Isolierende Datenkoppler im Vergleich Bye Bye Optokoppler?

Galvanische Trennung erreicht man am besten mit Optokopplern – das haben Entwickler über Jahrzehnte gelernt. Doch es gibt mittlerweile neue Techniken und damit interessante Alternativen.

Die (Infrarot-)Lichtstrecke eines Optokopplers trennt hohe Spannungen sicher. Allerdings sind Optokoppler für die heutige Datentechnik nicht mehr schnell genug. Welche Alternativen gibt es also, um in der Elektronik eine galvanische Potenzialtrennung zu erreichen?

Galvanische Trennung ist in vielen Elektronikschaltungen gefragt, ob in der Messtechnik, in Feldbussystemen oder anderen ausgedehnten Verdrahtungen in Produktionsanlagen, um Potenzialdifferenzen mit teils fatalen Auswirkungen zu vermeiden, ob in der Audio- und Videotechnik, damit keine »Brummschleifen« entstehen, oder in der Medizintechnik aus Sicherheitsgründen.

Die angeblich so anspruchslose Digitaltechnik leidet ebenfalls unter diesen Phänomenen, wie jeder weiß, der schon einmal einen Satellitenreceiver über eine elektrische S-P/DIF-Verbindung (statt der Variante über Glasfaserkabel) an einen Verstärker angeschlossen hat und dann feststellen musste, dass bei jedem Betätigen eines Lichtschalters im Haus der ansonsten störsichere Digitalton aussetzte.

Über die Zeit hinweg wurden verschiedene Techniken eingesetzt, um galvanische Trennung zu erreichen, beginnend beim klassischen Transformator und endend beim TMR/GMR-Koppler als jüngster Option. Alle Varianten sind in der beschriebenen Form aktuell im Angebot diverser Hersteller.

Klassische induktive Kopplung

Transformatoren sind seit jeher nicht nur für Spannungs- oder Stromwandlung gebräuchlich, sondern ebenso zur galvanischen Trennung. Ob unter Leistung als Netztransformator, der bis heute unentbehrlich ist, wenn auch inzwischen in Schaltnetzteilen als höherfrequente Variante realisiert, oder als reiner Signal-, Daten- und Impulstransformator – neutraler »Übertrager« genannt. Auch Baluns, andere Ringkernübertrager und die kernlosen Varianten der Funktechnik fallen darunter.

Übertrager arbeiten in unterschiedlichen Varianten bei Frequenzen von wenigen Hertz bis in den Gigahertzbereich, doch sie können nur Wechselspannungen übertragen. Bei langsam variierenden Signalen und Gleichspannung müssen sie passen. Nur mit einer amplitudenmodulierten Wechselspannung, die nach dem Übertrager wieder demoduliert werden muss, ist dies zu umgehen. Dies allerdings begrenzt die obere Grenzfrequenz der möglichen Übertragung nach Nyquist auf die Hälfte der Frequenz der verwendeten Wechselspannung.

Ein zweiter Schwachpunkt, wenn es nicht um Analogsignale, sondern Digitaltechnik geht, ist die mangelnde Impulstreue der Übertrager: Sie können im Frequenzbereich zwar durchaus einige Zehnerpotenzen abdecken, doch werden gerade die typischen rechteckigen Datensignale oft verzerrt. Auch die Induktivitäten des Übertragers fordern ihren Tribut und führen zu Dachschrägen, Überschwingern und Phasenverschiebungen – ungünstig für zeitkritische Flanken.
Weitere Schwachpunkte sind der Platzbedarf und das große Übersprechen zwischen mehreren gleichartigen Übertragern. Auf SMD-Digitalplatinen sind sie als konventionell gewickelte Version kaum mehr zu finden, so wie der Kernspeicher aufgrund seiner Baugröße schon lange Geschichte ist. Einziger Vorteil des Übertragers: Wie sein großer Bruder, der Netztransformator, hat er in klassischen Bauformen nur geringe energetische Verluste bei einer Übertragung von der Primär- zur Sekundärseite. Auf diese Weise können die sekundärseitigen Schaltungsteile oft ohne eigene Energiequellen auskommen, wenn das übertragene Signal stark genug ist.

In modernerer IC-Bauform – als Planar-Transformator auf einem Silizium-Chip – werden solche Bausteine mit einem bis vier Kanälen angeboten. Sie bieten bis zu 100 MBit/s, verwenden Flankendetektion und können zunächst keine Gleichspannungen und tieffrequenten Wechselspannungen übertragen, weshalb in den ICs noch ein Hilfsoszillator von etwa 500 kHz vorgesehen ist, auf den diese Signale aufmoduliert werden können. Allerdings sind diese Bausteine im Gegensatz zu konventionellen Übertragern nicht in der Lage, nennenswerte Energiemengen zu übertragen. Der Baustein benötigt also sekundärseitig ebenfalls eine Stromversorgung. Zudem bleiben die Magnetfeldlinien nicht so im Bauelement wie beim klassischen Übertrager, die elektromagnetische Verträglichkeit ist demnach schlechter. Auch der Hilfsoszillator kann hier bei der EMV Probleme machen.

Kapazitive Kopplung

Eine Alternative sind kapazitive Koppler. In einfacher Form – als potenzialtrennender Kondensator – sind sie in praktisch jedem NF- und HF-Verstärker zu finden. Als kurvenformtreue, komplett galvanisch trennende Lösung wird die Angelegenheit dagegen komplizierter: Gleichspannung und langsam variierende, niederfrequente Kurvenformen können wiederum nur durch Modulation des Signals auf eine Wechselspannung übertragen werden.

Zwei Kanäle decken in realen Schaltungen einerseits den Bereich von 100 kBit/s bis etwa 150 MBit/s direkt ab, andererseits den Bereich von Gleichspannung bis 100 kBit/s über Pulsweitenmodulation. Nach der kapazitiven Isolationsstrecke werden die beiden Kanäle wieder zusammengefügt: eine funktionale, doch relativ komplexe Lösung (Bild 1). Die Ausgänge liefern 3- oder 5-V-Logikpegel, wie es auch alle anderen, außer den optischen Kopplern, beherrschen. Die elektromagnetische Verträglichkeit ist hier ebenfalls eingeschränkt, zudem begrenzen mangelnde Anstiegs- und Abfallzeiten der Signalflanken sowie Verzögerungszeiten die Datenrate in der Praxis.

Hochfrequenzübertragung als Alternative

Eine weitere Möglichkeit ist es, das kapazitive oder induktive Modulationsprinzip weiterzuführen und gleich mit Hochfrequenz zu übertragen, und zwar bei 2,1 GHz, mit einem induktiven Übertrager, also keiner echten HF-Sendestrecke. Damit sind theoretisch Übertragungen digitaler Signale bis 1 GHz möglich. In der Praxis werden bis zu 150 MBit/s angeboten.

Allerdings ist das Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen nicht unerheblich. Ebenso problematisch ist der Einfluss anderer Hochfrequenzsender in der Nähe des benutzten Frequenzbands wie UMTS/LTE-Handys oder 2,4-GHz-ISM-Sender, die mit Video-Übertragungsstrecken, Bluetooth, ZigBee, WLAN, Mikrowellenherden und unzähligen anderen Anwendungen fast allgegenwärtig sind.

Es dürfte daher trotz möglicher Abschirmungen zu Problemen kommen, wenn diese Bausteine gemeinsam mit einer der »echten« Funktechniken in einer Baugruppe eingesetzt werden. Eine Abstrahlung durch die Bauelemente selbst ist trotz Übertrager bei diesen hohen Frequenzen ebensowenig auszuschließen. In Telekommunikationsgeräten jeder Art wird diese Variante folglich wenig Freude bereiten.