Isolierende Datenkoppler im Vergleich Bye Bye Optokoppler?

Optokoppler und ihre Schwächen

All diese Probleme haben dazu geführt, dass ein anderes Prinzip zur galvanisch getrennten, kurventreuen Signalübertragung bis heute am stärksten verbreitet ist: Die optische Übertragungsstrecke, bestehend aus LED und Fototransistor – der Optokoppler. Er kann von Gleichstrom bis in den unteren MHz-Bereich übertragen und hält, bei entsprechendem Aufbau, prinzipiell alle Sicherheitsbestimmungen ein.

Doch auch der Optokoppler hat Nachteile. So neigen seine Empfänger zu elektrischen Einkopplungen (kapazitiv) und damit zum Übersprechen zwischen den Kanälen. Zudem ist das Isolationsmaterial nicht langzeitstabil, sowohl was die elektrische Isolation als auch die optische Transparenz betrifft. Da die Sendedioden über die Jahre ebenso in Leistung und Effizienz nachlassen, ergibt sich ein degradierendes Übertragungsverhältnis.

Zudem sind die für hohe Übertragungsverhältnisse sorgenden Fototransistoren langsam und schaffen nur einige MHz. Schnelle optische Koppler sind nur selten zu finden und nicht preiswert. Für Übertragungsraten über 50 MBit/s sind Optokoppler definitiv nicht mehr verfügbar. Des Weiteren ist der Energiebedarf erheblich und aktuell verfügbare Highspeed-Optokoppler funktionieren nur mit 5 V Versorgungspannung, doch nicht mit den immer häufiger zu findenden Digitalschaltungen mit 3,3 V Versorgungsspannung. Schließlich ist die Temperaturstabilität sowohl der Sende- als auch der Empfangsseite des Optokopplers nicht besonders gut.

Hall-Effekt als Lösung?

Hallsensoren auf der Empfängerseite sind in Zusammenarbeit mit Magnetspulen auf der Senderseite ebenfalls verwendbar, doch haben sie mehrere Nachteile: Sie liefern nur ein sehr geringes Signal und sind noch langzeitinstabiler als die Optokoppler. Zudem sind sie anfällig gegen Gleich- und Wechselmagnetfelder, die sich in elektrischen und elektronischen Geräten kaum vermeiden lassen. In Kopplern konnte sich der Hall-Effekt daher nie durchsetzen.

Ein magnetoresistiver Quanteneffekt neueren Datums ist dagegen recht interessant: GMR, der Giant Magnetoresistive Effect (Riesenmagnetowiderstand). Hier steigt der Widerstand nanokristalliner Schichten, wenn diese gegenläufig magnetisiert werden und sinkt, wenn sie gleichsinnig magnetisiert werden (Bild 2). Es handelt sich um eine nanotechnische Anwendung von sogenannter »Spintronik«, bei der nicht die elektrische Ladung der Elektronen relevant ist, sondern deren Orientierung (Spin).

2007: Nobelpreis für GMR

Entdeckt wurde dieser Effekt 1988 unabhängig voneinander von den beiden Forschern Peter Grünberg vom Forschungszentrum Jülich und Albert Fert von der Universität Paris-Süd. Dies brachte ihnen 2007 den Nobelpreis für Physik ein. Bekannt ist GMR hauptsächlich durch die heute bei Festplatten verwendeten Leseköpfe, die zu enorm hohen Speicherdichten führen, doch kann GMR-Technik ebenso in Magnetsensoren und Datenkopplern verwendet werden, wie sie das US-Unternehmen NVE (Non Volatile Electronics, im Vertrieb von Hy-Line Power Components) unter dem Markennamen »Isoloop« anbietet.

In diesen Bausteinen sind als Einzel- und Doppelkoppler GMR-Elemente, Steuerspulen und Elektronik im bislang kleinsten Format (MSOP-Gehäuse) eines isolierenden Datenkopplers verbaut, in nur wenig größeren Gehäusen sind bis zu fünf Kopplerkanäle untergebracht.

Trigger auf Pegel oder Flanke

Der Firmenname NVE – Non Volatile Electronics – spielt übrigens auf eine eher unerwartete Eigenschaft der Bausteine an: Da es sich nicht um elektrische, sondern um magnetische Effekte handelt, bleibt der Schaltzustand der Koppler nach einem Stromausfall erhalten und kehrt in denselben Zustand zurück, wenn die Stromversorgung wiederkehrt.

Die GMRs sind in den Isoloop-Kopplern (Bild 3) in einer Wheatstone-Brücke verschaltet, wodurch Fehlfunktionen durch Drift und Fremdfelder vermieden werden. Es gibt unterschiedliche Isolatorbaureihen: So sind NVE IL5xx und IL8xx pegel- und flankengesteuert, IL2xx/IL7xx sind ausschließlich flankengesteuert. Die Modelle IL6xx verzichten auf der Eingangsseite auf Logikschaltungen.

Die Magnetspule ist dann direkt ansteuerbar. Dies ermöglicht reine Pegelsteuerung bei hohen Bitraten von 100 MB/s, Steuerung durch strom- statt spannungsliefernde Quellen und den direkten Ersatz von Optokopplern, deren Sendedioden ebenfalls stromgesteuert sind. Somit sind bei den IL6xx mit entsprechender Dimensionierung des Vorwiderstands Steuerspannungen von weniger als einem bis zu einigen 100 V oder die Steuerung mit schwebenden Differenzspannungen möglich.

Rein flankengesteuerte Logik-Eingangsstufen ermöglichen hohe Geschwindigkeiten bei geringen Kosten. Allerdings kann es vorkommen, dass nach einem Einschalten der logische Pegel erst nach dem ersten Umschalten wieder korrekt definiert ist. Mit IL5xx bei bis zu 2 MBit/s und IL8xx für höhere Geschwindigkeiten kann dies vermieden werden (DC-correct).

Die Bausteine liefern in kompakten IC-Gehäusen ohne weitere Elektronik saubere Digital-Datenpegel am Ausgang: Mehrere fünfkanalige Varianten der IL7xx-Baureihe sind als IL2xx erhältlich. Daneben gibt es auch komplette Schnittstellenkoppler, die bereits die Logik für CAN-Bus, RS422- und RS485-Übertragungen enthalten und bis zu 40 MBit/s erreichen.