Steuerung und Leistungselektronik rücken nicht nur immer näher zusammen, die Interaktion zwischen beiden Stufen wächst. Dr. Ahmad Bahai, Technikchef bei Texas Instruments und Direktor des TI Corporate Research, Kilby Labs sieht digitale Koppler als zentrales sicherheitsrelevantes Bauteil gefordert.
In einer Welt, in der Menschen und Maschinen ständig zusammenarbeiten, kommt der elektrischen Isolation große Bedeutung zu. Kilometerlange Kabel in einem Elektrofahrzeug verbinden Schalter, Sensoren und leistungsstarke Motoren. Eine industrielle Steuerung in einer Fabrik tauscht Daten und Befehle mit Sensoren aus und versorgt sie zugleich mit Strom. Mit hoher Spannung betriebene medizinische Geräte überwachen Patienten in Krankenhäusern und Pflegeeinrichtungen. USB-Schnittstellen verbinden Industriemaschinen mit Mikrocontrollern. Hochspannungs-Relais reagieren auf Befehle einer Prozessorsteuerung.
All dies sind Beispiele dafür, dass Interaktionen zwischen Maschine und Maschine sowie zwischen Mensch und Maschine immer mehr an der Tagesordnung sind, je mehr mechanische industrielle Systeme durch Elektromotoren, Sensoren und Aktoren verdrängt werden. Klobige Schalter werden durch sensible Oberflächen als Bedienelemente (Touch-Sensorik) ersetzt. Außerdem nimmt die Zahl der – zu einem großen Teil mit höheren Spannungen betriebenen – Elektromotoren rapide zu, angesteuert von Halbleiterschaltern, die ebenfalls mit hohen Spannungen arbeiten. Alle diese Elemente müssen mit Mikroprozessoren in den Steuerungen und mit Treiberschaltungen kommunizieren und interagieren. Die Zahl solcher Applikationen wächst stetig – in der Industrie, im Automobil, in der Medizintechnik und auch in der Energietechnik. Und alle sind auf den Schutz, die Störfestigkeit und die Zuverlässigkeit angewiesen, die sich mithilfe galvanisch isolierender Koppler realisieren lässt.
Koppler zur Signalübertragung über Isolationsbarrieren sind entscheidend für einen zuverlässigen und – sofern sie richtig angewandt werden – auch sicheren Betrieb. Zum Beispiel kann ein Koppler helfen, Menschen vor der Gefahr eines elektrischen Schlags zu bewahren, indem die zugänglichen Schaltungen von hohen Spannungen isoliert werden oder ein zum Ansteuern eines leistungsstarken Industriemotors dienender Mikroprozessor wie der C2000 isoliert wird.
In vielen industriellen Anwendungen gibt es einen Trend, Daten mit einer Rate von einigen hundert Mbit/s und mehr mit niedrigem Energieaufwand und hoher Beständigkeit gegen hohe Spannungsspitzen über Isolationsbarrieren zu übertragen. In Gate-Treiberschaltungen und bei industriellen Sensoren muss zusätzlich zur Datenübertragung auch die Stromversorgung über die Isolationsbarriere hinweg realisiert werden. Der Zwang, die Zahl der Kanäle zu erhöhen und auch die Kanäle untereinander zu isolieren, verstärkt hier die Nachfrage nach miniaturisierten Bausteinen.
Was genau bedeutet in diesen Anwendungen eigentlich Isolationsbarriere und Koppler? EineIsolationsbarriere – auch als galvanische Trennung bezeichnet – verhindert, dass unerwünschte Ströme zwischen Stromkreisen fließen.
Ein Koppler ist ein physikalisches Medium, das einerseits die zuverlässige Übertragung von elektrischen Signalen oder Daten und/oder elektrischer Energie zwischen zwei durch eine Isolationsbarriere getrennte Stromkreisen ermöglicht, andererseits aber das Fließen unerwünschter Ströme unterbindet. Integrierte Koppler weisen mehrere entscheidende Eigenschaften auf:
Da immer mehr Bauelemente in IC-Gehäuse integriert werden und auf diese Weise diskrete Kondensatoren und Übertrager ersetzen, kommen verschiedene Konzepte zur Anwendung:
Kapazitive und induktive digitale Koppler werden häufig mit Stufen zur Aufbereitung der Daten und/oder zur Stromversorgung kombiniert. Die im digitalen Koppler integrierte Datenaufbereitung minimiert das Risiko, dass Spannungsspitzen als Daten interpretiert werden. Dies wiederum hilft dem digitalen Koppler dabei, die Signale zu schützen und einen reibungslosen Betrieb der Anlagen zu gewährleisten. Die integrierte Stromversorgung wiederum sorgt für einen hohen Wirkungsgrad bei der Leistungsübertragung.
Eine Isolationsbarriere lässt sich ebenfalls realisieren, indem zwei Systeme elektrisch und auch mechanisch getrennt implementiert werden und die Kommunikation zwischen beiden entweder optisch oder mithilfe elektromagnetischer Wellen erfolgt.
Es gibt keine Technik zur Signalübertragung über Isolationsbarrieren, die allen Anforderungen gerecht werden kann. In vielen Fällen verlangen industrielle Anwendungen nach integrierten Bauteilen mit integrierter Isolationsbarriere, Verstärkern, digitalen Kanälen mit hoher Datenrate, beispielsweise für RS-485-Signale, Gate-Treibern usw. Je intensiver Menschen und Maschinen zusammenarbeiten, umso mehr schaffen digitale Koppler mit Isolationsbarrieren für hohe Spannungen die Voraussetzungen dafür, dass die Systeme robust und zuverlässig arbeiten können.
Literatur
[1] Isolation Solutions – High voltage isolation for robust and reliable system operation. Texas Instruments, www.ti.com/isolation/overview.html
[2] ISOW7821 High-Efficiency, Low-Emissions, Reinforced Digital Isolator With Integrated Power. Texas Instruments, www.ti.com/product/isow7821
Dr. Ahmad Bahai
ist Cheftechnologe im Vorstand von Texas Instruments sowie Direktor von TI Corporate Research, Kilby Labs, beratender Professor an der Stanford University und IEEE Fellow. Er leitete zuvor als CTO bei National Semiconductor die Forschungslabors. Bis 1997 war Dr. Bahai bei den Bell Laboratories als technischer Leiter der Forschungsgruppe für Kommunikationstechnik und Signalverarbeitung zuständig und war Professor auf Zeit an der University of California, Berkeley. Später gründete er die Firma Algorex, ein IC-Entwicklungsunternehmen spezialisiert auf Kommunikationstechnik und Akustik, das von National Semiconductor gekauft wurde. Dr. Bahai ist Miterfinder der Multiträger-Modulation mit Frequenzspreizung, die in vielen modernen Kommunikationssystemen, wie 4G-Mobilfunk und Power-Line verwendet wird. Er verfasste 1999 das erste Lehrbuch zum Orthogonalen Frequenzmultiplexverfahren (OFDM), arbeitete fünf Jahre als Redakteur für IEEE-Zeitschriften und engagierte sich bis 2011 im technischen Lenkungsausschuss der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC).
Dr. Bahai hat mehr als 80 IEEE-/IEE-Publikationen veröffentlicht und hält 38 Patente. Seinem Elektrotechnikstudium (Master of Science) am Imperial College, University of London, folgte die Promotion (Ph.D.), ebenfalls in Elektrotechnik, durch die University of California in Berkeley.