在工厂中，出于安全和实现 信号质量的原因，测量和控制信号的传输几乎总是要求对处理的信号进行电气隔离（见图1）。

在危险高压下，或者有爆炸危险的区域测量时，不同地电位（见图2，例如工厂中相隔很远的两个部分）以及高共模电压不允许将测量信号与其它设备或组件直接相连。这种情况下，对传输的信号进行电气隔离是必要的。

Knick为各种设计提供合适的电气隔离组件以满足这些要求。产品范围包括模块式外 壳、达到IP68防护标准的M12现场外壳、焊入式模块和欧洲标准卡。根据型号不同，适当的测量信号也可以放大或转换为10 V或20 mA的标准值。几mV到3000 V的电压和几μA到10 A的电流可以实现高精度传输或转换。

图1：危险高压的隔离

图2：避免电位差引起干扰

有源和无源隔离器

工作原理：

交流电压和交流电流很容易利用变压器传输并进行电气隔离。变压器非常可靠、易于生产且适合较高的工作或隔离电压。

然而，变压器不能传输直流电压信号。因此，首先利用电子斩波器将直流电压信号转换为交流电压。然后，通过一个变压器将该交流电压传输到副边电路，在副边电路中用斩波频率对其进行同步整流（见图3）。由此得到的直流电压便可根据需要进行转换或放大。

图3：采用基于变压器隔离的隔离器框图

VariTrans系列现代可切换隔离放大器或新型6-mm级变送器用于依据不同的原 理进行信号处理。输入信号转换为恒定频率的矩形信号。矩形电压的占空比随输入电压而变化（脉宽调制或PWM）。脉宽调制的矩形信号通过变压器实现的电气隔 离传输到输出端， 然后利用低通滤波器将其重新转换为电压或电流（见图4）。

图4：PWM原理：脉宽调制

隔离放大器或变送器的传输比由微控制器控制。设置利用DIP和旋转编码器开关设定。这些开关并未纳入放大器电路的负反馈中，仅用于切换数字信号，因此并不携带电流，不会引起任何接触电阻故障。

1.1 外部供电的隔离放大器（有源隔离器）

隔离放大器是测量信号电流隔离zui常用的一类器件。通常，它们不仅用作电位隔离器，而且 用作变送器，将电压或电流转换为20 mA或10 V标准信号。测量信号以1:1传输时，它们还可用于提高信号负载容量。隔离放大器对输入信号的负载一般可忽略不计。隔离放大器一般需要外部电源。可切换隔 离放大器VariTrans P 27000和P 15000是典型实例。

单极性信号处理用隔离放大器

仅适合传输单极性测量信号的隔离放大器，可以用在许多应用中，例如处理标准0/4 ... 20 mA和0 ... 10 号。Knick所有单极性隔离放大器的控制范围均扩展到负范围的几个百分点，以便在零点附近也能实现精确传输（见图5）。

图5：有源单极性隔离放大器框图

双极性信号处理用隔离放大器

常常需要处理双极性测量信号，例如当电机电流必须在两个旋转方向上进行测量时。测量距离或为了提高测量信号的分辨率时，也会处理双极性信号。Knick同样提供多种类型的双极性隔离放大器，例如用于处理双极性标准信号的VariTrans A 26000（见图6）。

图6：有源双极性隔离放大器框图

1.2 环路供电隔离器（无源隔离器）

外加电流信号的电位隔离并不一定需要有源隔离放大器。常常也可以不受限制地使用环路供电隔离器。Knick无源隔离器不需要电源，电源由测量信号在输入引脚上的压降提供。无源隔离器的电压要求会降低输入信号的负载能力。

无源隔离器适合单极性电流信号的1:1传输。是否适合某种应用，应根据输入信号负载能力和输出负载进行检查。

例1：

环路供电隔离器输入为0 ... 20-mA信号的变送器可以支持的zui大负载为10 V（I_in = 0 ...20 mA，V_{in max} = 10 V）。环路供电隔离器的压降V_drop额定值为2.5 V。利用公式V_in = V_drop + (I_out • R_L)，得出zui大输出负载为：

R_{L max} = (V_{in max} – V_drop) / 20 mA = 375 ohms（见图7）

图7：例1的电路图

环路供电隔离器不支持信号放大，并且有反馈，也就是说输出负载会直接作用于输入信号。因此，当输出开路时（无限阻抗），电流无法在输入电路中流动（见图8）。

图8：输出开路的环路供电隔离器

直到目前，对于无法杜绝输出电路中断的情况，处理方法还是在隔离器输出端并联一个齐纳二极管。当输出电路开路时，输入电流流经输出端的齐纳二极管（见图9）。这种方法常常会变得很复杂，在实践中容易出问题。

图9：长距离传输测量信号

Knick利用Bürdenstop®（负载停止）功能解决了这个问题，从而大大扩展 了环路供电隔离器的可能应用范围。原边提供的电流保持不变，独立于输出负载。这样就可以补偿输出端任何过大的负载增加，例如线路中断或不定负载（包括复阻 抗）引起的负载增加。无源隔离器IsoTrans M12-A200和IsoTrans A 20400提供负载停止功能选项。当输出负载（例如控制器的输入电阻）zui高为60 Ω时，带负载停止功能的无源隔离器是 解决方案（见图10）。

图10：带负载停止功能的传递函数

Knick无源隔离器所需的工作电流非常低。根据型号不同，其工作电流在大约2 μA到150 μA范围，不