新型信号隔离器和安全栅的设计

新型信号隔离器和安全栅的设计

冯 伟

（中智联仪表集团重庆宇通仪器仪表有限公司，重庆 400039）

摘 要：作为工业现场与控制室仪表之间的信号隔离变送器设备，信号隔离器和安全栅一直发挥着重要的作用，是工业控制系统中重要的组成部分。随着技术的进步，无论是现场的一次仪表，还是控制系统都发生了变化，信号隔离器和安全栅也需要进一步发展适应更高的要求。

关键词：隔离器安全栅模块化低功耗

0 引言

随着工业控制技术的发展，对信号的隔离、变送处理也提出了更高的要求。宇通公司总结多年来的实践经验，对产品进行了改进，对隔离器和安全栅的性能进行了提升。新型的隔离器和安全栅在性能和技术指标上都较过去有了更大的进步。目前市场对产品的要求主要归纳为以下几个方面：模块化的设计方法解决产品品种多数量少的问题；低功耗设计；无源隔离器和安全栅的设计应用；小型化、少接线，以适应高密度的安装要求。

1 模块化设计

隔离器和安全栅一般由输入信号处理单元、隔离单元、输出信号处理单元、电源等4部份构成。根据信号的流向在输入或输出单元增加本质安全设计，从而构成隔离器和安全栅。图1所示是一个标准的一入一出安全栅的示意图。

图1

虽然实际应用中的隔离器和安全栅基本上都是由上述4个单元构成，但输入、输出的类型和数量的不同，组成了种类繁多的型号，大致归纳见表1、表2、表3、表4、表5。

越来越多的型号使得企业的生产负担加重，数量少、品种多使得交货周期越来越长，也使得调试检验的成本增加。这些情况已经严重阻碍了产品的市场推广。针对这种情况，宇通公司通过仔细的分析，采用模块化的设计方法，将隔离器和安全栅划分为7种功能模块，从而比较好地解决了上述问题。模块化的设计方法极大地解决了产品加工、调试、老化、库存的压力，产品的一致性好，质量得到提高，从根本上解决了品种多数量少给生产环节带来的压力，极大地缩短了交货周期。

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表1 输入处理单元大致类型

序号 类型

1 标准4~20mA、1~5V信号

2 热阻、热偶信号

3 开关量信号

4 通信信号

5 交流信号

6 其它非标准信号（0~10V、-10~+10V）等

表2 输出信号大致类型

序号 类型

1 标准信号：4~20mA、1~5V信号

2 开关量输出

3 通信信号

4 开关量输出

表3 隔离单元大致类型

序号 类型

1 磁隔离

2 光隔离

表4 电源类型（均为隔离电源） 序号 类型

1 自激式

2 它激式

表5 本质安全类型

序号 类型

1 检测端本质安全

2 操作端端本质安全

2 低功耗设计

低功耗是电子产品设计永无止境的追求。伴随技术的发展，目前隔离器和安全栅的功耗与过去相比，已减小许多，性能和技术指标也得到提高。以宇通公司一台标准的隔离安全栅为例说明功耗的变化见表6。

表6 隔离安全栅功耗变化（电源24VDC，负载750Ω）

代表型号 电流 耗散功率 备注 第一代产品 RPA1100A 75mA 1W ~ 1.3W 目前国内主流产品功耗

第二代产品 RPA1100B 57mA 0.5W ~ 1W 目前国外主流产品功耗

第三代产品 TM6041S 40mA 0.1W ~ 0.2W

产品的功耗是各个功能单元功耗的总和，只有降低各个功能单元的功耗才能使总功耗降低，增加产品的热稳定性和寿命。隔离器和安全栅由输入、输出、隔离、电源、安全等单元构成，其中安全单元是无源的限压限流网络，技术上进行低功耗改进的可能性非常小。因此主要在输入、

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输出、电源、隔离等4个单元进行技术改进。 2.1 输出单元模块的自适应负载技术

输出模块可以根据负载的大小动态调整输出功率，从而减少自身的发热。传统的负载设计是根据额定负载的大小设计输出功率，当输出负载非常小时，多余的负载功率就耗散在仪表内部，从而使仪表自身发热。假设一台隔离器的输出负载设计为750Ω，那么输出驱动功率一般设计为0.5W。如果在实际应用中此隔离器的负载使用在50Ω的环境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W 的功率转换为仪表自身的发热。如果是多路输出将产生更多的热量，而降低输出模块的额定功率在实际应用中又难以应付市场的复杂状况。

自适应负载技术很好地解决了这个矛盾，其原理图如图2所示。其测试数据对比见表7。测试条件：电源

24VDC；负载变化 50～750Ω

图2

表7 标准输出模块与自适应负载输出模块功耗对比

输出模块类型 标准输出模块

自适应负载输出模块

模块的耗散功率（50Ω） 320mW 10mW 模块的耗散功率（250Ω） 220mW 10mW 模块的耗散功率（500Ω） 120mW 10mW 模块的耗散功率（750Ω）

20mW

10mW

从表7可以看到：自适应负载技术使得模块的耗散功率恒定在一个很低的水平，不会受到负载变化的影响。

负荷检测可以根据负载的大小调整输出功率，极大地减少了输出模块的发热，用户在定货时也无须说明负载大小，极大地方便了用户的使用，缓解了库存压力。 2.2 隔离单元模块的低功耗改进

隔离单元是决定产品技术指标的重要单元。 目前隔离技术主要有磁隔离与光隔离两大类。隔离电路形式有直接调制耦合、反馈调制耦合等多种形式，具体采用什么形式要根据产品的技术指标而定，大致是开关量信号采用光隔离，模拟量信号采用磁隔离的方式。从技术复杂程度来看，磁隔离比光隔离处理技术复杂。采用磁隔离技术，设计者可以根据技术指标采用合适的设计方案，隔离的线性、精度可以根据产品的要求灵活控制。而光隔离的线性、精度只能依赖器件厂家提供的技术指标，设计人员可以调整的方式很少，也不可能超过厂家提供的技术指标。由于功耗大，光电隔离也不能实现无源隔离。宇通采用电流互感模式、电流互感反馈模式、电压互感模式、电压互感反馈模式、电流互感功率补偿模式等多种磁隔离方式，根据产品的特点选择不同的磁隔离模式。

上述磁隔离模式中，电流互感功率补偿模式是功耗最低的模式，目前在新一代的无源隔离安全栅中使用，在保证技术指标的同时；降低了隔离单元的功耗。