Galvanische Isolationslösungen für die industrielle Automatisierung

Isolationstypen

Man unterscheidet zwischen vier verschiedenen Typen der galvanischen Isolation: 
- Wenn die Isolation dazu dient, die fehlerfreie Funktion eines Systems zu gewährleisten, jedoch nicht notwendigerweise einen Schutz vor Stromschlag darstellt, spricht man von funktionaler Isolation. 
- Eine Isolation, die bei intakter Isolationsbarriere ausreichenden Schutz vor elektrischem Schlag gewährleistet, wird als Basisisolation bezeichnet. Im Bereich Digitalisolatoren bieten wir Geräte mit einem bis vier Kanälen und bis zu 3 kVrms Isolation an. 
- Geltende Sicherheitsbestimmungen erfordern bei Basisisolation den Einsatz einer zweiten redundanten Isolationsbarriere, sodass diese Zusatzbarriere bei Versagen der ersten Barriere ausreichenden Stromschlagschutz gewährleistet. Dies ist die so genannte Doppelisolation. 
- Im Sinne einer möglichst kompakten und kostengünstigen Auslegung von Systemen ist eine einzige Isolationsstufe wünschenswert, die die erforderliche elektrische Festigkeit und den Stromschlagschutz beider Stufen einer Basisisolation bietet. Hierbei handelt es sich um die so genannte verstärkte Isolation. Unser Produktangebot in diesem Bereich umfasst Isolatoren mit zwei und vier Kanälen, Datenraten bis 100 Mbit/s und Isolationswerten bis 5,7 kVrms – den höchsten der Branche.

Das Verständnis dieser Definitionen und ihrer Bedeutung für die praktische Anwendung ermöglicht die Auswahl der passenden Isolatoren für Ihr System. Isolationstypen und die mit ihnen verknüpften Testmethoden werden ausführlich im von TI herausgegebenen Artikel „High-voltage reinforced isolation: Definitions and test methodologies“ (Verstärkte Isolation im Hochspannungsbereich: Definitionen und Testmethoden) besprochen.

Wichtige Parameter der Isolation

Die Hochspannungsisolationsleistung von Isolatoren wird durch verschiedene Parameter bestimmt. Die wichtigsten dieser Parameter sind: 
- Die maximale Impulsisolationsspannung (VIOTM) und die Isolationsstehspannung (VISO) geben die Festigkeit des Isolators gegenüber hohen Spannungen während eines Zeitraums von 60 Sekunden an.
- Die maximale Arbeitsspannung (VIORM) und die Arbeitsspannung (VIOWM) bezeichnen die Spannungswerte, denen der Isolator kontinuierlich ausgesetzt werden kann.
- Die maximale Isolationsstoßspannung (VIOSM) steht für die max. Impulsspannung (Wellenform mit 1,2-μs Ladezeit und 50-μs Entladezeit) des Isolators.
- Luft- und Kriechstrecke: An der Gehäuseoberfläche sowie in Luftlinie gemessener Abstand zwischen den Pins auf beiden Seiten des Isolators. Auf Systemebene geltende Normen erfordern bestimmte Mindestwerte dieser Parameter in Bezug auf Arbeitsspannung, maximale Überspannung und Stoßspannung.
- Der Comparative Tracking Index (CTI) gibt an, in welchem Maß das Gehäuseverbundmaterial konstant hoher Spannung widersteht, ohne dass eine Degradation der Gehäuseoberfläche eintritt. Ein höherer CTI-Wert bedeutet, dass bei gleich bleibender Arbeitsspannung kleinere Gehäuse verwendet werden können.

Datenblätter von Isolatoren beinhalten zahlreiche weitere Spezifikationen im Zusammenhang mit Timing, Leistungsaufnahme, Überspannungsfestigkeit usw. 

Übersicht kapazitive Isolation

Digitalisolatoren von TI arbeiten mit integrierten hochspannungsfesten Siliziumdioxid-(SiO2-)Kondensatoren als Isolationsbarriere. Der Isolator besteht aus einem Sender- und einem Empfänger-Chip, die durch Bonddrähte verbunden sind. Der Empfänger beinhaltet die Hochspannungs-Kondensatoren.

Abbildung 1: On-Off Keying-Architektur der TI ISO78xx-Digitalisolatorfamilie für verstärkte Isolation (Quelle: TI)

Abbildung 1 zeigt das Blockdiagramm eines Kanals eines digitalen kapazitiven Isolators (DCI). Die ISO78xx Familie arbeitet mit der innovativen On-Off Keying (OOK)-Architektur zur Übertragung des Signals über die siliziumdioxidbasierte Isolationsbarriere. Der eingehende digitale Bitstrom wird mithilfe eines integrierten Spreizspektrum-Oszillators moduliert, um ein OOK-Signal zu generieren. An einem Eingang findet die Übertragung einer Trägerfrequenz statt, am anderen Eingang erfolgt keine Übertragung. Die ISO78xx Geräte arbeiten mit innovativer Schaltungstechnologie, um die Common Mode Transient Immunity (CMTI)-Performance zu maximieren und die Emissionsausstrahlung aufgrund hoher Trägerfrequenzen sowie den Umfang der E/A-Pufferung zu minimieren. 

Abbildung 2: Beispiel eines Isolators mit 16-Pin-Gehäuse (Quelle: TI)

Abbildung 2 zeigt ein Pin-Diagramm eines typischen Digitalisolators. Er besteht aus zwei Spannungsversorgungen VCC1 und VCC2, zwei Masseanschlüssen GND1 und GND2 sowie Eingangs- und Ausgangspins an jeder Seite, die mit den entsprechenden Massepins verknüpft sind. Die Pins 1 bis 8 sind GND1 zugeordnet, die Pins 9 bis 16 GND2. Die Ausgangspins auf jeder Seite sind aktiviert, wenn ihr entsprechender ENx-Pin freigegeben oder offen ist. Anderenfalls befinden sich die Ausgänge im Hochimpedanzstatus.

Wir haben für Sie einen Designleitfaden zusammengestellt, damit Sie in so kurzer Zeit wie möglich damit beginnen können, das große TI-Portfolio an Digitalisolatoren und anderen Isolationsprodukten für die Systementwicklung zu nutzen. Unser Angebot umfasst unter anderem die ISO78xx-Familie mit 5,7-kVrms-Digitalisolatoren für verstärkte Isolation, die ISO73xx-Familie mit 3-kVrms-Digitalisolatoren und die ISO71xx-Familie mit 2,5-kVrms-Digitalisolatoren. 

Kapazitive vs. optische Isolation

Im Folgenden vergleichen wir die kapazitive Isolation mit der anderen wichtigen Technologie, der optischen Isolation, auf die bislang am häufigsten zurückgegriffen wird. 

Bei optischen Isolatoren oder Optokopplern erfolgt die Isolation durch Umwandlung digitaler Daten in Lichtsignale mithilfe von LEDs. Die Lichtsignale werden über einen geschlossenen optischen Kanal an einen Fototransistor oder eine Fotodiode übermittelt und dort wieder in elektrische Signale umgewandelt. Die Isolierung wird durch die physische Trennung von Sender und Empfänger sichergestellt.

Welche Vor- und Nachteile bieten optische und kapazitive Isolation? Vergleichen wir die beiden Technologien in einigen wichtigen Bereichen.

Vergleich Isolationsmethode

Kapazitive Isolatoren von TI mit SiO2-Kondensatoren als Dielektrikum bieten zwei Vorteile. Zum einen bestehen sie aus den robustesten Isolationsmaterialien mit den geringsten Alterungserscheinungen. Dies führt dazu, dass sie eine wesentlich höhere Lebenserwartung aufweisen als andere Isolatortechnologien. Zum anderen kann SiO2 mit standardmäßigen Halbleiter-Herstellungstechniken verarbeitet werden. Kapazitive Isolatoren sind entsprechend kostengünstig zu produzieren. 

Beim Optokoppler erfolgt die Isolation über das Gehäuse. LED und Optokoppler sind an einem geteilten Leadframe angebracht und durch einen Spalt von 80 bis 1000 Mikrometer sowie eine transparente Isolierschicht oder Silikon getrennt. Die Isolation wird durch eine Kombination aus physischer Trennung, einer Polyimid-Schicht, Silikonfüller und Kunststoff-Verbundmaterial erreicht. Nachteile dieser Hybridkonstruktion sind größeren Abweichungen zwischen den einzelnen Geräten, höhere Komplexität, höhere Kosten und geringere Zuverlässigkeit.

Zuverlässigkeitsvergleich

Bei Halbleiter-Herstellern und ihren Kunden haben Qualität und Zuverlässigkeit oberste Priorität. Mit hoch komplexen (und teuren) Design-, Qualifikations- und Testverfahren soll sichergestellt werden, dass kein fehlerhaftes Produkt in die Auslieferung gelangt und die in der Praxis eingesetzten Komponenten so zuverlässig arbeiten wie irgend möglich. Bei Fehlern im Betrieb erfolgen eine rigorose Fehleranalyse sowie die Aussonderung aller betroffenen Produkte. Anschließend werden Korrekturmaßnahmen umgesetzt, damit der gleiche Fehler nicht erneut auftritt.

Failure in Time (FIT/Ausfälle pro Zeit) – die Anzahl der innerhalb eines definierten Zeitraums aufgetretenen Ausfälle/Fehler – ist eine gängige Kennzahl bei Ingenieuren in den Bereich Qualitätssicherung und Zuverlässigkeitsoptimierung. Bei Halbleitern ist FIT in der Regel als Anzahl der Ausfälle innerhalb von 1 Mrd. Betriebsstunden (109 h) definiert. 

Empirische Daten zeigen einen Zusammenhang zwischen Fehlerquote und Temperatur- oder Spannungsanstieg. Beispiele: Bei 40 °C sind die Fehlerquoten 3-mal niedriger als bei 55 °C und 80-mal niedriger als bei 125 °C. Wird bei 40 °C die Spannung um 20 % abgesenkt, führt dies zu einer Reduzierung der Fehlerquote um das 8-Fache.

Bei Optokopplern liegt die Fehlerquote wesentlich höher als bei kapazitiven Isolatoren. Die folgende Tabelle zeigt den Vergleich der FIT-Werte eines TI-Digitalisolators und eines Optokopplers, der von einem renommierten Hersteller stammt.

Abbildung 3: Vergleich der FIT-Daten eines kapazitiven Isolators und eines Optokopplers bei 55 °C (Konfidenzintervall 60 %)

Zum Thema elektromagnetische Verträglichkeit 

Vor der Beschäftigung mit verschiedenen Praxisanwendungen soll es im Folgenden kurz um die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gehen.

Man könnte mit einigem Recht sagen, dass viele Experten in diesem Bereich EMV geradezu zu einer Art Magie verklären. Man baut intuitiv hier einen Kondensator ein, macht dort eine kleine Änderung am Layout, und wie von Zauberhand verschwinden alle Probleme – oder sie werden schlimmer. Nichtsdestotrotz ist ein Verständnis der relevanten EMV-Tests unerlässlich, um die Performance von Digitalisolatoren in der Praxisanwendung richtig einzuschätzen. 

Eine intensivere Beschäftigung mit dem Thema kann leicht zur Lebensaufgabe werden, aber keine Sorge: Wir haben ein umfassendes Whitepaper mit dem Titel „Understanding Electromagnetic Compliance Tests in Digital Isolators“ (Testverfahren zur elektromagnetischen Verträglichkeit von Digitalisolatoren) für Sie erstellt. Darin behandelt werden EMV-Grundlagenwissen, die relevanten Normen, typische Fallstricke und wie man sie umgeht sowie gängige Testszenarien.

Anwendungsfelder von galvanischen Isolatoren in der industriellen Automatisierung 

Isolatoren finden in zahlreichen industriellen Automatisierungstechnologien Anwendung. Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit drei Bereichen, in denen Isolationstechnologie eine Rolle spielt: analoge Datenerfassung, digitale Highspeed-Kommunikation und isolierte Spannungsversorgung.

Anwendungsbereich analoge Datenerfassung

In vielen industriellen Prozessen, z. B. Fernmessung oder Motorsteuerung, müssen schwache Analogsignale erfasst, verstärkt und digitalisiert werden – bei Vorliegen potenziell gefährlicher Spannungen. Analog-Digital-Wandler (A/D-W) sind die Technologie der Wahl für derartige Aufgaben. 

Es gibt viele verschiedene A/D-W-Architekturen wie sukzessive Approximation, Pipeline oder Integration. Bei Anwendungen mit geringerer Verarbeitungsgeschwindigkeit überzeugt die Delta-Sigma-Architektur durch hohe Auflösung und geringe Kosten. Sie ist damit ideal für zahlreiche industrielle Messanwendungen geeignet.

Der AMC1304 ist ein isolierter Delta-Sigma (ΔΣ)-Präzisionsmodulator mit integriertem LDO-Regler. Eingang und Ausgang sind durch eine kapazitive Doppelisolationsbarriere voneinander getrennt, die verstärkte Isolation bis 7000 VPEAK gemäß den Anforderungen von VDE V 0884-10, UL1577 und CSA gewährleistet. In Verbindung mit isolierten Spannungsversorgungen verhindert der Modulator, dass Rauschströme in einer Leitung mit hoher Gleichtaktspannung zur Erdung des lokalen Systems geleitet werden und dort Niederspannungssysteme stören oder beschädigen. 

Abbildung 4: Block-Funktionsdiagramm AMC1304 (Quelle: TI)

Die Frontend-Schaltung des AMC1304 umfasst einen Differenzverstärker, eine Sampling-Ebene, einen geschalteten Second Order-Kondensator sowie einen Feed-Forward ΔΣ-Modulator. Der AMC3104 erreicht 16 bit Auflösung bei einem Dynamikbereich von 81 dB (13,2 ENOB) und einer Datenrate von 78 kSPS. 

Anwendungsbereich digitale Highspeed-Kommunikation

Digitale Highspeed-Kommunikation ist ein unverzichtbarer Bestandteil industrieller Automatisierungskonzepte. In modernen vernetzten Fertigungsanlagen befinden sich unterschiedlichste Maschinen, Roboter, Sensoren, Aktuatoren und Ventile, die mithilfe von integrierten Mikrocontrollern, PCs und speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) gesteuert werden. Diese Geräte kommunizieren über ein Highspeed-Netzwerk mit Kabellängen von manchmal mehreren Kilometern. Die Ground Level an den Enden von 300 m langen Ethernet-Kabeln können sehr unterschiedlich ausfallen, insbesondere aufgrund der hohen Spannungen und Ströme, die von großen Industriemaschinen wie etwa Schmelzöfen oder Motoren benötigt werden. Bei Ungleichheiten dieser Ströme können sehr hohe Rückströme und dadurch hohe Differentialspannungen auftreten, die digitale Highspeed-Netzwerke beschädigen. 

Dieses Problem wird durch die Verwendung eines Highspeed-Digitalisolators im Netzwerk vermieden. Das TI-Produktangebot umfasst zahlreiche Highspeed-Digitalisolatoren für spezialisierte Netzwerkanwendungen und allgemeine E/A-Aufgaben. 

Der ISO1176 ist ein isolierter RS-485-Transceiver mit differentieller Signalübertragung und Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 40 Mbit/s. Er kann bei PROFIBUS-Anwendungen in der industriellen Automatisierung eingesetzt werden, etwa in vernetzten Sensoren und bei der Motor- und Bewegungssteuerung. 

Der ISO1050 ist für den Einsatz mit CAN ausgelegt, einem weiteren gängigen Protokoll im Industriebereich. Dieses Produkt erfüllt die Anforderungen der CAN-Spezifikation ISO11898-2 und gewährleistet galvanische Isolation bis 5000 VRMS.

Der ISO7842 für digitale Highspeed-E/A-Anwendungen ist ein leistungsstarker Vierkanal-Digitalisolator mit 8000 VPEAK Isolationsspannung und Signalübertragungsraten bis zu 100 Mbit/s. Er zeichnet sich durch hohe elektromagnetische Störfestigkeit, geringe Emissionen und geringen Energieverbrauch aus. Das Produkt kann zur Isolierung von digitalen CMOS- oder LVCMOS-Ein- und Ausgängen eingesetzt werden und hat eine Nenn-Spitzenspannung von 4000 V gemäß VDE 0884-10. 

Anwendungsbereich Flyback-Spannungsversorgung

Bei einem isolierten Gerät müssen die Spannungsversorgungen auf jeder Seite der Isolationsbarriere ebenfalls voneinander isoliert sein. Für Anwendungen mit geringer Spannung und Leistung (1 oder 2 W) bietet TI isolierte und in ein einziges Gehäuse integrierte DC/DC-Wandler wie die DCH-Familie an. Für höhere Ströme und Spannungen kommen robustere DC/DC-Wandler mit integriertem Controller und diskreten Komponenten wie einem Transformator zur Eingang-Ausgang-Isolation zum Einsatz. 

Eine weitere Anwendung im Bereich Leistungsumwandlung, bei der Isolation erforderlich ist und Sicherheit oberste Priorität hat, ist die AC-DC-Wandlung. Auch hier sorgt ein Transformator für die Isolation zwischen der Primärseite mit potenziell tödlichen Spannungen und dem übrigen System. 

Abbildung 5: UCC2891x Flyback-Schaltregler (Quelle: TI)

Je nach Topologie kann sich die Steuerschaltung auf der Primär- oder Sekundärseite befinden. Abbildung 5 zeigt eine isolierte Flyback-Spannungsversorgung mit einem UCC289x-Controller zur Regelung auf der Primärseite. UCC28910 und UCC28911 sind Hochspannungs-Schaltregler mit 700-V-Leistungs-FETs zur Regelung von Ausgangsspannung und Strom ohne Optokoppler. Eine komplette Analyse der Schaltung finden Sie hier. Die Hauptschaltungsblöcke sind:

1. Eingangssicherungswiderstand: begrenzt den Einschaltstrom am Eingangskondensator, wenn die Leitungsspannung angelegt wird, und trennt die Leitung bei Überstrom.
2. Diodenbrücke: sorgt für die Gleichrichtung der Wechselspannung am Eingang.
3. Leitungsfilter (L1, L2, R1 und R2): reduzieren die beim Schalten entstehenden elektromagnetischen Störungen.
4. Stützkondensatoren (Kondensatoren C1 and C2): speichern Energie und reduzieren die Welligkeit der Eingangsspannung.
5. VS-Teilerwiderstände: definieren den Regelungspunkt der Ausgangsspannung; RS1 definiert darüber hinaus den kontinuierlichen Umschaltungspunkt. 
6. Drain-Spannungs-Klemmschaltung: schützt Leistungs-FETs und dämpft die durch primärseitige Streuinduktivität des Transformators entstehende Schwingung.
7. Transformator: gewährleistet die Isolation; eine Hilfswicklung sorgt für die Spannungsversorgung des Controllers.
8. Endstufe: die Größe des Ausgangskondensators COUT wird durch die gewünschte Einschwingzeit bei Nulllast definiert. Der Vorlastwiderstand stoppt das Auslösen von OVP, wenn keine externe Last angeschlossen ist.

Beim Gegentaktflusswandler wird in einer symmetrischen Gegentaktschaltung die Transformator-Primärwicklung über Treiberpaare mit Strom aus der Eingangsleitung versorgt. Die Treiber werden abwechselnd zu- und abgeschaltet und bewirken somit einen zyklischen Wechsel der Durchflutungsrichtung. Es wird also während beider Hälften des Schaltzyklus Strom aus der Leitung gezogen. Gegentaktflusswandler haben einen gleichmäßigeren Eingangsstrom als Aufwärts-/Abwärtswandler, erzeugen weniger Rauschen in der Eingangsleitung und sind effizienter bei Anwendungen mit hoher Leistung.