Anwendungen wie industrielle Automatisierungs- und Steuerungstechnik, Messgeräte und Produktionsanlagen erfordern höchste Zuverlässigkeit, insbesondere unter rauen und gefährlichen Bedingungen. Leistungsverbesserungen sind ebenfalls von großem Wert; beispielsweise kann eine geringfügige Erhöhung der Kommunikationsgeschwindigkeit die Effizienz bei der Fabrikeinrichtung deutlich steigern. Gleichzeitig haben die Einhaltung von Normen und Sicherheitsstandards höchste Priorität.
In jüngster Zeit sind zu diesen bekannten Anforderungen an das Industriedesign Anforderungen hinzugekommen, die typischerweise mit Konsumgütern verbunden sind. Designer stehen unter zunehmendem Druck, die Systemgröße und den Energieverbrauch zu reduzieren, zum einen, weil kleinere, enger beieinander liegende Komponenten eine Herausforderung für das Wärmemanagement darstellen, zum anderen aber auch aufgrund von Faktoren wie Umweltbewusstsein und schwankenden globalen Energiepreisen.
Der Aufstieg des optischen Kopplers
Isolationsbauteile spielen eine Schlüsselrolle in diesem wachsenden Industriemarkt. Sie erfüllen drei wichtige Funktionen in elektrischen und elektronischen Geräten: Erstens werden sie dort eingesetzt, wo galvanische Trennung erforderlich ist, sei es aus Sicherheitsgründen oder zum Schutz von Schaltungen; zweitens können sie Fehlanpassungen der Impedanz beseitigen; und drittens können sie zur Reduzierung von Schaltungsrauschen verwendet werden. Letzteres ist insbesondere in industriellen Umgebungen wichtig, wenn elektrisch rauschbehaftete Motoren und Antriebe mit empfindlichen elektronischen Steuerschaltungen kombiniert werden müssen.
Optische Koppler, auch Optokoppler genannt, haben sich in zahlreichen industriellen Isolationsanwendungen als bevorzugte Lösung etabliert. Diese Bauelemente wandeln elektrische Signale mithilfe einer Eingangsschaltung, die eine LED (üblicherweise vom Typ GaAlAs) steuert, in Licht um. Ein im selben Gehäuse integrierter, hochempfindlicher Fotodetektor erfasst die entstehenden Lichtsignale und wandelt sie über eine Ausgangsschaltung wieder in das entsprechende elektrische Signal um.
Die Art des Bauteils und seine Anwendung werden primär nicht durch die LED/Detektor-Kombination, sondern durch die Art der Eingangs- und Ausgangsschaltung bestimmt, die sehr unterschiedlich sein kann. Beispielsweise kann ein optischer Koppler eine einfache Ein-/Ausschaltfunktion realisieren, die früher von einem Schalter oder Relais übernommen wurde. Andere Bauteiltypen nutzen hingegen einen Logikpegel-Eingang, um einen Hochstromausgang zu erzeugen, der sich zum Ansteuern von Leistungs-MOSFETs oder IGBTs eignet – eine Aufgabe, die eher der Signalaufbereitung als dem Schalten mit Relais ähnelt.
In allen Anwendungen ersetzen optische Koppler jedoch zunehmend elektromechanische Lösungen und bieten die bekannten Vorteile der Halbleitertechnologie: lange Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit, geringer Stromverbrauch, hohe Schaltgeschwindigkeit und kleiner Platzbedarf auf der Leiterplatte.
Optionen für optische Koppler
Optische Koppler mit Ausgangstransistoren werden in Anwendungen wie SPS-Schaltern, Netzteilen und Wechselrichtern eingesetzt. Die wichtigsten Auswahlkriterien für den Entwickler sind die Kollektor-Emitter-Spannung, das Stromübertragungsverhältnis, die Kanalanzahl und das Gehäuse.
Eine zweite wichtige Kategorie von optischen Kopplern umfasst leistungsfähigere Koppler-ICs.
Beispielsweise kombiniert der TLP2404 von Toshiba Electronics Europe (TEE) einen weiten Eingangsspannungsbereich (4,5 V bis 30 V) mit einem Open-Collector-Inverslogik-Ausgang und ist damit ideal für Entwickler geeignet, die eine Isolationsschnittstelle zwischen intelligenten Leistungsmodulen (IPMs) und der Steuerschaltung des ICs implementieren müssen (Abbildung 1). Platzmangel und andere Designüberlegungen können zudem den Einsatz mehrerer Kanäle erforderlich machen.
Die Bausteine TLP2468 und TLP2168 von Toshiba bieten beispielsweise Ein- oder Zweikanal-Ausgangsoptionen mit sehr hoher Eingangs-Ausgangs-Rauschimpedanz für Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsschnittstellen (20 Mbit/s) in Anwendungen wie industrieller Automatisierungstechnik und Messtechnik. Obwohl die Ausgänge typischerweise als Open-Collector konfiguriert sind, ist es mitunter erforderlich, Strom in beide Richtungen zu leiten.
In diesem Fall kann ein Bauteil wie der TLP2366 mit Totem-Pole-Ausgang sowohl zur Verbrauchs- als auch zur Versorgungssteuerung eingesetzt werden. Für andere Anwendungen, wie die Steuerung einer Wechselstromlast, eines Halbleiterrelais oder eines Motors, eignet sich ein Triac-Koppler.
Optische Relais (auch MOSFET-Ausgangskoppler genannt) ersetzen mechanische Relais zunehmend in Schaltanwendungen. Die erforderlichen Eigenschaften hängen von der jeweiligen Anwendung ab; so benötigt die industrielle Messtechnik typischerweise niedrige Kapazitäten und geringe Widerstände.
Der universelle optische Koppler, der für Ingenieure zur Steuerung von Leistungsschaltungen mit IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) oder Leistungs-MOSFETs entwickelt wurde, integriert ein komplettes Gate-Steuerungssystem in einem einzigen Gehäuse. Ein Bauteil wie der Toshiba TLP352 erfüllt genau diese Anforderungen und entspricht vollständig internationalen Sicherheitsstandards wie EN 60747-5-2 (und weiteren).
Anwendungen von optischen Kopplern
In der Praxis benötigen Anwendungen häufig mehr als einen Typ von optischen Kopplern. So müssen beispielsweise in einer typischen Anwendung mit einem IGBT- oder MOSFET-basierten AC-Servoverstärker (siehe Abbildung 2) die Koppler zur Gate-Steuerung auch eine hohe Isolation (bis zu 3750 V) bieten, da Stromspitzen von 1 A oder mehr keine Seltenheit sind.
Im Gegensatz dazu ist die Geschwindigkeit an der Schnittstelle zwischen Servoschaltung und Host-Mikrocontroller bzw. ASIC besonders wichtig. Daher wird ein Koppler benötigt, der Geschwindigkeiten im Megabit-Bereich (oder im Bereich von mehreren zehn Megabit) ermöglicht. Netzwerkschnittstellen, Display und Kühlsystem müssen zwar nicht unbedingt die höchsten Geschwindigkeitsspezifikationen erfüllen, jedoch angemessene Logikspannungspegel und Störfestigkeit gewährleisten.
Eine typische SPS-Steuerungsanwendung benötigt verschiedene Arten von optischen Kopplern, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Wie beim Beispiel des AC-Servos können die Datenübertragungsgeschwindigkeiten hoch sein: bis zu 25 Mbit/s. SPSen verarbeiten typischerweise eine Vielzahl von Ein- und Ausgängen sowie einfache Logiksignale. Wie bereits erwähnt, ist daher die Verwendung von AC-Eingängen (oben links in Abbildung 3) sowohl in Einkanal- als auch in Mehrkanalkonfigurationen erforderlich. Die Möglichkeit, Versorgungsspannungen von 3,0 V bis 20 V zu verarbeiten, erweitert die Optionen des Entwicklers zusätzlich.
Trends bei optischen Kopplern
Angesichts der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten schreitet die Entwicklung optischer Koppler rasant voran. Wie bereits erwähnt, ist der Platzbedarf auf der Leiterplatte ein wesentlicher Faktor für die Miniaturisierung von Bauteilen. Dual-in-line-Gehäuse (DIPs) haben eine deutliche Größenreduzierung erfahren: Ein aktuelles 6-Pin-Shrink-DIP benötigt 50 % weniger Platz als das 8-Pin-DIP, das es ersetzt, und viele DIPs werden durch SMD-Bauteile (Surface-Mount Devices) ersetzt.
Obwohl die Gehäuse immer kleiner werden, bleiben die IEC/EN-Anforderungen für Kriechstrecke (kürzester Abstand entlang der Oberfläche des internen Isoliermaterials zwischen leitfähigen Teilen in einem isolierenden Bauteil) und Luftabstand (kürzester Abstand durch die Luft zwischen zwei leitfähigen Teilen) unverändert oder sind sogar noch strenger geworden. Dies stellt Hersteller von optischen Kopplern vor erhebliche Herausforderungen. Neu auf den Markt gebrachte Geräte weisen trotz kompakter, flacher Gehäuse Kriech- und Luftabstandswerte von über 5 mm auf.
Auch der Betrieb über einen weiten Temperaturbereich wird zunehmend wichtiger, daher bieten optische Koppler typischerweise einen Betriebsbereich von [Temperaturbereich einfügen].
-40 °C bis 125 °C. Fortschritte bei Prozessen und Gehäusen sowie die Einführung neuer LLTL-Technologien (Long-Life-LEDs) ermöglichen es Unternehmen wie Toshiba, die Anforderungen mit Geräten zu erfüllen, die über den gesamten Temperaturbereich hinweg Leistung gewährleisten und die Zuverlässigkeit während ihrer gesamten Betriebsdauer verbessern.
Abbildung 4 veranschaulicht einige der neuesten Trends bei optischen Kopplern anhand der Entwicklung der Toshiba-Produktlinie.
Gleichzeitig werden aufgrund der besonderen Bedeutung der industriellen Sicherheit auch die Anforderungen an die Spannungsisolation immer strenger. So müssen aufgrund der Einhaltung internationaler Sicherheitsstandards selbst miniaturisierte optische Koppler mittlerweile eine Spannungsisolation von bis zu 5000 Vrms aufweisen.
Obwohl die Spezifikationen immer strenger werden, ist die größtmögliche Reduzierung des Stromverbrauchs von größter Bedeutung. So können aktuell verfügbare IGBT-Steuerkoppler zwar Spitzenströme von bis zu 6 A liefern, die optischen Koppler selbst verbrauchen jedoch nur wenige Milliampere und zeichnen sich durch sehr schnelle Schaltzeiten (unter 200 ns) und geringe Laufzeitdifferenzen (80 ns oder weniger) aus. Diese Technologien ermöglichen es Ingenieuren, präzise gesteuerte Leistungsschaltungen zu entwickeln und so den Gesamtstromverbrauch des Systems zu senken.
Schließlich konzentrieren sich einige der jüngsten Fortschritte bei optischen Kopplern auf die Erhöhung der Datenübertragungsgeschwindigkeiten, um dem wachsenden Datenvolumen in Anwendungen wie IPM-Steuerung und digitalen Schnittstellen gerecht zu werden.
Neben der Verbesserung der Datenübertragungsgeschwindigkeit ist die Aufrechterhaltung der Signalintegrität von entscheidender Bedeutung. Daher bieten die meisten optischen Koppler von Toshiba eine hohe Störfestigkeit zwischen Ein- und Ausgang und verfügen über eine interne Faraday-Abschirmung. Diese Abschirmung gewährleistet eine minimale Störfestigkeit gegenüber Gleichtaktstörungen, typischerweise zwischen ±15 kV/µs und ±20 kV/µs, und verbessert somit die Signalqualität bei diesen hohen Datenübertragungsgeschwindigkeiten weiter.
