Digital-Isolatoren statt Optokoppler Messtechnik sicher isoliert

Messgeräte für den Einsatz in der Industrieumgebung verlangen häufig Isolation, um einerseits die Benutzer zu schützen sowie die Systemsicherheit zu gewährleisten und andererseits trotz hoher Gleichtaktspannungen genau messen zu können. Lange Zeit waren Optokoppler das Mittel der Wahl, um diese Eigenschaften sicherzustellen. Seit einiger Zeit bieten digitale Isolatoren da eine Alternative.

Die Entwicklung isolierter Messinstrumente ist herausfordernd und manchmal sogar frustrierend. Eine isolierte Eingangsstufe schützt Benutzer vor potenziell gefährlichen Spannungen auf Messsystemen und ermöglicht Ingenieuren, exakte Messungen in Anwesenheit hoher Gleichtaktspannungen durchzuführen.

Bild 1 zeigt ein typisches Beispiel einer solchen Messung. In einer Hochvolt-Brennstoffzelle oder einem Batterie-Stack hilft die Kenntnis der individuellen Zellenspannungen dabei sicherzustellen, dass das System sicher arbeitet und die längst mögliche Batterielaufzeit erreicht. Um die Spannung einer einzelnen Zelle zu ermitteln, muss sie in Anwesenheit von bis zu mehreren hundert Volt Gleichtaktspannung gemessen werden.

Eine ähnliche Situation ist bei der Bestimmung der Temperatur eines stromführenden Leiters mit einem Thermoelement gegeben. In diesem Beispiel muss das System Signale mit einer Auflösung im Millivoltbereich messen und zugleich hohes Gleichtaktrauschen mit 50 Hz oder 60 Hz unterdrücken und das Bedienpersonal vor gefährlichen Spannungen schützen.

Isolationsverstärker waren eine erste Lösung für dieses Problem. Allerdings sind sie heute veraltet, da inzwischen Messungen mit höherer Bandbreite und Auflösung vonnöten sind. Heute besteht die genaueste, wirtschaftlichste und effizienteste Technik zur Durchführung dieser Messungen darin, die gesamte Eingangsstufe einschließlich A/D-Wandler zu isolieren und einen isolierten, seriellen Link zum Rest des Systems zu implementieren (Bild 1).

Diese Verbindung kann entweder ein lokaler Bus wie SPI oder - wie in der Industrie häufig anzutreffen - eine RS-485-Schnittstelle sein, um die Messdaten über weite Entfernungen an eine Controller-Einheit zu senden. Bis vor etwa zehn Jahren waren Optokoppler eine der wenigen praktikablen Lösungen, um digitale Signale zu isolieren. Fragt man jedoch einen Entwickler, der in der Vergangenheit mit Optokopplern arbeiten musste, wird man schnell erfahren, wie problematisch es war, damit ein effizientes und zuverlässiges System zu entwickeln - speziell wenn die Kosten auf einem Minimum gehalten werden sollten.

Optokoppler nutzen eine LED, um Licht zu erzeugen, das über eine Isolationsstrecke übertragen wird und einen Fototransistor ein- und ausschaltet. Bei der Entwicklung mit Optokopplern muss man garantieren, dass die LED genug Licht erzeugt, um den Fototransistor auf der Empfangsseite einzuschalten. Außerdem ist sicherzustellen, dass die Signalanstiegs- und -abfallzeiten kurz genug sind, um den Betrieb bei der gewünschten Frequenz zu unterstützen.

Bei Optokopplern muss man schätzen

Eine der wichtigsten Kenndaten eines Optokopplers ist das Gleichstrom-Übertragungsverhältnis (CTR, Current Transfer Ratio). Dieser Wert ist das Verhältnis von Kollektorstrom am Fototransistor und Strom durch die LED. Das CTR des Optokopplers hat nicht nur eine sehr große Toleranz, sondern sinkt auch über die Zeit und mit der Temperatur.

Um zu garantieren, dass das Bauteil auch nach mehreren Jahren und bei erhöhten Temperaturen noch funktioniert, müssen Entwickler den ungünstigsten Wert annehmen. Dies selbst kann jedoch eine Herausforderung sein, da CTR-Spezifikationen in Datenblättern nur bei Zimmertemperatur gelten. Zum Beispiel führt die Spezifikationstabelle eines typischen Optokopplers ein garantiertes CTR von 50% bis 60% bei +25 °C auf. Zusätzlich enthalten die meisten Datenblätter ein typisches Diagramm, das zeigt, dass der Wert bei +80 °C nur etwa 50% des CTRs bei +20 °C ist.

Praktisch kein Datenblatt enthält ein minimales CTR bei +85 °C. Somit muss der Entwickler diesen Wert schätzen. Zwar gibt es Untersuchungen, die modellieren, wie der CTR über die Zeit sinkt. Doch dies ist eine andere Spezifikation, die man nicht im Datenblatt findet. Entwickler müssen also eine Entscheidung treffen, wie viel zusätzliche Design-Reserven sie hinzufügen müssen, damit das Endprodukt über seine erwartete Lebensdauer zuverlässig arbeitet.

Eine robuste Isolation zu entwickeln bedeutet, dass der Entwickler viele Annahmen machen muss und Kompromisse bezüglich erhöhter Stromaufnahme und niedrigeren Arbeitsgeschwindigkeiten eingehen muss, damit er genügend Reserven für einen zuverlässigen Betrieb über die Produktlebensdauer hat. Digitale Isolatoren nutzen keine optischen Komponenten, um Daten über die Isolationsstrecke zu schicken.

Zum Beispiel nutzt Analog Devices Bausteine mit Mikrotransformatoren, um Impulse über die Isolationsstrecke zu senden. Dabei gibt es keine Beeinträchtigungen infolge der Gebrauchsdauer und der Temperatur wie bei Optokopplern. Dies macht es möglich, einen garantierten minimalen und maximalen Energieverbrauch sowie Laufzeitverzögerungen und Impulsverzerrungen über den gesamten Temperaturbereich der Bauteile anzugeben.

Mit kompletten Spezifikationen ist es nicht mehr nötig, umfangreiche Charakterisierungstests von Optokopplern unter den jeweiligen Betriebsbedingungen durchzuführen, um die Worst-Case-Systemperformance zu ermitteln. Ein Entwickler kann einfach auf die garantierten Spezifikationen des digitalen Isolators hinsichtlich Laufzeitverzögerung, Skew und Stromverbrauch schauen und die Daten nutzen, um die jeweiligen Top-Level-System-Timing-Spezifikationen wie bei jedem Standard-Digital-IC zu berechnen. Andere nicht-optische Technologien wie kapazitive, HF- und GMR-Kopplung (Giant Magnetoresistive) sind ebenfalls verfügbar.

Bedenken bei digitalen Isolatoren

Da magnetische digitale Isolatoren den Großteil ihrer Energie beim Umschalten vom einen in den anderen Zustand verbrauchen, skaliert der Energieverbrauch mit der Betriebsfrequenz. Deshalb verbrauchen Kanäle, die im Leerlauf (Idle Mode) sind oder sehr langsam umschalten, sehr wenig Energie. Sobald entschieden ist, welches die maximale serielle Taktrate für eine Applikation ist, kann lässt sich eine Stromversorgung entwickeln, um genug Strom für die gewünschte Taktrate zu haben.

Beim Entwickeln mit Optokopplern muss man sicherstellen, dass Schaltungen stets Idle mit der LED im Off-Zustand sind, um den System-Energieverbrauch zu minimieren. Während Optokoppler seit über 30 Jahren verfügbar sind, zögern manche Ingenieure, auf eine neue Isolationstechnik umzusteigen. Die meisten Hersteller reichen ihre Produkte bei Behörden zur Zulassung ein und zeigen klar, unter welchen Standards ihre Isolatoren zugelassen sind.

Bauteile wie die von Analog Devices verwenden Polyimid als Isolator. Dies ist das gleiche Material wie es in vielen Optokopplern zum Einsatz kommt. In einigen Fällen sind sie nach den gleichen Sicherheitsstandards getestet wie Optokoppler, während in anderen Fällen (wie VDE V 0884-10) spezifische Standards für digitale Isolatoren entwickelt wurden.

Tabelle 1 zeigt die Zulassungen für die Bausteinfamilie »ADuM140x«.

UL
CSA
VDE
TÜV
anerkannt unter dem »Component Recognition Programm« 1577
zugelassen nach CSA »Component Acceptance Notice« #5A
zertifiziert nach DIN V VDE V 0884-10 (VDE V 0884-10):2006-12
zugelassen gemäß IEC 61010-1:2001 (2nd Edition), EN 61010-1:2001 (2nd Edition), UL 61010-1:2004, CSA C22.2.61010.1:2005
doppelte/verstärkte Isolation, 2500 V Isolationsspannung
Basisisolation nach CSA 60950-1-03 und IEC 60950-1, 800 V (1131 V Spitze) max. Arbeitsspannung; Verstärkte Isolation nach CSA 60950-1-03 und IEC 60950-1, 400 V (566 V Spitze) max. Arbeitsspannung
verstärkte Isolation, 560 V Spitze
verstärkte Isolation, 400 V max. Arbeitsspannung
Tabelle 1: Zulassungen von Regulierungsbehörden für die ADuM140x-Familie

Weitere Probleme betreffen die Fähigkeit von digitalen Isolatoren, Überspannungsspitzen zu verkraften, sowie ihre Immunität gegenüber Transienten in Form von Gleichtaktspannung und Störungen durch Magnetfelder. Allerdings verkraften Digitalisolatoren von Analog Devices wegen ihrer Polyimid-Isolation Spannungsspitzen bis 6 kV für bis zu 10 s.

Wegen der geringen parasitären Kapazität über die Isolationsstrecke haben magnetische Isolatoren gegenüber anderen Technologien auch eine ausgezeichnete CMTI (Common Mode Transient Immunity). Zum Beispiel haben typische High-Speed-Optokoppler eine CMTI-Spezifikation von 1 kV/µs bis 10 kV/µs, während magnetische digitale Isolatoren Gleichtakttransienten von über 35 kV/µs unterdrücken können.

Bedenken über magnetische Interferenz erscheinen auf den ersten Blick gerechtfertigt, da Isolatoren mit Mikrotransformatoren ein magnetisches Feld nutzen, um Impulse über die Isolationsstrecke zu übertragen. Man könnte annehmen, dass ein genügend großes Magnetfeld die Impulse beeinflussen könnte und fehlerhafte Ausgangssignale entstehen. Wegen dem sehr kleinen Radius der kernlosen Transformatoren braucht man allerdings ein sehr großes Magnetfeld oder eine sehr hohe Frequenz, um einen Fehler zu induzieren.

Bild 2 zeigt die maximal zulässigen Werte für Strom und Frequenz, die garantieren, dass der Ausgang eines Isolators vom Typ »AD344x« fehlerfrei bleibt. Zum Beispiel wäre ein Strom von über 500 A bei 1 MHz nur 5 mm vom Baustein entfernt erforderlich, um potenziell fehlerhafte Ausgangssignale zu produzieren. Die Amplituden- und Frequenzkombinationen, die theoretisch erforderlich sind, um ein fehlerhaftes Ausgangssignal zu produzieren, sind weit über dem, was man in einer Mehrzahl an Applikationen finden würde.

Wenn isolierte Messsysteme hohe Abtastraten nutzen, kann die Isolation eines seriellen Busses mit Optokopplern zu einer anspruchsvollen Aufgabe werden. Die parasitäre Kapazität der Fotodiode im Empfänger begrenzt die Geschwindigkeit, mit der ein Optokoppler digitale Signale durchlässt.

Man kann diese parasitäre Kapazität schneller laden, indem man die Menge des Lichts von der LED erhöht. Doch dies erhöht die Stromaufnahme. Zusätzlich bieten wenige Optokoppler mehr als zwei Kanäle pro Gehäuse nur in die gleiche Richtung.

Auch beinhalten sie typischerweise keine Timing-Spezifikationen in Bezug auf die Übereinstimmung von Kanal zu Kanal (Matching). Eine gute Übereinstimmung zwischen Optokopplern im gleichen Gehäuse anzunehmen, klingt logisch. Da aber keine gedruckte Spezifikation vorliegt, muss der Entwickler eine Annahme machen.

In einem solchen Fall sehen die meisten Ingenieure genügend Reserven vor und arbeiten dann mit wesentlich geringerer Performance. Ein weiterer Vorteil beim Einsatz von digitalen Isolatoren ist, dass Produkte mit vier Kanälen mit garantierten Geschwindigkeiten bis 150 MBit/s verfügbar sind. Zusätzlich bieten alle Hersteller von digitalen Isolatoren garantierte Übereinstimmung des Timings zwischen Kanälen in ihren Datenblättern an.

Zum Beispiel hat die Bausteinfamilie »ADuM344x« eine garantierte Kanal/Kanal- Verzögerungsfehlanpassung von unter 2 ns über den gesamten Temperaturbereich. In der Praxis bedeutet dies, dass sich digitale Isolatoren mit den im Datenblatt angegebenen Geschwindigkeiten ohne Derating des Systems für große oder unbekannte Skews zwischen Bauteilen oder Kanälen nutzen lassen.

Integration nutzen

Da die digitale Isolationstechnologie kompatibel zu Standard-CMOS-Prozessen ist, lassen sich zusätzliche Funktionen relativ einfach integrieren, um das Systemdesign zu vereinfachen. Zum Beispiel kann ein herkömmlicher Baustein für Messungen mit Thermoelementen mehrere Optokoppler beinhalten, um eine langsame SPI-Schnittstelle zu implementieren.

Hinzu kommt ein Isolationstransformator mit einem Treiber und Regler zur Versorgung der isolierten Eingangsstufe. Indem man einen digitalen Isolator mit integrierter, isolierter Stromversorgung nutzt, wie etwa den ADuM5401, wird das gesamte Isolationssystem eine einzige integrierte Schaltung mit vier Kanälen für Daten und isolierte Versorgung. Damit steigt die Zuverlässigkeit und es lassen sich im Vergleich zu einer Lösung mit diskreten Isolatoren und isolierter Stromversorgung auf der Leiterplatte sowohl Platz als auch Kosten einsparen.

Viele Messgeräte enthalten eine isolierte RS-485-Schnittstelle für Remote-Monitoring oder -Steuerung. Bis vor wenigen Jahren hätte man zur Implementierung eines solchen isolierten Ports nicht nur einen Isolator für die Datenleitungen benötigt, sondern auch einen zum RS-485-Standard kompatiblen Transceiver und eine Stromversorgung.

Bild 3 zeigt, wie ein einziges IC wie der ADM2682E die komplette Funktion in nur ein Gehäuse integriert.

Über den Autor:

Luis Orozco ist System Applications Engineer für das Segment Industrial and Instrumentation bei Analog Devices.