Trennverstärker richtig eingesetzt

Faustregeln für den Designprozess bei der analogen Signaltrennung

30. Oktober 2009, 9:31 Uhr | Von Hong Lei Chen

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Isolierung

Isolationsspannung und Arbeitsspannung nicht verwechseln:

Wenn ein Entwickler eine analoge Signaltrennungsschaltung entwirft, muss er die Isolationsspannung und die anliegende Arbeitsspannung des Trennverstärkers berücksichtigen. Nur so kann er sicherstellen, dass das Produkt den gültigen Sicherheitsstandards entspricht. Die Isolationsspannung bezieht sich auf die kurzzeitige Ein/Ausgangs-Spannungsfestigkeit. Alle Trennverstärker von Avago sind gemäß UL 1577 zertifiziert und eignungsgeprüft, wobei eine Testspannung angelegt wurde, die größer oder gleich dem 1,2-fachen des angegebenen Wertes für eine Sekunde war (Leckstromlimit ≤5 μA). So ist zum Beispiel der ACPL-C78X für 5000 V (Effektivwert) spezifiziert – beim Produktionstest wird jedes Teil mit 6000 V (Effektivwert) für eine Sekunde getestet.

Die Isolationsspannung ist ein dielektrischer Spannungswert, der nicht als Ein/ Ausgangs-Arbeitsspannung interpretiert werden darf. Bei der Arbeitsspannung handelt es sich um die maximale Spannung, bei der das System garantiert sicher arbeitet, ohne dass die Isolation beeinflusst wird. Zum Beispiel ist bei der ACPL-C78X-Serie eine maximale Arbeitsisolationsspannung von 1140 V (Spitzenwert) nach IEC/ EN/DIN EN 60747-5-2 [1] ausgewiesen und kann mit einer Dauerspannung bis 806 V (Effektivwert) arbeiten. Ist eine Arbeitsspannung von 1000 V (Effektivwert) gefordert, kann stattdessen der lineare Optokoppler »HCNR201« eingesetzt werden (1414 V (Spitzenwert) [3]), während der Optokoppler »HCPL-7800A« die richtige Wahl ist, wenn die Spezifikationen 891 V (Spitzenwert) fordert [4].

Messwiderstand bei der Strommessung auswählen:

Zusammen mit einem Messwiderstand (Shunt) ergibt der Trennverstärker einen isolierten Stromsensor. Die Wahl des Wertes für den Shunt ist üblicherweise ein Kompromiss zwischen minimalem Leistungsverlust und maximaler Genauigkeit. Kleinere Widerstände verringern den Leistungsverlust, während größere Widerstände die Genauigkeit der Schaltung erhöhen, indem sie den vollen Eingangsspannungsbereich des Trennverstärkers nutzen. Mit dem Spitzenstromwert, den der Shunt im normalen Betrieb verträgt, und dem gewünschten Eingangsspannungsbereich des Trennverstärkers lässt sich der Widerstandswert mit dem Ohmschen Gesetz berechnen.

Widerstandsdrift des Shunts über Temperatur und Zeit berücksichtigen:

Nach Bestimmung des Widerstandswertes sollte der Entwickler die Hauptparameter, die Widerstandstoleranz und Stabilitätsgrenzen betreffen, sorgfältig berücksichtigen. In einer typischen Strommessanwendung ist eine Toleranz von ±1% ein guter Startpunkt. Sollte eine höhere Genauigkeit nötig sein, ist eine engere Toleranz wie ±0,1% oder kleiner zu wählen, oder aber eine Kalibriermethode, die Anfangsfehler eliminiert.

Kalibrierung kann den Messfehler entsprechend der Shunt-Toleranz ausgleichen aber nicht die Fehler, die durch Widerstandsdrift über Temperatur und Zeit entstehen. Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes (TCR) beschreibt die Widerstandsänderung bei Variation der Umgebungstemperatur über einen spezifizierten Temperaturbereich. Ein Shunt mit einem TCR von 50 ppm/K ist ein guter Anfang. Es gibt aber auch Bauteile mit einem TCR von 10 ppm/K. Das entsprechende Datenblatt hilft dabei, die Arbeitsbedingungen bei einem geforderten TCR und dem entsprechenden Profil zu erkennen, denn manchmal ergibt sich ein nichtlineares Verhalten.

Bei der nominalen Leistung nicht aufhören:

Die Nennleistung eines Shunts ist ein kritisches Auswahlkriterium. Die Verlustleistung des Shunts berechnet sich gemäß I(RMS) 2 x R. Der Wert der Verlustleistung durch pulsierenden Strom sollte ebenfalls in der Kalkulation berücksichtigt werden. Beim Betrachten der Shunt-Spezifikationen sollte der Entwickler über die Nennleistung hinausgehen und sich auf die Lastminderungskurve (Derating) beziehen, wenn die Umgebungstemperatur ein Problem sein könnte. Darüber hinaus lassen sich bei einigen Shunt-Widerständen Kühlkörper anbringen, welche die Nennleistung im Vergleich zur Umluftkühlung merklich verbessern. Letztendlich ist es besser, einen Shunt einzusetzen, der noch eine ausreichende Nennleistung nach Berücksichtigung des Sicherheitsrahmens hat.

 

Referenzen

[1] ACPL-C78A, ACPL-C780, ACPL-C784 Miniature Isolation Amplifiers Data Sheet, Avago Technologies Publication No. AV02-1436EN

[2] UL file number: E55361 (www.ul.com)

[3] HCNR200 and HCNR201 High-Linearity Analog Optocouplers Data Sheet, Avago Technologies Publication No. AV02-0886EN

[4] HCPL-7800A/HCPL-7800 Isolation Amplifier Data Sheet, Avago Technologies Publication No. AV02-0410EN


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