CN101421765B - 双向直流隔离传输通道 - Google Patents

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Abstract

一种用于直流信号和交流信号的电隔离传输的配置和方法。该信号可经由相同的仅直流隔离的通道在两个方向上发送。该配置包括：第一发送-接收系统(1)、短路模式中的直流发送器(4)、运算放大器配置(5)以及具有消息信号发送器(9)的第二发送-接收系统(2)。

Description

双向直流隔离传输通道
技术领域
本发明涉及用于作为测量信号和作为消息信号的直流信号和交流信号在两个发送-接收系统之间的电隔离传输的配置和方法。
背景技术
例如，在DE 297 18 405 U1、DE 298 16 659 U1以及EP 0 658 866B1中说明了这样的配置。在这些文献中，公开了在第一通道中发送测量信号并且在第二通道中发送消息信号的方法。第一通道包括耦合级(coupling stage)，第二通道包括发送器(transmitter)或另一耦合级。因而总共需要两个直流隔离通道。然而，使用两个直流隔离通道非常费钱并且具有高的空间要求。
在用于测量信号的信号供给隔离器(DE 103 22 262 A1)中，对于信号的传输仅需要一个双导体通道，其中使用电压转换器来进行传输路径中的直流隔离，但是还需要辅助的电源电路以根据实际的功率要求制备所接收的电压信号。然而，对于该电路，因为由电源电路提供能量，所以没有发送-接收系统连接到有源电流输出，因此，两个电压源会相互抵触(work against)。
还已知借助于变换器在两个电子单元之间进行自由电位(potential-free)信号传输的电路配置(DE 35 33 278 C2)，在该配置中，变换器的次级绕组短路，以便返回消息信号的存在。然而，控制信号和返回消息信号必须逐一进行，即，借助于单一双导体通道，不可能同时进行从一个单元传输电流信号和从另一单元传输电压信号。
发明内容
本发明基于如下问题：创造双向、直流隔离传输通道，其借助于分别具有两个导体的通道段允许从两个发送-接收系统开始的信号同步传输。
利用如下配置解决了该问题：一种用于直流信号和交流信号在第一发送-接收系统和第二发送-接收系统之间的电位受控传输的配置，其具有如下特征：
多段发送-接收导体对，其借助于单个双导体通道连接两个发送-接收系统；
直流发送器，其包括：隔离转换器，该隔离转换器具有初级电路；和次级电路，该次级电路短路以用于直流信号的信号传输，其中，在导体段的直流隔离的状态下，直流发送器将直流信号转换成交流信号，并且将交流信号转换回直流信号；电子I/I或I/U转换器，在其输入侧施加经由通道发送的信号，并且在其输出侧将可用的信号作为电流信号或电压信号输出到第二发送-接收系统；以及消息信号发送器，其在次级侧连接到直流发送器，以用于消息信号的传输，从而在初级侧可确定电压的变化，该电压的变化可作为发送的消息信号由第一发送-接收系统评估。
还利用如下方法解决了该问题：一种用于直流信号和交流信号在第一发送-接收系统和第二发送-接收系统之间的电隔离传输的方法，该方法具有如下步骤：在第一发送-接收系统中，获得测量信号，制备该测量信号以经由双导体通道传输，该双导体通道具有相互直流隔离的段；通过使用具有隔离转换器的直流发送器，直流信号和交流信号经由双导体通道被供给到电子I/I或I/U转换器；电子I/I或I/U转换器恢复与来自直流信号和交流信号的测量信号对应的电流信号或电压信号，并且使该电流信号或电压信号可用于第二发送-接收系统；在消息信号从第二发送-接收系统传输到第一发送-接收系统的情况下，消息信号被供给到直流发送器的次级电路，并且经由初级电路被供给到第一发送-接收系统。
对于根据本发明的配置，借助于同一直流隔离通道，有利的直流信号作为测量信号发送，直流电压/交流电压返回信号作为消息信号发送。这里，在两个电子器件之间，存在具有隔离转换器的直流发送器和电子I/I转换器或I/U转换器。两个电子器件、直流发送器以及I/I或I/U转换器借助于多段双线导体串联连接。隔离转换器用于两端器件的电流电路的直流隔离。直流发送器对于一个信号方向短路，使得基本上不发送功率。
在直流发送器的初级侧，从第一端器件进入的有利的直流信号被转换成交流信号。在次级侧，在该侧出现的交流信号又被转换成直流信号。
对于直流发送器的相关电路实现，有几种可能性。首先，直流发送器能够形成为具有有源开关(晶体管、模拟开关等)的半桥电流转换器，这些有源开关在次级侧也可被二极管代替。第二，直流发送器可实现为全桥电流转换器。也可构造具有带有中心抽头的隔离转换器的直流发送器。
为了保证直流发送器短路，在其次级侧使用I/I转换器，该I/I转换器将直流发送器从第二端器件解耦。
如果第二端器件要将返回信号输出到第一端器件，则这可在直流发送器的次级侧的各个位置被供给为脉冲信号、直流电压信号或者交流电压信号。
提供返回信号的第一可能在于使用与直流发送器的次级侧串联连接的受控电压源。此外，返回信号可被施加到I/I或I/U转换器的输入。
该脉冲信号、直流电压信号或者交流电压信号的供给导致直流发送器的次级侧的短路的取消，从而导致如下结果：仅当在初级侧将电压增加次级侧供给的脉冲信号、直流电压信号或者交流电压信号的值时，从第一电子器件发送的有利的直流信号可被进一步驱动。以该方式，在初级侧，可测量次级侧供给的脉冲信号、直流电压信号或者交流电压信号并且将这些信号作为返回信号评估。
结果，不需要第二直流隔离传输通道来发送与有利的直流信号的方向相反的返回信号。
该配置的主要使用领域是如在具有爆炸危险和不具有爆炸危险的区域中进行HART通信的隔离放大器。对于在具有爆炸危险的区域中使用的电子器件，可涉及例如用于测量压力和/或温度值的器件或例如电子管(valve)的致动器。对于在不具有爆炸危险的区域中使用的电子器件，可涉及例如用于监视“在该领域中”测量的值的控制室。
还可想到使用根据本发明的配置用于例如“导线断裂”、“短路”等消息信号和状态信号的反馈。
附图说明
为了更好地理解本发明，将参考所附的图。
图1示出根据本发明的配置的主要构造的方块电路图的示意性表示；
图2以关于消息信号的耦合的方块电路图的形式示出根据本发明的配置的第一实施方式的构造；
图3以关于消息信号的耦合的方块电路图的形式示出根据本发明的配置的第二实施方式的构造；
图4示出来自图3的根据本发明的配置的实施方式的电路构造；
图5示出来自图2的根据本发明的配置的实施方式的电路构造；
图6以电路图的形式示出具有示例性半桥电流转换器的来自图2的根据本发明的配置；
图7以电路图的形式示出具有示例性半桥电流转换器的来自图3的根据本发明的配置；
图8以电路图的形式示出具有全桥电流转换器的根据本发明的配置；
图9以电路图的形式示出具有作为电流转换器的带有中心抽头的发送器的根据本发明的配置；以及
图10以电路图的形式示出具有另一示例性半桥电流转换器的来自图3的根据本发明的配置。
具体实施方式
图1以电路图的形式示出根据本发明的配置的主要构造。第一发送-接收系统1经由单个双导体通道连接到隔离变换器或隔离转换器3，该双导体通道包括导体段6a，6b或7a，7b或8a，8b，该隔离变换器或隔离转换器3是直流发送器4的部分。其继而经由电子I/I或I/U转换器5连接到第二发送-接收系统2。隔离转换器3具有初级侧绕组31和次级侧绕组32。这些初级侧绕组31和次级侧绕组32限定直流发送器4的初级侧45(＝初级电路)和次级侧46(＝次级电路)。在直流发送器4的初级侧45中，施加的模拟直流信号被斩波(chop)，被斩波的信号借助于隔离转换器3被发送到次级侧46，并且从次级侧46转换回模拟直流信号。该处理的更多细节将参考图6至10进行说明。
利用初级侧45和次级侧46，可以将第一和第二发送-接收系统之间的整个配置区分为两个区域A和B，其中，这两个区域代表具有爆炸危险和不具有爆炸危险的领域。因为在初级侧45和次级侧46之间没有导电连接，所以这两侧相互直流隔离。
直流发送器4的次级侧46经由双导体通道的第二段，即经由连接导体对7a和7b，连接到电子I/I或I/U转换器5的输入侧。电子I/I或I/U转换器5的输出侧借助于双导体通道的第三段连接到第二发送-接收系统2，该双导体通道的第三段包含输出导体对8a和8b。此外，消息信号发送器9被连接到电子I/I或I/U转换器5。消息信号发送器9可输出直流电压信号和交流电压信号二者。为了报告例如开关的切换状态，可产生不同电位(例如0V和0.5V)的直流电压信号。作为交流电压信号，可使用FSK信号(频率移动键控)，例如根据HART协议的那些。
第一发送-接收系统1将初级电流信号经由输入导体对6a，6b引导到直流发送器4。该初级电流信号可包括如在DIN IEC 60 381 Part1中定义的在0～20mA或4～20mA范围中的标准电流信号IN1。这些标准电流信号可在长距离上传送。关于温度的测量信号可被映射，例如，对于0～100℃的温度范围，被映射为0～20mA的标准电流信号。于是，10mA的电流值对应于50℃的温度。对于来自系统1的测量信号的信号方向，直流发送器4的次级侧短路。这意味着次级电压等于零，从而实际上不发送功率。在次级侧流动的电流IN2与初级电流IN1成比例，并且与初级绕组31和次级绕组32的传输比成比例。如果这些绕组31、32的数目相等，则初级电流IN1等于次级电流IN2，但是电流方向彼此相反。因此，信号方向和电流方向不匹配。如果直流发送器4本身将驱动第二发送-接收系统，则其将不再短路，这将具有如下后果：对于太大的功率传输，该系统将离开线性电流传输范围。
为了将直流发送器4从第二发送-接收系统2解耦，使用构造为运算放大器配置的电子I/I或I/U转换器5。该运算放大器配置5确保通过其作为反相放大器的连接，与通过控制操作的反馈的连接被引导到虚拟地，两个输入P和N在该虚拟地处变为相同电位，从而保证了直流发送器4的次级侧短路。这里，涉及所谓的虚拟短路。消息信号发送器9这里被认为是短路。其电压U2等于零。
这在图2中清楚地示出。运算放大器配置5包括运算放大器51，该运算放大器51具有P输入、N输入以及输出。运算放大器51的P输入连接到地电位，其N输入连接到直流发送器4的次级侧46。输出经由第二发送-接收系统2反馈到N输入。运算放大器配置5的运算放大器51被提供有电压Uv。直流发送器4的底部端子(terminal base)和运算放大器配置5的运算放大器51的P输入二者位于相同的电位，因为它们均连接到地电位。这里，消息信号发送器9也被认为是短路。与运算放大器51的虚拟短路有关地，直流发送器4短路。通过运算放大器输入的高阻抗，保证了通过第二发送-接收系统2的电流恰等于直流发送器4的次级电流IN2。流动通过第二发送-接收系统2的电流被从运算放大器51输送。运算放大器51从其电源电压Uv接收用于该电流的能量。
为了允许与标准电流信号IN1的信号方向相反的信号的传输，代表具有电压U2的受控电压源的消息信号发送器9串联连接在直流发送器4的次级电路46中。作为电压源的消息信号发送器9消除了在次级电路46中直流发送器4的短路，但是没有消除运算放大器51的虚拟短路。然而，标准电流信号IN1不能再以其原始值流动。为了该信号在次级侧供给电压U2的情况下继续流动，在初级侧，用作输入电流源的第一发送-接收系统1必须将其电压U1增加恰对应于在次级侧提供的电压U2值的值。因为进行该电压增加，于是，可以在初级侧45测量在次级侧供给的电压U2。这样，通过对初级侧的电压增加的测量，进行消息信号的信号传输。
在第二实施方式中，图3示出用于将在次级侧供给的电压U2发送到初级电路45的另一种可能情况。在该实施方式中，用作消息信号发送器9的受控电压源被连接到运算放大器51的高阻抗输入，该高阻抗输入在图2中为接地。通过该激活(activation)，消除了直流发送器4的次级侧短路，因为电压源9与直流发送器46的输出有效地串联。因此，初级电压U1必须增加在次级侧供给的电压U2的值，使得标准电流信号IN1能够继续流动。以该方式，可以在初级侧测量消息信号，并且以所述方式限定该消息信号。
图4示出根据本发明的配置的一个实施方式，其中，运算放大器配置5的运算放大器51的P输入经由电阻器R连接到地电位。N输入接触直流发送器4的次级侧46。在运算放大器51的输出端，存在晶体管T，该晶体管T用于放大运算放大器51的输出信号，并且用于将该输出信号反馈到N输入。
该配置尤其有利于交流电压信号发送器11的交流电压信号Uw从第二发送-接收系统2的直流隔离传输，该第二发送-接收系统2可以构造为具有视在欧姆电阻15的场器件(field device)。这里，输出导体对8a、8b形成穿过该场的双导体通道。交流电压信号Uw被调制为标准电流信号IN2，以便发送与标准电流信号IN1的信号方向相反的处理数据。考虑到用于交流电压的操作电压源10的操作电压UB应被认为短路，交流电压信号Uw借助于电容器CK从输出导体8a解耦，并且与运算放大器51的经由电阻器R接地的高阻抗输入接触。这样，交流电压信号Uw通过运算放大器51的虚拟短路与直流发送器4的输出串联，并且被发送到直流发送器4的初级侧45，并且可以在初级侧45测量该交流电压信号Uw。该测量等同于确定信号。这样，从系统2间接地将信号发送到系统1。
图5示出与图4原理上等同的配置，但区别之处在于交流电压信号Uw借助于运算放大器52被提供到直流发送器4的次级电路46的底部端子，该运算放大器52作为低阻抗电压源92工作。
图6至10示出直流发送器配置4的多种实施方式，这些直流发送器配置4被插入到本发明的电路配置中。
图6示出作为具有有源开关(active switch)35，36的半桥电流转换器的直流发送器4。这里，初级侧定时发生器43和次级侧定时发生器44确保初级侧开关35和次级侧电路36在输入导体对6a，6b或者连接导体对7a，7b的导线之间被同步地来回切换。转换的频率(大约100-200kHz)与绕组31，32的电感和电容器33a，33b，34a，34b的电容相适应。在初级侧45，作为模拟直流信号的标准电流信号IN1，作为由初级侧定时发生器43所设定的周期的函数而改变电流方向。为了形成可经由隔离变换器或隔离转换器3发送的合适的交流信号，被交替充电的两个电容器33a和33b被设置在初级侧45。借助于两个电容器34a和34b以及将连接导体对7a，7b的导线同步切换到绕组32的进给线7a1，7b1，在次级侧46发生相同的情况。这样，在次级侧产生与在初级侧的标准电流信号IN1对称的标准电流信号IN2，其中，电流方向相反。
在图6的该实施方式中，在直流发送器4的次级侧46的底部端子处提供消息信号发送器9的交流电压信号Uw。
图7示出与图6相同的实施方式中的作为具有有源开关的半桥电流转换器的直流发送器4。图7和图6的不同之处在于，在图7中，消息信号发送器9的交流电压信号Uw的提供发生在运算放大器51的P输入，如参考图3所述。
图8示出作为具有有源开关37a，37b，38a，38b的全桥电流转换器的直流发送器4。以该方式，初级侧定时发生器43将初级侧开关37a和37b二者在用于将导体线6a，6b连接到绕组31的备选连接(alternating connections)以及将导体线7a，7b连接到绕组32的备选连接的两个位置之间切换。两个初级侧开关37a和37b的位置的循环变化将进入的直流信号IN1转换为脉冲信号或交流信号。与初级侧定时发生器43同步地，次级侧定时发生器44在两位置之间同样地切换两个次级侧开关38a和38b。两个次级侧开关38a和38b的位置的循环变化将次级侧46的进入的脉冲信号或交流信号转换成直流信号IN2。
图9示出在具有中心抽头的结构中的直流发送器4。这里，初级侧定时发生器43将两个初级侧开关43a和43b交替切换到连接导体6b1和6b2。两个初级侧开关43a和43b的位置的循环变化将进入的直流信号IN1转换成脉冲信号或交流信号。与初级侧定时发生器43同步地，次级侧定时发生器44将两个次级侧开关44a和44b交替切换到连接导体7b1和7b2。两个次级侧开关44a和44b的位置的循环变化将次级侧46的进入的脉冲信号或交流信号转换成直流信号IN2。
图10示出作为具有二极管47，48的半桥电流转换器的电流转换器4。在初级侧，直流信号IN1被以在图6和7中已经说明的方式转换成脉冲信号或交流信号。在次级侧，进入的脉冲信号或交流信号借助于二极管47和48以及两个电容器34a和34b被转换成直流信号IN2。
对于上述配置，一种可能的应用在于：第一发送-接收系统1是例如产生标准电流信号IN1的存储器可编程系统SPS。该标准电流信号IN1具有如下结果：在次级侧46，致动器(＝作为场器件的部分的视在欧姆电阻15)改变其状态。该致动器可以是例如作为标准电流信号IN1的函数的改变其状态的电子管。借助于返回信号，电子管可报告回初级侧45的电子管位置的实际状态。然而，在次级侧，例如总线用户(bussubscriber)等复杂的电子装置也可代表第二发送-接收系统2。
对于根据本发明的配置，另一可能的应用在于：在初级侧45，第一发送-接收系统1包括温度传感器，该温度传感器产生标准电流信号IN1。于是第二发送-接收系统2是例如评估电路。以该方式，由该传感器测量的温度可被显示和/或用于控制问题。可借助于返回信号将传感器参数化。
一般而言，第一发送-接收系统1和/或第二发送-接收系统2可构造为场器件，根据该场器件，导体段6a，6b和/或8a，8b代表穿过场并且可沿两个方向发送信号的传输路径。关于这一点，直流发送器4和运算放大器配置5可被认为是“中央办公室”。该中央办公室仅具有少量模块，并且可被容纳在小空间中，这是所希望的。

Claims (16)

1.一种用于直流信号和交流信号在第一发送-接收系统(1)和第二发送-接收系统(2)之间的电隔离传输的配置，该配置包括：
多段发送-接收导体对(6a，6b；7a，7b；8a，8b)，其经由单个双导体通道连接两个发送-接收系统(1，2)，
直流发送器(4)，其包括：具有初级电路(45)的隔离转换器(3)；和次级电路(46)，该次级电路(46)短路以用于直流信号(IN1，IN2)的信号传输，其中所述直流发送器(4)将直流信号(IN1)转换成交流信号，并且将交流信号转换回直流信号(IN2)，以便导体段的直流隔离；
电子I/I或I/U转换器(5)，在其输入侧施加经由所述通道发送的信号，并且在其输出侧将可用的信号作为电流信号或电压信号输出到所述第二发送-接收系统(2)；以及
消息信号发送器(9)，其在次级侧连接到所述直流发送器(4)，以用于消息信号(U2)的传输，从而在初级侧可确定电压的变化，该电压的变化可作为发送的消息信号由所述第一发送-接收系统(1)评估，
其中，所述消息信号发送器(9)是与所述直流发送器(4)的所述次级电路(46)串联的受控电压源；并且
所述第一发送-接收系统(1)将标准电流信号(IN1)供给到所述直流发送器(4)的所述初级电路(45)，并且当电压出现变化时，电源电压(U1)增加与在次级侧提供的所述消息信号发送器(9)的电压的值(U2)对应的值，以确定从被测量的所述电源电压到所述初级电路(45)的所述消息信号的值。
2.根据权利要求1所述的配置，其特征在于，所述消息信号发送器(9)连接到电子I/I或I/U转换器(5)的运算放大器(51)的第一输入，该运算放大器(51)的第二输入连接到所述直流发送器(4)的所述次级电路(46)，并且所述运算放大器(51)的输出被反馈到所述运算放大器(51)的所述第二输入。
3.根据权利要求1或2所述的配置，其特征在于，所述第二发送-接收系统(2)具有交流电压信号源(11)，该交流电压信号源(11)经由电容器(CK)耦合到在所述电子I/I或I/U转换器(5)的输入侧的电阻器(R)上，使得该交流电压信号源(11)的交流电压信号(UW)被调制到接收的直流信号(IN2)上，其中，所述交流电压信号(UW)消除了所述电子I/I或I/U转换器(5)的直接对地参考，并且通过其控制特性，所述电子I/I或I/U转换器(5)将所述交流电压信号(UW)调制到所述标准电流信号(IN1)的所述次级侧电流(IN2)上，从而迫使所述第一发送-接收系统(1)产生与电源电压(U1)相同的电压。
4.根据权利要求2所述的配置，其特征在于，所述消息信号发送器(9)由低阻抗电压源(92)形成，所述低阻抗电压源(92)在一侧连接到所述直流发送器(4)的所述次级侧(46)，而在另一侧经由电容器(CK)连接到具有视在欧姆电阻(15)和交流电压信号发送器(11)的场器件，其中，作为交流电压信号、被调制到所述标准电流信号(IN1)的所述次级侧电流(IN2)上的所述消息信号被发送到所述第一发送-接收系统(1)。
5.根据权利要求1或2所述的配置，其特征在于，所述隔离转换器(3)的所述初级侧(45)的连接导体和所述隔离转换器(3)的所述次级侧(46)的连接导体可同步切换，以形成半桥电流转换器。
6.根据权利要求5所述的配置，其特征在于，为了进行切换，将有源开关(35，37a，37b，43a，43b)设置在所述初级电路(45)中，并且将有源开关(36，38a，38b，44a，44b)或二极管(47，48)设置在所述次级电路(46)中。
7.根据权利要求1或2所述的配置，其特征在于，所述隔离转换器(3)的所述初级侧(45)的连接导体和所述隔离转换器(3)的所述次级侧(46)的连接导体可同步切换，以形成具有有源开关(37a，37b；38a，38b)的全桥电流转换器。
8.根据权利要求1或2所述的配置，其特征在于，所述隔离转换器(3)在其初级侧(45)和次级侧(46)是中心抽头形式的，并且所述隔离转换器(3)的连接导体(6b1，6b2；7b1，7b2)能够同步切换。
9.一种用于直流信号和交流信号在第一发送-接收系统(1)和第二发送-接收系统(2)之间的电隔离传输的方法，该方法具有如下步骤：
a)在所述第一发送-接收系统(1)中，获得测量信号，该测量信号被制备为用于经由双导体通道传输的直流信号或交流信号，该双导体通道具有相互直流隔离的段；
b)在使用具有所述隔离转换器(3)的直流发送器(4)的情况下，所述直流信号和所述交流信号经由所述双导体通道被供给到电子I/I或I/U转换器(5)；
c)所述电子I/I或I/U转换器(5)恢复与来自所述直流信号和交流信号的所述测量信号对应的电流信号或电压信号，并且使该电流信号或电压信号可用于所述第二发送-接收系统(2)；
d)在消息信号从所述第二发送-接收系统(2)传输到所述第一发送-接收系统(1)的情况下，所述消息信号被供给到所述直流发送器(4)的所述次级电路(46)，并且经由所述初级电路(45)被提供到所述第一发送-接收系统(1)，
其中，所述消息信号为电压信号(U2)，在所述次级侧(46)提供该电压信号(U2)，并且能够通过对在所述初级侧(45)的电压变化进行补偿而在所述初级侧(45)检测该电压信号(U2)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述测量信号为直流发送器的直流信号，并且被斩波以用于经由所述隔离转换器(3)的传输。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述直流测量信号为各自具有设定的电流强度的标准信号(IN1)。
12.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一发送-接收系统(1)为存储器可编程系统，所述第二发送-接收系统(2)包括受控器件，该受控器件由于所述测量信号而反应并且选择性地触发消息信号的返回传输。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述受控器件为致动器，该致动器作为所述测量信号的函数改变其状态或其位置。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述受控器件为总线用户。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述受控器件为评估电路。
16.根据权利要求9-11中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一发送-接收系统(1)为传感器器件。
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