信號隔離器的製作方法

2023-11-10 08:15:15

本發明涉及一種具有輸入級的信號隔離器，輸入級成型為，向位於輸入級下遊的輸出電路輸送相當於測量信號的輸入測量信號。輸出電路包括線性調節器並且成型為在其輸出端上提供與輸入測量信號相應的輸出測量信號。

背景技術：

已知多種用於例如0或4mA到20mA的輸入測量電流或者用於例如0到1伏特的輸入測量電壓的信號隔離器。

DE102007006503A1中已知一種應當減少其功率損耗的信號隔離器。該信號隔離器具有用於測量電流的輸入端。電位隔離的直流電變壓器位於輸入端下遊，該直流電變壓器傳輸測量電流到輸出電路。輸出電路具有線性調節器，線性調節器包括運算放大器和輸出電晶體並且作為電壓-電流轉換器工作。信號隔離器的輸出端子位於線性調節器的輸出電流電路中，在輸出端子上能夠連接負載。此外，輸出電路包括設置在輸出端子之間的開關調節器。開關調節器和線性調節器成型為分開的功能單元。開關調節器從線性調節器接收調節信號，該調節信號這樣調節開關調節器，即，使線性調節器的輸出電壓最小化。

DE102010061433A1中同樣已知一種信號隔離器，該信號隔離器具有作為輸出級的逆變器、變壓器和整流器，通過該信號隔離器將測量輸入電流輸送到線性調節器。線性調節器由運算放大器和輸出電晶體組成，可以將負載連接到輸出電晶體。為了減少輸出電晶體的功率損耗，已知的信號隔離器具有成型為開關電源部件的調節裝置，調節裝置這樣調節輔助電壓，即線性調節器的輸出電晶體的功率損耗基本上無關於在運行狀態下連接的負載。線性調節器和開關電源部件構成分開的功能單元。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種信號隔離器，其電路複雜性相對於已知的信號隔離器明顯減少，從而能夠進一步地減少信號隔離器的信號輸出級的功率損耗。

本發明的核心思想在於，在線性調節器中直接集成開關調節器。由此可以去掉線性調節器的輸出電晶體，從而信號隔離器的功率損失至少以輸出電晶體所需部分的大小而減少。

本發明的另一要點在於，開關調節器的輸出端直接供應模擬的輸出測量信號。

上述技術問題通過權利要求1的特徵實現。

隨後設置信號隔離器，信號隔離器具有輸入級，輸入級成型為，向位於輸入級下遊的輸出電路提供相當於測量信號的輸入測量信號。輸出電路包括線性調節器並且成型為在其輸出端上提供與輸入測量信號相應的輸出測量信號。線性調節器具有運算放大器和開關調節器。開關調節器的輸入端與運算放大器的輸出端連接，而開關調節器的輸出端則反饋到運算放大器的第一輸入端。運算放大器這樣調節開關調節器，即，使開關調節器在其輸出端上為負載提供輸出測量信號，該輸出測量信號與輸入測量信號相應。

值得注意的是，測量信號可以是例如在0或4到20mA的範圍內的模擬的測量電流或者例如在0到1伏特範圍內的模擬的測量電壓。輸入級可以以已知的方式包括成型為振動變流器(Zerhacker)的逆變器，變壓器和位於變壓器下遊的整流器。

根據有利的設計方案，開關調節器的輸出端通過反饋網絡，例如被動的電阻網絡與運算放大器的第一輸入端連接。以這種方式，運算放大器這樣調節開關調節器，即，在開關調節器的輸出端上為負載提供輸出測量信號，該輸出測量信號以預定的方式與輸入測量信號相應。以預定的方式的意思是，輸出測量信號相當於將輸入測量信號以定義的加強值相乘。

測量信號與輸入測量信號相應的這一特徵因而包括這種情況， 即輸出測量信號的大小恰好或者基本上與輸入測量信號的大小或者輸入信號的大小相應，輸入信號的大小由反饋網絡定義的因數改變。

線性調節器以有利的方式實施為電流-電流轉換器、電壓-電壓轉換器、電流-電壓轉換器或者電壓-電流轉換器。

開關調節器可以例如是降壓轉換器、升壓轉換器、反激轉換器或SEPIC轉換器。

附圖說明

下面藉助兩個實施例結合附圖詳細闡述本發明。附圖中示出了：

附圖1示出了具有輸出電路的示例性的信號隔離器，本發明在該輸出電路中實現，

附圖2示出了具有替代性的輸出電路的示例性的信號隔離器，本發明在該輸出電路中實現，並且

附圖3示出了附圖1和附圖2中象徵性地示出的輸入級的詳細的框圖。

具體實施方式

附圖1中示出了示例性的信號隔離器。信號隔離器具有輸入級40，其作為受控制的電流源象徵性地示出。輸入級40可以供應作為輸入測量信號的模擬的輸入測量電流IMess，其大小與位於輸入級40的輸入端的測量信號相應地例如達到0或4mA到20mA。輸入級40可以以已知的方式具有成型為振動變流器的逆變器41，逆變器將模擬的恆定的測量信號轉換為交變信號，交變信號接著通過變壓器42傳輸並且在變壓器42下遊的整流器43中再次整流並且以輸入測量信號的形式提供。附圖3中示出了這個示例性的輸出級40。

需要注意的是，受控的電流源在附圖1中用IMess表示的電流與輸入測量電流相應，輸入測量電流由輸入級40在輸出電路5的輸入端12上提供。輸出電路5例如僅具有一個線性調節器10，該線性調節器在所示實施例中作為電流-電流轉換器工作。線性調節器30也可以例如實施為電壓-電流轉換器。

線性調節器10在輸入端一側具有運算放大器20，其陰極的輸入端與輸出電路5的輸入端12連接。運算放大器20的陽極的輸入端接地。運算放大器20的輸出端直接與開關調節器30連接，開關調節器是線性調節器10的組成部分。

開關調節器30例如成型為降壓轉換器。其例如具有比較器31，其陰極的輸入端與運算放大器20的輸出端連接。運算放大器20的輸出端因而直接為開關調節器30供應調節電壓UR。將例如三角形或者鋸齒形的電壓施加在比較器31的陽極的輸出端上。比較器31以已知的方式供應矩形的控制信號到下遊的電晶體32的基極端子上，以便於以已知的方式實施脈衝寬度調製。在電晶體32的發射極端子上施加工作電壓UB。電晶體32的集流器可以通過π電路與輸出電路5的輸出端子16連接，π電路包括二極體33、線圈35和平滑電容器34。因此，線性調節器10的開關調節器30直接向連接的負載50提供輸出測量信號。輸出測量信號在所示實施例中是模擬的輸出測量電流Ia，該輸出測量電流與在輸入端12提供的輸入測量電流相應。線性調節器10或輸出電路5具有另一輸出端子14。負載50因而可以連接到輸出端子14和16。開關調節器30的供應到輸出端子16上的輸出測量電流Ia通過負載50和輸出端子14經由反饋路徑60反饋到運算放大器20的陰極的輸入端。

下面闡述附圖1所示的線性調節器10的運行方式。

運算放大器20將調節電壓UR供應到比較器31的陰極的輸入端,調節電壓用於這樣操控電晶體32，即，使開關調節器30在輸出端子16上提供輸出測量電流Ia，當通過負載50反饋到運算放大器20的陰極的輸入端上時，該輸出測量電流使得在運算放大器20的陰極的輸入端在0V的電位，從而在運算放大器的兩個輸入端之間產生虛擬的短路。換言之，運算放大器20這樣調節開關調節器30，即開關調節器30在輸出端子16上為負載50提供輸出測量電流Ia，該輸出測量電流恰好或者至少基本上與輸入測量電流IMESS相應。當輸入測量電流在0或4到20mA的範圍中時，輸出測量電流在0或4mA到20mA的範圍中。

附圖2示出了替換性的示例性的信號隔離器。信號隔離器具有輸入級140，該輸入級以受控的電壓源來象徵性地表示。輸入級140可以供應作為輸入測量信號的模擬的輸入測量電壓UMess，其大小與在輸入級140的輸入端施加的測量信號相應地例如達到0到1V。輸入級140可以以已知的方式具有成型為振動變流器的逆變器，該逆變器將模擬的測量信號轉換為交變信號，交變信號接著通過變壓器傳輸並且在變壓器下遊的整流器中再次整流並且以輸入測量信號的形式提供。該示例性的輸入級140可以與附圖3中示出的輸入級40相應。

需要注意的是，受控的電壓源在附圖2中用UMess表示的電壓與輸入測量電壓相應，輸入測量電壓由輸入級140在輸出電路100的輸入端112上提供。輸出電路100例如僅具有一個線性調節器110，該線性調節器在所示實施例中作為電壓-電壓轉換器工作。線性調節器110也可以例如實施為電流-電壓轉換器。

線性調節器110在輸入端一側具有運算放大器120，其陽極的輸入端與輸出電路100的輸入端112連接。因此運算放大器120的陰極的輸入端與輸入級140連接。運算放大器120的陽極的輸入端通過用162表示的電阻R2接地。運算放大器120的輸出端直接與開關調節器130連接，開關調節器是線性調節器110的集成的組成部分。運算放大器120的輸出端因而直接地向開關調節器130供應調節電壓UR。可以由提供工作電壓UB的工作電壓源用能量供應開關調節器130以及運算放大器120。

電阻162是反饋網絡160的一部分，反饋網絡具有用161表示的另一電阻。電阻161和162構成了分壓器，其中電阻161和162的整個連接點與運算放大器120的陰極的輸入端連接。電阻161的自由端子與開關調節器130的輸出端連接。以這種方式，施加在開關調節器130的輸出端上的恆定的輸出測量電壓通過反饋網絡160反饋到運算放大器120的陰極的輸入端。開關調節器130的輸出端與輸出電路100或者線性調節器110的輸出端子114連接，開關調節器直接提供輸出電路100的輸出測量電壓Ua。第二輸出端子116例如接地。輸出端子114和116可以連接負載150，在負載上施加輸出測量電壓Ua。

在此值得注意，開關調節器130例如可以是在附圖1中示出的降壓轉換器。開關調節器130還可以例如是升壓轉換器、反激轉換器或SEPIC轉換器。

下面闡述附圖2中所示的線性調節器110的工作原理。

運算放大器120將調節電壓UR供應到開關調節器130的輸入端,調節電壓用於使開關調節器130在輸出端子114上提供輸出電位，當通過反饋網絡160反饋到運算放大器20的陰極的輸入端上時，輸出電位使得在運算放大器120的陰極的輸入端上存在與由輸入級140在輸入端112上提供的電位相應的電位。換言之，運算放大器120這樣調節開關調節器130，即，使開關調節器130在輸出端子114和116上為負載150提供輸出測量電壓Ua，該輸出測量電壓相當於乘以受控的電壓源的加強值(1+R1/R2)的輸入測量電壓UMess。假定，電阻的大小例如是這樣確定，即，當受控的電壓源供應0到1V之間範圍內的輸入測量電壓時，輸出測量電壓的值為0到10V之間。

藉助將開關調節器直接集成到線性調節器中的措施，免除了線性調節器的以常規方式存在的輸出電晶體，從而至少減少了輸出電晶體所需的那部分的、信號隔離電路功率損耗。

此外，該措施還能夠使線性調節器的運算放大器直接調節開關調節器，開關調節器的輸出端於是直接供應模擬的輸出測量信號，該輸出測量信號與由輸入級供應的輸入測量信號相應。