Schaltungsisolation verbessert intelligente Automatisierungstechnik

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

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.

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

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.

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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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Auch wenn die Höhe der Ströme und Spannungen nicht ausreicht, um die Steuerungsbausteine zu beschädigen, können sie doch die Kommunikation zwischen den Systemen sowie zwischen verschiedenen Bereichen eines Systems stören. In Anlagen wie beispielweise speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) können mehrere Spannungen und unterschiedliche Masse-Referenzen vorkommen, sodass die verschiedenen Teile solcher Systeme ebenfalls voneinander isoliert werden müssen, damit die Signalintegrität gewahrt bleibt.

Masseschleifen durch Kabel

Der Kommunikation dienende Kabel zwischen verschiedenen Anlagen können zur Bildung von Masseschleifen führen, als deren Folge die Systeme elektrischen Störgrößen aus der Umgebung ausgesetzt werden. Bestimmte Teile eines elektronischen Systems (z.B. Sender oder Prozessoren) erzeugen unter Umständen ebenfalls hohe Frequenzen, die keinesfalls störend auf Signale in niederfrequenten Schaltungen einwirken dürfen.

Wichtig ist dies sogar in Systemen ohne Netzstromversorgung (z.B. in batteriebetriebenen Systemen), die Mikrocontroller mit hohen Taktfrequenzen enthalten und per Funk mit Steuerungssystemen kommunizieren.

Sensoren arbeiten ebenfalls oft mit sehr niedrigen Strömen und müssen häufig vor Sensorelementen geschützt werden, die möglicherweise mit elektrisch aktiven externen Materialien in Kontakt kommen. In diesen und anderen Fällen dient die Isolation dazu, die Weiterleitung von Störgrößen zu unterbinden und dafür zu sorgen, dass diese keine negativen Auswirkungen auf die erforderliche Kommunikation haben.

In einer Fertigungsumgebung werden Anlagen in der Regel vorwiegend durch SPS gesteuert, die mit mehreren Anlagen (Feldeinheiten) in der Fabrik kommunizieren und diese regeln. Die Überwachung und Programmierung der SPS wiederum erfolgt durch Anwender mit Computerterminals, die mit den Büros des Unternehmens und dem Internet verbunden sind.

Alle Fabrik- und Bürosysteme benötigen an verschiedenen Stellen eine Isolation, um die Stromversorgung abzusichern und die Signalintegrität zu wahren. Bild 1 gibt einen Überblick über den Isolationsbedarf in den Funktionsabschnitten einer SPS, während Bild 2 die Isolation in einem batteriebetriebenen drahtlosen Sensor zeigt. Die Stromversorgung dieses Sensors kann durch eine Batterie oder den isolierten Stromversorgungs-Block erfolgen.

Der Bedarf an verbesserten Isolationstechnologien

Ebenso wie bei allen anderen elektronischen Bauelementen besteht auch bei den isolierenden Elementen die Forderung nach kleineren Abmessungen in Verbindung mit gleicher oder sogar besserer Leistungsfähigkeit. Besonders drängend sind diese Forderungen in der Fabrikautomation, wo Regelungen für Temperatur, Feuchte, Vibrationen, Chemikalien auf platzsparende Sensoren umgestellt werden. Auch SPS bedingen eine Verkleinerung, um mehr Kommunikationskanäle zu unterstützen, damit Hersteller im gleichen Gehäuse mehr Funktionen unterbringen können.

Neue Highspeed-Kommunikationstechniken in SPS-Backplanes verlangen darüber hinaus eine reduzierte Signallatenz, um mehr Bandbreite für die Steuerung von zusätzlichen Systemen zu haben. Was die Stromversorgung betrifft, benötigen neue Transistortechnologien auf Basis von Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) höheren Isolationsspannungen und sind für höhere Frequenzen ausgelegt, damit die Energieeffizienz gesteigert werden kann.

Isolatoren waren traditionell recht sperrige Bauteile mit einer eher schleppenden Reaktionsgeschwindigkeit. Sie basierten auf einer Technologie, die die Integration erschwerte, und wurden deshalb meist als diskrete Bauelemente implementiert, die außerhalb der Chips, die den Großteil der Schaltungen in sich vereinten, viel Leiterplattenfläche beanspruchten.

Hauptziele, die mit der Entwicklung der Isolationstechnologie heute verfolgt werden, ist eine effektivere Skalierung isolierender Bauelemente und ihre Integration in die Chipgehäuse, während gleichzeitig die Bandbreite vergrößert und die Latenz reduziert wird. Das birgt insbesondere deshalb große Herausforderungen, weil sich die Eigenschaften der Bauelemente nur sehr schwer verbessern lassen. Ihre Integration in die IC-Gehäuse bringt zudem wieder die gleichen Interferenzprobleme zwischen Stromversorgung und Signalen mit sich, die man mit den Isolations-Bauelementen eigentlich beseitigen wollte.

Test der Isolationsbausteine

Industrielle Anwendungen verlangen außerdem eine hohe Zuverlässigkeit. Isolationsbausteine werden deshalb strengen Tests unterzogen, um die Spezifikationen zu erfüllen, die in den Industrienormen festgelegt sind. Wichtige Kriterien sind beispielsweise die maximale Spitzenspannung, die maximal zulässige Höhe von Transienten und Überspannungen und die Arbeitsspannungen über die Zeit. Sehr wichtig ist auch die Gleichtakt-Störfestigkeit (CMTI).

Auch die Entfernungen zwischen den Anschlüssen des Bausteins durch die Luft und entlang des Gehäuses (Luft- und Kriechstrecken) müssen gemessen werden. Ebenso ist die Durchschlagsfestigkeit des Gehäuses anzugeben. Viele dieser Parameter werden durch direkte Messung bestimmt, während andere in beschleunigten Belastungsprüfungen ermittelt werden, die das Verhalten des Isolators im praktischen Einsatz über mehrere Jahre extrapolieren. Schließlich ist der Schutz des Systems sowohl kurz- als auch langfristig wichtig.

Eine Isolation, die hinreichenden Schutz für den Betrieb bietet, wird als Basisisolation oder funktionale Isolation bezeichnet. Industrienormen verlangen aus Sicherheitsgründen das Doppelte dieser Isolation, und Konstrukteure trugen dieser Anforderung häufig Rechnung, indem sie zwei Isolations-Bauteile in Serie anordneten. Die IC-Hersteller allerdings arbeiten inzwischen an der Einführung einer effektiveren Isolation, die einerseits die Spezifikationen erfüllt und andererseits Platz spart, indem sie das Äquivalent der zwei- oder mehrfachen Basisisolation in einem einzigen Bauteil bereithält.

Die verstärkte Isolation verlangt Verbesserungen im Design und im Gehäuse sowie einem Dielektrikum mit höherer Spannungsfestigkeit. Das Dielektrikum ist das isolierende Material zwischen den beiden Seiten eines Übertragers, eines Kondensators oder eines anderen isolierenden Bauteils. Es ist ein glücklicher Umstand, dass das Siliziumdioxid (SiO2), das als isolierende Schicht innerhalb von ICs verwendet wird, ein hervorragendes Dielektrikum ist und sich bestens für die chipinterne Isolation eignet.

Integration kondensatorbasierter Isolation

Alle Isolationsbauteile haben mit parasitären Kapazitäten zu tun, also mit der Potenzialdifferenz zwischen zwei leitenden Flächen, wenn eine Seite unter Spannung gesetzt wird. Werden allerdings Kondensatoren als Isolationsbauteile eingesetzt, macht man sich die Eigenschaft, die bei anderen Isolationstechniken ein Problem darstellt, zunutze. Die Technologie zur Integration von Kondensatoren (mit SiO2 als Dielektrikum) ist etabliert, auch wenn neue Anwendungen wie die Isolation stets neue Probleme für das Design und die Fertigung mit sich bringen.

Isolierende Kondensatoren lassen sich also zusammen mit elektronischen Schaltungen auf einem Chip integrieren. Die im Betrieb vorkommenden Frequenzen erfordern aber dennoch eine räumliche Trennung zwischen Hoch- und Niederfrequenz-Schaltungen, die nur durch die Verwendung separater Chips realisierbar ist. Bild 3 zeigt den Querschnitt durch einen Baustein, in dem Kondensatoren zur Signalisolation in einem Multi-Chip-Modul (MCM) verwendet werden.

Bild 4 ist ein Foto derselben Anordnung. Die Hochfrequenz-Schaltungen sind in dem einen Chip zusammengefasst, die Niederfrequenz-Schaltungen in dem anderen. Bonddrähte zwischen beiden Chips sind mit den kapazitiven Pads verbunden, die die ankommenden Signale galvanisch isolieren, bevor sie an die internen Schaltungen weitergeleitet werden. Wie in Bild 3 erkennbar ist, wird der Kondensator durch die Bondfläche und eine Platte gebildet, die sich auf einer tieferen Schicht des IC befindet.

Kürzlich eingeführte IC-Lösungen nutzen diese Technologie zur Realisierung einer kondensatorbasierten verstärkten Isolation in einem MCM. Die mehrkanaligen Digitalisolatoren der Reihe ISO78xx bieten beispielsweise eine Isolation für Spitzenspannungen bis zu 8000 V und Übertragungsraten bis zu 100 MBit/s. Die Module sorgen nicht nur für eine verstärkte Isolation nach industriellen Spezifikationen, sondern leisten dies in einem platzsparenden MCM, das in SPS sowie einer Vielzahl weiterer Fabrikausrüstungen eingesetzt werden kann.

Schaltungsisolation lässt Fabriken zusammenrücken

Die Schaltungsisolation dient dem Schutz von Menschen und Anlagen und der Signalintegrität. Dieser seit langem bekannten Technologie wird seit einiger Zeit vermehrte Aufmerksamkeit geschenkt, denn die Fabrikautomation erfordert mehr Vernetzung, Kommunikation und Steuerung, um einen neuen Grad an Genauigkeit und Effizienz zu erreichen.

Intelligente SPS und Sensoren steigern derzeit den Bedarf an neuen Arten der Isolation, deren Vorteile nicht nur in allen Arten industrieller Anlagen zum Tragen kommen werden, sondern auch in Automotive- und Telekommunikations-Anwendungen, Büromaschinen und anderen Märkten. Neue integrierte Lösungen mit kondensatorbasierter verstärkter Isolationstechnologie belegen bereits ihren Nutzen in diesen Systemen, und für die Zukunft sind weitere Innovationen zu erwarten.

* * Mark Morgan ... ist CTO Advanced Development bei Texas Instruments in Dallas, USA. ... Giovanni Frattini ist Leiter im Kilby Labs Design Center von Texas Instruments in Mailand / Italien.

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