Spannungsmessung Messungen über Isolationsbarrieren hinweg

Moderne elektrische Systeme sollen möglichst viele Parameter überwachen und anzeigen. Dies ist nicht immer einfach, da auch Werte erfasst werden müssen, die auf anderen Potenzialen liegen und mit der Auswerte-/Anzeigeeinheit keine galvanische Verbindung haben. Am Beispiel der Spannungsmessung, wobei zwischen der zu messenden Größe und dem die Größe verarbeitenden Mikrocontroller eine galvanische Trennung besteht, wird gezeigt, welche Störungen auftreten können und wie sich diese vermeiden lassen.

Besteht zwischen zwei Stromkreisen keine elektrisch leitfähige Verbindung, sind sie galvanisch getrennt. Es können keine Ladungsträger zwischen den verschiedenen Stromkreisen fließen. Dennoch müssen in den meisten Anwendungen mit galvanisch getrennten Schaltungsteilen Signale über die Isolationsbarriere hinweg übertragen werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass die galvanische Trennung nicht aufgehoben wird und dass die Signale entsprechend den Anforderungen bezüglich Geschwindigkeit, Verzögerung, Isolationsspannung usw. übertragen werden.

Ein klassisches Bauteil für diese Aufgabe ist der Optokoppler, der in allen Anwendungsbereichen eingesetzt wird. Er wird sowohl für die Übertragung von digitalen Signalen als auch für analoge Signale verwendet, beispielsweise für die Rückkopplung des Ist-Signals zur Regelung von Schaltnetzteilen. Eine spezielle Form des Optokopplers ist der Isolationsverstärker. Dabei handelt es sich im Prinzip um einen Operationsverstärker, dessen Eingang vom Ausgang galvanisch getrennt ist.

Moderne Bausteine zur Übertragung von Signalen über galvanische Trennungen hinweg basieren meist auf kapazitiver Kopplung. Diese haben gegenüber Optokopplern einige Vorteile. In der Hochfrequenztechnik werden oft Koppelkondensatoren eingesetzt, die wechselspannungsmäßig zwei Schaltungsteile miteinander verbinden, aber gleichspannungsmäßig die galvanische Trennung aufrechterhalten. Transformatoren werden hauptsächlich im Bereich der Stromversorgungen eingesetzt, hier sowohl für die Übertragung der Leistung also auch zur Übertragung von Pulssignalen zur Ansteuerung von Leistungstransistoren (Bild 1).

Im Bereich der netzgebundenen Stromversorgungen sind galvanisch getrennte Stromkreise notwendig, wenn die Möglichkeit besteht, dass der Benutzer elektrische Kontakte berühren könnte - z.B. Anschlüsse von Schnittstellen. Sind diese Kontakte leitend mit dem Stromnetz verbunden, so kann eine Berührung lebensgefährlich sein. Netzteile werden oft in eine Primärseite und eine Sekundärseite aufgeteilt.

Mit  Primärseite wird die Eingangsseite bezeichnet. Sie liegt bei Netzteilen auf dem gefährlichen Potenzial der Netzspannung. Die Sekundärseite bezeichnet die Ausgangsseite, die bei den meisten Netzteilen keine galvanische Verbindung zum Stromnetz hat. Je nach Höhe der Ausgangsspannung ist die Sekundärseite aber nicht zwangsläufig ungefährlich für den Benutzer.

In modernen Geräten werden oft ein oder mehrere Mikrocontroller eingesetzt, die zur Bedienung, zum Messen und Überwachen von verschiedenen Parametern dienen. Wenn für den Benutzer potenziell die Gefahr besteht, dass er beim Berühren der Bedienelemente oder des Displays mit der Netzspannung in Kontakt gerät, wird der Mikrocontroller auf der galvanisch isolierten Sekundärseite platziert, was in den meisten Fällen so gehandhabt wird. Das macht die Bedienung für den Benutzer sicher, erschwert durch die galvanische Trennung aber die Messung von Größen auf der Primärseite, wie zum Beispiel die Netzspannung oder den Eingangsstrom.

Überwinden der Isolationsbarriere

Sollen bei einem Netzteil zum Beispiel die Netzspannung und der Eingangsstrom galvanisch getrennt gemessen werden, sind unterschiedliche Ansätze möglich. Der offensichtlichste ist die Verwendung eines Isolationsverstärkers. Wie alle Schaltungen zur Übertragung von Messsignalen über eine galvanische Trennung hinweg benötigt auch diese eine Spannungsversorgung sowohl auf der Eingangs- (Primärseite) als auch auf der Ausgangsseite (Sekundärseite). Ausnahmen sind die kapazitive Kopplung mit einem Koppelkondensator in der HF-Technik und Puls-Transformatoren für Gate-Steuersignale - diese benötigen keine zusätzlichen Spannungsversorgungen.

In den Eingang des Isolationsverstärkers wird das zu messende, in der Regel relativ kleine, analoge Messsignal eingespeist. Am Ausgang kann es, galvanisch von der Eingangsseite getrennt, abgegriffen werden und bei Bedarf durch den Isolationsverstärker gleichzeitig verstärkt werden. In der Umgebung von getakteten Stromversorgungen besteht aber das Problem starker elektromagnetischer Störsignale.

Das analoge Messsignal kann wegen seiner kleinen Amplitude sehr leicht gestört werden, wenn der Isolationsverstärker nicht sehr nah an der Quelle sitzt - was oft nicht möglich ist - und lange Leiterbahnen benötigt werden. Aber auch das verstärkte analoge Ausgangssignal hat einen relativ kleinen Pegel innerhalb des Eingangsspannungsbereichs des Analog-Digital-Umsetzers (ADU) und ist dadurch ebenfalls störanfällig.

Wird statt eines kleinen, analogen Signals ein digitales übertragen, wird eine störunanfälligere Übertragung erreicht. Werden die Daten zum Beispiel über einen I2C-Bus übertragen, können Übertragungsfehler erkannt werden. In diesem Fall kann der Messwert verworfen werden. Allerdings muss dann das zu messende Signal zuerst digitalisiert werden, bevor es galvanisch getrennt übertragen wird. In diesem Fall eignet sich der AD-Umsetzer ADS1015 von Texas Instruments [1]. Er verfügt über eine Auflösung von 12 bit, zwei Analogeingänge und kann per I2C konfiguriert und ausgelesen werden. Wird der AD-Umsetzer möglichst nah an dem zu messenden Signal platziert, kann der Messwert kaum noch gestört werden.

Das Messsignal liegt nun auf der Primärseite in digitaler Form vor und muss noch über die Isolationsbarriere übertragen werden, ohne diese aufzuheben. Auch hier gibt es wieder verschiedene Möglichkeiten. Diverse Applikationsberichte zeigen Schaltungen mit Optokopplern, die eine bidirektionale Kommunikation ermöglichen. Im Rahmen eines Projekts wurden im Freisinger Labor von Texas Instruments verschiedene Schaltungen basierend auf Optokopplern getestet.

Dabei stellte sich heraus, dass sie mit 3,3-V-Logik nicht zuverlässig funktionierten. Das Problem waren die minimalen High-Pegel bzw. maximalen Low-Pegel der Logiksignale, die von dem AD-Umsetzer ADS1015 auf der Primärseite und dem Mikrocontroller MSP430F2252 [2] auf der Sekundärseite erwartet werden. Der Ausgang des Optokopplers besteht aus einem NPN-Transistor. Dadurch steht im durchgeschalteten Zustand (Low-Pegel) immer eine Kollektor-Emitter-Spannung von einigen 100 mV am Ausgangsanschluss. Durch Ändern der Arbeitspunkt-Widerstände lassen sich die Logik-Pegel zwar einstellen, im Endeffekt konnte aber kein Zustand erreicht werden, in dem sowohl die geforderten minimalen als auch die maximalen Logik-Pegel erreicht werden.

Als Alternative zur Übertragung von digitalen Signalen über Isolationsbarrieren bieten sich die digitalen Isolatoren ISO7520C/21C an [3, 4]. Sie verfügen über je zwei digitale Kanäle (ISO7520C: gleiche Übertragungsrichtungen, ISO7521C: entgegengesetzte Übertragungsrichtungen), können direkt mit 3,3-V- und 5,0-V-Logik angesteuert werden und haben eine Isolationsfestigkeit von 5 kVeff. Die maximale Übertragungsgeschwindigkeit liegt bei 1 Mbit/s; damit ist eine I2C-Datenübertragung sowohl im „Fast Mode“ (400 kbit/s) als auch im „Fast Mode Plus“ (1 Mbit/s) möglich.

Die Logik-Pegel der Ein- und Ausgänge erreichen deutlich bessere Werte als ein Optokoppler. Auch in Bezug auf Alterung und Stromaufnahme bieten digitale Isolatoren Vorteile. Da das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (Current Transfer Ratio, CTR) eines Optokopplers mit der Zeit abnimmt, muss dieser Effekt schon bei der Auslegung der Schaltung berücksichtigt werden. Im Endeffekt läuft es auf einen höheren Betriebsstrom als anfangs notwendig hinaus.