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Störungsfreie bipolare Spannung

Spannungsversorgung mit isolierten MicroModulen

25. Januar 2023, 9:59 Uhr | Von Timur Uludag

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Galvanisch isolierte Messsignalübertragung

Müssen elektrische Signale wie zum Beispiel Messwerte über eine weite Strecke übertragen werden, so können Störungen, die über Kopplungen durch parallel liegende Kabel entstehen, die Messwerte verfälschen.

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Abhilfe schafft, die Signale sowie die Versorgung galvanisch isoliert zu übertragen, da so eine Entkopplung durch galvanische Trennung und Symmetrierung (CM) gewährleistet werden kann.

Die Schaltung in Bild 6 ermöglicht es, Gleichspannung im Bereich von 0 V bis +4 V (DC) und eine gepulste Gleichspannung (Wechselspannung mit Offset) bis zu einer Frequenz von 5 kHz, eingeschränkt bis 10 kHz, galvanisch isoliert zu übertragen.
Die prinzipielle Beschreibung der Funktionsweise in Kurzform:

Signalübertragung
Die LED eines Optokopplers wird über einen Operationsverstärker vom zu übertragenden Signal angesteuert. Entscheidend für eine signalgetreue Übertragung ist der lineare Zusammenhang zwischen der Eingangsspannung und der LED-Leuchtstärke. Aus diesem Grund ist die LED im »linearen« Bereich ihrer Kennlinie zu betreiben. Außerhalb des linearen Bereichs ist eine signalgetreue Übertragung nicht zu gewährleisten. Der Fototransistor des Optokopplers empfängt das von der LED abgestrahlte Licht und steuert entsprechend der Leuchtstärke einen weiteren Operationsverstärker an (Bild 7).

Stromversorgung
Die Versorgungsspannung des Primärkreises wird direkt mit einem DC/DC-Wandler von einer externen Spannungsquelle (DC-Bus mit 12 V) zur Verfügung gestellt. Über einen zweiten DC/DC-Wandler, das FIMM-Modul, erfolgt dann entkoppelt die Versorgung des Sekundärkreises. Da die Versorgungsspannung des Primärkreises als Eingangsspannung für das FIMM-Modul zu hoch ist, wird die Bus-Spannung zunächst mit einem Power-Modul des Typs 171930601 reduziert.

Signalübertragung Primärseite
In Bild 7 ist die isolierte Signalübertragung von Primärseite und Sekundärseite dargestellt. Der Operationsverstärker U2 ist in diesem Fall in nicht invertierender Konfiguration geschaltet und es wurden zwei Gegenkopplungen realisiert:
➔ C5 für die Gegenkopplung im höheren kHz-Bereich. Dadurch werden Überschwinger und Rauschen reduziert.
➔ Q2 als Stromkompensation zum Ausgleich der Nichtlinearität des Optokopplers Q1. Die LEDs von Q1 und Q2 liegen in Serie, der Fototransistor von Q1 steuert den Ausgangskreis, der von Q2 die Stromgegenkopplung vom Primärkreis (U1A). Solange der Diodenstrom im unteren Bereich der Kennlinie bleibt, wird die Nichtlinearität des CTR über den Vorwärtsstrom IF der beiden Sendedioden zum Großteil ausgeglichen. In der Schaltung wird der Diodenstrom durch R6 (4,7 kΩ) begrenzt.

Signalübertragung Sekundärseite
Der Strom durch den Transistor des Optokopplers Q1 verläuft analog zur Eingangsspannung. Zusammen mit dem Widerstand R3 (4,7 kΩ) bildet die Kollektor-Emitter-Strecke einen Spannungsteiler, der zum einen den Strom durch den Transistor im leitenden Zustand und zum anderen den DC-Offset am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers U2A bestimmt.

Am Ausgang des als Impedanzwandler gegengekoppelten Operationsverstärkers ist durch ein Dioden-Pärchen und einen 220-Ω-Widerstand die Schaltung vor transienten Spannungen und Kurzschluss geschützt.

Die LED zeigt bei Gleichspannungs- und Wechselspannungssignalen am Eingang die relative Amplitude und Frequenz des Signals an.

Spannungsversorgung
Sekundärseitig wird der Operationsverstärker U2A über die galvanisch entkoppelte Spannung des FIMM-Moduls versorgt. Die +12-V-Versorgungsspannung wird über den oben erwähnten zweiten DC/DC-Wandler auf 5 V herabgesetzt und vom FIMM-Modul galvanisch isoliert. Durch die sehr kleine parasitäre Kapazität des FIMM-Moduls zwischen Eingang und Ausgang von typisch 8 pF ist es möglich, den Sekundärkreis der Schaltung vom Primärkreis zu »isolieren«. Somit werden sowohl Gleichtaktstörungen der Schaltung selbst als auch von angeschlossener Peripherie wie etwa Sensoren wirksam unterdrückt, beziehungsweise erst gar nicht erzeugt.
Messungen zum Übertragungsverhalten haben ergeben, dass das Ausgangssignal nur eine geringe Abweichung von der originalen Rechtecksignalform aufweist. Mit steigender Frequenz zeigt sich das zu übertragende Signal »verschliffen«, das heißt, die Harmonischen des Rechtecksignals fehlen, es ist eine Annäherung an eine Sinusform zu erkennen. Die Effekte, die hierfür zum Tragen kommen, sind auf die begrenzte Übertragungsbandbreite des Optokopplers zurückzuführen. Die Signalintegrität ist im Beispiel maßgeblich von der Linearität des Optokopplers über der Frequenz abhängig.

Filtereingang
Der mehrstufige Filter sorgt für eine Dämpfung über einen weiten Frequenzbereich vor leitungsgebundenen Störspannungen, aber auch dafür, dass die Ausgangsspannung nahezu frei von Ripple bzw. Restwelligkeit ist. Der Filter ist eine erweiterte Form des bereits besprochenen π-Filters.

Layoutempfehlung FIMM
Es ist darauf zu achten, dass das FIMM-Modul zwei voneinander getrennte Masseanschlüsse hat: Die Pins 1 und 2 für die Primärseite und die Pins 3 und 4 für die Sekundärseite. Layout-technisch muss dafür gesorgt werden, dass die Primär- und Sekundärseite kapazitiv voneinander entkoppelt sind. Detailliertere Information zum Layout sind im Datenblatt des FIMM [2] Im Abschnitt »DESIGN EXAMPLE« zu finden. Eine Layout-Empfehlung für ALTIUM kann im Online Katalog [2] in dem Bereich »DOWNLOADS« heruntergeladen werden.

Literatur

[1] RedExpert Filter-Designer: https://redexpert.we-online.com/we-redexpert/en/#/emifd-embedded/
[2] Datenblatt des FIMM Im Abschnitt „DESIGN EXAMPLE“: https://www. we-online.com/katalog/de/MAGIC-FIMM

Der Autor

Timur Uludag

erwarb seinen Abschluss als Dipl.-Ing. in Mechatronik an der Fachhochschule Regensburg, Deutschland. Anschließend arbeitete er mehrere Jahre als Hardware-Ingenieur auf den Gebieten Schaltnetzteile und analoges Schaltungsdesign. Seit 2015 ist Uludag als Senior Technical Marketing Manager bei der Würth Elektronik eiSos Gruppe in der Geschäftseinheit MagI³C Power Modules tätig. Dort ist er auf die Roadmap-Planung und Markteinführung neuer Leistungsmodule spezialisiert.