CN101551415B

CN101551415B - 无源配电隔离器及0～20mA信号无源隔离器

Info

Publication number: CN101551415B
Application number: CN2009101113716A
Authority: CN
Inventors: 张惠益
Original assignee: FUJIAN SHANGRUN PRECISION INSTRUMENT Co Ltd
Current assignee: FUJIAN SHANGRUN PRECISION INSTRUMENT Co Ltd
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: CN101551415A

Abstract

本发明公开了一种无源配电隔离器及0～20mA信号无源隔离器，属电控制系列产品中使用的无源隔离器。本发明提供用互补对称式射极输出电路及高频变压器实现可传递Hart通信数字信号的无源配电隔离器及0～20mA无源信号隔离器。本发明可以广泛应用到工业自动化仪表与系统实现生产过程信息的获取、传递、转换、处理的自动化技术工具，在信息获取、传递过程通常在现场传感器与控制室设备间加入本无源隔离器，以提高信息获取的可靠稳定性。本发明通过对电路及高頻变压器的改进而创新的电流互感、自激振荡、信号传递无损耗磁隔离技术，解决了因信号自身变化及负载大小而影响传递效率问题。

Description

无源配电隔离器及0～20mA信号无源隔离器

技术领域

本发明涉及电控制系列产品中使用的无源隔离器，具体的说是一种无源配电隔离器及0～20mA无源信号隔离器。

背景技术

随着工业自动化产品的大量涌现和广泛普及，电子设备、开关电源、计算机及可编程控制器PLC等，对工业自动化带来方便的同时、即是噪声干扰的对象、又是一个噪声源，特别是瞬变性质的噪声干扰、其上升速率快，持续时间短，电压幅度大，随机性强，以及自动化系统实现生产过程信息的获取、传递、转换过程，当一个信号传输电路两端都接地时，由于两端地点存在电位差，就会形成地电流回路，地电流经过信号线电阻，变成干扰电压，对测量电路造成干扰。因此在工业自动化控制系统中，控制室、计算机房PLC与现场电子测量仪器、传感器间根据控制方法的不同通常加接无源配电隔离器和无源信号隔离器，即可滤掉外来干扰，又能避免向外界发噪声且对串模、共模干扰都起到抑制作用，以提高电子测量仪器、传感器、PLC的抗干扰能力及系统的可靠性。

总之，目前国内外在无源隔离器中均采用电流互感的磁隔离模式，其传递的直流电流信号，通信数字信号，抗衰减、带负载、信号线性指标等都受到所使用的隔离原理的极大限制。

从包括中国专利在内的有关资料检索表明，目前已有许多生产无源隔离器的企业，以及“用恒流源及高频变压器实现无源4～20mA隔离器”200720008536.3等专利。而目前的产品主要对信号、音频等而设置的产品，存在有单一性强，没有通用性等缺陷。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是要提供用互补对称式射极输出电路及高频变压器实现可传递Hart通信数字信号的无源配电隔离器及0～20mA无源信号隔离器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种无源配电隔离器及0～20mA信号无源隔离器，其特征是：由互补对称式射极输出及高频变压器组成的电路：Vi的+端和-端为隔离器的输入端接有源设备，Vo的+端和-端为隔离器的输出端；电阻R1的一端与三极管T1的集电极以及电容C3的一端一起连接到Vi的+端；电阻R1的另一端与二极管D1的负端、电容C1的一端以及三极管T1的基极连接一起；二极管D1的正端与二极管D2的负端、电容C1的另一端、电容C2的一端以及线圈电阻r1的一端连接一起；电阻r1的另一端与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与三极管T1的发射极、三极管T2的发射极以及电感L2的一端连接一起；电感L2的另一端与电感L3的一端连接；电感L3的另一端与电容C3的另一端以及电容C4的一端连接一起；二极管D2的正端与电阻R2的一端、电容C2的另一端以及三极管T2的基极连接一起；电阻R2的另一端与三极管T2的集电极以及电容C4的另一端一起连接到Vi的-端；电感L4的一端与二极管D3的正端以及二极管D4的负端连接一起；电感L4的另一端与电容C5的一端以及电容C6的一端连接一起；二极管D3的负端与电容C5的另一端以及电容C7的一端一起连接到Vo的+端；二极管D4的正端与电容C6的另一端以及电容C7的另一端一起连接到Vo的-端。

所述的电路中R1、R2为阻值相同的电阻，D1、D2为同型号的二极管，T1为NPN型三极管，T2为PNP型三极管。

所述的电路中C1、C2为交流电压旁路电容，r1、L1、L2为升压变压器，r1是变压器次极线圈电阻，L1是变压器次极线圈电感，它们之间的连接使L1的感应电压作为互补对称式射极输出电路的输入信号经C1、C2连接到输入端。

所述的电路中L2是变压器初极线圈电感，初极线圈电阻很小忽略不计，C3、C4电容起隔断直流导通交流作源且容值相等，L3电感量大于L2，L3、L4为电流互感器L3为互感器初极线圈电感，L4为互感器次极线圈电感，它们之间的连接组成互补对称式射极输出电路的负载，它们与三极管T1、T2连接组成调制解调电路，当线路用于信号隔离时，电路可将直流电流信号调制成方波电流信号，当线路用于配电隔离时，电路可将方波电流信号解调成直流电流信号。

所述的电路中D3、D4为同型号的二极管，C5、C6、C7为电容，它们与L4之间连接组成，同时也是调制解调电路，当线路用于配电隔离时，电路又可将直流电流信号调制成方波电流信号，当线路用于信号隔离时，电路可将方波电流信号解调成直流电流信号。

其工作原理是当线路作配电隔离用时，Vi接通直流24伏电源，由于C3、C4的分压作用B点电压为12伏，以及设置的偏置线路这时三极管T1饱和导通e点电压为24伏，T1集电极电流经L2、L3由e点流向B点，因流过电感的电流不能突变，L2产生感应电压经L1升压后A点电压高于e点使T1进一步饱和T2截止，随着感应电压的过渡过程L1两端A点电压逐渐减小e点电压逐渐升高，当电压e点高于A点时三极管T1截止，T2导通这时e点电压为0伏，T2集电极电流经L3、L2由A点流向e点，L2产生感应电压经L1升压后e点电压高于A点使T2进一步饱和T1截止，随着感应电压的过渡过程L1两端A点电压逐渐升高e点电压逐渐减小，当电压e点低于A点时三极管T2截止，T1导通这样T1、T2导通截止状态的反复翻转，上述原理图就组成了互补对称式射极输出多谐振荡器电路，L3两端也就形成幅值约为24伏的方波信号其频率约为L1、r1两个过渡时间的0.7倍的倒数。由于L3、L4为电流互感器变比1∶1，L4两端方波信号经D3、D4、C5、C6整流C7滤波后产生隔离的直流24伏电源向现场传感器供电的同时，传感器生成随现场测量值变化的4～20mA恒定直流电流，再经D4及L4的两端方波调制成方波电流信号由L3、T1、T2解调成随现场测量值变化的4～20mA恒定直流电流由输入负端流出送到控制室进行调节或控制，当现场为智能传感器时，隔离器元器件参数选择，线路对Hart通信1.2KHz~2KHz数字频率信号阻抗很小，因此本线路实现对现场配电隔离的同时可传递Hart通信信号，以及实现直流电源隔离过程无能量损耗，因此本线路实现信号隔离信号传递过程线性好带负载能力强。当本线路作0～20mA直流电流信号隔离用时，输入端接入电流信号，信号本身的电压使线路谐振电流经T1、T2、L3调制成方波电流信号，再由L4、D3、D4、C5、C6解调成与输入信号相对应的0～20mA直流电流信号经D3流出用于控制或调节，这样本线路就实现了无源隔离直流电流信号的功能。

无源配电隔离器能起到由控制室有源设备向现场传感器提供隔离的直流电源作用的同时，接收由传感器产生的随现场测量值变化的4～20mA直流电流信号送到控制室有源设备用于控制和调节，以及能同步传递Hart通信数字信号。当作无源信号隔离器用时，能起到隔离由控制室有源设备及仪器、仪表送出的用于控制或调节的0～20mA直流电流信号作用。

本发明的有益效果是：本发明可以广泛应用到工业自动化仪表与系统实现生产过程信息的获取、传递、转换、处理的自动化技术工具，在信息获取、传递过程通常在现场传感器与控制室设备间加入本无源隔离器，以提高信息获取的可靠稳定性。本发明通过对电路及高频变压器的改进而创新的电流互感、自激振荡、信号传递无损耗磁隔离技术，解决了因信号自身变化及负载大小而影响传递效率问题。

附图说明

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的描述。

图1是本发明的电路图。

图2是本发明的隔离模块工作示意图。

图2中1为控制室仪表或计算机等(有源回路)，2为HART数字信号，3为现场传感器。

图2中表示隔离时，模块从有源回路获取电压信号使互补对称式射极输出电路高频变压器产生多谐振荡频率100KHz使隔离模块工作，输出用整流方式向现场传感器提供隔离的电源，并接收传感器产生的4～20mA信号回传到控制室，且可同步传递Hart通信数字信号。当有源回路为0～20mA经隔离模块后可提高抗干扰能用于控制或调节。

具体实施方式

实施例1：

请参阅图1和图2由互补对称式射极输出及高频变压器组成的电路：Vi的+端和-端为隔离器的输入端接有源设备，Vo的+端和-端为隔离器的输出端；电阻R1的一端与三极管T1的集电极以及电容C3的一端一起连接到Vi的+端；电阻R1的另一端与二极管D1的负端、电容C1的一端以及三极管T1的基极连接一起；二极管D1的正端与二极管D2的负端、电容C1的另一端、电容C2的一端以及线圈电阻r1的一端连接一起；电阻r1的另一端与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与三极管T1的发射极、三极管T2的发射极以及电感L2的一端连接一起；电感L2的另一端与电感L3的一端连接；电感L3的另一端与电容C3的另一端以及电容C4的一端连接一起；二极管D2的正端与电阻R2的一端、电容C2的另一端以及三极管T2的基极连接一起；电阻R2的另一端与三极管T2的集电极以及电容C4的另一端一起连接到Vi的-端；电感L4的一端与二极管D3的正端以及二极管D4的负端连接一起；电感L4的另一端与电容C5的一端以及电容C6的一端连接一起；二极管D3的负端与电容C5的另一端以及电容C7的一端一起连接到Vo的+端；二极管D4的正端与电容C6的另一端以及电容C7的另一端一起连接到Vo的-端。

本实施例隔离器能起到由控制室有源设备向现场传感器提供隔离的直流电源作用的同时，接收由传感器产生的随现场测量值变化的4～20mA直流电流信号送到控制室有源设备用于控制和调节，以及能同步传递Hart通信数字信号。当作无源信号隔离器用时，能起到隔离由控制室有源设备及仪器、仪表送出的用于控制或调节的0～20mA直流电流信号作用。

Claims

1.一种无源隔离器，其特征是：由互补对称式射极输出及高频变压器组成的电路：Vi的+端和一端为隔离器的输入端接有源设备，Vo的+端和一端为隔离器的输出端；电阻R1的一端与三极管T1的集电极以及电容C3的一端一起连接到Vi的+端；电阻R1的另一端与二极管D1的负端、电容C1的一端以及三极管T1的基极连接一起；二极管D1的正端与二极管D2的负端、电容C1的另一端、电容C2的一端以及线圈电阻r1的一端连接一起；电阻r1的另一端与电感L1的一端连接；电感L1的另一端与三极管T1的发射极、三极管T2的发射极以及电感L2的一端连接一起；电感L2的另一端与电感L3的一端连接；电感L3的另一端与电容C3的另一端以及电容C4的一端连接一起；二极管D2的正端与电阻R2的一端、电容C2的另一端以及三极管T2的基极连接一起；电阻R2的另一端与三极管T2的集电极以及电容C4的另一端一起连接到Vi的一端；电感L3与电感L4由电磁感应连接一起；电感L4的一端与二极管D3的正端以及二极管D4的负端连接一起；电感L4的另一端与电容C5的一端以及电容C6的一端连接一起；二极管D3的负端与电容C5的另一端以及电容C7的一端一起连接到Vo的+端；二极管D4的正端与电容C6的另一端以及电容C7的另一端一起连接到Vo的一端。

2.根据权利要求1所述的一种无源隔离器，其特征是：所述的电路中R1、R2为阻值相同的电阻，D1、D2为同型号的二极管，T1为NPN型三极管，T2为PNP型三极管。

3.根据权利要求1所述的一种无源隔离器，其特征是：所述的电路中C1、C2为交流电压旁路电容，r1、L1、L2为升压变压器，r1是变压器次极线圈电阻，L1是变压器次极线圈电感，变压器r1、L1、L2连接经C1、C2连接到输入端。

4.根据权利要求1所述的一种无源隔离器，其特征是：所述的电路中L2是变压器初极线圈电感，电容C3、C4容值相等，L3为互感器初极线圈电感，L4为互感器次极线圈电感，L3、L4与三极管T1、T2连接。

5.根据权利要求1所述的一种无源隔离器，其特征是：所述的电路中D3、D4为同型号的二极管。