EP Basics Galvanische Isolation: Wie funktionieren Optokoppler und Digitalisolatoren?

Autor / Redakteur: Gina Hann * / Kristin Rinortner

In den letzten Jahrzehnten wurden bei der Isolation elektronischer Baugruppen die bisher üblichen Optokoppler zunehmend durch Bausteine auf Basis des Halbleiters Silizium verdrängt. In diesem Analogtipp zeigen wir Ihnen, wie sich beide Lösungen unterscheiden.

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Analogtipp: Bei der galvanischen Isolation elektronischer Bausteine verwendet man Optokoppler und Bausteine auf Basis von Silizium. Wir zeigen, wie sich die Lösungen unterscheiden.
Analogtipp: Bei der galvanischen Isolation elektronischer Bausteine verwendet man Optokoppler und Bausteine auf Basis von Silizium. Wir zeigen, wie sich die Lösungen unterscheiden.
(Bild: VCG)

Wenn Elektronik in Kontakt mit Menschen oder hohen Spannungen kommen kann, ist eine galvanische Isolation notwendig. Die Kommunikation zwischen zwei Schaltungen muss dann über die Isolationsbarriere hinweg erfolgen, die einen direkten Stromfluss zwischen den Schaltungen ausschließt.

Hier unterscheidet man zwischen dem klassischen Optokoppler und Digitalisolatoren. In letzter Zeit verdrängen Silizium-Bausteine, sogenannte Digitalisolatoren, zunehmend den Optokoppler. Wie unterscheiden sich beide Lösungen eigentlich?

Wie arbeiten klassische Optokoppler?

Bei einem Optokoppler erfolgt die Signalübertragung auf optischem Weg: eine LED sendet Licht aus, das von einem Photodetektor empfangen wird. Beide Bauteile sind mitsamt dem Ausgangstreiber in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, das gleichzeitig für die gewünschte Isolation zwischen Ein- und Ausgang sorgt (Bild 1).

Bild 1: Anschlussbelegung eines Optokopplers.
Bild 1: Anschlussbelegung eines Optokopplers.
(Bild: Texas Instruments)

Die Isolationswirkung eines Optokopplers hängt von der LED, dem isolie­renden, gleichzeitig aber transparenten Gehäusematerial zwischen Ein- und Ausgang sowie der Dicke des Isolationswerkstoffs ab. Dieses Material spielt somit eine entscheidende Rolle für die Lebensdauer, die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit eines Optokopplers.

Normungsinstanzen wie UL oder VDE setzen die Kenndaten von Optokopplern, beispielsweise die Isolationsstrecke, fest. Sie schreiben Teilentladungsprüfungen vor, mit denen Defekte im Gehäuse festgestellt werden, die die Isolationswirkung bei Belastung verringern können.

Die Langzeit-Leistungsfähigkeit und -Zuverlässigkeit von Optokopplern kann stark variieren, da in den entsprechenden Standards früher keine Daten zur Langzeit-Zu­verlässigkeit oder zur Beständigkeit gegen lang anhaltende hohe Spannungen erfasst wurden.

Wie funktionieren Digitalisolatoren?

Digitalisolatoren basieren auf der Silizium-CMOS-Technik und bestehen aus zwei separaten IC-Chips – einer Eingangs- und einer Ausgangs-Schaltung. Beide sind durch Bonddrähte miteinander verbunden, um die Datenübertragung zu ermöglichen (Bild 2).

Bild 2: Querschnitt durch einen Digitalisolator.
Bild 2: Querschnitt durch einen Digitalisolator.
(Bild: Texas Instrumets)

Die Ein- und Ausgangsseiten eines Digitalisolators benötigen separate Versorgungsspannungs- und Masseanschlüsse, damit die Isolation zwischen beiden Seiten gewahrt bleibt. Für die Kommunikation innerhalb eines Digitalisolators wird ein TTL- oder CMOS-Logiksignal an den digitalen Eingang gelegt.

Dieses wird anschließend in eine Frequenz umgewandelt und über eine hochspannungsfeste kapazitive Barriere und sowie den verbindenden Bonddraht an den empfängerseitigen IC übertragen.

Als Isolator fungiert eine einfache oder doppelte Siliziumdioxid-Schicht (SiO2), die werkstoffbedingt sehr hohen Spannungen widersteht. Die Isolationsbarriere weist somit eine hohe Durchschlagsfestigkeit auf und wird in einer genau gesteuerten Wafer-Fabrik hergestellt, weshalb Streuungen bei den einzelnen Chips höchst unwahrscheinlich sind.

Die Isolationseigenschaften werden deshalb vorrangig durch die Isolationstechnik und das Design bestimmt. In einem einzigen Gehäuse bietet dieser Herstellungsprozess Zuverlässigkeit, Stoßfestigkeit und eine verstärkte Isolation, die einer zweifachen Basisisolation entspricht.

Die Isolationswerte von CMOS-Digitalisolatoren werden durch eine Reihe von Hochspannungsprüfungen ermittelt, die von den einschlägigen Normungsinstituten festgelegt wurden. Aufgrund der dabei vorgenommenen zusätzlichen Prüfungen zur Ermittlung der Hochspannungsfestigkeit und Zuverlässigkeit können auch Daten zur Langzeit-Zuverlässigkeit publiziert werden.

* Gina Hann arbeitet als Produktmarketing-Ingenieur in der Gruppe Isolationsprodukte bei Texas Instruments in Southlake / USA.

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