在工廠中，出于安全和實(shí)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(jìn)行電氣隔離（見圖1）。

在危險(xiǎn)高壓下，或者有爆炸危險(xiǎn)的區(qū)域測量時(shí)，不同地電位（見圖2，例如工廠中相隔很遠(yuǎn)的兩個(gè)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(jìn)行電氣隔離是必要的。

Knick為各種設(shè)計(jì)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(dá)到IP68防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的M12現(xiàn)場外殼、焊入式模塊和歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值。幾mV到3000 V的電壓和幾μA到10 A的電流可以實(shí)現(xiàn)高精度傳輸或轉(zhuǎn)換。

圖1：危險(xiǎn)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(jìn)行電氣隔離。變壓器非常可靠、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(gè)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(fù)反饋中，僅用于切換數(shù)字信號，因此并不攜帶電流，不會(huì)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(biāo)準(zhǔn)信號。測量信號以1:1傳輸時(shí)，它們還可用于提高信號負(fù)載容量。隔離放大器對輸入信號的負(fù)載一般可忽略不計(jì)。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(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(kuò)展到負(fù)范圍的幾個(gè)百分點(diǎn)，以便在零點(diǎn)附近也能實(shí)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(jī)電流必須在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上進(jìn)行測量時(shí)。測量距離或?yàn)榱颂岣邷y量信號的分辨率時(shí)，也會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)降低輸入信號的負(fù)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(fù)載能力和輸出負(fù)載進(jìn)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(fù)載為10 V（I_in = 0 ...20 mA，V_{in max} = 10 V）。環(huán)路供電隔離器的壓降V_drop額定值為2.5 V。利用公式V_in = V_drop + (I_out • R_L)，得出zui大輸出負(fù)載為：

R_{L max} = (V_{in max} – V_drop) / 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(fù)載會(huì)直接作用于輸入信號。因此，當(dāng)輸出開路時(shí)（無限阻抗），電流無法在輸入電路中流動(dòng)（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(gè)齊納二極管。當(dāng)輸出電路開路時(shí)，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(huì)變得很復(fù)雜，在實(shí)踐中容易出問題。

圖9：長距離傳輸測量信號

Knick利用Bürdenstop®（負(fù)載停止）功能解決了這個(gè)問題，從而大大擴(kuò)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(dú)立于輸出負(fù)載。這樣就可以補(bǔ)償輸出端任何過大的負(fù)載增加，例如線路中斷或不定負(fù)載（包括復(fù)阻 抗）引起的負(fù)載增加。無源隔離器IsoTrans M12-A200和IsoTrans A 20400提供負(fù)載停止功能選項(xiàng)。當(dāng)輸出負(fù)載（例如控制器的輸入電阻）zui高為60 Ω時(shí)，帶負(fù)載停止功能的無源隔離器是 解決方案（見圖10）。

圖10：帶負(fù)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