 26000(见图6)。

有源双极性隔离放大器框图

图6:有源双极性隔离放大器框图

1.2 环路供电隔离器(无源隔离器)

外加电流信号的电位隔离并不一定需要有源隔离放大器。常常也可以不受限制地使用环路供电隔离器。Knick无源隔离器不需要电源,电源由测量信号在输入引脚上的压降提供。无源隔离器的电压要求会降低输入信号的负载能力。

无源隔离器适合单极性电流信号的1:1传输。是否适合某种应用,应根据输入信号负载能力和输出负载进行检查。

例1:

环路供电隔离器输入为0 ... 20-mA信号的变送器可以支持的最大负载为10 V(Iin = 0 ...20 mA,Vin max = 10 V)。环路供电隔离器的压降Vdrop额定值为2.5 V。利用公式Vin = Vdrop + (Iout • RL),得出最大输出负载为:
RL max = (Vin max – Vdrop) / 20 mA = 375 ohms(见图7)
 

例1的电路图

图7:例1的电路图

环路供电隔离器不支持信号放大,并且有反馈,也就是说输出负载会直接作用于输入信号。因此,当输出开路时(无限阻抗),电流无法在输入电路中流动(见图8)。

输出开路的环路供电隔离器

图8:输出开路的环路供电隔离器

直到目前,对于无法杜绝输出电路中断的情况,处理方法还是在隔离器输出端并联一个齐纳二极管。当输出电路开路时,输入电流流经输出端的齐纳二极管(见图9)。这种方法常常会变得很复杂,在实践中容易出问题。

长距离传输测量信号

图9:长距离传输测量信号

Knick利用Bürdenstop®(负载停止)功能解决了这个问题,从而大大扩展 了环路供电隔离器的可能应用范围。原边提供的电流保持不变,独立于输出负载。这样就可以补偿输出端任何过大的负载增加,例如线路中断或不定负载(包括复阻 抗)引起的负载增加。无源隔离器IsoTrans M12-A200和IsoTrans A 20400提供负载停止功能选项。当输出负载(例如控制器的输入电阻)最高为60 Ω时,带负载停止功能的无源隔离器是最佳解决方案(见图10)。

带负载停止功能的传递函数

图10:带负载停止功能的传递函数

Knick无源隔离器所需的工作电流非常低。根据型号不同,其工作电流在大约2 μA到150 μA范围,不会表现为附加传输误差。无源隔离器因为无需额外电源线且易于安装而特别有利。环路供电隔离器可采用所有型号的外壳。

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