Koppler Wie sich Schnittstellen mit GMR-Technik galvanisch zuverlässig entkoppeln lassen

Galvanische Trennung ist beispielsweise in Feldbussystemen an den Schnittstellen unumgänglich: Zu groß würden Probleme durch Potenzialdifferenzen bei längeren Verbindungsleitungen. Optokoppler sind das übliche Mittel der Wahl, um dies in den E-/A-Einheiten zu erreichen. Doch es gibt interessante Alternativen, die zudem ohne zusätzliche Logikbausteine auskommen.

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Ob analog oder digital: Oft sind Signale galvanisch getrennt zu übertragen – schon aus Sicherheitsgründen, doch in der Audio- und Videotechnik auch, um Störungen durch Brummschleifen zu vermeiden und in der Steuer- und Regelungstechnik, um Probleme mit Potenzialdifferenzen bei weit verzweigten Systemen zu vermeiden.

Ohne galvanische Trennung ergeben sich Probleme beim Einstecken neuer Einheiten in das System durch unerwartete Differenzspannungen, die zu Störungen und Ausfällen von Baugruppen führen können, und durch permanente Ausgleichsströme, die Störungen oder gar Ausfälle verursachen.

Der Klassiker: die induktive Kopplung via Signalübertrager

In früheren Jahren war in solchen Fällen das Mittel der Wahl der Transformator: Neben dem klassischen Netztransformator gibt es auch den Daten- und Impulstransformator, auch „Übertrager“ genannt. Dieser arbeitet in unterschiedlichen Varianten von Netzfrequenz bis UKW, doch muss er bei langsam variierenden Signalen und Gleichspannung naturgemäß zunächst passen.

Nur mit einer amplitudenmodulierten Wechselspannung, die nach dem Übertrager wieder demoduliert werden muss, ist so eine Übertragung möglich. Dies allerdings begrenzt die obere Grenzfrequenz der möglichen Übertragung auf die Hälfte der Frequenz der verwendeten Wechselspannung.

Signalübertrager verzerren Datensignale und brauchen viel Platz

Ein zweiter Schwachpunkt des Impulstransformators ist die mangelnde Impulstreue der Übertrager: Sie können im Frequenzbereich zwar durchaus einige Zehnerpotenzen abdecken, doch werden gerade die typischen rechteckigen Datensignale oft deutlich verzerrt: Die Induktivitäten des Übertragers fordern ihren Tribut und führen zu Dachschrägen, Überschwingern und Phasenverschiebungen. Dies ist ungünstig für zeitkritische Flanken in Digitalsignalen.

Ein weiteres Problem ist der Platzbedarf und das hohe Übersprechen zwischen mehreren gleichartigen Übertragern. In der heutigen SMD-Digitalelektronik hat er daher als konventionell gewickelte Version keine Bedeutung mehr, ebenso wie der Kernspeicher aufgrund seiner Baugröße schon lange Historie ist. Einziger Vorteil des Klassikers: Wie sein großer Bruder, der Netztransformator, hat er meist nur geringe energetische Verluste. Somit können die Schaltungsteile jenseits des Übertragers mitunter ohne eigene Energiequellen auskommen.

In modernerer IC-Bauform, als Planar-Transformator auf einem Silizium-Chip, werden solche Bausteine mit einem bis vier Kanälen angeboten. Sie bieten bis zu 100 MBit/s, verwenden Flankendetektion und können zunächst keine Gleichspannungen übertragen, weshalb noch ein 500-kHz-Hilfsoszillator vorgesehen ist. Ebenso können diese Bausteine im Gegensatz zu konventionellen Übertragern keine nennenswerten Energiemengen mehr übertragen.

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