Solange der Stromversorgungskreis das Potenzial hat, mit anderen Stromkreisen, Hardware, Infrastruktur oder menschlichen Benutzern zu interagieren, können zerstörerische Überspannungssituationen auftreten. Die physikalische oder elektronische Isolierung (allgemein als elektrische Isolierung bezeichnet) zwischen Strom- und Potenzialinteraktionspunkten ist für die Sicherheit und den kontinuierlichen Betrieb von Stromkreisen von entscheidender Bedeutung. Durch die Isolierung kann auch unnötiges Rauschen im Ausgangssignal reduziert werden.
Isolationsanforderungen sind bei Robotern, Hochspannungsnetzgeräten, Werkstattausrüstung, Automobilanwendungen und Verbraucherprodukten weit verbreitet. Beim Entwurf von Isolationssystemen müssen auch die Besonderheiten der Anwendung berücksichtigt werden, wie z. B. variable Eingangsspannung, Verwendung von Batteriestrom oder die Notwendigkeit einer kompakten Verpackung.
Um die richtigen Isolationskomponenten auszuwählen, müssen Designer die Vor- und Nachteile sowie die Zusammensetzung verschiedener Isolatorstrukturen verstehen. Mit diesem Verständnis können sie die effektivsten, zuverlässigsten und platzsparendsten Isolatoren im Elektronikdesign einsetzen.
Lernen Sie den Isolator kennen
Die elektrische Isolierung kann auf verschiedene Arten erreicht werden, aber alle haben ein gemeinsames Grundprinzip: Der Hochspannungseingang auf der Primärseite ist durch einige physikalische Barrieren von der Niederspannungs- und Schwachstrom-Sekundärseite isoliert. Die Einzelheiten der Isolationsbarriere und die Methode zur Übertragung von Energie, Signalen oder beidem durch die Isolationsbarriere hängen vom Typ des Isolators ab.
Der Optokoppler nutzt LEDs, um das Signal auf der Primärseite von elektrischen Impulsen in Photonen umzuwandeln. Auf der Sekundärseite empfangen lichtempfindliche Elemente wie Fototransistoren, Fotodioden oder fotoelektrische Feldeffekttransistoren Photonen und wandeln sie in elektrische Signale um. Zusätzlich zur physischen Trennung des Primär- und Sekundärkreises können Optokoppler auch unnötiges Rauschen im Ausgangssignal automatisch eliminieren und Erdungsschleifen verhindern.
Bei einem Magnetkoppler erzeugt die Spannung an der Primärwicklung des Transformators ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erzeugt eine induzierte Spannung an der Sekundärwicklung und überträgt dadurch elektrische Signale unter Beibehaltung der elektrischen Isolierung. Transformatoren können zwei unabhängige Wicklungen auf einem einzigen Eisenkern haben, oder sie können aus zwei Induktoren bestehen, bei denen jeweils eine Wicklung um einen eigenen Eisenkern gewickelt und durch Isoliermaterial getrennt ist. Der Grund, warum sich Konstrukteure für die magnetische Kopplung entscheiden, liegt darin, dass sie eine hohe Spannungsfestigkeit, eine relativ schnelle Reaktionszeit und die Fähigkeit bietet, Signalrauschen herauszufiltern. Allerdings sollten auch die Größe des Isolators, die Möglichkeit der Wärmeentwicklung und die Entstehung elektromagnetischer Störungen berücksichtigt werden.
Der kapazitive Koppler verwendet einen Kondensator, der aus zwei durch ein dielektrisches Material getrennten Elektroden besteht. Durch die Eingangsspannung werden Ladungen auf der primärseitigen Elektrode angesammelt. Dadurch wird ein elektrisches Feld erzeugt und eine Spannung an der Sekundärelektrode induziert. Kapazitive Koppler sind für ihre geringe Größe, ihren geringen Stromverbrauch und ihre schnelle Reaktion auf Eingangsänderungen bekannt, wodurch sie bequem und effizient für die Übertragung elektrischer Signale über Isolationstores geeignet sind. Entwickler müssen Maßnahmen ergreifen, um kapazitive Koppler vor den Auswirkungen von Eingangsspannung, Umgebungsfeuchtigkeit und dielektrischen Durchschlägen zu schützen, die ihre Fähigkeiten übersteigen.
Setzen Sie digitale Isolatoren ein
Jeder der oben genannten Isolatortypen kann in ein digitales Isolatorsystem auf einem integrierten Schaltkreis (IC) integriert werden. Diese topologischen Strukturen können weiter mit Leistungsmodulen oder Signalübertragungskomponenten integriert werden, um ein vollständiges digitales Isolationssystem auf einem einzigen Chip zu bilden. Zu den gängigen Topologiestrukturen digitaler Isolatorsysteme gehören Flyback, Halbbrücke und Push-Pull.
Das Flyback-Netzteil verfügt über eine magnetische Isolationsform, die eine Shunt-Induktivität mit einem Abwärts-Aufwärtswandler kombiniert, um einen Transformator zu bilden, wodurch die Spannung des Gleichstromeingangs (DC) erhöht oder verringert wird, um sie an den erforderlichen Ausgang anzupassen. Die Rückkopplung des Tiefsetzstellers erfolgt über eine dreistufige Drosselwicklung oder einen Optokoppler. Es wird empfohlen, bei Anwendungen mit geringem Stromverbrauch Flyback-Netzteile zu verwenden, Entwickler müssen sich jedoch darüber im Klaren sein, dass möglicherweise unnötige elektromagnetische Störungen erzeugt werden.
Das Halbbrückendesign (H-Brücke) umfasst einen H-Brücken-Rechteckwellengenerator, einen Resonanzkreis bestehend aus zwei Induktivitäten und einem Kondensator (LLC) sowie zwei Gleichrichter, die die erforderliche DC-Ausgangsspannung bereitstellen können. Im Vergleich zu bestimmten Konstruktionen können Gleichrichter eine höhere Ausgangsleistung erzielen. Für Anwendungen mit mittlerer Leistung wird die Verwendung einer H-Brücken-Isolationskonstruktion empfohlen.
Das isolierte Push-Pull-Netzteil nutzt zwei Transformatoren zur magnetischen Kopplung. Zwei Schalter schalten den Transformator abwechselnd auf den Eingang der Eingangsspannung. Die beiden Vollbrückengleichrichterdioden auf der Sekundärseite können Spannungsänderungen vorhersagen und auf symmetrische Ausgänge regeln.
Um die Steuerung zu verbessern, können Entwickler dem Push-Pull-Gerät Transformatortreiber hinzufügen. Dieser Treiber integriert einen Oszillator, einen Frequenzteiler und einen Logikcontroller, um das Öffnen und Schließen von Schaltern im BBM-Modus zu koordinieren. Dieser Modus kann ein relativ konstantes Ausgangssignal erzeugen und gleichzeitig interne und nachgeschaltete Komponenten vor Schäden schützen, die durch den gleichzeitigen Anschluss zweier Schalter entstehen.
Systeme mit Transformatortreibern können auch Low-Dropout-Linearregler (LDOs) verwenden, um den Ausgang zu steuern, Gleichrichterdioden zu ersetzen oder deren Funktionalität zu verbessern. Die Spannungsdifferenz ist die minimale Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung, unterhalb derer die Schaltung den Ausgang nicht vollständig regeln kann. Bei LDO ist dieser Unterschied äußerst gering, was einen zuverlässigen Betrieb über einen weiten Eingangsspannungsbereich gewährleistet.