ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ, ГАЛЬВАНИЧЕСКИ РАЗВЯЗАННЫЙ КАНАЛ ПЕРЕДАЧИ
BIDIRECTIONAL GALVANICALLY ISOLATED CHANNEL OF TRANSMISSION

Изобретение относится к устройству и способу передачи с потенциальной развязкой сигналов постоянного и переменного токов в качестве измерительных сигналов и в качестве известительных сигналов между двумя приемопередающими системами.
Подобное устройство описано, например, в публикациях DE 29718405 U1, DE 29816659 U1 и ЕР 0658866 В1. В этих публикациях раскрыты способы, при которых по первому каналу передается измерительный сигнал, а по второму - известительный сигнал. Первый канал включает в себя каскад связи, а второй канал - передатчик или дополнительный каскад связи. В целом, следовательно, необходимы два гальванически развязанных канала. Однако использование двух гальванически развязанных каналов является затратоемким делом и требует большой занимаемой площади.
В случае питательных разделителей измерительных сигналов (DE 10322262 А1) требуется, правда, только один двухпроводной канал для передачи сигналов, у которых для гальванической развязки на линии передачи используется трансформатор напряжения, однако требуется схема питания дополнительной энергией, чтобы обрабатывать принятые сигналы в зависимости от актуальной потребляемой мощности. Однако в этой схеме нельзя подключить приемопередающие системы с активными токовыми выходами, поскольку энергия подается питающей схемой, и таким образом, навстречу друг другу работали бы два источника напряжения.
Известна также схема для беспотенциальной передачи сигналов между двумя электронными блоками посредством трансформатора (DE 3533278 С2), у которой вторичная обмотка трансформатора при наличии квитирующего сигнала замыкается накоротко. Управляющий и квитирующий сигналы должны, однако, передаваться последовательно, т.е. одновременная передача сигнала тока от одного блока и сигнала напряжения от другого блока по одному двухпроводному каналу невозможна.
Задача изобретения состоит в создании двунаправленного, гальванически развязанного канала передачи, который обеспечивал бы одновременную передачу сигналов, идущих от обеих приемопередающих систем по участкам канала с двумя проводами каждый.
Эта задача решается посредством устройства для передачи с потенциальной развязкой сигналов постоянного и переменного токов между первой и второй приемопередающими системами, включающего в себя:
- отрезки пар приемопередающих проводов, которые соединяют обе приемопередающие системы посредством единственного двухпроводного канала;
- передатчик постоянного тока с включением разделительного трансформатора с первичной и вторичной цепями, который для передачи сигналов постоянного тока работает в режиме короткого замыкания, причем передатчик постоянного тока преобразует сигналы постоянного тока в сигналы переменного тока, а те - обратно в сигналы постоянного тока при гальванической развязке отрезков проводов;
- электронный преобразователь ток/ток или ток/напряжение, на входную сторону которого подаются переданные по каналу сигналы, а на выходной стороне которого второй приемопередающей системе выдаются полезные сигналы в виде сигналов тока или напряжения;
- датчик известительного сигнала, подключаемый на вторичной стороне к передатчику постоянного тока для передачи известительного сигнала, так что на первичной стороне может констатироваться изменение напряжения, оцениваемое первой приемопередающей системой как переданный известительный сигнал.
Задача изобретения решается также посредством способа передачи с потенциальной развязкой сигналов постоянного и переменного токов между первой и второй приемопередающими системами, включающего в себя следующие этапы:
- в первой приемопередающей системе вырабатываются измерительные сигналы, которые для передачи по двухпроводному каналу, имеющему гальванически развязанные друг от друга участки, подготавливаются в виде сигналов постоянного и переменного токов;
- сигналы постоянного и переменного токов с использованием передатчика постоянного тока с разделительным трансформатором подаются по двухпроводному каналу к электронному преобразователю ток/ток или ток/напряжение;
- электронный преобразователь ток/ток или ток/напряжение снова вырабатывает из сигналов постоянного и переменного токов соответствующий измерительному сигналу сигнал тока или напряжения и подает его к второй приемопередающей системе;
- в случае передачи известительного сигнала к первой приемопередающей системе от второй приемопередающей системы известительный сигнал подается к вторичной цепи передатчика постоянного тока и через первичную цепь - к первой приемопередающей системе.
В предложенном в изобретении устройстве по одному гальванически развязанному каналу преимущественно сигнал постоянного тока передается в виде измерительного сигнала, а обратный сигнал постоянного/переменного тока - в виде известительного сигнала. Для этого между двумя электронными приборами находятся передатчик постоянного тока с разделительным трансформатором и электронный преобразователь ток/ток или ток/напряжение. Оба электронных прибора, т.е. передатчик постоянного тока и преобразователь ток/ток или ток/напряжение, последовательно соединены отрезками двухжильных проводов. Разделительный трансформатор служит для гальванической развязки цепей обоих оконечных приборов. Передатчик постоянного тока работает в одном направлении передачи сигналов в режиме короткого замыкания, так что мощность, в основном, не передается.
На первичной стороне передатчика постоянного тока поступающий от первого оконечного прибора сигнал, преимущественно сигнал постоянного тока, преобразуется в сигнал переменного тока. На вторичной стороне поступающий туда сигнал переменного тока снова преобразуется в сигнал постоянного тока.
Для схемотехнической реализации передатчика постоянного тока имеются несколько возможностей. Во-первых, передатчик постоянного тока может быть выполнен в виде полумостового трансформатора тока с активными выключателями (транзисторы, аналоговые выключатели и т.д.), которые на вторичной стороне могут быть заменены также диодами, а во-вторых, передатчик постоянного тока может быть реализован в виде полномостового трансформатора тока. Также можно выполнить передатчик постоянного тока с разделительным трансформатором с отводом от средней точки.
Для обеспечения эксплуатации передатчика постоянного тока в режиме короткого замыкания на его вторичной стороне используется преобразователь ток/ток, который развязывает передатчик постоянного тока от второго оконечного прибора.
Если второй оконечный прибор должен отдавать обратный сигнал первому оконечному прибору, то он может подаваться в виде сигнала импульсного, постоянного или переменного напряжения в различных местах на вторичной стороне передатчика постоянного тока.
Первая возможность подачи обратного сигнала состоит в использовании управляемого источника напряжения, включенного последовательно с вторичной стороной передатчика постоянного тока. Кроме того, обратный сигнал может быть приложен к входу преобразователя ток/ток или ток/напряжение.
Подача этого сигнала импульсного, постоянного или переменного напряжения ведет к устранению короткого замыкания вторичной стороны передатчика постоянного тока, а это приводит к тому, что переданный первым электронным прибором сигнал, преимущественно сигнал постоянного тока, может использоваться только в том случае, если на первичной стороне напряжение повышается на значение поданного на вторичной стороне сигнала импульсного, постоянного или переменного напряжения. Таким образом, на первичной стороне поданный на вторичной стороне сигнал импульсного, постоянного или переменного напряжения может быть измерен и оценен как обратный сигнал.
В результате, нет необходимости во втором, гальванически развязанном канале передачи обратного сигнала против направления преимущественно сигнала постоянного тока.
Главными областями применения такого устройства являются развязывающие усилители с HART-связью во взрывозащищенной и взрывонезащищенной областях. В случае используемого во взрывозащищенной области электронного прибора речь может идти, например, об устройстве для измерения давления и/или температуры или об исполнительном органе, например клапане. В случае используемого во взрывонезащищенной области электронного прибора речь может идти, например, о пульте управления для контроля измеренных «в поле» значений.
Кроме того, возможно применение предложенного в изобретении устройства для квитирования известительных сигналов и сигналов состояния, например «обрыв провода», «короткое замыкание» и т.д.
Для лучшего понимания настоящего изобретения дана ссылка на прилагаемые чертежи, на которых изображают:
- фиг.1: блок-схему принципиального строения устройства;
- фиг.2: в виде принципиальной блок-схемы в отношении ввода известительных сигналов первый пример выполнения устройства;
- фиг.3: в виде принципиальной блок-схемы в отношении ввода известительных сигналов второй пример выполнения устройства;
- фиг.4: схему примера выполнения устройства из фиг.3;
- фиг.5: схему примера выполнения устройства из фиг.2;
- фиг.6: блок-схему устройства из фиг.2 с примером полумостового трансформатора тока;
- фиг.7: блок-схему устройства из фиг.3 с примером полумостового трансформатора тока;
- фиг.8: блок-схему устройства с полномостовым трансформатором тока;
- фиг.9: блок-схему устройства с передатчиком с отводом от средней точки в качестве трансформатора тока;
- фиг.10: блок-схему устройства из фиг.3 с другим примером полумостового трансформатора тока.
На фиг.1 в виде блок-схемы изображено принципиальное строение устройства. Первая приемопередающая система 1 соединена единственным двухпроводным каналом, включающим в себя отрезки 6а, 6b, 7a, 7b, 8а, 8b проводов, с разделительным трансформатором 3, который является частью передатчика 4 постоянного тока. Последний, в свою очередь, соединен электронным преобразователем 5 ток/ток или ток/напряжение со второй приемопередающей системой 2. Трансформатор 3 содержит обмотку 31 первичной стороны и обмотку 32 вторичной стороны. Эти обмотки 31, 32 образуют соответственно первичную сторону 45 (первичный контур) и вторичную сторону 46 (вторичный контур) передатчика 4. На его первичной стороне 45 аналоговые сигналы постоянного тока прерываются, прерванные сигналы передаются посредством трансформатора 3 на вторичную сторону 46 и преобразуются здесь снова в аналоговые сигналы постоянного тока. Другие подробности поясняются с помощью фиг.6-10.
Благодаря первичной 45 и вторичной 46 сторонам можно для всего устройства между первой и второй приемопередающими системами различать две области А и В, представляющие, например, взрывозащищенную и взрывонезащищенную области. Поскольку между первичной 45 и вторичной 46 сторонами отсутствует проводящее соединение, обе стороны гальванически развязаны друг от друга.
Вторичная сторона 46 передатчика 4 соединена с входной стороной электронного преобразователя 5 ток/ток или ток/напряжение посредством второго участка двухпроводного канала, т.е. парой 7a, 7b соединительных проводов. Выходная сторона преобразователя 5 соединена со второй приемопередающей системой 2 посредством третьего участка двухпроводного канала, содержащего пару 7a, 7b выходных проводов. Кроме того, к преобразователю 5 подключен датчик 9 известительных сигналов. Он может подавать как сигналы постоянного напряжения, так и сигналы переменного напряжения. Чтобы сообщить, например, о состоянии коммутации выключателя, могут вырабатываться сигналы постоянного напряжения разного потенциала (например, 0 и 0,5 В). В качестве сигналов переменного напряжения могут использоваться FSK-сигналы (частотно-модулированные сигналы), например по протоколу HART.
N1
N2
N1
N1
N2
Система 1 подает к передатчику 4 через пару 6а, 6b входных проводов аналоговый сигнал первичного тока. В случае такого сигнала речь может идти о сигнале Iстандартного тока в диапазоне от 0 до 20 мА или от 4 до 20 мА, как это определено в DIN IEC 60381, часть 1. Эти сигналы стандартного тока могут передаваться на большие расстояния. Измерительный сигнал температуры, например в диапазоне от 0 до 100°С, представляется в виде сигнала стандартного тока от 0 до 20 мА. Значение тока 10 А соответствует тогда температуре 50°С. В случае направления измерительных сигналов от системы 1 вторичная сторона 46 передатчика 4 работает в режиме короткого замыкания. Это значит, что вторичное напряжение равно нулю, так что мощность практически не передается. Протекающий на вторичной стороне ток I пропорционален первичному току I и коэффициенту трансформации от первичной обмотки 31 к вторичной обмотке 32. Если число витков этих обмоток 31, 32 одинаковое, то первичный ток I равен вторичному току I, однако направления тока противоположные. Таким образом, направление сигнала и направление тока не совпадают. Если бы передатчик 4 сам возбуждал вторую систему 2, то он больше не работал бы в режиме короткого замыкания, вследствие чего при передаче слишком большой мощности был бы покинут линейный диапазон передачи тока.
2
Для развязки передатчика 4 от системы 2 используется электронный преобразователь 5 ток/ток или ток/напряжение, выполненный в виде операционного усилительного устройства. Это устройство 5 за счет своего выполнения в виде инвертирующего усилителя заботится о том, чтобы подключение с обратной связью за счет процесса регулирования попало на виртуальную массу, в результате чего оба Р- и N-входа приобретают одинаковый потенциал, что гарантирует замыкание на вторичной стороне передатчика 4. При этом речь идет о так называемом виртуальном коротком замыкании. Датчик 9 известительных сигналов следует рассматривать как короткозамкнутый. Его напряжение U равно нулю.
V
N2
V
Это поясняется на фиг.2. Устройство 5 включает в себя операционный усилитель 51 с Р- и N-входами и выходом. Своим Р-входом усилитель 51 соединен с потенциалом массы, а N-вход подключен к вторичной стороне 46 передатчика 4. Выход через вторую систему 2 возвращен к N-входу. Усилитель 51 запитывается напряжением U. Нижняя точка передатчика 4 и Р-вход усилителя 51 обладают одинаковым потенциалом, поскольку оба соединены с потенциалом массы. Также здесь датчик 9 следует рассматривать как короткозамкнутый. В сочетании с виртуальным коротким замыканием усилителя 51 датчик 4 работает в режиме короткого замыкания. За счет высокоомности входов усилителя ток через систему 2 точно равен вторичному току I передатчика 4. Протекающий через систему 2 ток вырабатывается усилителем 51. Энергию для этого он получает от своего питающего напряжения U.
N1
2
N1
2
1
2
2
Чтобы обеспечить передачу сигнала против направления сигнала I стандартного тока, датчик 9, представляющий собой управляемый источник напряжения U, последовательно включается во вторичную цепь 46 передатчика 4. Датчик 9 в качестве источника напряжения устраняет короткое замыкание передатчика 4 во вторичной цепи 46, однако не устраняет виртуальное короткое замыкание усилителя 51. Однако сигнал Iбольше не может протекать со своим первоначальным значением. Если этот сигнал должен продолжать протекать, несмотря на введенное на вторичной стороне напряжение U, то на первичной стороне служащая в качестве источника входного тока система 1 должна повысить свое напряжение U ровно на то значение, которое соответствует значению введенного на вторичной стороне напряжения U. При осуществлении этого повышения напряжения может быть измерено в результате на первичной стороне введенное на вторичной стороне напряжение U. Передача известительного сигнала происходит тем самым с измерением повышения напряжения на первичной стороне.
2
1
2
N1
На фиг.3 на втором примере показана другая возможность передачи введенного на вторичной стороне напряжения U в первичную цепь 45. Служащий в качестве датчика 9 управляемый источник напряжения в этом примере подключен к высокоомному входу операционного усилителя 51, который на фиг.2 был соединением с массой. За счет этого подключения устраняется короткое замыкание на вторичной стороне передатчика 4, поскольку источник 9 напряжения включен последовательно с выходом передатчика 4. Поэтому первичное напряжение U должно быть повышено на значение введенного на вторичной стороне напряжения U, чтобы сигнал I мог продолжать протекать. Известительный сигнал может быть, тем самым, измерен на первичной стороне и определяется описанным образом.
На фиг.4 изображен пример устройства, у которого Р-вход операционного усилителя 51 через резистор R соединен с потенциалом массы. N-вход соединен со вторичной стороной 46 передатчика 4. На выходе усилителя 51 включен транзистор Т для усиления его выходного сигнала и для возврата этого выходного сигнала на N-вход.
W
W
N2
N1
W
K
B
W
Особенно предпочтительно это устройство для гальванически развязанной передачи сигнала U переменного напряжения датчика 11 от второй приемнопередающей системы 2, которая может быть выполнена в виде полевого прибора с вторичной нагрузкой 15. При этом пара 8а, 8b выходных проводов образует проходящий по полю двухпроводной канал. Сигнал U модулируется до сигнала I стандартного тока для передачи параметров процесса противоположно направлению сигнала Iстандартного тока. Сигнал U выводится из выходного провода 8а посредством конденсатора С и, с учетом того, что рабочее напряжение U источника 10 переменного напряжения следует рассматривать как короткое замыкание, подается через резистор R на высокоомный вход усилителя 51, соединенный с массой. Таким образом, сигнал U через виртуальное короткое замыкание усилителя 51 лежит последовательно с выходом передатчика 4, передается на его первичную сторону 45 и может быть измерен там. Измерение равнозначно определению сигнала. Таким образом, сигнал косвенно передается с системы 2 на систему 1.
W
На фиг.5 изображено такое же, в принципе, устройство, что и на фиг.4, однако с тем отличием, что ввод сигнала U переменного напряжения в нижней точке вторичной цепи 46 передатчика 4 происходит посредством операционного усилителя 52, действующего в качестве низкоомного источника 92 напряжения.
На фиг.6-10 изображены различные варианты передатчика 4 постоянного тока.
N1
N1
N2
На фиг.6 передатчик 4 изображен в виде полумостового трансформатора тока с активными выключателями 35, 36. При этом тактовый датчик 43 на первичной стороне и тактовый датчик 44 на вторичной стороне предназначены для того, чтобы выключатель 35 на первичной стороне и выключатель 36 на вторичной стороне между жилами пары 6а, 6b входных проводов и пары 7а, 7b соединительных проводов синхронно включались и выключались. Частота переключения (примерно 100-200 кГц) соответствует индуктивности обмоток 31, 32 и емкости конденсаторов 33а, 33b, 34а, 34b. На первичной стороне 45 сигнал I стандартного тока, являющийся аналоговым сигналом постоянного тока, изменяет направление тока в зависимости от заданного датчиком 43 такта. Для вырабатывания подходящего сигнала переменного тока, который может передаваться через разделительный трансформатор 3, на первичной стороне 45 предусмотрены два конденсатора 33а, 33b, нагружаемые попеременно. То же происходит на вторичной стороне 46 посредством двух конденсаторов 34а, 34b и синхронного переключения жил пары 7а, 7b соединительных проводов на выводы 7а1, 7b1 обмотки 32. Таким образом, симметрично сигналу I на первичной стороне на вторичной стороне вырабатывается сигнал I стандартного тока, направления которых обратные.
W
Согласно варианту, представленному на фиг.6, сигнал U переменного напряжения датчика 9 вводится в нижней точке вторичной стороны 46 передатчика 4.
W
На фиг.7 передатчик 4 изображен в виде полумостового трансформатора тока с активными выключателями в таком же варианте, что и на фиг.6. Отличие варианта согласно фиг.7 состоит в том, что ввод сигнала U переменного напряжения датчика 9 происходит на Р-входе операционного усилителя 51, как это показано на фиг.3.
N1
N2
На фиг.8 передатчик 4 изображен в виде полномостового трансформатора тока с активными выключателями 37а, 37b, 38a, 38b. Тактовый датчик 43 на первичной стороне переключает оба выключателя 37а, 37b на первичной стороне между двумя положениями для соединения двух жил 6а, 6b провода с чередующимися выводами обмотки 31, а жил 7а, 7b провода - с чередующимися выводами обмотки 32. В результате циклического изменения положения обоих выключателей 37а, 37b поступающий сигнал I постоянного тока преобразуется в импульсный сигнал или сигнал переменного тока. Синхронно с датчиком 43 тактовый датчик 44 на вторичной стороне переключает оба выключателя 38а, 38b на вторичной стороне также между двумя положениями. В результате циклического изменения положения обоих выключателей 38а, 38b поступающий на вторичной стороне 46 импульсный сигнал или сигнал переменного тока преобразуется в сигнал Iпостоянного тока.
1
2
N1
N2
На фиг.9 передатчик 4 изображен с отводом от средней точки. При этом датчик 43 на первичной стороне подключает два выключателя 43а, 43b на первичной стороне попеременно к выводам 6b, 6b. В результате циклического изменения положения обоих выключателей 43а, 43b поступающий сигнал I постоянного тока преобразуется в импульсный сигнал или сигнал переменного тока. Синхронно с датчиком 43 тактовый датчик 44 на вторичной стороне подключает два выключателя 44а, 44b на вторичной стороне попеременно к выводам 7b1, 7b2. В результате циклического изменения положения обоих выключателей 44а, 44b поступающий на вторичной стороне 46 импульсный сигнал или сигнал переменного тока преобразуется в сигнал I постоянного тока.
N1
N2
На фиг.10 передатчик 4 изображен в виде полумостового трансформатора тока с диодами 47, 48. На первичной стороне сигнал I постоянного тока уже описанным с помощью фиг.6 и 7 образом преобразуется в импульсный сигнал или сигнал переменного тока. На вторичной стороне поступающий импульсный сигнал или сигнал переменного тока посредством диодов 47, 48 и двух конденсаторов 34а, 34b преобразуется в сигнал Iпостоянного тока.
N1
N1
Одно возможное применение описанных выше устройств состоит в том, что первая приемопередающая система 1 представляет собой, например, систему с программируемой памятью, вырабатывающую сигнал I стандартного тока. Этот сигнал приводит на вторичной стороне 46 к тому, что исполнительный орган (вторичная нагрузка 15 как часть полевого прибора) изменяет свое состояние. Этим исполнительным органом может быть, например, клапан, который в зависимости от сигнала I изменяет свое состояние. Посредством обратного сигнала клапан может квитировать фактическое состояние своего положения на первичную сторону 45. На вторичной стороне вторую приемопередающую систему 2 может представлять также комплексная электроника, например участник шины.
N1
Другое возможное применение состоит в том, что на первичной стороне 45 первая приемопередающая система 1 включает в себя температурный датчик, вырабатывающий сигнал I стандартного тока. Второй приемопередающей системой 2 является тогда, например, обрабатывающая схема. Таким образом, измеренная датчиком температура может быть отображена и/или использована для задач управления. Посредством обратного сигнала датчик может быть параметрирован.
В целом, система 1 и/или система 2 может быть выполнена в виде полевого прибора, в соответствии с чем отрезок 6а, 6b и/или 8а, 8b провода представляет собой проходящую по полю линию передачи, которая может передавать сигналы в обоих направлениях. Передатчик 4 постоянного тока и операционное усилительное устройство 5 могут в этой связи рассматриваться как «центральный пост управления». Он содержит лишь небольшое число узлов и может быть размещен в небольшом пространстве, как это желательно.