浅谈隔离放大器
定义：隔离放大器是将输入的电量信号或物理量信号通过一种技术手段处理后,隔离输出一组模拟量信号,这组模拟量信号是以标准的4-20mA/0-20mA/0-10mA/0-10V/0-5V/1-5V/2-10V/0-2.5V/0-±20mA/0-±10mA/0-±10V/0-±100mV/0-±5V等信号,以便控制系统及仪器仪表设备采样采集。
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什么是两线制隔离放大器？
两线制隔离放大器只是隔离放大器产品的一种传输方式,这种传输方式是将供电电源、负载电阻、隔离放大器串联在一起的，即二根导线同时传送隔离变送器所需的工作电源和输出电流信号,目前大多数隔离变送器均为两线制隔离放大器；但其中也不少是三线制隔离放大器和四线制隔离放大器.
一、什么是两线制电流隔离放大器
1、什么是两线制？
2、两线制有什么优点？
1、两线制是指现场隔离放大器或隔离变送器与控制室仪表传输信号、信号采集及变换时仅用两根导线来实现信号传输及驱动负载这个过程的,这两根导线既是电源线,又是信号线。
2、两线制隔离器的优点：
a、不易受寄生热电偶、沿电线回路的电阻的压降以及温度漂移的影响,可用非常便宜及更细的导线,可节省大量电缆线和安装费用；
b、在电流源输出电阻足够大时,经磁场耦合感应到导线环路内的电压,不会产生显著影响,因为干扰源引起的电流极小,有干扰时一般利用双绞线就能降低干扰,两线制隔离放大器必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地；
c、电容性干扰会导致接收器电阻有误差,对于4-20mA两线制环路隔离器,接收器电阻通常为高精度的250Ω(取样Vout=1-5V)这个电阻小到不足以产生显著误差,因此,可以允许的电线长度更远更长,但多远多长得根据实际情况；
d、各个单台显示装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接,不因接线长度的不等而造成精度的差异,实现分散采集,分散式采集的好处就是:分散采集,集中控制......
e、将4mA用于零电平,可判断开路、短路、传感器损坏(0mA状态)十分方便；
f、在两线制隔离变送器/隔离放大器输出口加设一两只防雷防浪涌器件,有利于安全防雷防爆的作用；
什么是三线制？
三线制是指现场隔离放大器的电源正端和信号输出正端分离,但它们共用一个COM端,用三根线来和控制室的仪器仪表及工业现场的工控设备(PC、PLC、DCS)来传输信号,进行信号采集及隔离变换的功能,这三根线是电源正端,信号输出正端及公共端。
什么是四线制？
四线制是指隔离放大器的电源和信号完全分离,各自是相对独立工作,没有共用的公共端(即COM端)那么四线制的线分为：工作电源两根线,信号传输两根线。但在两线制、三线制中,基本上是弱电提供电源(5-24VDC)居多。四线制的工作电源可能是弱电(5-24VDC)但可能是强电110V或220VAC。
三线制和四线制变送器均不具备上述两线制放大器的优点即将被两线制隔离放大器所取代,从国外的行业动态及隔离器芯片供求量即可知一般,电流放大器在使用时要安装在现场设备的动力线上,而以单片机为核心的监测系统则位于较远离设备现场的监控室里,两者一般相距几十到几百米甚至更远。设备现场的环境较为恶劣,各种工控设备及强电信号会产生各种电磁干扰,雷电感应会产生强浪涌脉冲,在这种情况下,单片机应用系统中遇到的一个棘手问题就是如何在恶劣环境下远距离可靠地传送微小信号。
两线制变送器件的出现使这个问题得到了较好地解决。它把现场设备动力线的电流隔离转换成4-20 mA的按线性比例变化的标准电流信号输出,然后通过一对双绞线送到监测系统的输入接口上,双绞线同时也将位于监测系统的24V工作电源送到电流变送器中。测量信号和电源在双绞线上同时传送,既省去了昂贵的传输电缆线,而且信号是以电流的形式传输,抗干扰能力得到极大的加强。
二、电流隔离放大器4-20mA输出是如何转换的？
两线制电流隔离放大器的输出为4-20mA,通过250Ω的精密电阻转换成1-5V或2-10V的模拟电压信号。转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用,因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。系统的输入模块采用压频转换器件(LM231)将模拟电压信号转换成频率信号,用光电耦合器件(TL117)进行模拟量信号与数字量信号的隔离及变换。
同时模拟量隔离信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组单独的工作电源,模拟地与数字地相互分开,而不是共地连接,这样可提高系统工作的安全性。利用电压转频率的转换器件(LM231)也有一定的抗高频干扰的作用。
三、电流输出型与电压输出型的隔离放大器有哪些优劣比较？
在工业控制的许多应用场合,都要使用隔离器来将PLC、PC、DCS、仪器仪表不能直接测量的信号转换成PLC、PC、DCS、仪器仪表可以处理的模拟量信号,如电流变送器,压力变送器、温度变送器、流量变送器等。
早期的隔离器、变送器大多为电压输出型,即将测量信号转换为0-5V电压输出,这是运放直接输出的,信号功率<0.05W，通过模拟量/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制及信号采集。但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破降低了隔离放大器产品的精度等级等缺点,这样在读取参数时误差更大,而两线制电流输出型隔离放大器/变送器具有极高的抗干扰能力,远距离传输时信号无失真,保证了隔离器的精度等级,带给了业现场的测量的准确采集数值,所以电流型隔离放大器在工业控制领域或工业现场的信号采集上得到了广泛的应用。
电压输出型隔离放大器抗干扰能力极差,线路损耗大,不能进得远距离传输,远传后线路压降大,精度等级降低,并在传输途中还易受到各种干扰,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分,使单片机或其他控制设备(PLC、DCS、PC)产生误判断,控制出现错误,严重时还会损坏设备,现在很多的ADC,PLC,DCS的输入信号端口都作成两线制电流输出型隔离放大器4-20mA的,证明了电压输出型隔离放大器被淘汰的必然趋势。
四、4-20mA电流输出型到接口的处理方法？
电流输出型变送器的输出范围常用的有0-20mA及4-20mA两种,电流隔离变送器输出最小电流及最大电流时,分别代表电流隔离变送器所标定的最小及最大额定输出值。
下面对测量范围为以0-100A的电流隔离放大器为例进行描述。对于输出0-20mA的隔离放大器0mA电流对应输入0A值，输出4-20mA的隔离器4mA电流对应输入0A值,两类传感器的20mA电流都对应100A值。
对于输出0-20mA的隔离器,在电路设计时只需选择合适的降压电阻,在A/D转换器输入接口直接将电阻上的0-5V或0-10V电压转换为数字信号即可,电路调试及数据处理都比较简单。但劣势是无法判别隔离器的损坏,无法辨别隔离器输出开路和短路的状态。
对于输出4-20mA的隔离器,电路调试及数据处理上都较为烦琐。但这种隔离器能够在线路不通,短路或损坏能否检测到正常范围内的电流(正常时最小值也有4mA),来判断电路回路是否出现故障,隔离器是否损坏,因此得到更为广泛的使用。
由于4-20mA隔离放大器输出4mA时,在取样电阻上的电压不等于0,直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0,单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。因此一般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换。这类硬件电路首推RCV420,是一种精密的I/V转换电路,但是也可以应用LM258自搭的I/V转换电路,这个电路由两线制电流隔离器产生的4-20mA电流与24V以及取样电阻形成电流回路,从而在取样电阻上产生一个1-5V压降,并将此电压值输入到放大器(LM258)上,通过I/V转换电路把信号提供给单片机CPU或工业控制系统(DCS、PC、PLC、仪器仪表)读入,通过信号采集,隔离，数据变换的处理方法将两线制电流隔离放大器的4-20mA电流在LCD、LED屏幕、仪器仪表、工业控制系统上以0-100A值的形式显示出来，详细原理就不一一描述了。
隔离放大器(隔离变送器)实物图:
