Schnelle galvanische Trennung mit Isolationskopplern

Optokoppler stoßen hinsichtlich der maximal möglichen Datenrate bei heutigen Systemanforderungen häufig an ihre Grenzen. Zudem können sie dem Trend zu geringeren Versorgungsspannungen nicht oder nur bedingt folgen. Kapazitive Konzepte zur galvanischen Trennung sind hier eine interessante Alternative.

Optokoppler stoßen hinsichtlich der maximal möglichen Datenrate bei heutigen Systemanforderungen häufig an ihre Grenzen. Zudem können sie dem Trend zu geringeren Versorgungsspannungen nicht oder nur bedingt folgen. Kapazitive Konzepte zur galvanischen Trennung sind hier eine interessante Alternative.

INHALT:
Digitale Isolatoren
Stärken und Schwächen der verschiedenen Technologien
Schnelle kapazitive Kopplung mit dem ISO721
Anwendungsbeispiel Profibus
Verfahren zur galvanischen Trennung
Literatur
Autoren

Die galvanische Trennung ist bei einer Vielzahl von Anwendungen notwendig, jedoch mit sehr unterschiedlichen Anforderungen; beispielsweise gelten in der Medizintechnik andere als in der Automatisierungstechnik. Häufigster Zweck der Isolationen ist die Schutzfunktion. Hierbei wird unterschieden, ob der Schutz dem Anwender, Patienten etc. gilt oder aber der empfindlichen Steuerelektronik.

Masseleitungen, wie etwa Schirmungen, bilden untereinander oder aber mit den Signalleitungen Masseschleifen aus, die zu Störungen der Datenübertragung oder sogar zum Ausfall führen können. Isolatoren verhindern Ausgleichsströme über die Signalleitungen und schützen das Übertragungssystem.

Digitale Isolatoren

Die Isolation von digitalen Signalen wurde traditionell mit Optokopplern vorgenommen. Moderne Entwicklungen stellen allerdings neue Anforderungen:

  • höhere Geschwindigkeiten beziehungsweise besseres Zeitverhalten (Durchlaufzeiten, Pulsbreitenverzerrungen etc.),
  • niedrigere Versorgungsspannungen,
  • geringere Stromaufnahme sowie
  • bessere „Transienten-Immunität“.

Optokoppler können diesen Anforderungen nicht mehr oder nur bedingt gerecht werden. Konsequenterweise entwickelt die Industrie daher Alternativen, etwa auf magnetischer oder kapazitiver Basis.

Optokoppler wie etwa von Avago bieten noch immer guten Isolationsschutz, allerdings zu Lasten einer höheren Leistungsaufnahme, einer geringeren Übertragungsrate und niedrigerer Transienten- Immunität. Soweit die verfügbaren Isolationsklassen genügen, sind hinsichtlich Leistungsaufnahme, Transientenschutz, 3,3-V-Versorgung und Übertragungsraten magnetische und kapazitive Koppler die bessere Lösung. Die kapazitive Trennung auf Basis von Siliziumoxid, wie Texas Instruments sie herstellt, bietet zudem höchste Immunität gegenüber elektromagnetischen Störfeldern bei praktisch keinen Alterungserscheinungen.

  • Optokoppler

Optokoppler nutzen Photonen als Datenträger. Als Isolation können ein Luftspalt, Glas oder Polymere dienen. Bild a zeigt den typischen Aufbau, hier mit integriertem LEDTreiber. Ausgangsseitig ist üblicherweise ein Puffer integriert.

  • Magnetische Koppler

Induktive Koppler nutzen ein Magnetfeld zwischen zwei Spulen zur Übertragung.

  • „iCoupler“: Der ADuM1100 ist ein Vertreter der iCoupler -Familie von ADI. Die iCoupler- Bausteine bedienen sich eines Transformators zur Datenübertragung (Bild b). Da dieser nicht in der Lage ist, Gleichanteile zu übertragen, ist für Magnetkoppler eine Codierung der Daten erforderlich. Es muss sowohl Gleichspannungsfreiheit als auch eine ausreichende Dichte von Signalpegelwechseln sichergestellt werden.

  • GMR-Koppler: Das GMR-Verfahren verlässt den „traditionellen“ Ansatz zur Kopplung via Transformator. Auf der Primärseite wird zwar weiterhin eine Spule verwendet, die auf der Sekundärseite wird allerdings durch ein Widerstandsnetzwerk ersetzt (Bild c). Die Widerstände bestehen hierbei aus GMR-Material. GMR-Material (Giant Magneto Resistance) hat die Eigenschaft, dass sich sein spezifischer Widerstand beim Anlegen eines Magnetfeldes verändert. Diese Änderung wird ausgewertet und der Ausgang entsprechend beschaltet. Auch hier ist eine Codierung erforderlich.

  • Kapazitive Kopplung

Kapazitive Koppler nutzen ein elektrisches Feld zur Datenübertragung über die Isolationsbarriere (Bild d). Wie bei den magnetischen Kopplern, können auch Kondensatoren keinen Gleichspannungsanteil übertragen. Die kapazitiven Koppler von Texas Instruments codieren daher die Daten.