Unsere Isolationsfrage – Optokoppler oder Digitalisolator?

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

TRACO ELECTRONIC GMBH

Maxim Integrated Products GmbH

Optokoppler mit integrierter Stromversorgung

Maxim bietet zusätzlich zwei besondere Arten von RS485-Transceivern mit integrierter Stromversorgungsisolation bis zu 1,6 kV_eff und über 60% Energieeffizienz unter Verwendung von Optokopplertechnik an. Außerdem gibt es den MAX3535 mit integrierter Leistungstreiberfunktion, die auf einer interdigitalen kapazitiven Isolationstechnik für bis zu 2,5 kV_eff basiert.

Für die Kommunikation zwischen Anlagenteilen in der Fabrik oder an einer Fertigungsstraße, oder wenn der Betriebszustand eines Motors erfasst werden soll, sind höhere Isolationsspannungen erforderlich, um keine Menschenleben zu gefährden. Hier muss die Isolation Schutz vor gefährlichen Netzspannungen und hohen Spannungsspitzen bieten. In diesen Anwendungen ist außerdem unbedingt sicherzustellen, dass über die gesamte Lebensdauer eines Produkts hinweg die dauerhafte Einhaltung einer hohen Arbeitsspannung gewährleistet ist.

Sicherheit versus Systemkosten

Um dies zu garantieren, bieten viele Hersteller digitale und auf Optokoppler basierende Isolationsprodukte an, die eine galvanische Isolation von 2,5 bis 5 kV_eff unterstützen. Damit ist die Einhaltung einer Arbeitsspannung über 400 V über die gesamte Lebenszeit des Produkts gewährleistet. Um diesen hohen Grad an Schutz zu gewährleisten, müssen die Anbieter ein richtig konstruiertes Isolationsprodukt mit der passenden Technologie kombinieren, um optimale elektrische Eigenschaften zu erzielen.

Die Halbleiterhersteller tragen den Isolationsanforderungen auf zweierlei Weise Rechnung. Wenn es beispielsweise um Anwendungen geht, in denen der Betriebszustand eines Motors überwacht werden muss, kommt es vorrangig auf die Sicherheit der Menschen an. Hier werden deshalb tendenziell Isolationslösungen auf Basis von Optokopplern bevorzugt, weil die Konstruktionsweise eines Optokopplers prinzipbedingt eine große physische Barriere zwischen LED und Fotoempfänger aufweist.

Dieser Aufbau bringt zwei Vorteile mit sich: einerseits lassen sich dank der in Optokopplern verwendeten dicken Isolationsschicht hohe Arbeitsspannungen realisieren, und zweitens ergibt sich die Sicherheit für den Menschen durch den Ausfallmechanismus der Optokoppler, der in einem Rückgang der LED-Helligkeit besteht.

Bei diesem Fail-Open-Verhalten bleibt die Isolationsbarriere zwischen den beiden Seiten des Optokopplers und damit auch die Isolationsbarriere im Gerät intakt, sodass der Schutz vor hohen Spannungen bestehen bleibt.

Nachteile von Optokoppler-Lösungen

Auch wenn diese Merkmale der Optokoppler in der Industrie durchaus gewürdigt werden, dürfen die Nachteile dieser Bauelemente nicht verschwiegen werden. Höhere Systemkosten resultieren aus den größeren Abmessungen der Optokoppler sowie aus der Leistungsaufnahme, die zum Aufrechterhalten der Integrität der LED erforderlich ist. Hinzu kommt der höhere Aufwand zum Erzielen der in einigen Systemen nötigen höheren Datenraten.

Ein weiteres Thema ist die Einsetzbarkeit von Optokopplern und ihre Fähigkeit zum Eingrenzen der Signallaufzeit in industriellen Anwendungen oder Umgebungen, in denen die Betriebstemperatur auf über 85°C ansteigen kann.

Optokoppler lassen sich somit hervorragend zum Ansteuern von IGBTs in Motortreibern, Stromrichtern und unterbrechungsfreien Stromversorgungen einsetzen. Verglichen mit der alternativen Technologie digitaler Isolatoren weisen sie jedoch Einschränkungen auf, was die Lebenserwartung, den Betriebstemperaturbereich, die Abmessungen und die Bestückungsdichte betrifft.

Zwar können Digitalisolatoren zurzeit keine Fail-Open-Erkennung bieten wie Optokoppler, doch weisen sie eine ganze Reihe entscheidender Pluspunkte auf.

Die Digitalisolationstechnik, die in den vergangenen zehn Jahren große Fortschritte gemacht hat, kommt gegenüber Optokopplern generell auf eine längere Lebensdauer, was in industriellen Anlagen die Verfügbarkeit von Produktionsanlagen oder prozessorientierten Einrichtungen erhöht.

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