中智聯儀表集團重慶宇通儀器儀表有限公司 馮 偉
作zuo為wei工gong業ye現xian場chang與yu控kong製zhi室shi儀yi表biao之zhi間jian的de信xin號hao隔ge離li變bian送song器qi設she備bei，信xin號hao隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha一yi直zhi發fa揮hui著zhe重zhong要yao的de作zuo用yong，是shi工gong業ye控kong製zhi係xi統tong中zhong重zhong要yao的de組zu成cheng部bu分fen。隨sui著zhe技ji術shu的de進jin步bu，無wu論lun是shi現xian場chang的de一yi次ci儀yi表biao，還hai是shi控kong製zhi係xi統tong，都dou發fa生sheng了le變bian化hua，信xin號hao隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha也ye需xu要yao進jin一yi步bu發fa展zhan適shi應ying更geng高gao的de要yao求qiu。宇yu通tong公gong司si總zong結jie多duo年nian來lai的de實shi踐jian經jing驗yan，對dui產chan品pin進jin行xing了le改gai進jin，對dui隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha的de性xing能neng進jin行xing了le提ti升sheng，以yi滿man足zu市shi場chang的de需xu求qiu。新xin型xing的de隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha在zai性xing能neng和he技ji術shu指zhi標biao上shang都dou較jiao過guo去qu有you了le更geng大da的de進jin步bu。
一、 模塊化的設計保證對市場的快速響應
隔離器和安全柵一般由輸入信號處理單元、隔離單元、輸出信號處理單元、電源等4部份構成。根據信號的流向在輸入或輸出單元增加本質安全設計，從而構成隔離器和安全柵。
雖然實際應用中的隔離器和安全柵基本上都是由上述四個單元構成，但輸入、輸(shu)出(chu)的(de)類(lei)型(xing)和(he)數(shu)量(liang)的(de)不(bu)同(tong)，組(zu)成(cheng)了(le)種(zhong)類(lei)繁(fan)多(duo)的(de)型(xing)號(hao)，為(wei)了(le)滿(man)足(zu)市(shi)場(chang)的(de)需(xu)求(qiu)，越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)的(de)型(xing)號(hao)使(shi)得(de)企(qi)業(ye)的(de)生(sheng)產(chan)負(fu)擔(dan)加(jia)重(zhong)，數(shu)量(liang)少(shao)品(pin)種(zhong)多(duo)使(shi)得(de)交(jiao)貨(huo)周(zhou)期(qi)越(yue)來(lai)越(yue)長(chang)，也(ye)使(shi)得(de)調(tiao)試(shi)檢(jian)驗(yan)的(de)成(cheng)本(ben)增(zeng)加(jia)。這(zhe)些(xie)情(qing)況(kuang)已(yi)經(jing)嚴(yan)重(zhong)的(de)阻(zu)礙(ai)了(le)產(chan)品(pin)的(de)市(shi)場(chang)推(tui)廣(guang)。針(zhen)對(dui)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)，宇(yu)通(tong)公(gong)司(si)通(tong)過(guo)仔(zai)細(xi)的(de)分(fen)析(xi)，采用模塊化的設計方法，將隔離器和安全柵劃分為七種功能模塊，從而比較好的解決了上述問題。模塊化的設計方法極大的解決了產品加工、調試、老化、庫存的壓力，產品的一致性好，質量得到提高。從根本上解決了品種多數量少給生產環節帶來的壓力，極大的縮短了交貨周期。
二、低功耗設計
digonghaoshidianzichanpinshejiyongwuzhijingdezhuiqiu，bansuijishudefazhan，muqiangeliqiheanquanzhadegonghaoyuguoquxiangbi，yijingjianxiaoxuduo，xingnenghejishuzhibiaoyededaotigao。yiyutonggongsiyitaibiaozhundegelianquanzhaweililaishuominggonghaodebianhua。 電源：24DC 負載：750歐姆
代表型號 電流 耗散功率 備注
第一代產品 RPA1100A 75mA 1W～1.3W 目前國內主流產品功耗
第二代產品 RPA1100B 57mA 0.5W～1W 目前國內主流產品功耗
第三代產品 TM6041S 40mA 0.1W～0.2W
產(chan)品(pin)的(de)功(gong)耗(hao)是(shi)各(ge)個(ge)功(gong)能(neng)單(dan)元(yuan)功(gong)耗(hao)的(de)總(zong)和(he)，隻(zhi)有(you)降(jiang)低(di)各(ge)個(ge)功(gong)能(neng)單(dan)元(yuan)的(de)功(gong)耗(hao)才(cai)能(neng)使(shi)得(de)總(zong)得(de)功(gong)耗(hao)降(jiang)低(di)，增(zeng)加(jia)產(chan)品(pin)的(de)熱(re)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)壽(shou)命(ming)。隔(ge)離(li)器(qi)和(he)安(an)全(quan)柵(zha)由(you)輸(shu)入(ru)、輸出、隔離、電源、安全等單元構成，其中安全單元是無源的限壓限流網絡，技術上進行低功耗改進的可能性非常小。主要在輸入、輸出、電源、隔離四個單元進行技術改進。
1、 輸出單元模塊的自適應負載技術
shuchumokuaikeyigenjufuzaidedaxiaodongtaitiaozhengshuchumokuaideshuchugonglv，congerjianshaozishendefare。chuantongdefuzaishejishigenjuedingfuzaidedaxiaoshejishuchugonglv，dangshuchufuzaifeichangxiaoshi，duoyudefuzaigonglvjiuhaosanzaiyibiaoneibu，congershiyibiaozishenfare。jiasheyitaigeliqideshuchufuzaishejiwei750歐姆，那麼輸出驅動功率一般設計為0.5W。如果在實際應用中此隔離器的負載使用在50歐姆的環境下，那麼就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的(de)功(gong)率(lv)轉(zhuan)換(huan)為(wei)儀(yi)表(biao)自(zi)身(shen)的(de)發(fa)熱(re)。如(ru)果(guo)時(shi)多(duo)路(lu)輸(shu)出(chu)將(jiang)產(chan)生(sheng)更(geng)多(duo)的(de)熱(re)量(liang)，而(er)降(jiang)低(di)輸(shu)出(chu)模(mo)塊(kuai)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)在(zai)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)又(you)難(nan)以(yi)應(ying)付(fu)市(shi)場(chang)的(de)複(fu)雜(za)狀(zhuang)況(kuang)。
自適應負載技術很好的解決了這個矛盾，此技術的原理圖示如下：
下表是對比的測試數據: 測試條件：電源24DC；負載變化 50歐姆～750歐姆
輸出模塊類型 標準輸出模塊 自適應負載輸出模塊
模塊的耗散功率（50Ω） 320mW 10mW
模塊的耗散功率（250Ω） 220mW 10mW
模塊的耗散功率（500Ω） 120mW 10mW
模塊的耗散功率（750Ω） 20mW 10mW
從上表可以看到：自適應負載技術使得模塊的耗散功率是恒定在一個很低的水平，不會受到負載變化的影響。
負(fu)荷(he)檢(jian)測(ce)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)負(fu)載(zai)的(de)大(da)小(xiao)調(tiao)整(zheng)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，極(ji)大(da)的(de)減(jian)少(shao)了(le)輸(shu)出(chu)模(mo)塊(kuai)的(de)發(fa)熱(re)，用(yong)戶(hu)在(zai)定(ding)貨(huo)時(shi)無(wu)須(xu)說(shuo)明(ming)負(fu)載(zai)大(da)小(xiao)，極(ji)大(da)的(de)方(fang)便(bian)了(le)用(yong)戶(hu)的(de)使(shi)用(yong)和(he)緩(huan)解(jie)了(le)庫(ku)存(cun)壓(ya)力(li)
2、 隔離單元模塊的低功耗改進
隔離單元是決定產品技術指標的重要單元。
目mu前qian隔ge離li技ji術shu主zhu要yao有you磁ci隔ge離li與yu光guang隔ge離li兩liang大da類lei。隔ge離li電dian路lu形xing式shi有you直zhi接jie調tiao製zhi耦ou合he，反fan饋kui調tiao製zhi耦ou合he等deng多duo種zhong形xing式shi，具ju體ti采cai用yong什shen麼me形xing式shi要yao根gen據ju產chan品pin的de技ji術shu指zhi標biao而er定ding。 總zong的de來lai講jiang可ke以yi大da致zhi分fen為wei開kai關guan量liang信xin號hao采cai用yong光guang隔ge離li，模mo擬ni量liang信xin號hao采cai用yong磁ci隔ge離li的de方fang式shi。從cong技ji術shu複fu雜za程cheng度du來lai看kan，磁ci隔ge離li比bi光guang隔ge離li處chu理li技ji術shu複fu雜za，采cai用yong磁ci隔ge離li技ji術shu， 設計者可以根據技術指標采用合適的設計方案，隔離的線性、精度可以根據產品要求靈活控製。而光隔離的線性、精度隻能依賴器件廠家提供的技術指標， 設she計ji人ren員yuan可ke以yi調tiao整zheng的de方fang式shi很hen少shao，也ye不bu可ke能neng超chao過guo廠chang家jia提ti供gong的de技ji術shu指zhi標biao。由you於yu功gong耗hao大da，光guang電dian隔ge離li也ye不bu能neng實shi現xian無wu源yuan隔ge離li。宇yu通tong采cai用yong電dian流liu互hu感gan模mo式shi、電流互感反饋模式、 電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補償模式等多種磁隔離方式。根據產品的特點選擇不同的磁隔離模式。
上述隔離模式中，電流互感功率補償模式是功耗最低的模式，目前在新一代的無源隔離安全柵中使用，在保證技術指標的同時，降低了隔離單元的功耗。
3、電源模塊
電(dian)源(yuan)的(de)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)是(shi)基(ji)礎(chu)，決(jue)定(ding)產(chan)品(pin)的(de)性(xing)能(neng)。目(mu)前(qian)流(liu)行(xing)的(de)電(dian)源(yuan)拓(tuo)撲(pu)形(xing)式(shi)雖(sui)然(ran)非(fei)常(chang)多(duo)，也(ye)很(hen)成(cheng)熟(shu)。但(dan)我(wo)們(men)在(zai)隔(ge)離(li)器(qi)和(he)安(an)全(quan)柵(zha)的(de)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)中(zhong)進(jin)行(xing)了(le)技(ji)術(shu)創(chuang)新(xin)，目(mu)前(qian)采(cai)用(yong)的(de)參數式開關穩壓電源設計獲huo得de了le國guo家jia的de發fa明ming專zhuan利li。根gen據ju隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha的de特te點dian，參can數shu式shi開kai關guan穩wen壓ya穩wen壓ya電dian源yuan提ti升sheng了le效xiao率lv，降jiang低di了le電dian源yuan的de複fu雜za程cheng度du。從cong工gong藝yi和he成cheng本ben上shang得de到dao改gai進jin，減jian少shao了le產chan品pin的de故gu障zhang率lv。
三、無源隔離器和安全柵
傳統的隔離器和安全柵均為有源，需要外接24V直流電源。而無源隔離器和安全柵不需要外接24V直流電源，接線數量減少了三分之一，降低了安裝和維護難度。因此，無源隔離器和安全柵的應用越來越廣泛，特別是在DCS和PLC係統的接口應用中，普遍采用無源隔離器和安全柵的設計模式
無源隔離器和安全柵的示意圖：
無源隔離器和安全柵是指無須外接24V直流電源，其工作所需要的能量來源於表示信號的4 ~ 20mA電流。因此，無源隔離器和安全柵的功耗必須非常小，是一種微功耗的設計應用。更低的功耗和更高的輸入、輸出線性是衡量無源隔離器和安全柵的關鍵指標。
無源隔離模式的輸入、輸出轉移特性示意圖：
從上圖可知；引起輸入、輸shu出chu非fei線xian性xing的de主zhu要yao因yin素su是shi信xin號hao電dian流liu的de變bian化hua和he負fu載zai大da小xiao。這zhe種zhong二er元yuan變bian化hua的de影ying響xiang在zai有you源yuan隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha的de設she計ji中zhong可ke以yi很hen好hao的de解jie決jue，因yin為wei沒mei有you功gong耗hao的de限xian製zhi。而er在zai無wu源yuan隔ge離li器qi和he安an全quan柵zha的de設she計ji應ying用yong中zhong，許xu多duo成cheng熟shu的de技ji術shu都dou受shou到dao功gong耗hao的de限xian製zhi而er無wu法fa采cai用yong。通tong過guo對電流互感磁隔離改進而創新的電流互感功率補償磁隔離，很好的解決了此問題。
下麵的表格是無源磁隔離模式改進前後的輸入、輸出線性指標對比。 磁隔離模式 非線性（50Ω） 非線性（250Ω） 非線性（500Ω)
電流互感功率補償 0.1 0.1 0.1
電流互感 0.1 0.25 0.5
目前國內、waizaiwuyuangeliqiheanquanzhadeyingyongzhongjuncaiyongdeshidianliuhugandecigelimoshi，qixianxingzhibiaoyuyutongdediyidaichanpinchabuduo，qixianxingzhibiaoshoudaosuoshiyongdegeliyuanlidexianzhi。
宇通公司在無源隔離器和安全柵的設計中采用電流互感功率補償式磁隔離，設計的無源隔離器和安全柵在輸入、輸出線性指標上達到了有源隔離器和安全柵的水平。這樣的線性指標在國內、外都是領先的。
四、小型化、接線少。以適應高密度的安裝要求
geliqiheanquanzhazuoweierciyibiao，anzhuangzaikongzhishinei，kongzhishidehuanjingyaoqiuchanpinjinkenengdexiaoyishixiangaomidudeanzhuang，tongshijiexiandeshuliangyinggaijinkenengdeshao，congerjianshaoanzhuangheweihudenandu。chanpindexiaoxinghuashigeliqiheanquanzhadefazhanqushi。宇通目前的MS係列產品的厚度隻有6.2mm。下表是目前宇通各個係列產品的尺寸規格： 型號 厚度（mm） 標準控製櫃（800X800X2100mm）
R係列 22 可以安裝300個
TM係列 16 可以安裝400個
TR、TS係列 12 可以安裝560個
MS係列 6.2 可以安裝980個
低(di)功(gong)耗(hao)的(de)設(she)計(ji)實(shi)現(xian)體(ti)現(xian)在(zai)產(chan)品(pin)的(de)外(wai)觀(guan)上(shang)就(jiu)是(shi)產(chan)品(pin)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)，隻(zhi)有(you)低(di)功(gong)耗(hao)產(chan)品(pin)才(cai)能(neng)實(shi)現(xian)密(mi)集(ji)安(an)裝(zhuang)。伴(ban)隨(sui)著(zhe)技(ji)術(shu)的(de)進(jin)步(bu)，我(wo)們(men)將(jiang)設(she)計(ji)出(chu)功(gong)耗(hao)更(geng)低(di)、性能更好、體積更小的產品。
目前國內的主流產品厚度一般都在20mm～30mm之間，國外最新產品的厚度為6.2mm。宇通公司的MS係列達到了國外最新產品的水平。
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