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Isolation Wie man die Leistungsfähigkeit von Motorsteuerungen steigern kann

| Autor / Redakteur: Dara O’Sullivan und Maurice Moroney * / Kristin Rinortner

Transformator-basierte Konzepte bieten gegenüber Optokopplern Vorteile bei Leistung, Geschwindigkeit und Stabilität und Vorzüge bei der System-Leistungsfähigkeit und Funktionssicherheit.

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Isolation von Motorsteuerungen: Optokoppler sind etabliert, aber digitale Isolatoren bieten eine Reihe von Vorteilen
Isolation von Motorsteuerungen: Optokoppler sind etabliert, aber digitale Isolatoren bieten eine Reihe von Vorteilen
(Bild: Analog Devices)

Die galvanische Trennung, also der Schutz von Anwendern und empfindlicher Elektronik, spielt bei Motorsteuerungssystemen seit je her eine wesentliche Rolle. Eine sichere Isolation schützt Anwender vor gefährlichen Spannungen, während die funktionale Isolation die Beschädigung von Geräten und Komponenten verhindert.

Motorsteuerungssysteme können eine Vielzahl isolierter Komponenten enthalten. Zum Beispiel in Antriebsschaltkreisen (isolierte Gate-Treiber), in Messschaltkreisen (isolierte A/D-Wandler, Verstärker, Sensoren) oder in Kommunikationsschaltkreisen (isolierte SPIs, RS-485-Schnittstellen, Standard-Digitalisolatoren). Eine sorgfältige Auswahl dieser Bauteile ist entscheidend. Nicht nur aus Sicherheitsgründen sondern auch zur Optimierung der Leistungsfähigkeit.

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Isolation ist zwar ein wichtiger Systemgesichtspunkt, jedoch mit Nachteilen verbunden, wie zum Beispiel einer erhöhten Leistungsaufnahme, Verzögerungen bei der Übertragung von Daten über die Isolationsstrecke und zusätzliche Systemkosten. Systementwickler setzten traditionell auf Optokoppler-basierte Lösungen, die viele Jahre die De-Fakto-Wahl für Systemisolation waren. Digitalisolatoren auf der Basis von magnetischen Methoden (Übertragung über Transformatoren) stellten im vergangenen Jahrzehnt eine sinnvolle und oft überlegene Alternative dar. Beim Einsatz auf Systemebene können diese Lösungen Vorteile bieten, die Systementwicklern nicht immer bewusst sind.

Dieser Artikel betrachtet beide Isolationslösungen. Besonderes Augenmerk liegt auf der verbesserten Leistungsfähigkeit bei den Verzögerungszeiten magnetischer Lösungen und den Vorteilen auf Systemebene, die sich in Motorsteuerungen zeigen.

Kurzer Überblick zu Isolationsmethoden

Optokoppler nutzen Licht als Hauptübertragungsmethode (Bild 1). Die Übertragungsseite besteht aus einer LED, die bei High-Pegeln ein- und bei Low-Signalen ausschaltet. Auf der Empfangsseite wandelt ein Fotodetektor das empfangene Licht zurück in ein elektrisches Signal. Für die Isolation sorgt die Vergussmasse zwischen LED und Fotodetektor. Eine zusätzliche Isolationsschicht, normalerweise auf Polymer-Basis, ist für eine erhöhte Isolation möglich.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 13/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Einer der größten Nachteile beim Einsatz von Optokopplern ist, dass sich die Emissionseigenschaften von LEDs während ihres Alterungsprozesses ändern. So kommt es bei der Alterung von LEDs zur Drift über die Zeit und Temperatur. Dies beeinträchtigt die Signallaufzeit sowie die Signalanstiegs- und Abfallzeiten, was wiederum die Entwicklung erschwert.

Optokoppler sind auch in Hinblick auf eine skalierbare Leistungsfähigkeit nicht ideal. Um die Datenraten zu erhöhen müssen die Auswirkungen von parasitären Kapazitäten, die in Optokopplern grundsätzlich vorhanden sind, eliminiert werden. Dies erfordert eine höhere Leistung. Die parasitäre Kapazität bewirkt ferner eine Einkopplung, die eine niedrigere CMTI (Common Mode Transient Immunity, Immunität gegenüber Transienten aus dem Gleichtaktbereich) verursacht.

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