Trennverstärker

Trennverstärker oder Isolationsverstärker werden immer dann zur galvanischen Trennung eingesetzt, wenn diese durch Übertrager nicht möglich oder erwünscht ist. Trennverstärker können im Gegensatz zu Übertragern auch Gleichspannungssignale übertragen. Der Begriff Verstärker bedeutet nicht zwingend, dass sie auch eine Spannungsverstärkung vornehmen.

Arbeitsprinzipien

Prinzipschaltbild eines Trennverstärkers

Die Schaltung eines Trennverstärkers besteht aus Sende- und Empfangsteil. Der Sender arbeitet auf dem Messpotenzial, während der Empfänger auf einem anderen Potential arbeitet. Dazu wird auf dem Sender eine erdfreie Stromversorgung benötigt. Der Masseanschluss dieser erdfreien Stromversorgung (floating Ground) ist das Bezugspotenzial des Sendeteils.

Die Stromversorgung wird galvanisch über einen Transformator getrennt. Es werden isolierte, sogenannte DC/DC-Wandler eingesetzt, die mit einem hochfrequenten Oszillator im Bereich um einige 100 kHz arbeiten. Dadurch werden sehr geringe Koppelkapazitäten, oft weniger als 10 pF, erreicht.

Die Signalspannung muss elektrisch isoliert an den Empfänger übertragen werden. Hierzu werden die folgenden Arten der galvanischen Trennung eingesetzt:

induktive Kopplung
kapazitive Kopplung
optoelektronische Kopplung (Optokoppler oder Lichtleitkabel)

Bei der induktiven oder kapazitiven Kopplung muss die gemessene Spannung auf einen Träger mit genügend hoher Frequenz moduliert werden. Hierbei kommt meist eine Frequenzmodulation oder Pulsdauermodulation zum Einsatz.

Schaltung zur Übertragung eines Analogwertes mittels Optokoppler: beide Optokoppler können auch denselben Sender verwenden

Auch mit einfachen Optokopplern können Gleichspannungen übertragen werden. Die Nichtlinearität des Optokopplers wird durch eine geeignete Beschaltung – über den Vergleich mit einem baugleichen Referenz-Optokoppler – aufgehoben. Auch gibt es speziell hierfür Optokoppler mit einer Sendediode und zwei Empfängerdioden, die hinsichtlich ihrer CTR besonders eng toleriert sind.

Bauelemente

Trennverstärker mit induktiver, kapazitiver und optoelektronischer Kopplung sind im Handel als fertige Bauelemente erhältlich. Viele Typen bieten hierbei bereits eingebaute Gleichspannungswandler. Externe Gleichspannungswandler werden daher meist nur dann eingesetzt, wenn mit diesem mehrere Isolationsverstärker mit gemeinsamen Floating-Ground betrieben werden.

Wichtige Trennverstärker
Typ	Hersteller	Signalübertragung	Isolierte Stromversorgung	Grenzfrequenz	Isolations- spannung	Anmerkungen
AD202	Analog Devices	induktiv	intern	0…2 kHz	${\hat {U}}$ = 2000 V	selbstversorgter Eingang
AD210	Analog Devices	induktiv	intern	0…20 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 2500 V	Differenzeingang, von E und A isolierte Versorgung
AD215	Analog Devices	induktiv	intern	0…120 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 1500 V	selbstversorgter Eingang
ISO100	Texas Instruments, Burr-Brown	optisch	extern	0…5/60 kHz	${\hat {U}}$ =750 V	rauscharm, Auslaufmodell
ISO103	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	intern	0…20 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 1500 V	selbstversorgter Eingang
ISO113	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	intern	0…20 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 1500 V	selbstversorgter Ausgang
ISO121	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	extern	0…60 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 3500 V	±10V Ein-/Ausgang, Verstärkung 1
ISO122, ISO124	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	extern	0…50 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 1500 V	±10V Ein-/Ausgang, Verstärkung 1
HCPL-7840	Avago Technologies	Optokoppler	extern	0…100 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 600 V (CAT III)	Transientenfestigkeit 15 kV·µs⁻¹, ±200 mV Eingang für Shunt, Verstärkung 8, Differenz-Ausgang
HCPL-788J	Avago Technologies	Optokoppler	extern	0…30 kHz	$U_{\mathrm {eff} }$ = 1000 V (CAT III)	Transientenfestigkeit 25 kV·µs⁻¹, ±200 mV Eingang für Shunt, Verstärkung einstellbar, single-ended Ausgang
HCNR200 HCNR201	HP	Doppel- Optokoppler	extern	0…1 MHz	${\hat {U}}$ = 1400 V	nur Koppler mit 2 Fotodioden, externe Beschaltung erforderlich

Isolationsverstärker werden oft aus isolierten DC/DC-Wandlern gespeist.

Literatur

Dieter Zastrow: Elektronik: Lehr- und Übungsbuch für Grundschaltungen der Elektronik, Leistungselektronik, Digitaltechnik/Digitalisierung mit einem Repetitorium Elektrotechnik. 9. Auflage. Vieweg+Teubner, 2010, ISBN 978-3-8348-0887-5, Kapitel 9.7: Trennverstärker.