Arten der Isolierung und Hinweise zur Messung

Isolierung ist eine Methode zur physikalischen und elektrischen Trennung zweier unterschiedlicher Teile eines Geräts. Wenn der Begriff Isolierung bei Geräten verwendet wird, bezieht er sich höchstwahrscheinlich auf die elektrische Trennung. Das bedeutet, dass kein Strom zwischen den beiden voneinander isolierten Teilen des Systems fließt. Die elektrische Trennung hat mehrere Vorteile, aber einer der größten Vorteile in Bezug auf die Messgenauigkeit besteht darin, dass Masseschleifen durch die Isolierung unterbunden werden.

Die Isolierung nutzt auch die physikalischen und elektrischen Barrieren, um Sicherheitsvorteile zu erzielen, indem sie hohe Spannungen oder hohe transiente Spannungen vom Benutzer oder von wichtigen Schaltungen fernhält, auf die wir in späteren Abschnitten eingehen werden.

Im Folgenden erhalten Sie einen kurzen Überblick über Masseschleifen, die im Whitepaper Überlegungen zur Erdung für bessere Messungen in der Gerätegrundlagen-Reihe ausführlicher behandelt werden.

Masseschleifen

Masseschleifen sind die häufigste Rauschquelle in Erfassungsanwendungen. Sie treten auf, wenn zwei verbundene Anschlüsse in einem Schaltkreis unterschiedliche Massepotenziale haben, was dazu führt, dass Strom zwischen den beiden Punkten fließt. Diese Potenzialdifferenz verursacht einen Fehler in der gemessenen Spannung V_m, die mit Gleichung 1 berechnet werden kann.

Gleichung 1: Gemessene Spannung bei vorhandener Masseschleife.

Wobei:

= Gemessene Spannung

  = Signalspannung

 = Spannungsdifferenz zwischen der Masse der Signalquelle und der Masse des Geräts

Im Whitepaper „Überlegungen zu Erdungen für Messungen“ wird erläutert, wie Masseschleifen vermieden werden können, indem sichergestellt wird, dass in der Signalquelle und im Messsystemaufbau nur ein Massebezug vorhanden ist. Durch die Verwendung isolierter Hardware werden jedoch auch Masseschleifen beseitigt, da der Stromfluss zwischen der Masse der Signalquelle und der Masse des Messsystems entfällt.

Im Allgemeinen gibt es drei verschiedene Arten von Isolierungstopologien, von einer niedrigen Schutzstufe bis zu einer hohen Schutzstufe:

• Kanal-Erde-Isolierung
• Bank-Isolierung (Kanal/Bus)
• Kanalweise Isolierung

Kanal-Erde-Isolierung

Dies ist die niedrigste Isolierungsstufe für ein Gerät. In Abbildung 1 finden Sie eine schematische Darstellung der Kanal-Erde-Isolierung. Die an AI 1, AI 2 und AI Masse anliegenden Spannungen sind nicht voneinander getrennt; sie sind jedoch von der Gerätemasse isoliert. Diese Isolierungstopologie unterbricht Masseschleifen zwischen AI 1 und Erde. Es ist jedoch möglich, dass ein an AI 1 anliegender Strom eine Spannung an AI 2 induziert, da sie nicht voneinander getrennt sind.

^{Abbildung 1: Die Kanal-Erde-Isolierung trennt die Kanäle nicht voneinander, jedoch die Kanäle von der Gerätemasse.}

Bank-Isolierung (Kanal/Bus)

Bei der Bank-Isolierung, auch Kanal-Bus-Isolierung genannt, werden mehrere physikalische Leitungen in Gruppen zusammengefasst, die Bänke genannt werden. Siehe Abbildung 2 für diese Architektur. Da zwischen den Kanälen in verschiedenen Bänken Isolierungsbarrieren bestehen, ist der Schutz gegen Masseschleifen zwischen den Bänken hoch. In dieser Topologie kann es jedoch vorkommen, dass sich Signale auf Kanälen innerhalb einer Bank gegenseitig beeinflussen.

^{Abbildung 2: Bei der Bankisolierung ist der Schutz gegen Masseschleifen zwischen verschiedenen Bänken hoch.}

Kanalweise Isolierung

Diese Topologie bietet den umfassendsten Schutz für die Signale auf den Geräteleitungen, da nicht nur alle Kanäle von der Masse isoliert sind, sondern jeder Kanal auch von allen anderen Einzelkanälen. Siehe Topologie in Abbildung 3.

^{Abbildung 3: Bei der kanalweisen Isolierung ist jeder Kanal von allen anderen Kanälen isoliert.}

Analoge Eingangs- oder Ausgangskanäle können unabhängig von der Isolierungstopologie des Geräts auf zwei verschiedene Weisen isoliert werden. Der Unterschied zwischen den beiden Methoden liegt in der Anordnung der Isolierungsschaltkreise im Gerät. Bei der analogen Isolierung befindet sich die Trennschaltung im Pfad vor dem Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) und wirkt auf das analoge Signal ein. Bei der digitalen Isolierung befindet sich die Trennschaltung hinter dem A/D-Wandler, da sie auf die neu digitalisierten Daten einwirkt.

Analoge Isolierung

Ein Trennverstärker ist eines der am häufigsten verwendeten Bauteile zur Isolierung im Analog-Frontend eines Geräts. Wie in Abbildung 4 dargestellt, werden die Analogdaten vom Sensor zum I/O-Anschluss über den Leistungsverstärker zum Trennverstärker und dann zum A/D-Wandler geleitet.

^{Abbildung 4: Ein Trennverstärker ist eines der am häufigsten verwendeten Bauteile zur Isolierung im Analog-Frontend eines Geräts.}

Ein großer Vorteil der analogen Isolierung besteht darin, dass sie den A/D-Wandler schützt. Da die Isolierung vor dem A/D-Wandler erfolgt, ist es weniger wahrscheinlich, dass der A/D-Wandler durch transiente oder hohe Spannungen beschädigt wird. Die analoge Isolierung hat jedoch Nachteile. Da die analoge Isolierung nicht perfekt ist und vor dem A/D-Wandler liegt, kann dies erstens dazu führen, dass dem analogen Signal zusätzlich Verstärkungs-, nichtlineare oder Offset-Fehler hinzugefügt werden, bevor es den A/D-Wandler erreicht. Dies ist nicht ideal und kann die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen. Darüber hinaus können Komponenten mit analoger Isolierung zu längeren Einschwingzeiten führen und sind oft teurer als ihre Pendants mit digitaler Isolierung.

Digitale Isolierung

Im Gegensatz zur analogen Isolierung ist die digitale Isolierung im Gerät nach dem A/D-Wandler platziert (siehe Abbildung 5).

^{Abbildung 5: Im Gegensatz zur analogen Isolierung ist die digitale Isolierung im Gerät nach dem A/D-Wandler platziert.}

Die digitale Isolierung kann im Vergleich zu analogen Isolierungsschaltkreisen zu einer besseren Leistung und Genauigkeit führen, da das gemessene Signal weniger verändert wird, bevor es vom A/D-Wandler digitalisiert wird. Digitale Isolierungsschaltkreise haben auch Vorteile gegenüber analogen Isolierungsschaltkreisen, da sie in der Regel niedrigere Gesamtkosten aufweisen und bei höheren Datenübertragungsgeschwindigkeiten arbeiten. Da sich der digitale Isolierungsschaltkreis jedoch nach dem A/D-Wandler befindet, ist der A/D-Wandler anfälliger für Schäden, die durch Spannungsspitzen verursacht werden können.

Wir haben über gängige Isolierungstopologien für Geräte und die Anwendungsmöglichkeiten der Isolierung auf das Signal im Gerät gesprochen, aber nicht über die Isolierungsbarriere selbst oder wie das Signal die Isolierungsbarriere überschreitet. In diesem Abschnitt werden wir kurz auf die Isolierungsbarriere eingehen und dann auf drei gängige Isolierungsstypen zu sprechen kommen, bei denen unterschiedliche Techniken zur Übertragung der Signaldaten über die Isolierungsbarriere verwendet werden.

Die physikalische Isolierung ist die einfachste Form der Isolierung, d. h., es gibt eine physikalische Barriere zwischen zwei elektrischen Systemen. Dies kann eine Isolierung, ein Luftspalt oder ein beliebiger nichtleitender Pfad zwischen zwei elektrischen Systemen sein. Bei einer rein physikalischen Isolierung kann man davon ausgehen, dass zwischen elektrischen Systemen keine Signalübertragung stattfindet. Bei isolierten Messsystemen muss das Signal von Interesse die Isolierungsbarriere überschreiten, sodass Masseschleifen beseitigt werden können. Daher muss die Energie des Signals über die Isolierungsbarriere übertragen oder gekoppelt werden. Im Folgenden werden drei gängige Techniken zum Übertragen des Signals über die Isolierung diskutiert.

Kapazitive Isolierung

Bei der kapazitiven Isolierung (siehe Abbildung 6) wird ein elektrisches Feld als Energie verwendet, um das Signal über die Isolierungsbarriere zu übertragen. Das elektrische Feld ändert die Ladung des Kondensators. Diese Ladung wird über die Isolierungsbarriere hinweg erkannt und verhält sich proportional zum Pegel des gemessenen Signals.

^{Abbildung 6: Bei der kapazitiven Isolierung wird ein elektrisches Feld als Energie verwendet, um das Signal über die Isolierungsbarriere zu übertragen.}

Induktive Isolierung

Bei der induktiven Isolierung wird ein Signal über eine Isolierungsbarriere über einen Transformator (siehe Abbildung 7) übertragen. Der Transformator erzeugt als Energieform, um die Isolierungsbarriere zu überwinden, ein elektromagnetisches Feld, das proportional zum gemessenen Signal ist.

^{Abbildung 7: Bei der induktiven Isolierung wird ein mit dem obigen Symbol gekennzeichneter Transformator verwendet, um ein Signal über eine Isolierungsbarriere zu übertragen.}

Wie bei der kapazitiven Kopplung kann die induktive Isolierung relativ hohe Datenübertragungsraten ermöglichen. Neben der Hochgeschwindigkeitsübertragung verwendet die induktive Kopplung eine geringe Leistung für die Datenübertragung. Die induktive Kopplung ist jedoch anfällig für Störungen durch umgebende Magnetfelder, da elektromagnetische Felder als Methode zum Überwinden der Isolierungsbarriere verwendet werden. Wenn das vom Transformator erzeugte elektromagnetische Feld durch externe Magnetfelder gestört wird, kann dies die Genauigkeit der Messung beeinträchtigen.

Optische Isolierung

Bei der optischen Isolierung werden eine LED und ein Fotodetektor verwendet, um die Signalinformationen über die Isolierungsbarriere zu übertragen. Die Isolierungsbarriere bei optischer Isolierung ist normalerweise ein Luftspalt, und das Signal wird mit Licht übertragen. Die von der LED erzeugte Lichtstärke ist proportional zum gemessenen Signal.

^{Abbildung 8: Bei der optischen Isolierung werden eine LED und ein Fotodetektor verwendet, um die Signalinformationen über die Isolierungsbarriere zu übertragen.}

Da bei der optischen Isolierung Licht als Energie verwendet wird, um das gemessene Signal über die Isolierungsbarriere zu übertragen, bietet sie den Vorteil der Immunität gegen Störungen durch elektrische und magnetische Felder. Dies kann die optische Isolierung zu einer effektiven Technik in Industriebereichen machen, in denen starke elektrische oder magnetische Felder vorhanden sein können. Den Vorteilen der Verwendung von Licht stehen einige Nachteile gegenüber. Die optische Isolierung hat normalerweise langsamere Datenübertragungsraten, die auf die LED-Schaltgeschwindigkeit beschränkt sind. Im Vergleich zur kapazitiven und induktiven Isolierung weist sie auch eine relativ hohe Verlustleistung auf.

• Isolierung ist eine Methode zur physikalischen und elektrischen Trennung zweier unterschiedlicher Teile eines Geräts.
• Das Unterbrechen von Masseschleifen zur genaueren Messung des Signals von Interesse ist ein Hauptvorteil von isolierten Messsystemen.
• Je nach Anwendungsanforderungen können Sie die Isolierungstopologie auswählen, die am besten zu den Systemanforderungen passt.
  • Die Kanal-Erde-Isolierung trennt die Kanäle von der Gerätemasse.
  • Die Bank-Isolierung (Kanal/Bus) trennt Leitungsgruppen (Bänke) von anderen Leitungsgruppen sowie von der Gerätemasse.
  • Die kanalweise Isolierung trennt jede Leitung von allen anderen vorhandenen Leitungen und von der Gerätemasse.
• Analoge Isolierungsschaltkreise schützen den A/D-Wandler vor hohen Spannungen und Spannungsspitzen, können dem Signal jedoch zusätzlich Verstärkungs-, nichtlineare und Offset-Fehler hinzufügen, bevor es den A/D-Wandler erreicht.
• Digitale Isolierungschaltkreise schützen den A/D-Wandler nicht. Zu den Vorteilen gegenüber analoger Isolierung zählen niedrigere Kosten, höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten und höhere Genauigkeit, da das Signal vor dem Erreichen des A/D-Wandlers weniger verändert wird.
• Übersicht über die Isolierungstypen: 

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