Galvanische Isolatoren Digitalisolatoren als zuverlässige Alternative zu Optokopplern

Autor / Redakteur: David Krakauer * / Kristin Rinortner

Bei Digitalisolatoren ist ein bereits kompliziertes Puzzle von Sicherheitsstandards zur Isolation noch schwieriger geworden. Denn nicht alle dieser Standards adressieren die Anforderungen.

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Digitale Isolatoren: Im Vergleich zu Optokopplern ermöglichen sie kleinere, energieeffizientere und kosteneffektivere Schaltungen.
Digitale Isolatoren: Im Vergleich zu Optokopplern ermöglichen sie kleinere, energieeffizientere und kosteneffektivere Schaltungen.
(Bild: ADI)

Normalerweise integrieren Entwickler eine galvanische Trennung nicht in ihre Systeme, weil sie es wollen, sondern weil sie Sicherheitsvorschriften im In- und Ausland erfüllen müssen. Zudem verursacht eine Isolation im Datenpfad Laufzeitverzögerungen und eine höhere Leistungsaufnahme, größere Abmessungen sowie Kosten. Eine neue Art galvanischer Isolatoren, die Digitalisolatoren, sind inzwischen auf dem Markt und verringern die oben aufgeführten Einschränkungen von Optokopplern. Sie ermöglichen kleinere, energieeffizientere und kosteneffektivere Designs. Sicherheitsstandards haben mit dieser Entwicklung jedoch nicht Schritt gehalten. Dies sorgt für Verwirrung und Unsicherheit darüber, ob Digitalisolatoren den geltenden Sicherheitsvorschriften entsprechen.

Die Antwort lautet ja. Digitalisolatoren bieten die gleiche Sicherheit, wie sie nationale und internationale Standards verlangen. Allerdings werden Digitalisolatoren im Vergleich zu Optokopplern auf andere Weise entwickelt und gefertigt. Dabei bieten nicht alle Digitalisolator-Technologien und Implementierungen das gleiche Maß an Sicherheit.

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Zu berücksichtigen sind vier Hauptisolatorelemente:

  • Isolationsmaterial,
  • Isolationselement,
  • Datenübertragungsarchitektur und
  • Gehäuse.

Für jedes Element gibt es verschiedene Optionen. Die resultierende Kombination definiert die Fähigkeiten eines Isolators. Wir konzentrieren uns hier auf das Isolationsmaterial als wichtiges Unterscheidungsmerkmal für die Sicherheit. Bei Optokopplern kommt eine Reihe von Polymeren inklusive Epoxid-Gießharz für das Gehäuse zum Einsatz. Bei Digitalisolatoren wird ein ähnliches Polymer- oder Polyimid-Material, aber auch Siliziumdioxid verwendet. Je nach Werkstoff und Herstellungsprozess lassen sich unterschiedliche Lebensdauern bei der Isolation erzielen. Auch die Fähigkeit, hohe Spannungsspitzen zu verkraften, hängt vom verwendeten Werkstoff und dem Fertigungsprozess ab.

Die Komplexität von Standards bei Isolationsanforderungen

System-Level Standards adressieren Unterschiede zwischen Umgebungsbedingungen und Systemnutzung. Die Anforderungen an Haushaltsgeräte zum Beispiel unterscheiden sich von den Forderungen, die Patientenüberwachungssysteme für Krankenhäuser oder Motorantriebe in Fabriken erfüllen müssen. Sie adressieren häufig eine Isolationssicherheit, bei der Standards auf Komponentenebene festgelegt werden, speziell für galvanische Isolatoren. Es gibt drei solcher Standards:

  • IEC 60747: Halbleiterbauteile – Teil 1: Allgemeines,
  • UL 1577: Standard für optische Isolatoren,
  • VDE 0884-10: Halbleiterbauteile – Magnetische und kapazitive Koppler für sichere Isolation.

Während jeder der Standards ein ähnliches Ziel verfolgt, nämlich die Sicherstellung der Sicherheit von Anwender, Betreiber und Gerät, nutzen alle Standards ein unterschiedliches Konzept. IEC 60747 enthält Unterschiede zwischen Isolationsklassen (z.B. „Basis“ gegenüber „verstärkte“ Isolation). UL 1577 hingegen unterstreicht die Fähigkeit von Isolatoren, bestimmte Spannungspegel über eine definierte Zeitdauer zu verkraften – normalerweise eine Minute. Es ist gängige Praxis für Systementwickler, sich auf die Zertifizierung von mehr als nur einem dieser Standards auf Komponentenebene zu verlassen, um alle möglichen Einsatzzwecke abzudecken.

Das Aufkommen von Digitalisolatoren hat die Dinge kompliziert gemacht. Denn viele dieser Standards wurden zu einer Zeit entwickelt, zu der Designer mit Optokopplern vorlieb nehmen mussten.

Diese treffen nicht unbedingt komplett auch auf Digitalisolatoren zu. Im Falle einer zertifizierten Arbeitsspannung, die dauerhaft an einer Isolationsstrecke anliegt, erwartet man, dass ein Isolator diese Spannung über seine gesamte Lebensdauer verkraften sollte.

IEC 60747 verlangt in der Produktion einen Test mit teilweiser Entladung (Partial Discharge Test), um die Optokoppler-Arbeitsspannung zu prüfen. Diese Methode korreliert gut mit den erreichbaren Optokoppler-Arbeitsspannungen. Bei der Herstellung wird ein Spritzgussverfahren verwendet, das Hohlräume im Kunststoff erzeugen kann. In diesen Hohlräumen können unter Spannung höhere elektrische Felder entstehen, was zur Herabsetzung der Isolationsspannung durch Teilentladungen führen kann. Mit dem „Partial Discharge Test” bei hohen Spannungen lassen sich Hohlräume in Bauteilen aufspüren. Diese können dann aus der Produktion genommen werden, um später mögliche Ausfälle im Feld zu vermeiden.

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