Digitale Koppler
Isolation in einer von Zusammenarbeit geprägten Welt
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.
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Koppler zur galvanischen Trennung
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:
- Die maximale Spannung, die ein Koppler für kurze Zeit (Stoßspannung) oder während des normalen Betriebs (Arbeitsspannung) verkraftet.
- Die maximale Änderungsrate der Massepotenzialdifferenz, die ein Koppler verkraftet, ohne einen Übertragungsfehler hervorzurufen.
- Die vom Koppler erzeugte Latenz, die direkte Entfernung (Luftstrecke) sowie die Oberflächendistanz (Kriechstrecke) zwischen zwei Anschlüssen mit unterschiedlichem Bezugspotenzial, zwischen Primär- und Sekundärseite.
- Das Ausmaß an elektromagnetischen Störsignalen.
Unterschiedliche Kopplerkonzepte
Da immer mehr Bauelemente in IC-Gehäuse integriert werden und auf diese Weise diskrete Kondensatoren und Übertrager ersetzen, kommen verschiedene Konzepte zur Anwendung:
- Kapazitiv: Integrierte Kondensatoren aus mehreren Siliziumoxidschichten, anstelle diskreter Kondensatoren, bieten eine hohe Isolationswirkung verbunden mit der Fähigkeit zur Übertragung von Daten über ein elektrisches Feld. Für kapazitive Koppler nutzt Texas Instruments zwei in Serie geschaltete Kondensatoren auf zwei Chips, die sich nebeneinander in ein und demselben Gehäuse befinden. Dieses Konzept ermöglicht es, einen wettbewerbsfähigen Koppler mit verstärkter Isolation anzubieten, der eine hohe Datenrate zulässt. Über einen kapazitiven Koppler lassen sich Datenraten von mehr als einigen hundert Mbit/s erzielen. Bei Verwendung bestimmter innovativer Schaltungen sind sogar noch höhere Datenraten möglich, was für Anwendungen wie etwa Industrial Ethernet interessant ist. TI nutzt für die Koppler die Vorteile einer speziell angepassten CMOS-Technik, um eine leistungsfähige verstärkte Isolationsbarriere zu realisieren.
- Induktiv: Ein Paar induktiv gekoppelter Spulen eignet sich zur Isolation zweier Schaltungen. Mithilfe des magnetischen Flusses können Daten zwischen den Spulen übertragen werden. Die beiden Induktivitäten können entweder in eine laminierte Leiterplatte eingebettet oder monolithisch in einen Chip integriert werden. Der spezifische Vorteil induktiver Koppler ist die Fähigkeit, über die Isolationsbarriere eine Leistung von mehr als einigen hundert mW zu übertragen, sodass in vielen Anwendungen keine zusätzliche Stromversorgung für die Sekundärseite benötigt wird. Die Möglichkeit Leistung mit hohem Wirkungsgrad über die Isolationsbarriere hinweg zu übertragen – zusätzlich zu den Daten – ist in vielen industriellen Anwendungen wichtig, um eine niedrige Stromaufnahme zu erzielen und einen Betrieb bei sehr hohen Umgebungstemperaturen zu ermöglichen. Die von TI angebotenen digitalen Koppler mit integrierter Stromversorgung (ISOW7821 [2]) erlauben dank innovativer Werkstoffe und Spulenkonstruktionen eine Leistungsübertragung mit hohem Wirkungsgrad.
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.
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