檢測(cè)端隔離安全柵作為現(xiàn)場二線制變送器與控制室儀表和電源的聯(lián)系紐帶，一方面向二線制變送器提供電源，同時(shí)把二線制變送器送來的信號(hào)電流經(jīng)隔離變壓器1:1地傳送給控制室儀表。在上述傳遞過程中，依靠雙重限壓限流電路，使任何情況下輸往危險(xiǎn)場所的電壓和電流不超過30V、30mA(直流)，從而確保危險(xiǎn)場所的安全。
圖1 檢測(cè)端隔離安全柵原理框圖
圖1是某廠檢測(cè)端隔離安全柵的原理框圖，24V直流電源經(jīng)直流-交流變換器變成8kHz的交流電壓，經(jīng)變壓器T1傳遞，一路經(jīng)整流濾波和限壓限流電路為變送器提供電源(仍為直流24V)，另一路經(jīng)整流濾波為解調(diào)放大器提供電源。從變送器獲得的4-20mA信號(hào)電流經(jīng)限壓限流電路進(jìn)入調(diào)制器，被調(diào)制成交流后，由變壓器T2耦合給解調(diào)放大器，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)成4-20mA直流信號(hào)，輸出給控制室儀表。所以，從信號(hào)傳送的角度來看，檢測(cè)端隔離安全柵是一個(gè)傳遞系數(shù)為1的傳送器，被傳送的信號(hào)經(jīng)過調(diào)制→變壓器耦合→解調(diào)的過程后，照原樣送出。這里電源、變送器、控制室儀表之間除磁通聯(lián)系之外，電路上是互相絕緣的。
圖2 檢測(cè)端隔離安全柵簡化原理框圖
圖2是這種檢測(cè)端隔離安全柵的簡化原理圖，下面對(duì)照?qǐng)D1，對(duì)各部分分別敘述。
電源直流-交流變換器 它由晶體管VT1、VT2 、二極管VD1-VD4和變壓器T1等組成。這是一個(gè)磁耦合自激多諧振蕩器。
晶體管限壓限流電路圖2的檢測(cè)端隔離安全柵中為了可靠，串聯(lián)使用了兩套完全相同的限壓限流電路，晶體管VT3、VT4、齊納二極管VD15等為一套，晶體管VT5、VT6、齊納二極管VD16等為另一套。
圖3 限壓限流電路
為敘述方便，圖3中畫出了其中的一套，晶體管VT4和變送器串聯(lián)，執(zhí)行限壓限流動(dòng)作。VT4的基極電路被晶體管VT3控制，在正常工作中VT3是不通的，VT4由電容C3兩端的整流濾波電壓經(jīng)電阻R7VT4取得足夠的基極電流，處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，變送器的4-20mA信號(hào)電流可十分流暢地通過限壓限流電路。
看一下晶體管VT3的基極-發(fā)射極電路便可發(fā)現(xiàn)，如果電阻R5、R6上的壓降超過0.6V，VT3將開始導(dǎo)通，使晶體管VT4的基極電流減小。若VT3的電流很大，則經(jīng)過R7的電流將大部分或全部通過VT3，而不流入VT4的基極，使晶體管VT4退出飽和，進(jìn)入放大或截止區(qū)。
電路出現(xiàn)這種情況的原因可有如下兩種：
①電源出現(xiàn)過電壓：圖3中齊納二極管VD15的擊穿電壓約為30V。如果濾波電容C4上的整流電壓超過30V，則齊納二極管VD15 導(dǎo)通，經(jīng)電阻R4向晶體管VT3的基極提供電流，VT3導(dǎo)通且奪取VT4的基極電流，使VT4趨于關(guān)斷，送往現(xiàn)場的電壓UAB減小，起
到限制電壓的作用。
②變送器出現(xiàn)過電流：圖中電阻R6上信號(hào)電流在20mA的正常范圍內(nèi)時(shí)壓降不超過0.6V，另外由于電阻R5(18kΩ)的存在，R6上的壓降即使稍微超過0.6V，VT3也不會(huì)充分導(dǎo)通。如果變送器電流超過25mA左右時(shí)，R6上的壓降將逐漸使VT3充分導(dǎo)通，奪取 VT4的基極電流，使VT4發(fā)揮作用，把流入現(xiàn)場的電流限制在30mA以內(nèi)。
圖4 限壓限流特性曲線
上述限壓限流電路的特性如圖4所示。當(dāng)濾波電容C4上的整流電壓UC4小于30V時(shí)，輸出電壓UAB=UC4，晶體管VT4不起任何限壓作用。但UC4＞30V時(shí)，VT4很快趨于關(guān)斷，隨著UC4的增大，UAB很快降為零。同理，電路的限流作用也是通過晶體管VT4使輸出電壓UAB降低來實(shí)現(xiàn)的。
這里需要說明的是，圖2中限壓限流晶體管VT4、VT6的耐壓必須足夠高。因?yàn)楫?dāng)電源出現(xiàn)過電壓時(shí)，VT4、VT6都處于關(guān)斷狀態(tài)，這樣全部過電壓都加在這兩個(gè)晶體管上。目前主流檢測(cè)端隔離安全柵的供電電壓均為DC24V。
最后再討論一下調(diào)制和解調(diào)放大部分。這部分的原理性電路可單獨(dú)畫出如圖5所示。二線制變送器的電源是靠二極管VD9、
圖5 調(diào)制解調(diào)放大電路
VD10、VD13、VD14全波整流供給的。由于VD13和VD14是在電源正負(fù)半波交替工作的，因此將變壓器B2初級(jí)線圈的上下兩半分別接入這兩個(gè)二極管支路中時(shí)，在VD13、VD14的開關(guān)作用下，變送器的4-20mA直流信號(hào)電流將交替地進(jìn)入變壓器初級(jí)線圈的上下兩部分，使其次級(jí)出現(xiàn)方波電壓。這里，變壓器T2工作于電流互感器的工作方式，其次級(jí)負(fù)載阻抗很小。這樣，在初次級(jí)線圈匝數(shù)比為1:1的情況下，次級(jí)方波電流大小等于初級(jí)電流。
由于信號(hào)電流是單方向的，因此解調(diào)問題很簡單，只要對(duì)電流互感器T2的次級(jí)電流進(jìn)行全波整流即可。為了產(chǎn)生恒流輸出，這里用共基極電路作整流放大。考慮到共基極放大電路中晶體管的β愈大，輸入電流(發(fā)射極電流)與輸出電流(集電極電流)之比愈接近于1，故在解調(diào)放大電路中用VT7、VT8和VT9、VT10組成復(fù)合管，以增大等效β值，提高工作精度。圖5中，電流互感器T2的次級(jí)方波電流作為復(fù)合管的輸入電流，經(jīng)共基極放大電路后，產(chǎn)生的兩個(gè)半波恒流輸出，相加后，就得到與原來信號(hào)電流相等的4-20mA直流電流。此電流可直接供給控制室儀表，也可經(jīng)電阻R13(250Ω)轉(zhuǎn)化為1-5V的電壓輸出。齊納二極管 VD19是電流輸出端的續(xù)流二極管，其擊穿電壓為6-7V。當(dāng)電流輸出端上接有正常負(fù)載時(shí)它不工作，一旦外接負(fù)載電路切除，VD19便自動(dòng)接入，保證輸出回路繼續(xù)連通。
文中舉例所展示的檢測(cè)端隔離安全柵電路圖并不是目前先進(jìn)技術(shù)產(chǎn)品的電路圖，僅做檢測(cè)端隔離安全柵原理介紹時(shí)使用，請(qǐng)勿對(duì)號(hào)入座。
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