隔离放大器的制作方法
本发明涉及一种具有权利要求1前序部分所描述的特征的隔离放大器。这种隔离放大器尤其也称为测量变换器或测量转换器。
关于本发明的
背景技术：
，应注意的是，隔离放大器尤其用于检测和调节具有关于在接触危险电位时的触电电流的模拟测量信号，尤其用于检测和调节具有高压电位的测量信号。因此，隔离放大器必要时通过转换成辅助参量将测量信号以电流隔离的方式转换成以模拟或数字形式的、代表测量信号的输出信号，其中输出信号通常处于近地电位并且在接触时无危险。
在下面的描述中，术语“高压”或“高压电位”包括所有触摸时危险的电压和电位，术语“低压”或“低压电位”在此涵盖所有触摸时无危险的电压和电位。因此，在下面的描述中，术语“高压隔离放大器”涵盖所有适用于传输测量信号并适用于将触摸时危险的测量信号转换为触摸时无害的输出信号的隔离放大器。
为了在高压侧和低压侧之间实现电流隔离，需要贯穿的隔离屏障，其通过电位隔离的耦合部分以已知方式实现，用于传输代表测量信号的信号以及必要时用于传输辅助参量和电能。
根据现有技术，隔离放大器通常根据图3所示的结构设计。可以区分三种不同的电开关电路，即输入电路1、输出电路2和初级电流供应电路41，它们通过电流隔离耦合部分3、42和43彼此隔离。电路1、2和41中的每一者具有至少一个输入端6、输出端15或初级电流供应端子44形式的端子，其通常与相关的电路导电连接。电路1、2和41所处的电位由连接到相关端子6、15和44的外部信号电路或外部电源电路的电位确定。端子6、15和44也称为端口，因此，图3规定了一个带有三个相互电流隔离的端口的隔离放大器。详细地，该结构示出了输入电路1，其至少具有用于具有输入电路电位的测量信号的输入端6，其中在输入电路1中产生了代表测量信号的耦合部分信号，并且该耦合部分信号经由电流隔离耦合部分3被传输到处于输出电路电位上的输出电路2。在输出电路2中，耦合部分信号被转换回代表测量信号并且可以通过至少一个输出端15而输出的信号。输入电路1、输出电路2和耦合部分3中所有电子元件的操作所需的电能从至少一个初级电流供应端子44中获得。处于初级电流供应电路电位的初级电流供应端子44将电能提供给初级电流供应电路41，初级电流供应电路41包含合适的电子装置，以通过电流隔离耦合部分42和43分别与输入电路1和输出电路2的次级电源电路45和46相匹配地提供电能。
根据现有技术，已知在其中减少了耦合部分的数量的隔离放大器结构。例如，这可以通过在初级电流供应电路41和输出电路2之间省去电流隔离来实现。然后省去耦合部分43，并且代替地，在这些电路之间存在直接的电流传导连接。然后，这种隔离放大器仅还具有两个彼此电流隔离的端口。
减少耦合部分的另一种可能性如下地实现：如果电能通过合适的耦合部分3例如变压器从输出电路2被传输到输入电路1，而且代表测量信号的耦合部分信号都通过相同的耦合部分3从输入电路1传输到输出电路2(例如由电流强度表示)，则可以省去耦合部分42。在这种情况下，消除耦合部分42不会减少彼此电流隔离的端口的数量。
除了所提到的耦合部分之外，贯穿的隔离屏障通常通过尽可能完整的封装、例如通过适合于该目的的隔离放大器外壳来实现，和/或必要时通过浇注整个隔离放大器来实现，或者至少通过浇注与高压电位电流连接的这种电路区段来实现。特别是当测量信号具有特别高的电压或电位时，使用浇注。除了浇注之外，还可以使用其他形式的绝缘涂层，例如合适的涂料、树脂或喷涂技术涂层和封装方法。
视所选择的耦合部分的类型而定地，电位隔离耦合部分可以通过电感耦合、电容耦合、光学耦合、机电耦合或电磁耦合或其组合来工作。机电工作的耦合部分例如也包括使用压电效应的那些。要通过耦合部分传输的信号也或要被传输的电能在此被转换成如下信号，该信号必要时在下文中通常被称为耦合部分信号。
因此，耦合部分信号包括术语“信号”，而不管它是否是例如用于反映测量信号和/或用于电能传输的信号的信号。耦合部分信号适合于经由相应类型的电流隔离耦合部分传输并且必要时适合于转换回可以进行期望的进一步处理的那种信号。例如可以通过调制器和解调器将测量信号转换成耦合部分信号，并且必要时将耦合部分信号反向转换成代表测量信号的后续可处理的信号。不言而喻，对于(也)用于传输电能的耦合部分而言，特别优选使用变压器。相反，市售的所谓光耦合器非常不适合于电能的传输。因此，可以通过一般公知的电源拓扑将初级电流供应电路的电能转换成合适的交流信号，然后例如利用构造为变压器的耦合部分以电流隔离的方式进行传输，然后例如通过整流电路转换成直流信号，用于向输入电路和输出电路供电。
无论存在于隔离放大器的输入端的输入信号(测量信号)的时间变化曲线和极性如何，都可以适用下面对也能反映测量信号的可能的耦合部分信号的解释。耦合部分信号可以是交流信号，其特别适用于电容耦合部分和电感耦合部分。但其却也可以是模拟地进行反映的直流信号(直流电压或直流电流)，其例如可以通过光学耦合部分传输。交流信号可以是交流电压或交流电流、也或者是脉冲式的直流电压或脉冲式的直流电流。
交流信号可以以模拟方式来反映和/或包含数字编码，它们可以是脉冲、脉宽、频率、相位、幅度和数字调制的信号或其组合，其他调制类型也是可能的。
在所谓的单量程设备的情况下，用于设备调节的高压侧元件，例如用于设置增益、偏置和频率带宽的元件在封装、例如通过浇注来实现的封装之前被校准。在不削弱隔离的情况下，或者在某些情况下即使不损坏隔离，也不再可能改变完全封装的设备的操作或随后的校准。隔离的弱化已经可以是打开覆盖输入元件的盖子、或者移除罩盖或相应构造的壳体的适于覆盖这种输入元件的壳体部分。对于根据现有技术的多量程设备尤其如此。输入元件在此既可以是操作元件，也可以是校准/配置/编程接口或用于影响隔离放大器功能或隔离放大器参数的任何其他接口。
为了实现隔离放大器的高压侧可调节性和可操作性，可以将输入电路的区域排除在封装之外，以便例如能够保持要机械操控的操作元件不含浇注物。
例如，属于本申请人的高压隔离放大器
这种已知的多量程设备测量并转换高达3600v直流的测量电压，其中其隔离是针对高达该水平的ac/dc中的工作电压而设计的。借助旋转编码开关来选择该设备的测量范围，该旋转编码开关电性地位于隔离放大器的高压侧。因此，需要特殊的设计措施，例如旋转编码开关的塑料轴的延伸，使得旋转编码开关的操控旋钮是触摸安全的，以防止危险的触电电流。由于配置和校准接口布置在输入侧，因此在高输入电压下校准这种隔离放大器非常费事。这对测试和校准装置的绝缘提出了很高的要求。
因此，一般而言，很明显，由于根据上述现有技术的隔离放大器的不完全封装，高压输入侧的隔离被削弱。相反，同样可以看出的是：通过代表测量信号的信号以及(必要时)从输入电路侧到输出电路侧的辅助参数的传输、以及必要时设备内电能通过电流隔离耦合部分的传输、以及接近地电位的电路内的输入元件的布置，例如在输出电路中，不会引起高压隔离的削弱。这里应该注意的是，对于用户的接触保护特别重要的是：电路内的输入元件处于通常是近地电位的电位，其接触时不会引起危险的触电电流，换句话说，处于低压电位。因此，就根据图3的隔离放大器而言，适用于输入元件的布置的电路不仅可以是输出电路2、还可以是初级电流供应电路41，只要初级电流供应电路44仅具有合适的(通常)近地电位，也即，只有低压电位。
基于上述现有技术的问题，本发明的目的是改进高压隔离放大器，使得在不损害隔离特性、也即特别是设备的保持高压侧的可能的完全封装的情况下，能够实现用于信号调节(例如增益、偏置、频率带宽等)的输入侧调节元件的转接/调整和/或随后的校准/调准。
该目的通过权利要求1的特征部分中说明的特征来实现，根据该特征，所有输入元件，包括用于高压侧控制单元的参数选择的那些输入元件，仅被布置在隔离放大器的处于低压电位的电路中。
另外，还设置有用于传输用于影响输入电路的参数的、电流隔离的控制信道，该参数是为高压侧控制单元而确定的、并且可以通过低压侧输入元件被输入。
基于根据本发明的这种设计，可以构建完全封装的多量程设备，其也可以被事后地、也即例如在已经浇注的高压侧情况下被调准和校准。这种事后的调准可能是必要的，例如，在重复校准的情况下，特别是当高压隔离放大器被用于计量能量的装置时。
除了不受损害的高压隔离之外，还可以认识根据本发明的高压隔离放大器的这种设计的更多优点：
-由于在用于封装的浇注材料的施加和固化时的机械、电和热影响而产生的、由于电子元件的性能及其介电环境变化以及通过老化效应导致的传输特性的改变可以通过事后的可平衡性来消除。
-该设备可以完全机械和电气预制，包括隔离浇注，并且可以根据可变规格按需(例如由于不同的客户要求)来调准和选择参数。与在调准/选择参数之后使用浇注的生产方法相比，这可以实现明显更短的交付时间。
在从属权利要求中说明了本发明主题的优选扩展。因此，基于根据本发明的方案，如上所示，可以为隔离放大器的输入电路设置高压绝缘的完全封装，其例如通过输入电路的浇注而形成。由此可以优化设备的绝缘特性。
用于传输为高压侧控制单元确定的参数的电流隔离控制信道可以以优选方式通过单独的电流隔离耦合部分构成，除传输测量信号的电流隔离耦合部分或除了传输能量的耦合部分之外还设置了所述自身的电流隔离耦合部分。
对于用于传输用于驱控输入电路的、为高压侧控制单元而确定的参数的电流隔离控制信道的替代方案也可以是使用双向可操作的耦合部分。
最后，用于传输用于驱控输入电路的、为高压侧控制单元而确定的参数的电流隔离控制信道也可以通过多重可用的耦合部分实现，其用于将电能从初级电流供应电路无电位地传输到输入电路。
特别是，变压器或光耦合器在此经证实可以可靠地用作电流隔离耦合部分。
对于低压侧输入元件的各种替代方案一方面可以是手动操纵的操作元件例如旋转编码开关、dip开关、电位计等，借助它们可以为设备的输入侧组件和输出侧组件输入调节参数。
另一方面，这些低压侧输入元件也可以通过适当的接口、例如用于输入配置和/或调准参数的数字端子构成。
其他的从属权利要求涉及输入和输出电路的优选结构，其优点的描述和详细说明可以参考对实施例的描述，以避免重复。
根据优选的扩展方案，高压侧控制单元可以连接到各种的执行机构(stellgliedern)，例如被分配给输入网络以在输入侧电流信号或输入侧电压信号之间进行切换的、和/或分配给前置放大器以调节前置放大器的增益和/或偏置的执行机构。
与此类似地，以有利的方式，输出侧控制单元可以连接到被分配给信号滤波器单元以切换滤波器截止频率的执行机构、和/或连接到被分配给末级以在输出侧电流或电压信号上进行切换的执行机构。另外，对根据本发明的隔离放大器的输出侧也可以一定程度地影响增益和偏置等。
通过参考附图从以下对实施例的描述中可以获得本发明的其他特征、细节和优点。
其中：
图1示出以第一优选实施例的本发明高压隔离放大器的方框图，其中整个能量供应在此未示出，
图2示出以本发明第二优选实施例的、具有初级电流供应电路的高压隔离放大器的方框图，以及
图3示出根据现有技术的高压隔离放大器的框图。
图1示出了具有处于高压电位的输入电路1和处于低压电位的输出电路2的高压隔离放大器，其中这两个电路通过电流隔离耦合部分3连接，所述电流隔离耦合部分3用于无电位地传输耦合部分信号(其代表测量信号)。作为耦合部分3的示例，该图仅示出了两种可能的替代方案，即电感耦合变压器4和光耦合器5。
输入电路1具有例如处于高压电位的输入6，可以为输入6提供例如高电压范围中的电压信号ui作为要测量的参量。所述输入6之后连接的是整体上由7标记的输入电路，其包括具有可切换的电流和电压输入的输入网络8、用于要传输并在输入网络8中处理的测量信号ui的前置放大器9、以及用于提供要传输的(例如以代表测量信号ui的交流电压或交流电流、或脉冲式直流电压或脉冲式直流电流的形式的)耦合部分信号的调制器10。根据引言中给出的关于耦合部分信号的解释性说明，可以得到其他信号类型。
输出电路2又具有在耦合部分3之后连接的输出电路11，所述输出电路11具有：解调器12，其接收传输的耦合部分信号，用于反向转换耦合部分信号；在解调器12之后连接的信号滤波器单元13，其例如具有带截止频率切换装置的低通滤波器的形式；以及信号滤波器单元13之后连接的末级14。由此，视输出电路2的输出15处的输出电流或输出电压的设置而定，例如4...20ma标准信号ia被输出，其代表输入侧电压信号ui，另外的常用标准信号以及客户指定信号可作为输出信号。在另一实施例中，可输出代表输入侧电压信号ui的数字信号。
针对输入和输出侧的各种组件的上述调节可能性提供不同的执行机构，即一方面在输入网络8处设置用于在电流输入信号或电压输入信号之间进行切换的执行机构16，另一方面在前置放大器9处设置用于调节增益的执行机构17和用于调节前置放大器9的偏置的执行机构18。
为了驱控这些执行机构16，17和18，设置有处理逻辑信号的集成电路例如微控制器形式的高压侧控制单元19，其通过控制线路20、21和22连接到执行机构16、17和18。以本身已知的方式，控制单元将相应的模拟或数字控制信号提供给执行机构16、17和18，以便在输入网络8或前置放大器9处进行所需的调节。
用于通过控制单元19驱控输入电路7的相应的参数根据图1未被输入到高压侧的、而是输入到低压侧的输出电路2中，在那里还在输出电路2中设置有处理逻辑信号的集成电路例如微控制器形式的控制单元23。控制单元23尤其需要为控制信道sk或sk'产生控制信号。然而，控制单元23也可用于驱控输出电路11。在这种情况下，该控制单元23通过控制线24和25连接到信号滤波器单元13上或末级14上的相应的执行机构26和27。执行机构26用于切换信号滤波单元13的截止频率，而执行机构27用于在电流信号输出和电压信号输出之间切换。
为了将相应的参数输入到输出侧控制单元23中，一方面使用机械的、可手动操纵的调节元件28(其形式为旋转编码开关)例如用于切换输入侧以及必要时输出侧信号特性。另一方面，设置有例如数字的数据接口形式的接口29，利用该接口可以输入配置和调准数据，其例如用于调节前置放大器9处的增益和偏置以及可能用于调节信号滤波器单元13处的截止频率。
根据图1，在输出侧控制单元23中，相应地准备高压侧的相关调节参数，并通过以设置在输出电路2和输入电路1之间的第二电流隔离耦合部分30形式的电流隔离控制信道sk将相关调节参数传输到高压侧控制单元19，在那里相关调节参数经适当转换而被续传给执行机构16、17和18。第二耦合部分30又可以以与第一耦合部分3类似的方式通过变压器31或光耦合器32、也或者例如通过电容换能器或其他类型的耦合部分构成，如早前提到过的。
可以看出：尽管存在高压隔离放大器的、在输入电路1侧上以浇注物形式的完全封装体33(在本图中由阴影区域示出)，也可以在设备的使用寿命期间的任何时间执行这种调节、校准和偏置调准操作。
如图1中的虚线所示，在替代设计中，用于将与高压侧相关的调节参数从输出侧控制单元23传输到输入侧控制单元19的电流隔离控制信道sk'也可以在没有第二耦合部分30的情况下通过于是双向工作的耦合部分3构成。
图2示出了本发明隔离放大器的、在特定应用中有意义的另一种设计，其中这里仅描述了与图1中所示的隔离放大器不同或者未在图1中示出的部分。与图1相比，在图2中还连同示出了隔离放大器的能量供应，其对应于图3的已知并且已解释过的结构。处于低压电位的初级电流供应电路41包含匹配电路47，其用于将通过初级电流供应端子44到达的电能与初级电源电路49进行匹配。初级电源电路49产生用于两个电流隔离耦合部分42和43的、适合于能量传输的耦合部分信号，此外适当地设计成在耦合部分信号中提供由虚线表示的控制信道sk”。用于控制控制单元19以及可能的控制单元23所需的控制信道sk”的信息在此由设置在初级电流供应电路41中的控制装置48提供，控制装置48在其一侧通过输入元件28和29接收控制信号，输入元件28和29也设置在初级电流供应电路41中。控制装置48可以以处理逻辑信号的集成电路例如微控制器的形式实现。
电能和控制信道sk”经由耦合部分42和43传递到次级整流器电路45和46并且传递到输出耦合电路50和51，用于将控制信道从耦合部分42和43的相应耦合部分信号耦合输出。在这种情况下，输出耦合电路可以用作解调器并产生适于在控制单元19和23中进行进一步处理的控制信号。因此，在这种可能的设计中，也可以特别是控制和影响处于高压电位的输入侧(包括已经描述的传输参数)，其中输入元件这里也布置在处于低压电位的电路中，因此在此也产生了根据本发明的隔离放大器的前述优点。不言而喻，在此，代替总是为电能和控制信道sk”的传输而共同地使用耦合部分42和43，也可以使用仅为控制信道sk”而工作的单独的耦合部分。另外，在另一实施例中，如果基于经由输入元件28和29的输入不影响输出侧的参数，则可能省去控制单元23。在这种情况下，控制信道sk”的经由耦合部分43通向输出侧的一部分以及输出耦合电路51也被省去。
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