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Galvanische Trannung

Besser isoliert ohne Optokoppler

12. Mai 2021, 09:30 Uhr   |  Koteshwar Rao, Texas Instrruments

Besser isoliert ohne Optokoppler
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Optokoppler gehörten zu den ersten halbleiterbasierten galvanischen Isolatoren, und sie haben die Branche über Jahrzehnte hinweg als exklusive Isolationstechnologie dominiert. Doch mittlerweile gibt es bessere Lösungen.

Eine galvanische Isolation dient dazu, unerwünschte Gleich- oder Wechselströme zu unterbinden oder zu verhindern, dass Ströme zwischen verschiedenen Abschnitten eines Systems fließen, während es gleichzeitig möglich sein muss, Signale und/oder Versorgungsströme zwischen diesen Systemabschnitten zu übertragen. Solche Komponenten kommen in großem Umfang in vielen Industrie- und Automobilanwendungen zum Einsatz, um Daten-, Steuerungs- oder Statussignalen zu isolieren.

Texas Instruments, Isolator
© Texas Instruments

und eines Digitalisolators von Texas Instruments (rechts).

Texas Instruments, Isolator, Optocoupler
© Texas Instruments

Bild 1: Aufbau eines typischen Optokopplers (links)

Optokoppler waren zwar die ersten halbleiterbasierten Isolatoren, aber im Zuge des Fortschritts im Halbleiterbereich in den letzten Jahrzehnten gibt es inzwischen viele weitere Isolationstechnologien. Darunter fallen die kapazitive und die magnetische Isolation, die einen ähnlichen Funktionsumfang bieten wie Optokoppler, aber insgesamt leistungsfähiger sind. Unter den verschiedenen konkurrierenden Technologien zeichnet sich die auf Siliziumdioxid-Kondensatoren (SiO2) basierende Isolationstechnologie von Texas Instruments (TI) durch eine große Spannungsfestigkeit, die elektrischen Kenndaten, die Schalteigenschaften und die Zuverlässigkeit aus. Im Folgenden wollen wir daher deren Performance-Parameter mit denen von einigen der üblicherweise angebotenen Optokoppler vergleichen.

Auch wenn sich kapazitive Digitalisolatoren und Optokoppler äußerlich ähneln, sind sie von ihrem inneren Aufbau und ihrem Funktionsprinzip doch sehr unterschiedlich. In Optokopplern dient eine LED zur Übertragung digitaler oder analoger Informationen über die Isolationsbarriere. Diese besteht oftmals nur aus einem Luftspalt, jedoch wird in einigen Optokopplern statt Luft ein durchsichtiges Epoxidharz als Isolationsmaterial verwendet, das eine geringfügig bessere Durchschlagsfestigkeit aufweist als Luft (Bild 1a). Im Gegensatz dazu sind kapazitive Digitalisolatoren aus zwei in Serie geschalteten Isolationskondensatoren mit SiO2 als Dielektrikum zusammengesetzt (Bild 1b). Siliziumdioxid weist eine der höchsten Durchschlagfestigkeiten aller Isolierwerkstoffe auf und besitzt eine deutlich höhere Festigkeit als die Dielektrika, die bei konkurrierenden Isolationstechnologien zum Einsatz kommen (Tabelle 1).

Werkstoff Durchschlagfestigkeit
Luft ~1 V/µm
Epoxidharze ~20 V/µm
Silica-gefüllte Gehäusematerialien ~100 V/µm
Polyimid ~300 V/µm
SiO2 ~500 V/µm

 

Tabelle 1: Durchschlagsfestigkeit verschiedener Isolationswerkstoffe.

Da die Durchschlagsfestigkeit von Luft und Epoxidharz also sehr gering ist, wird für die Isolationsstrecke recht viel Platz benötigt. Dies begrenzt zwangsläufig auch die Zahl der Kanäle, die sich in einem Optokoppler maximal unterbringen lassen. Bei Digitalisolatoren kommt dagegen SiO2 als Isolationswerkstoff zur Anwendung, das wegen der deutlich höheren Durchschlagsfestigkeit erheblich weniger Platz für die Isolationsstrecke erfordert. Dadurch lassen sich mehrere Kanäle in einem kleinen Gehäuse unterzubringen. Typische Einkanal-Optokoppler werden normalerweise in 3,7 mm × 4,55 mm großen Gehäusen angeboten, während der ISO7762, ein moderner Digitalisolator von TI, in einem 4 mm × 5 mm messenden SSOP-Gehäuse sechs Hochleistungs-Kanäle bereithält.

Texas Instruments, Isolator, Optocoupler
© Texas Instruments

Bild 2: Gegenüberstellung des Platzbedarfs von Optokopplern und den Digitalisolatoren der Typen ISO6741 und ISO7762 von Texas Instruments.

Bild 2 vergleicht den Platzbedarf von acht einkanaligen Optokopplern und vier zweikanaligen Optokopplern mit zwei Digitalisolatoren des Typs ISO6741 zur Realisierung einer achtkanaligen Lösung. Dargestellt ist außerdem der sechskanalige Digitalisolator ISO7762, der es mit seinem Wide-Body-SOIC16-Gehäuse auf die höchste Kanaldichte bringt.

Schalteigenschaften

Damit die galvanisch isolierten Signale zeitgerecht verarbeitet werden können, kommt es entscheidend darauf an, dass der Isolator optimale Schalteigenschaften aufweist. Dies minimiert seine Auswirkungen auf die Timing-Performance des Gesamtsystems.

Bei Universaloptokopplern finden sich im Datenblatt normalerweise keine Angaben über die unterstützte Datenrate. Dadurch lässt sich schwierig beurteilen, ob sie für eine bestimmte Anwendung geeignet sind. Die meisten dieser Optokoppler besitzen außerdem einen offenen Kollektorausgang, weshalb sie nur für einige wenige ausgewählte Werte für Pull-up- und Lastwiderstände charakterisiert sind. Im Fall des ISO6741 dagegen ist die maximal unterstützte Datenrate im Datenblatt klar mit 50 Mb/s angegeben, sodass Entwickler eindeutig bestimmen können, ob er für einen bestimmten Anwendungsfall tauglich ist. Anders als Optokoppler benötigen Digitalisolatoren für den Betrieb keine externen Pull-up-Widerstände, und außerdem beeinflussen externe Bauelementen die maximale Datenrate nicht sehr stark.

In Tabelle 2 werden die Timing-Spezifikationen eines Universal-Optokopplers mit jenen zweier Digitalisolatoren von TI verglichen. Enthalten sind außerdem Schätzwerte für die asynchronen und synchronen Datenraten, die sich mit den im Datenblatt angegebenen Timing-Spezifikationen erreichen lassen. Es ist klar ersichtlich, dass die mit einem Universal-Optokoppler erzielbare Datenrate deutlich geringer ist als jene, die mit Digitalisolatoren möglich ist. Es ist außerdem wichtig darauf hinzuweisen, dass wegen der Pull-up-Widerstände RL (100 Ω bzw. 1,9 kΩ) die Optokoppler wesentlich mehr Strom aufnehmen als Digitalisolatoren. Dies macht Optokoppler für viele Anwendungen ungeeignet.

Baustein Universal-Optokoppler ISO7741 ISO6741
Parameter RL = 100 Ω RL = 1,9 kΩ VCC = 5 V VCC = 5 V
Eingangs-Vorwärtsstrom ICC1 pro Kanal (typ., mA) 2,0 16,0 2,2 1,8
On-State-Kollektorstrom ICC2 pro Kanal (typ., mA) 50,0 2,6 4,5 3,2
Anstiegszeit, tr (typ., µs) 2,0 0,8* 0,002 0,005
Abfallzeit, tf (typ., µs) 3,0 35,0* 0,002 0,005
Einschaltzeit / Signallaufzeit, tpHL (typ., µs) 3,0 0,5 0,011 0,011
Abschaltzeit / Signallaufzeit, tpLH (typ., µs) 3,0 40,0 0,011 0,011
Signallaufzeit-Versatz, tsk (max., ns) - - 0,004 0,006
Max. asynchrone Datenrate ((T = max(tr, tf) × 2/0,6 + tsk), typ., Mb/s) 0,1 0,008 80,6 47,6
Max. synchrone Datenrate ((T = max(tpHL, tpLH) × 4), typ., Mb/s) 0,028 0,006 23,4 22,7

 

Tabelle 2: Timing-Spezifikationen eines Universal-Optokopplers und von TI-Digitalisolatoren (* Schätzwerte).

High-Speed-Optokoppler weisen bessere Schalteigenschaften auf als Universal-Optokoppler. Tabelle 3 vergleicht einen typischen High-Speed-Optokoppler mit TI-Digitalisolatoren, wobei die asynchronen und synchronen Datenraten der Bausteine anhand der Timing-Spezifikationen in den jeweiligen Datenblättern geschätzt wurden. Wie der Tabelle zu entnehmen ist, unterstützen Digitalisolatoren aber deutlich höhere Datenraten als der High-Speed-Optokoppler.

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1. Besser isoliert ohne Optokoppler
2. Lebensdauer und Zuverlässigkeit

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