Power-Tipp Isolation: Optokoppler versus Opto-Emulatoren

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Texas Instruments

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Seit den 1970er Jahren werden Optokoppler zur galvanischen Isolation in elektronischen Schaltungen eingesetzt. Da sie trotz aller Weiterentwicklungen immer noch mit einer Reihe von Nachteilen behaftet sind, hat man als Alternativen kapazitive und induktive Isolatoren entwickelt, die leistungsfähiger sind als traditionelle Optokoppler.

Texas Instruments zum Beispiel treibt seit etwa 20 Jahren die digitale Isolationstechnik auf der Basis von Siliziumdioxid (SiO₂) voran. Die so genannten Opto-Emulatoren kombinieren die Vorteile von Optokopplern und Isolation auf Basis von SiO₂. Opto-Emulatoren sind 1:1 pinkompatibel zu den gängigsten Optokopplern und verhalten sich auch genau wie diese. Die Isolationsbarriere wird hier jedoch durch eine SiO₂-Schicht realisiert.

Damit werden – wie bei Optokopplern – Hochspannungssignale blockiert, und es entstehen keine Masseschleifen, was für Funktionssicherheit und Stabilität sorgt. Gleichzeitig aber kommen die Vorteile der SiO₂-Isolationsbarriere zum Tragen, nämlich bessere elektrische Eigenschaften, eine erhöhte Hochspannungs-Zuverlässigkeit und die Möglichkeit zur Integration weiterer Systemfunktionalität.

Nachteile von Optokopplern

Bei Optokopplern werden digitale oder analoge Informationen auf optischem Weg von einer LED zu einem Phototransistor übertragen (Bild 1). Bekanntermaßen unterliegen die in Optokopplern verwendeten LEDs jedoch einer Alterung, die mit der Zeit für erhebliche Probleme sorgen kann. Hinzu kommt, dass in Optokopplern unterschiedliche Isolationsmaterialien verwendet werden, deren Durchschlagspannung zwischen 1 und
500 V_eff/µm betragen kann.

Vermeiden lassen sich die typischen Schwächen von Optokopplern mit den oben genannten Isolationsbausteinen auf Basis von SiO₂ (Bild 2). Die Sende- und Empfangsschaltungen sowie die SiO₂-Schicht dieser Opto-Emulatoren bilden das Verhalten eines herkömmlichen Optokopplers nach, ohne dass dessen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Vorteile der Opto-Emulatoren

Opto-Emulatoren zeichnen sich durch verschiedene Eigenschaften aus: Dazu zählen ein geringerer Stromverbrauch, Höherer CMTI-Wert, stabiles, eng toleriertes CTR, hohe Datenraten, große Bandbreite, großer Temperaturbereich und Isolation.

Optokoppler werden überdimensioniert, um die Alterung der LED zu kompensieren, woraus ein höherer Vorwärtsstrom (I_F) während der Nutzung resultiert. Die Opto-Emulatoren sorgen wegen ihrer deutlich niedrigeren Stromaufnahme für eine um bis zu 80% geringere Verlustleistung.

Der bei Optokopplern im Bereich von 15 kV/µs liegende CMTI-Wert (Common-Mode Transient Immunity) beträgt beispielsweise im Fall des Opto-Emulators ISOM8710 mindestens 125 kV/µs, was den Einsatz in Anwendungen mit starken Gleichtakt-Störgrößen ermöglicht. Opto-Emulatoren wie der ISOM8110 sind standardmäßig mit verschiedenen, eng tolerierten und temperaturstabilen CTR-Bereichen (Gleichstrom-Übertragungsverhältnis – Current Transfer Ratio, CTR) lieferbar.

Während typische High-Speed-Optokoppler nur Datenraten zwischen 1 und 10 MBit/s unterstützen, kommt der ISOM8710 auf 25 MBit/s. Damit sind Opto-Emulatoren für eine Vielzahl von High-Speed-Anwendungen geeignet. Da der ISOM8110 eine Bandbreite von 680 kHz unterstützt, lassen sich die notwendigen induktiven Bauelemente kleiner dimensionieren, und die Sprungantwort sekundärseitig geregelter Sperrwandler verbessert sich. Zudem können kleinere Ausgangskondensatoren verwendet werden, was besonders in GaN-Schaltungen mit hohen Schaltfrequenzen Leiterplattenfläche spart und die Systemkosten senkt.

Während sich Optokoppler i.d.R. nur für Temperaturbereiche von 0 bis 85 °C eignen, können Opto-Emulatoren standardmäßig bei Temperaturen von –55 bis 125 °C eingesetzt werden. Durch SiO₂ als Isolationsbarriere erreichen Opto-Emulatoren eine Durchschlagspannung von 500 V/µm – also weit mehr als die 1 V/µm der Luftstrecke vieler Optokoppler. (kr)

* Luke Trowbridge ist Product Marketing Manager Isolation bei Texas Instruments in Dallas, USA.

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