Wie sich Schnittstellen mit GMR-Technik galvanisch zuverlässig entkoppeln lassen

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Eine kurvenformtreue und komplett galvanisch trennende kapazitive Kopplung ist kompliziert

Ein weiteres Prinzip sind kapazitive Koppler. In einfacher Form – als potenzialtrennender Kondensator – sind sie in jedem NF- und HF-Verstärker zu finden. Als kurvenformtreue, komplett galvanisch trennende Lösung wird die Angelegenheit dagegen komplizierter. Auch hier können Gleichspannung und langsam variierende Kurvenformen nur durch Modulation des Signals auf eine Wechselspannung übertragen werden. Zwei Kanäle decken in realen Schaltungen einerseits den Bereich von 100 KBit/s bis 150 MBit/s direkt ab, andererseits den Bereich von Gleichspannung bis 100 KBit/s über Pulsweitenmodulation. Nach der kapazitiven Isolationsstrecke werden die beiden Kanäle wieder zusammengefügt: Eine funktionale, doch relativ komplexe Lösung. Die Ausgänge liefern Logikpegel von 3 oder 5 V, wie auch alle anderen außer den optischen Kopplern.

Breitbandige Hochfrequenzübertragung bringt Übersprechprobleme mit sich

Eine weitere Möglichkeit ist es, das kapazitive oder induktive Modulationsprinzip noch weiter zu führen und gleich mit Hochfrequenz zu übertragen, und zwar bei 2,1 GHz, mit einem induktiven Übertrager, also nicht etwa einer HF-Sendestrecke. Damit sind theoretisch Übertragungen digitaler Signale bis 1 GHz möglich, in der Praxis werden hier bis zu 150 MBit/s angeboten.

Allerdings ist auch das Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen nicht unerheblich; ebenso problematisch ist der immer häufigere Einfluss anderer Hochfrequenzsender in der Nähe des benutzten Frequenzbands wie UMTS-Handys oder 2,4-GHz-ISM-Sender, die mit Video-Übertragungsstrecken, Bluetooth, Zigbee, WLAN, Mikrowellenherden und unzähligen anderen Anwendungen geradezu allgegenwärtig sind.

Es dürfte daher trotz möglicher Abschirmungen zu Problemen führen, wenn diese Bausteine gemeinsam mit einer der „echten“ Funktechnologien in einer Baugruppe eingesetzt werden. Auch ist eine leichte Abstrahlung durch die Bauelemente selbst nicht ausschließbar.

Optokoppler übertragen zwar kurventreu von DC bis HF, haben aber andere Nachteile

All diese Probleme haben dazu geführt, dass ein anderes Prinzip zur galvanisch getrennten, kurventreuen Signalübertragung bis heute am verbreitetsten ist: Die optische Übertragung, der Optokoppler. Er kann von Gleichstrom bis in den unteren MHz-Bereich übertragen und hält dabei bei entsprechendem Aufbau prinzipiell auch alle Sicherheitsbestimmungen ein.

Allerdings hat der Optokoppler prinzipielle Nachteile. So neigen seine Empfänger auch zu elektrischen Einkopplungen (kapazitiv) und damit zum Übersprechen zwischen den einzelnen Kanälen. Des Weiteren ist das Isolationsmaterial mitunter nicht langzeitstabil, sowohl was die elektrische Isolation als auch die optische Transparenz betrifft. Da die Sendedioden über die Jahre ebenso in Leistung und Effizienz nachlassen, ergibt sich ein degradierendes Übertragungsverhältnis, was bei analogen Übertragungen durchaus zum Problem werden kann.

Zudem sind die für hohe Übertragungsverhältnisse sorgenden Fototransistoren langsam und schaffen nur einige MHz; schnelle optische Koppler sind nur selten zu finden und nicht preiswert. Für Übertragungsraten über 50 MBit/s sind Optokoppler definitiv nicht mehr verfügbar. Des Weiteren ist der Energiebedarf nicht unerheblich und High-Speed-Optokoppler funktionieren nur mit 5-V-Versorgungspannung, doch nicht mit den immer verbreiteteren mit 3,3 V betriebenen Schaltungen. Schließlich ist die Temperaturstabilität sowohl der Sende- als auch der Empfangsseite nicht besonders.

Hallsensoren liefern nur schwache Signale und sind nicht langzeitstabil

Hallsensoren sind in Zusammenhang mit Magnetspulen ebenfalls verwendbar, doch haben sie mehrere Nachteile: Sie liefern nur ein sehr schwaches Signal und sind noch langzeitinstabiler als die Optokoppler. Zudem sind sie sehr anfällig gegen Gleich- und Wechselmagnetfelder, die sich in elektrischen und elektronischen Geräten ja kaum vermeiden lassen. In Kopplern konnte sich der Hall-Effekt nie durchsetzen.

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