Grundlagen Meßtechnik

Kapitel 2 - Signalkonditionierung

2.3.2 Galvanisch getrennte Signalübertragung

Systeme die über größere Entfernungen galvanisch gekoppelt sind, haben den Nachteil, daß sie sehr empfindlich gegenüber Störeinflüssen sind, z.B. Potentialdifferenzen durch unterschiedlich starke Masseverbindungen oder durch Erdschleifen (siehe Kapitel 6.).

Diese beiden Arten von Störungen können durch eine Potentialtrennung vermieden werden. Wir kennen drei Arten der galvanischen Trennung:

- durch Licht
- induktiv
- kapazitiv

Für die Übertragung von analogen Signalen sind normale Optokoppler wegen ihrer nichtlinearen und temperaturabhängigen Kennlinie nicht geeignet. Ein Ausweg wäre hier der Umweg über eine Spannungs/Frequenz Wandlung und auf der anderen Seite eine Frequenz/Spannungs Wandlung. Bausteine mit Genauigkeiten bis zu 0.005% sind verfügbar (AD650 von Analog Device).

Es gibt aber auch spezielle integrierte Trennverstärker mit einer internen optischen Potentialtrennung, welche die Analogsignale mit einer Genauigkeit von <0.1% übertragen können (ISO 100 Burr Brown). In solchen Bausteinen sorgen sich gegenseitig kompensierende Fotodioden für die Linearität und Temperaturstabilität (Bild 1).

 Bild 1

Bei der induktiven Trennung durch einen Trafo wird das Nutzsignal auf ein Trägersignal aufmoduliert und in den Übertrager eingespeist. Auf der Gegenseite wird das Signal dann wieder demoduliert (Bild 2). Es ist jedoch zu beachten, daß die Potentialtrennung nur so gut ist wie die Isolation der Übertragerwicklung. Höherfrequente Störkomponenten können hier durchaus kapazitiv als auch induktiv übersprechen.

Bausteine mit Genauigkeiten < 0.01% sind verfügbar (AD210 Analog Device).

 Bild 2

Bei der kapazitiven Trennung unterscheidet man zwei Grundschaltungen.

Die direkte Kopplung hat den Vorteil einer ständigen Verbindung und einer Übertragung von schnellen Signalen. Dafür können sich Gleichspannungen nicht bemerkbar machen (Bild 3). Der einzige Ausweg besteht darin, daß Meßsignal auf ein Trägersignal aufzumodulieren. Es werden Kopplungskapazitäten von 1..5 pF erreicht.

 Bild 3      Bild 4

Bei der geschalteten Kapazität besteht zu keinem Zeitpunkt eine Verbindung zwischen den beiden Stromkreisen. Die Verbindungskapazität wird nur durch die Umschaltkontakte gebildet (Bild 4). Dafür wird das Meßsignal zerhackt. Es können deshalb nur Spannungsänderungen gemessen werden, die langsamer als die Umschaltfrequenz sind, dafür können jedoch Gleichspannungswerte erfaßt werden.

Entsprechende kapazitive Trennverstärker sind auf dem Markt verfügbar (ISO 113 von Burr Brown).


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