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Hochspannung im Auto

Digitale Isolation bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen

10. Januar 2011, 15:10 Uhr | Von Frank Forster

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Nicht alle Isolationsarten sind für den automobilen Einsatz geeignet

Es gibt vier verschiedene Methoden der digitalen Isolation – optische, induktive, kapazitive und Hochfrequenzisolation. Die ersten drei Methoden werden nachfolgend beschrieben.

Bei der optischen Isolation wird Licht über eine lichtdurchlässige, nicht leitende Isolationsbarriere übertragen. Das digitale Signal wird mit Hilfe einer Leuchtdiode vom elektrischen in den optischen Bereich umgewandelt. Dieses optische Signal wird anschließend über die Isolationsbarriere übertragen und dann mit einem optischen Detektorelement (Fotodiode, Fototransistor) in ein elektrisches Signal zurückgewandelt.

Der große Vorteil der optischen Isolation ist die Störunempfindlichkeit des Lichts gegenüber elektrischen oder magnetischen Feldern und die Möglichkeit, statische Signale zu übertragen. Von Nachteil ist, dass die optischen Isolatoren aufgrund der vergleichsweise langsamen LED-Charakteristik bei den Übertragungsgeschwindigkeiten eingeschränkt sind. Für den Einsatz in Hybrid- und Elektrofahrzeugen ist natürlich auch die begrenzte Lebensdauer ein weiterer großer Nachteil. Im Laufe der Zeit lässt die Effizienz der LED nach, was zu einem steigenden Signalansteuerungsstrom (in der Regel ab 10 mA) führt; im Laufe der Zeit wird der Isolator funktionsunfähig.

Die induktive Isolation nutzt für die Signalübertragung über die Isolationsbarriere die Änderung des magnetischen Feldes zwischen zwei Spulen. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass die Differenz zwischen dem Gleichtakt und dem Differentialtransfer eine gute Störunempfindlichkeit gegen Rauschen bedeutet. Der Nachteil dieser Methode ist die potentielle Störung durch magnetische Felder, wie sie z.B. durch den Motor eines Hybrid- bzw. Elektrofahrzeugs häufig auftreten.

Bei der kapazitiven Isolation wird die Änderung der elektrischen Felder über eine Isolationsbarriere hinweg genutzt. Die Vorteile der kapazitiven Methode sind höhere Störunempfindlichkeit gegenüber magnetischen Feldern und eine lange Systemlebensdauer. Darüber hinaus ist die Übertragungsgeschwindigkeit mit der Geschwindigkeit der induktiven Methode vergleichbar. Nachteilig für die kapazitive Methode ist das fehlende Differentialsignal (das bedeutet: Signal und Rauschen teilen sich denselben Kanal) und dass – genau wie bei der induktiven Methode – statische Signale nicht direkt übertragen werden können (diese müssen zuerst mit einem Taktsignal codiert werden).