Isolationsverstärker

Trennverstärker oder Isolationsverstärker (auch englisch Isolation Amplifier) werden eingesetzt, um kleinere Spannungs-/Stromschwankungen zu isolieren, die auf einem Stromkreis mit anliegender Spannung aufmoduliert sind. Dazu muss eine galvanische Trennung der vorgespannten Leitungskreise von den Verstärkerschaltungen erfolgen. Diese Trennung erfolgt im einfachsten Fall über eine Doppelspule (induktives Prinzip, transformatorische Kopplung) oder über einen Kondensator kapazitive Kopplung. Diese überträgt nur die Spannungsänderungen/Stromschwankungen, aber nicht die Grundspannung.

Wegen der "Trägheit" der Spule bzw. des Kondensators muss die Windungszahl der Spule (technisch korrekter die Induktivität) bzw. für eine Kondensatorkopplung die Kapazität (technisch korrekter die Kapazitanz) auf die Frequenz des zu verstärkenden Signals abgestimmt sein. Die Eigenschaft des Kopplungsgliedes, nur bestimmte Frequenzen durchzulassen, (Bandfilter) ist auch die Basis für einen zweiten Effekt des Trennverstärkers. Sehr kurze Spannungsspitzen (etwa Störungen als Folge eines Anschaltvorganges) werden durch die induktive Kopplung nur abgeschwächt weitergegeben und belasten daher weniger stark die empfindlichen Verstärkerkomponenten (Dioden, Transistoren).

Die oben angesprochenen Frequenzfilter-Eigenschaften stellen eine Einschränkung dar, wenn eine sehr große Bandbreite an Frequenzen verstärkt werden soll. Diese Notwendigkeit besteht etwa im Bereich der Audio-Elektronik.

Wegen der großen Bandbreite der zu übermittelnden Frequenzen, wird eine galvanische Trennung benötigt, die eine geringe Frequenzselektivität besitzt. Dies kann über die Verwendung von Leuchtdioden in Kombination mit Fotoelementen geschehen. Eine Spannungsänderung erzeugt hier über die Leuchtdiode einen der Größe der Spannungsänderung proportionale Helligkeitsänderung. Diese wird vom Photoelement aufgenommen und der dabei entstehende Fotostrom verstärkt. Dieses Prinzip nennt man optoelektronische Kopplung.

Mess-Trennverstärker

Prinzipschaltbild zur Messung erdfreier Spannungen mittels galvanisch getrenntem Verstärker.

Mit elektronischen Subtrahierern lassen sich – je nach Bauweise – Spannungen verarbeiten, welche mit Gleichspannungen zwischen 10 V und 200 V überlagert werden. Zur Messung von Spannungen, welche von hohen Gleichspannungen (im kV-Bereich) überlagert werden, werden galvanisch getrennte Messverstärker benötigt. Die galvanische Trennung kann jedoch auch bei kleineren Spannungen – etwa aus Sicherheitsgründen – erfolgen.

Hierbei wird die Messschaltung in einen Sende- und einen Empfangsteil aufgeteilt. Der Sender arbeitet auf dem Messpotenzial, während der Empfänger auf einem Nullpotenzial arbeitet. Dazu wird auf dem Sender eine erdfreie Stromversorgung benötigt. Der Masseanschluss dieser erdfreien Stromversorgung (floating Ground) dient hierbei als Bezugspotenzial für die Messung des Sendeteils.

Die Stromversorgung wird dazu galvanisch über einen Transformator getrennt. Zusätzlich tritt jedoch auch eine kapazitive Kopplung über eine parasitäre Kapazität C_s auf. Aus diesem Grund werden hier Hochfrequenz-Transformatoren eingesetzt, welche mit einem hochfrequenten Sinusoszillator (meist im 100 kHz-Bereich) betrieben werden. Dadurch werden sehr geringe Koppelkapazitäten mit weniger als 10 pF erreicht.

Wenn allerdings beide Messpunkte hochohmig sind, kann auch eine sehr kleine Koppelkapazität zu Spannungsfehlern am Floating-Ground-Anschluss führen. In diesem Fall wird die Potenzialdifferenz mit einem Elektrometersubtrahierer, welcher über die erdfreie Stromversorgung versorgt wird, bestimmt. Dadurch wird gewährleistet, dass die Messleitungen stromlos sind. Der Floating-Ground wird möglichst nahe am Messobjekt angebracht um die Gleichtaktaussteuerung des Elektrometersubtrahierers klein zu halten.

Im Weiteren muss die gemessene Spannung elektrisch isoliert an den Empfänger übertragen werden. Hierzu werden die folgende Arten der galvanischen Trennung eingesetzt:

• die induktive Kopplung
• die kapazitive Kopplung
• die optoelektronische Kopplung (Optokoppler)

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

Beispielschaltung zur Übertragung eines Analogwertes mittels Optokoppler

Mit Optokopplern hingegen können Gleichspannungen auch direkt übertragen werden. Die Nichtlinearität des Optokopplers wird durch eine geeignete Beschaltung – über den Vergleich mit einem baugleichen Referenz-Optokoppler – aufgehoben.

Bauelemente

Trennverstärker mit induktiver, kapazitiver und optoelektronischer Kopplung sind im Handel als fertige Bauteile 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	Leistungs- bandbreite	Isolations- spannung	Merkmal
AD202	Analog Devices	induktiv	Eingang	3 kHz	750 V	geringe Kosten
AD210	Analog Devices	induktiv	Ein- und Ausgang	20 kHz	2500 V	3-Tor Isolation
AD215	Analog Devices	induktiv	Eingang	150 kHz	1500 V	hohe Geschwindigkeit
ISO100	Texas Instruments, Burr-Brown	optisch	extern	5 kHz	750 V	Rauscharm
ISO103	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	Eingang	10 kHz	1500 V	komplementäre Stromversorgung
ISO113	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	Ausgang	10 kHz	1500 V	komplementäre Stromversorgung
ISO121	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	extern	5 kHz	3500 V	gute Isolation
ISO122P	Texas Instruments, Burr-Brown	kapazitiv	extern	3 kHz	1500 V	sehr geringe Kosten
HCPL7840	Agilent	Optokoppler	extern	15 kHz	2500 V	gute Isolation (15 kV·µs-1)
HCPL788J	Agilent	Optokoppler (digital)	extern	3 kHz	1500 V	gute Isolation (25 kV·µs-1)

Fertige Bauteile, welche eine externe Stromversorgung benötigen werden mit einer isolierten Stromversorgung betrieben. Auch diese sind als fertige Bauelemente erhältlich wie etwa die DCP02-Serie von Texas Instruments oder die HPR100-Serie von C&D Technologies.