Isolation von Hochspannungen in industriellen Robotersystemen mit Einzelversorgung

Die Vernetzung mehrerer Systeme in industriellen Automationsanwendungen bietet viele Vorteile. Doch wenn zwischen diesen Systemen große Spannungsunterschiede bestehen, ist es die Aufgabe von Entwicklern, sich um diese Spannungsinkonsistenzen zu kümmern. Dazu gehören große Unterschiede in den Systemmassen.

Die Hardware-Techniken, um diesen Herausforderungen bei der analogen und digitalen galvanischen Trennung zu begegnen, weisen optische, magnetische und kapazitive Barrieren auf. Die Übertragungssignale, welche die Trennung überwinden müssen, sind Analogsignale, Signale der Stromversorgung und Digitalsignale.

Dieser Artikel stellt geeignete Lösungen zur industriellen Spannungstrennung und deren Anwendung vor.

Galvanische Trennungsbarrieren

Unter der galvanischen Trennung versteht man das Trennen von Stromkreisen voneinander, indem der Stromfluss zwischen Spannungen und Massen verhindert wird. Dies ist der Stromfluss, der sich aus der direkten Verbindung zwischen zwei oder mehr Stromkreisen ergibt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein genauerer Blick auf einen Industrieroboter zeigt die Isolationserfordernisse eines Steuerungs-, Motorantriebs- und Leistungsteils mit einer Kommunikation zwischen diesen Blöcken. (Bildquelle: Texas Instruments)

Im Szenario der galvanischen Trennung gibt es keine direkten Leitungswege. Die Attraktivität dieses Schaltungstyps ergibt sich daraus, dass mithilfe optischer, magnetischer oder elektrischer Felder analoge oder digitale Informationen über die galvanische Barriere hinweg ausgetauscht werden können. Diese Felder öffnen zahlreiche Türen. Zum einen können mehrere Systeme sicher und ordnungsgemäß mit unterschiedlichen Masse- und Spannungspotenzialen betrieben werden. Sie können auch analoge oder digitale Informationen austauschen und beeinträchtigen oder zerstören sich dabei nicht gegenseitig.

Um diesen Problemen zu begegnen, ist es die Aufgabe von Entwicklern, die richtigen galvanischen Trennungstechniken für ihre Schaltung auszuwählen. Die Auswahlmöglichkeiten sind optisch (LED, Fotodiode), elektrisch (Kondensatoren) und magnetisch (Induktoren). In diesem Artikel wird die Umsetzung aller Trennungsbarrieren anhand von Halbleiterbauelementen beschrieben (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die optische Kopplung erfordert eine LED und eine Fotodiode. Die induktive Kopplung erfordert zwei Spulenwicklungen, die durch einen Isolator getrennt sind. Die kapazitive Kopplung erfordert zwei Leiter, die durch einen Isolator getrennt sind. (Bildquelle: Texas Instruments)

Optische Trennung

Die optische Trennung beruht auf der Trennung zwischen einer sendenden LED und einem empfangenden Fotodetektor. Zur galvanischen Trennung ist die LED durch ein Isolierungsmaterial (wie z. B. ein durchsichtiges Polyimid) hindurch auf die Fotodiode gerichtet.

Abbildung 3: Ein Optokoppler enthält einen Sender (LED) und eine Fotodiode (Empfänger), die auf dem Leiterrahmen epoxiert sind, wobei sich zwischen ihnen ein durchsichtiges Polyimid befindet, welches die Trennungsbarriere bildet. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Vorteil der optischen Trennung besteht darin, dass sie immun gegen elektrische und magnetische Felder ist. Allerdings nimmt die Leistung der LED im Laufe ihrer Lebensdauer ab.

Analogsignal-Anwendungen für die optische Trennung

Die Barriere einer optischen Trennungskomponente ist in der Lage, sowohl analoge als auch digitale Signale zu übertragen. Vishay Semiconductor Opto Division bietet mit seinem linearen Optokoppler IL300 eine lineare optische Trennungskomponente an, in deren Gehäuse sich eine LED und zwei Fotodioden befinden, die alle galvanisch voneinander getrennt sind. In dem IL300-Chip strahlt das LED-Licht gleichmäßig auf die beiden Fotodioden, um gleichwertige Ströme (I_P1 und I_P2) zu erzeugen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die LED und die Fotodiode 1 (I_P1) des IL300 befinden sich auf der linken Seite der Trennungsbarriere. Die Fotodiode 2 (I_P2) befindet sich auf der rechten Seite der Trennungsbarriere. (Bildquelle: Vishay Semiconductor Opto Division)

In Abbildung 4 steuert der Verstärker U1 (Texas Instruments, TLV9064IDR) die LED des IL300 an, um den Fotodioden-Rückkopplungsstrom (I_P1) zu erzeugen. Der Vorwärtsregelungsstrom der Fotodiode (I_P2) wird durch den isolierten Widerstand R2 gesendet, der in der Rückkopplungsschleife des isolierten Verstärkers U2 angeordnet ist. In dieser Schaltung ist die Verstärkung gleich R2/R1. Außerdem ist das V_out-Signal unempfindlich gegenüber Änderungen in V_CC1 gegenüber V_CC2 und den beiden Massen.

Die LED verliert im Laufe der Zeit an Helligkeit. Allerdings hängt das System aus Abbildung 4 nicht von der Helligkeit der LED ab; es ist lediglich erforderlich, dass die LED leuchtet. Ihr Licht wird von beiden Fotodioden gleichermaßen erfasst. Soll der IL300 im Blockschaltbild von Abbildung 1 eingesetzt werden, so wäre eine geeignete Stelle dafür zwischen der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und der Robotersteuerung.

Digitalsignal-Anwendungen für die optische Trennung

Eine alternative Anwendung des Optokopplers ist sein Einsatz als digitaler Sender. Der Zweikanal-Optokoppler SFH6750-X007T von Vishay Semiconductor Opto Division sowie der Einkanal-Optokoppler QTM601T1 von QT Brightek sind Highspeed-Optokoppler mit einem Open-Drain-NMOS-Transistor-Ausgang, der problemlos den dreikanaligen digitalen Ausgang eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) isoliert (Abbildung 5).

Abbildung 5: Der Doppelkanal-Isokoppler SFH6750 und der Einzelkanal-Isokoppler QTM601T1 bilden die Trennungsbarriere, die einen 24-Bit-ΔƩ-ADC isoliert. (Bildquelle: DigiKey)

In Abbildung 5 wird der serielle Ausgabecode eines 24-Bit-Delta-Sigma-(ΔƩ)-Wandlers von der isolierten Seite des Stromkreises zur Systemseite kommuniziert. Der SFH6750 übernimmt die optische Übertragung im digitalen Bereich.

Die Konfiguration mit SFH6750 und QTM601T1 bietet bis zu 10 Megabaud (MBd) Übertragungsgeschwindigkeiten, wodurch sie sich ideal für Highspeed-Anwendungen eignet. Ausgehend vom Blockschaltbild von Abbildung 1 wäre eine geeignete Stelle für die ACD-Schnittstelle zwischen der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und der Robotersteuerung.

Induktive Trennung

Bei der induktiven Trennung werden zwei Spulen verwendet, die übereinander gestapelt und durch ein Dielektrikum zwischen ihnen getrennt sind. Durch das Anlegen eines Wechselspannungssignals wird ein Magnetfeld erzeugt, das ein elektrisches Feld in der sekundären Spule induziert (Abbildung 6).

Abbildung 6: Eine Transformatorkonfiguration besteht aus zwei Wicklungen mit einer Polyimid-Trennung. (Bildquelle: Analog Devices)

Die induktive Trennung ist sehr effizient. Sie ist allerdings auch anfällig gegenüber Magnetfeldern.

Stromversorgungs-Anwendungen für die induktive Trennung auf Spulenbasis

Magnetische Trennungsbarrieren sind nützlich für Anwendungen zur Trennung von Analog- und Stromversorgungssignalen. Der Induktor und der externe Stromversorgungs-FED für den Stromrichter, der isolierte DC/DC-Aufwärtswandler ADP1621ARMZ-R7 von Analog Devices, sind T1 bzw. Q3 (Abbildung 7).

Abbildung 7: Ein Referenzdesign mit dem Isolationsverstärker ADuM3190 und dem DC/DC-Aufwärtsschaltregler ADP1621. (Bildquelle: Analog Devices)

In Abbildung 7 liefert der hochstabile linear isolierte Fehlerverstärker ADUM3190ARQZ-RL7 das analoge Rückkopplungssignal von der T1-Sekundärseite zur Primärseite. Die gesamte Schaltung arbeitet mit 5 bis 24 Volt, wodurch sie sich für standardmäßige Industriestromversorgungen eignet.

Kapazitive Trennung

Die Konstruktion eines kapazitiven Trennungselements besteht aus zwei nahe zueinander angeordneten Platten, zwischen denen sich ein Dielektrikum befindet. Das Siliziumdioxid-Material (SiO₂) kann zwischen den kapazitiven Platten implantiert werden, um diese Isolationswirkung zu erzielen. In dieser Konfiguration liegt die Durchbruchspannung des SiO₂ zwischen 500 und 800 V/Mikrometer (µm). Eine typische Entfernung für diesen Typ von Isolatoren beträgt 27 mm, wodurch die Trennungsbarriere zwischen 13,5 Kilovolt (kV) und 31,6 kV liegt (Abbildung 8).

Abbildung 8: Das Dielektrikum zwischen den kapazitiven Platten besteht aus Siliziumdioxid (SiO₂) und sorgt für einen Isolationsschutz von 500 bis 800 V/mm. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die kapazitive Trennung ist optimal bei geringer Platzverfügbarkeit. Allerdings ist die Komplexität der Umgebungsschaltungen erheblich höher als bei den optischen und magnetischen Lösungen.

Analog-Anwendungen für die kapazitive Trennung

Ein typischer kapazitiver Analog-Isolator, z. B. der AMC1301DWVRQ1 oder AMC1311DWV von Texas Instruments, empfängt das Analogsignal, moduliert das Signal zu einem digitalen Abbild und überträgt das digitalisierte Signal über die Barriere hinweg (Abbildung 9).

Abbildung 9: Der kapazitive, voll differenzielle Analog-Isolator AMC1311DWV überträgt ein Delta-Sigma-(ΔƩ)-Modulatorsignal zweiter Ordnung über die Barriere hinweg. (Bildquelle: Texas Instruments)

Auf der Empfängerseite der Barriere wird das Signal wieder zurück in das differenzielle Analog-Ausgabesignal demoduliert.

Die induktiven Lasten in einer Motorsteuerungsumgebung sind anfällig für hohe Schaltspannungsschwankungen. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen, erfordert dieses volatile Umfeld eine ständige Überwachung. Die isolierte Spannungsmessung, bei der Widerstandsteiler verwendet werden, um die hohe Gleichtaktspannung in einer industriellen Motorantriebsschaltung zu reduzieren, ist eine geeignete Motorsteuerungsanwendung für die isolierten Verstärker AMC1301 und AMC1311 (Abbildung 10).

Abbildung 10: Die AMC1301s messen die FET-Ströme zur induktiven Brücke. Der AMC1311 misst die DC-Busspannung in den Frequenzumrichtern. (Bildquelle: Texas Instruments)

In Abbildung 10 wird die Phasenstrommessung mithilfe der Shuntwiderstände R_SHUNT und der isolierten Verstärker AMC1301 durchgeführt. Der hochimpedante Eingang und die hohe Gleichtakt-Transienten-Störfestigkeit des AMC1311 ermöglichen die Messung der Vorspannung V_BIAS für eine Stabilitätsmessung der Systemkonfiguration. Der AMC1311 gewährleistet einen zuverlässigen und präzisen Betrieb selbst in Umgebungen mit starkem Rauschen, z. B. der Leistungsstufe der in Motorantrieben eingesetzten Frequenzumrichter.

Sowohl der AMC1301 als auch der AMC1311 sind unempfindlich gegenüber magnetischen Störungen und bieten eine galvanische Trennung von maximal 7 kV_PEAK. In Verbindung mit isolierten Stromversorgungen verhindern der AMC1301 und der AMC1311, dass aus hoher Gleichtaktspannung resultierende Rauschströme in die lokale Erdungsleitung eintreten und Störungen oder Beschädigungen der empfindlichen Schaltkreise verursachen kann.

Digital-Anwendungen für die kapazitive Trennung

Ein typischer kapazitiver digitaler Isolator empfängt das Digitalsignal, moduliert das Signal auf ein geeignetes AC-Signal und sendet dieses Signal in Vorbereitung der Übertragung des DC-Signals zu dem Ausgangs-Pin zu einem Demodulator (Abbildung 11).

Abbildung 11: Der kapazitive digitale Isolator erfordert einen hohen DC-Eingang, der zu einem AC-Signal moduliert wird. Das AC-Signal überwindet die Trennungsbarriere und wird dann wieder in einen hohen DC-Wert demoduliert. (Bildquelle: Silicon Labs)

In Abbildung 11 ist es möglich, auf der Empfängerseite ein hohes digital übertragenes Signal zu erzeugen, solange das übertragene Signal hoch gehalten wird. Der Konflikt bei dieser Logik besteht darin, dass es beim Entweichen der Ladung aus den Kondensatorplatten oder bei einer Unterbrechung der Stromversorgung auf der Empfängerseite möglich ist, dass sich der Ausgang zu null ändert, während sich der Eingang im High-Status befindet. Wenn dies auftritt, geht ein digitaler High-Status des Empfängers verloren. Zur Lösung dieses Problems erzeugt der Modulator eine niedrige Spannung für eine digitale „null“ und ein schnelles Rail-to-Tail-AC-Signal für eine digitale „eins“ (Abbildung 12).

Abbildung 12: Der digitale kapazitive Isolator erfordert das Senden eines AC-Signals über die Barriere hinweg, wenn der Eingabecode „eins“ ist. Dieses AC-Signal ist nicht erforderlich, wenn der Eingabecode „null“ ist. (Bildquelle: Silicon Labs)

In einem Beispiel für die kapazitive digitale Trennung werden die Digitalkoppler SI8422 und SI8423 von Silicon Labs eingesetzt, um die digitalen Leitungen zwischen einem Mikrocontroller und dem ADC zu verbinden (Abbildung 13).

Abbildung 13: Isolierte Vierkanal-SPI-Schnittstelle, bei der drei Kanäle die Signale von links nach rechts senden und ein Kanal sein Signal von rechts nach links sendet. (Bildquelle: DigiKey)

Die kapazitiven digitalen Komponenten verbrauchen wenig Strom und bieten gleichzeitig hohe Datenraten und eine geringe Laufzeitverzögerung. Beide Komponenten unterstützen Datenraten bis zu 150 Megabit/Sekunde (Mbit/s).

Zusammenfassung

Optisch, magnetisch und kapazitiv galvanisch trennende Barrieren sind mögliche Lösungsansätze für die Herausforderungen, vor denen viele Systeme in der industriellen Automatisierung stehen, die mit analogen und digitalen Übertragungssignalen arbeiten. Geeignete industrielle Automatisierungslösungen können mithilfe von Kombinationen aus diesen drei Hardware- und den beiden Signalübertragungstechniken realisiert werden.