Schaltungsisolation verbessert intelligente Automatisierungstechnik

| Autor / Redakteur: Mark Morgan und Giovanni Frattini * / Kristin Rinortner

Bild 1: SPS mit Isolation.
Bild 1: SPS mit Isolation. (Bild: TI)

Leckströme und zu hohe Spannungen sind nicht nur gefährlich für Menschen, sie können auch Schäden, Fehlfunktionen und Störungen an Anlagen verursachen – insbesondere in Steuerungen. Isolationsbausteine bewahren Menschen, Anlagen und Signale davor.

Die Schaltungsisolation ist in allen Bereichen der Elektronik wichtig – von Consumer-Produkten im Handheld-Format bis zu großen Anlagen in der Kommunikations-Infrastruktur, im Verkehrswesen und in der Schwerindustrie. Einen besonderen Stellenwert hat die Isolation heute in der Industrie, wo immer mehr automatisierte Fabrikanlagen sowohl untereinander als auch mit externen Netzwerken kommunizieren.

Maschinenintelligenz und Automatisierung entwickeln sich mit einem so hohen Tempo, dass sie unter dem Stichwort vierte industrielle Revolution (Industrie 4.0) zusammengefasst werden. Intelligente Sensoren, Aktoren, Motoren, Roboter und andere Fabrikanlagen müssen vor Überspannungen und Transienten sowie vor Störungen durch parasitäre Signale geschützt werden, um ihren zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.

Damit dies in einer Fabrikhalle möglich ist, müssen Stromkreise isoliert werden. Entscheidend ist die Isolation auch für den sicheren und zuverlässigen Betrieb von Elektronik in Automobilen, medizinischen Geräten, Telekommunikations-Systemen, Büromaschinen, Consumer-Produkten und weiteren Anwendungsgebieten.

Um dem wachsenden Bedarf hinsichtlich Sicherheit und robuster Zuverlässigkeit gerecht zu werden, erwarten die Anlagenhersteller von den IC-Anbietern immer ausgefeiltere Isolationslösungen. Als einer der führenden Halbleiterhersteller investiert Texas Instruments deshalb erhebliche Ressourcen in die Erforschung und Entwicklung von Technologien zur Isolation und setzt diese Technologien in Produkten um, die den Anforderungen industrieller und anderer Systeme genügen.

Das wachsende Angebot an Isolations-Bauelementen ermöglicht den Systemherstellern die Implementierung von besser geschützten Stromversorgungs-, Kommunikations- und Steuerungsschaltungen. Diese Schaltungen können dann zur Verteilung intelligenter Automatisierungslösungen in der Fabrik beitragen. Während die Fertigungsprozesse von höherer Qualität, besserer Kostenkontrolle und mehr Energieeffizienz profitieren, verbessert sich auch die Produktivität der Mitarbeiter und die Sicherheit.

Die Notwendigkeit der Schaltungsisolation

Unter der (galvanischen) Isolation versteht man Vorkehrungen gegen das Fließen von unerwünschten Gleich- oder Wechselströmen zwischen verschiedenen Teilen eines Systems, während die gewollten Signale und die Stromversorgung durchgelassen werden. Wie der Begriff schon andeutet, geht es bei der Isolation um die räumliche Trennung eines Schaltungsteils vom anderen, was sich mit einem Übertrager, einem Kondensator oder einem Optokoppler bewerkstelligen lässt.

In einer realen Anwendung wird ein Isolator entweder für die bei der Signalübertragung vorkommenden niedrigen Spannungen und Ströme verwendet, oder für die wesentlich höheren Spannungen und Ströme, die im Stromnetz auftreten. In einigen Fällen kann ein und derselbe Baustein sowohl Signale als auch die Stromversorgung isolieren.

Störgrößen über die Netzleitung

Mit Netzspannung betriebene Anlagen können Überspannungen ausgesetzt sein. Ebenso kann es zu kurzen Spannungsspitzen oder Transienten mit extrem hoher Spannung kommen. Starke Schwankungen oder Unterbrechungen der Netzspannung können entstehen, wenn große Verbraucher ein- oder ausgeschaltet werden oder sich ihre Belastung ändert. Auswirkungen auf andere Anlagen, die aus derselben Quelle gespeist werden, bleiben dann nicht aus.

Elektronische Störgrößen, die über die Netzleitung oder auf anderen Wegen in eine Anlage gelangen, können die Signale in der Steuerung stören und potenziell Betriebsprobleme verursachen.

Viele Arten von Anlagen erzeugen außerdem Frequenzen, die keinesfalls in das Stromnetz gelangen dürfen, wo sie sich bis zu anderen Anlagen fortpflanzen und die dortigen Signale stören könnten. Zum Beispiel erzeugen Schaltnetzteile, die in industriellen Anlagen zur Umwandlung der Netzspannung in eine höhere Spannung eingesetzt werden, sehr hohe Frequenzen. Die Stromversorgungs-Isolation dient einerseits dem Schutz der jeweiligen Anlage und ihrer Steuerungselektronik, soll aber umgekehrt auch verhindern, dass das jeweilige Gerät unerwünschte Signale in das Stromnetz abgibt.

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