Signalkoppler
Vorteile der galvanischen Trennung in Motorwechselrichtern ausschöpfen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Mit hoher Datenrate über die Isolationsbarriere
Standard-Optokoppler haben eine Laufzeitverzögerung im Bereich einiger Mikrosekunden. Sie kann erheblich von Bauteil zu Bauteil und abhängig von der Temperatur und dem Alter variieren. Die Schnelligkeit von Optokopplern lässt sich mit einigen Kompromissen erhöhen. Optokoppler senden Licht von einer LED durch ein lichtdurchlässiges, isolierendes Material zu einer Fotodiode auf der gegenüberliegenden Seite (Bild 2).
Die Schnelligkeit eines Optokopplers hängt direkt von der Schnelligkeit der Fotodiode ab, insbesondere von der Zeit, die zum Aufladen der Diodenkapazität benötigt wird. Eine Möglichkeit, die Verzögerungszeit zu verkürzen, besteht darin, die Menge des übertragenen Lichtes zu erhöhen. Mit dieser Methode kann die Verzögerung um den Faktor 2 oder 3 verkürzt werden. Allerdings steigt mit der LED-Stromstärke auch die Leistungsaufnahme des Optokopplers auf bis zu 50 mW/Datenkanal.
Eine andere Möglichkeit, die Schnelligkeit eines Optokopplers zu erhöhen, besteht darin, das Licht bei der Übertragung weniger zu dämpfen, indem der Abstand zwischen LED und Fotodiode verkleinert wird. Um bei der verkleinerten Distanz die gleiche Isolationsfestigkeit zu erhalten, ist eine zusätzliche Lage an Isoliermaterial erforderlich. Dies jedoch erhöht die Kosten. Schnelle -Optokoppler sind um ein Vielfaches teurer als Standard-Optokoppler.
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Im Gegensatz dazu basieren digitale Isolatoren auf schnellen Standard-CMOS-Schaltungen und isolierten Mikrotransformatoren auf einem Chip (Bild 3). Die Übertragungsgeschwindigkeit digitaler Isolatoren ist vom Prinzip her wesentlich höher als die von Optokopplern. Die Eigenschaften der Schaltkreise und die Bauweise der digitalen Isolatoren ermöglichen hohe Geschwindigkeit ohne komplexe und teure Isolationsmaterialien.
Die auf dem Chip platzierten Transformatoren können Daten mit bis zu 150 Mbit/s übertragen und erreichen Verzögerungszeiten von nur 32 ns. Die Leistungsaufnahme liegt für Taktfrequenzen von 25 kHz oder höher unter 5 mW. Ein weiterer Vorteil der höheren Schnelligkeit ist, dass die Verzögerungszeiten einzelner Kanäle um weniger als 5 ns abweichen. Dies ist mehr als eine Größenordnung besser als bei Standard-Optokopplern und immerhin drei- bis viermal besser als bei den schnellsten Optokopplern - zu etwa dem halben Preis pro Kanal.
Isolation = Barriere für Störsignale
In einer Motorsteuerung bietet die galvanische Trennung eine Möglichkeit, Störquellen zu separieren, indem die Störsignale von der Leistungsstufe galvanisch von der Steuerschaltung getrennt werden. Aus Sicherheitsgründen ist es nötig, den Gleichspannungszwischenkreis und die mit dem Netz verbundenen Teile vom Gehäuse zu isolieren, um sowohl Menschen wie auch andere Geräte zu schützen. Für die Funktion ist auch eine Isolation zwischen den oberen und unteren Leistungstransistoren und dem Steuerschaltkreis erforderlich. Die zur Signalübertragung über die Isolationsbarriere hinweg eingesetzten Komponenten müssen einerseits für die erforderliche Isolation sorgen und andererseits unempfindlich gegenüber Störsignalen sein.
Die Fähigkeit eines Kopplers, schnelle Störsignale zwischen zwei isolierten Stromkreisen zu trennen, wird normalerweise als Robustheit gegenüber schnellen Gleichtaktstörungen (CMTI, Common-Mode Transient Immunity) bezeichnet. Die CMTI ist ein Maß, welches aussagt, wie gut Störspannungen über die Isolationsbarriere unterdrückt werden, ohne die Datenübertragung zu beeinträchtigen. Sie wird in kV/µs angegeben.
Den Pfad, über den transiente Störspannungen die Isolationsbarriere überwinden, bilden normalerweise parasitäre Kapazitäten im Innern des Kopplers. Optokoppler haben typischerweise ein relativ niedriges CMTI von 15 kV/µs. Auf ähnliche CMTI-Werte kommen einige moderne digitale Isolatoren mit kapazitiver Kopplung. Sie haben den Nachteil, dass für die Daten der gleiche Pfad genutzt wird, über den auch die Gleichtaktstörsignale übertragen werden. Dagegen nutzen auf Transformatoren basierende Koppler, wie die iCoupler-Digitalisolatoren von Analog Devices, für die Signalübertragung einen separaten, vom Störsignalpfad getrennten Pfad und erreichen CMTI-Werte von 50 kV/µs oder höher.
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- Mit hoher Datenrate über die Isolationsbarriere
- Isolationsmaterial und Zuverlässigkeit
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