Galvanische Trennung industrieller Schnittstellen - All

STROMVERSORGUNGEN
Digitale Isolatoren
Galvanische Trennung
industrieller Schnittstellen
Um den Entwicklungsingenieur in der Designphase von isolierten Schnittstellen zu unterstützen, beschreibt dieser Artikel
die Funktionsweise neuer, auf kapazitiver Basis beruhender, digitaler Signaltrennungsbausteine, – im Kurzen digitale
Isolatoren genannt – und deren Anwendung in Mehrkanal-Datenerfassungssystemen.
Die Galvanische Trennung (GT) ist ein Mittel, um den Stromfluss zwischen zwei Kommunikationspunkten zu unterbinden. Sie
wird angewandt, um entweder hohe Spannungs- oder Stromtransienten von elektronischen Geräten oder Personen fernzuhalten oder um die direkte Verbindung
großer Massepotentialunterschiede und die
damit verbundenen Masseschleifen zu
vermeiden. In beiden Fällen verhindert die
GT den Fluss eines elektrischen Stroms,
ermöglicht aber dennoch die Übertragung
von Datenströmen und Versorgungsspannungen.
Kontinuierliche Änderungen in den gesetzlichen Bestimmungen bezüglich der
Entwicklung und Benutzung von Maschinen und elektronischen Geräten erfordern
die Anwendung von galvanischer Trennung in nahezu allen messtechnischen
Anwendungen der Industrie. Der zusätzliche Trend von der klassischen EinkanalTrennung zur Isolierung von Mehrkanalsystemen veranlasste daher einige wenige
Halbleiterhersteller, neue Trennungs- oder
Isolationsbausteine zu entwickeln. Anwendungen, in denen diese Isolatoren zum
Einsatz kommen, beinhalten Kommunikationssysteme, die über lange Strecken
in rauher, industrieller Umgebung zuverlässig arbeiten müssen. Zu diesen
Anwendungen zählen industrielle Ein-/
Ausgabe-Module, Sensorschnittstellen,
Versorgungsspannungsregelungen, Motorsteuerungen, um nur ein paar Beispiele zu nennen.
˘ AUTOR
Thomas Kugelstadt,
Senior Systems Engineer,
Texas Instruments,
Freising
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klein wie möglich zu halten. Die Komplexität der
Schnittstelle hängt von der
Anzahl der benötigten langsamen Steuersignale, wie
z. B. Chip-Select, PowerDown, Verstärkung und AbBild 1: Isolierung der digitalen Schnittstelle eines mehrkanaligen
tastrate sowie Multiplexer(Alle Bilder:TI)
Δ∑- A/D Wandlers.
Adressierung ab. Allen
Schnittstellen gemein sind
jedoch die schnellen Datenleitungen zur Übertragung des Taktsignals und
der Ausgangsdaten, welche
die Ergebnisse der A/DWandlung darstellen.
Da Signalerfassung und Aufbereitung innerhalb des
A/D-Wandlers erfolgen, bietet die digitale SchnittstelBild 2: Internes Blockschaltbild eines digitalen, kapazitiven
le die einfachste MöglichIsolators.
keit, digitale Isolatoren zur
Isolation von Mehrkanalsystemen
galvanischen Trennung zwischen SignalDatenerfassungssysteme in der induserfassung und Signalverarbeitung einzutriellen Automatisierungstechnik setzen
setzen. Wie bereits erwähnt, muss aufmehrkanalige Analog-Digital-Wandler
grund der Komplexität der Schnittstelle
(ADC) ein, um die Messgrößen verschieein Isolator in der Lage sein, sowohl schneldenster Sensoren in einem Durchgang zu
le Wandlungsergebnisse als auch langsaerfassen (Bild 1). Die analogen Eingänge
me Steuersignale zu übertragen.
werden sequentiell abgetastet und in eiDer folgende Abschnitt erklärt deshalb die
nen Signalaufbereitungspfad eingespeist,
interne Funktionsweise eines digitalen
der zunächst das Eingangssignal über eiIsolators und zeigt, warum dieser zur Übernen programmierbaren Verstärker (PGA)
tragung von nieder- und hochfrequenten
verstärkt und es anschließend, mittels DelSignalen geeignet ist.
ta-Sigma-Modulation, in einen digitalen
Digitaler Isolator
Datenstrom wandelt. Der Datenstrom wird
Der Isolator in Bild 2 basiert auf einer kapadann über die digitale Schnittstelle einem
zitiven Isolationsbarriere. Der Baustein besitzt
Systemprozessor zugeführt, welcher die
zwei Datenkanäle, einen Hochfrequenzkanal
weitere Verarbeitung der Empfangsdaten
(HF) von 100 kbps bis 150 Mbps Bandbreite
in der digitalen Ebene durchführt.
und einen niederfrequenten Kanal (NF), welDie meisten Δ∑ – A/D Wandler besitzen
eine serielle Schnittstelle, um Gehäusecher den Bereich von 0 bps (also Gleichform und Platzbedarf des Wandlers so
spannung) bis hoch zu 100 kbps abdeckt.
elektronik industrie 3 - 2008
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Prinzipiell wird ein unsymmetri/C den Ausgang D High setzt.
sches, auf Masse bezogenes EinDa die Pulszeiten der Komparagangssignal im HF-Kanal durch
torausgänge von kurzer Dauer
dessen Eingangsinverter in ein
sind, ergeben sich Zustände, in
symmetrisches, differentielles
denen beide Ausgänge Low sind.
Signal gewandelt. Die beiden RCWährend dieser Zeit speichert
Glieder differenzieren das Eindas FF seinen vorherigen Ausgangssignal, das anschließend
gangszustand. Da das Signal am
von zwei Komparatoren in kurze,
/D Ausgang mit dem Eingangsdifferentielle Ausgangspulse gesignal des Kanals identisch ist,
wandelt wird. Die Ausgänge der
stellt /D den Ausgang des HF-KaKomparatoren treiben ein NORnals dar und wird mit dem AusFlip-Flop, dessen treibender Ausgangsmultiplexer verbunden.
gang dem Ausgangsmultiplexer Bild 3: Zeitdiagramme des Hochfrequenzkanals (links für ein symmetri- Eingangssignale mit symmezugeführt wird. Eine Entschei- sches, rechts für ein unsymmetrisches Puls/Pausen-Verhältnis.
trischem Puls/Pausen-Verhältdungslogik (ESL) am treibenden
nis erzeugen äquidistante Pulse
FF-Ausgang misst den zeitlichen
an den Komparatorausgängen.
Abstand zwischen zwei SignalUnsymmetrische Puls/Pausenpulsen. Überschreitet die Dauer
Verhältnisse dagegen verkürzwischen zwei aufeinander folzen die Pulsabstände während
genden Pulsen einen zeitlichen
eines Signalwechsels (siehe
Grenzwert (z. B. im Fall von nierechtes Zeitdiagramm in Bild 3),
derfrequenten Signalen), zwingt
um Form und Phasenbeziehung
die Entscheidungslogik den Mul- Bild 4: Zeitdiagramme des Niederfrequenzkanals.
zum Eingangssignal aufrecht
tiplexer, vom HF- auf den NF-Kazu erhalten.
nal umzuschalten.
rentiellen Signalkomponenten A und /A
Um große Kapazitätswerte zur Übertragung
aufgeteilt. Jede Komponente wird danach
NF-Kanal Funktionsweise
niederfrequenter Signale zu vermeiden, werin die Transienten B und /B differenziert. Der
Niederfrequente Signale werden mit eiden diese mittels einer Oszillatorfrequenz
nachgeschaltete Komparator vergleicht beinem hochfrequenten Träger so pulsbreipulsbreitenmoduliert. Damit wird die Überde Transienten miteinander. Solange der
tenmoduliert, dass sich für logisches High
tragungsfrequenz genügend erhöht, um die
positive Komparatoreingang ein höheres
eine Pulsbreite von 90 % und für logisch
kapazitive Barriere zu überschreiten. AnPotential als der negative Eingang besitzt,
Low eine Pulsbreite von 10 % am Punkt A erschließend wird die Trägerfrequenz dem
präsentiert der Komparatorausgang logisch
gibt. Hinter Punkt A ist die weitere Signalmodulierten Signal durch ein Tiefpassfilter
High und wandelt somit die Transienten
verarbeitung identisch mit der des Hoch(TFP) entzogen und das echte Datensignal
am Eingang in kurze Ausgangspulse.
frequenzkanals für unsymmetrische Signale.
dem Multiplexer zugeführt.
Das nachfolgende NOR-FF wird durch dieDer einzige Unterschied besteht im Filtern
se Ausgangspulse entweder gesetzt oder
der Trägerfrequenz aus dem modulierten
HF-Kanal Funktionsweise
zurückgesetzt. Der Wahrheitstabelle ist
Signal mittels Tiefpassfilter (/D), bevor die
Bild 3 zeigt den Hochfrequenzkanal mit
zu entnehmen, dass das NOR-FF ein inechten Daten dem Ausgangsmultiplexer
seinen Signalformen an verschiedenen Stelvertierendes Flip-Flop darstellt, d. h. ein
zugeführt werden können (E).
len des Signalpfads. Das unsymmetrische
High am Eingang C setzt den Ausgang /D
Die erfolgreiche Einführungsphase der einEingangssignal wird zunächst in die diffelogisch High, während ein High am Eingang
kanaligen Isolatoren inspirierte die Her-
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Bild 5: Prozesssteuerung: Messen verschiedener physikalischer Größen
eines Systems.
steller von Isolatorbausteinen, zwei-, dreiund vier-kanalige Isolatoren mit uni- und
bidirektionaler Signalrichtung herauszubringen, um die meisten der bereits bestehenden Schnittstellen abzudecken.
Anwendungen
Bei industriellen Schnittstellen müssen
die Anwendungen der Prozesssteuerung
von denen der Fabrikautomation getrennt
betrachtet werden, da die unterschiedlichen Anforderungen den Aufwand beim
Isolations-design erheblich beinflussen
und dieses schnell unwirtschaftlich gestalten können.
Prozesssteuerung befasst sich normalerweise mit der Erfassung mehrerer unterschiedlicher physikalischer Größen (z. B.
Druck UND Temperatur) eines Systems,
Prozesses, Geräts oder Anwendung.
Jede physikalische Größe benötigt einen
spezifischen Senor oder Messwertumformer, dessen Ausgangssignal wiederum
bestimmte Anforderungen an die Signalaufbereitung stellt. Folglich ergeben sich
für eine Anzahl unterschiedlicher Sensoren
auch unterschiedliche, parametrische
Einstellungen, wie z. B. Verstärkungsfaktoren, Abtastraten, Eingangsimpedanzen
und Wiederholungsraten von Messungen.
A/D-Wandler, die einen weiten Bereich
von parametrischen Einstellungen erlauben, besitzen eine hohe Anzahl von Steuersignalen, die alle isoliert werden müssen.
Bild 5 zeigt eine Anzahl verschiedener Sensoren für Temperatur-, Druck- und Strommessungen. Die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der jeweiligen Sensoren
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Bild 6: Fabrikautomation: Messen einer physikalischen Größe mehrerer
Systeme.
erfordern unterschiedliche Verstärkungsfaktoren in der Signalaufbereitung. Ebenso kann die Einstellung verschiedener Abtastraten von Vorteil sein, im Fall das für
einen Kanal oder auch mehrere Kanäle
schnellere Änderungen der Eingangssignale
erwartet werden. Die Power-Down-Funktion wird benötigt, wenn der Leistungsverbrauch nach einer Messung minimiert
werden soll, während der System-Controller andere Prozeduren ausführen muss.
Die hohe Vielseitigkeit der Schaltung erfordert die Isolation der Steuerleitungen
mittels zweier Vierfach-Isolatoren.
Fabrikautomation befasst sich gewöhnlich mit der Überwachung einer physikalischen Größe (z. B. Druck ODER Temperatur) mehrerer Systeme oder Geräte. Diese
Systeme verwenden daher eine große Anzahl von Sensoren gleichen Typs mit einheitlichen Eigenschaften für Empfindlichkeit und Reaktionszeit.
Bild 6 zeigt ein solches Messsystem, welches zur Temperaturmessung von vier Systemen vier Thermoelemente gleichen Typs
einsetzt. Obwohl die Schaltung den gleichen A/D-Wandler wie in Bild 5 einsetzt,
erlauben die einheitlichen Eigenschaften
der Thermoelemente die Festlegung des
Verstärkungfaktors und der Abtastrate.
Die entsprechenden Steuerleitungen können daher an ein festes Bezugspotential,
wie Versorgungsspannung oder Masse,
gelegt werden. Zudem führen viele autonome Systeme Messungen auf kontinuierlicher Basis durch, was eine PowerDown-Funktion überflüssig macht. Der
entsprechende /PWDN-Anschluss kann
daher ebenfalls an ein festes Bezugspotential (in diesem Fall die Versorgungsspannung) gelegt werden.
Durch den Wegfall der oben genannten
Steuerleitungen vereinfacht sich der Isolationsaufwand auf nur einen VierfachIsolator.
Bis jetzt erstreckte sich der Isolationsaufwand auf die Trennung zwischen A/D
Wandler und System-Prozessor. Diese Methode ist wirtschaftlich, solange es sich
um ein oder zwei A/D-Wandler pro System
handelt. Steigt jedoch die Anzahl der Wandler pro System, empfiehlt es sich, einen
lokalen Prozessor einzusetzen.
Schlussfolgerung
Ein gutes Verständnis der Systemanforderungen ist notwendig, bevor der Isolator-Typ und dessen Platzierung im System
entschieden werden.
Texas Instruments bietet eine weite Palette von Produkten an, welche die Enwicklung
von isolierten, industriellen Schnittstellen
unterstützt. Das Produktangebot erstreckt
sich von Datenwandlern mit bis zu 16 analogen Eingängen, uni- und bidirektionalen
Isolatoren in Dual-, Triple- und Quad-Ausführungen (von 0 bis 150 Mbps) sowie
isolierten DC/DC-Wandlern (mit geregelten
3-V- und 5-V-Ausgängen), um die Spannungsversorgung über die Isolationsbarriere zu sichern.
˘
infoDIRECT
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˘ Link zu TI
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