Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Kapazitiver Isolator vs. induktiver Isolator - EMV Diskussion


von Filip D. (filip_d848)


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Hey,
ich soll ein SPS Signal mithilfe eines digitalen Isolators überwachen. 
Genutzt werden soll entweder eine induktive oder eine kapazitive, jedoch 
keine optische Isolation.

Das PCB auf der die Komponente verbaut wird, wird später in einem 
Schaltschrank eines CNC-Bearbeitungszentrums verbaut. Mir sind die 
genauen Vorteile der grundsätzlichen Methoden bewusst. Mich würde aber 
besonders Folgendes interessieren:

Magnetische Felder sind schwerer zu kontrollieren als elektrische und 
können nicht vollständig abgeschirmt werden. Sie können lediglich durch 
hochpermeable Materialien umgeleitet werden. Im Gegensatz dazu lassen 
sich elektrische Felder durch leitfähige Hüllen effizient abschirmen. 
Elektromagnetische Felder, die aus elektrischen und magnetischen 
Komponenten bestehen, können bei hohen Frequenzen ebenfalls durch 
geeignete Abschirmmaterialien kontrolliert werden.

Ist es rational, einen kapazitiven Isolator zu wählen, da durch hohe 
Ströme in einem Schaltschrank Magnetfelder entstehen, die schwerer 
abzuschirmen sind, während elektrische Felder, für die kapazitive 
Isolatoren anfälliger sind, leichter abgeschirmt werden können, oder 
fällt dieser Unterschied kaum ins Gewicht?

Leider finde ich diesbezüglich keine Quellen. Vielen Dank im Voraus, 
Filip.

: Bearbeitet durch User
von Harald K. (kirnbichler)


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Filip D. schrieb:
> ich soll ein SPS Signal mithilfe eines digitalen Isolators überwachen.


Spannungshub, Frequenz?

von Falk B. (falk)


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Filip D. schrieb:

> Das PCB auf der die Komponente verbaut wird, wird später in einem
> Schaltschrank eines CNC-Bearbeitungszentrums verbaut. Mir sind die
> genauen Vorteile der grundsätzlichen Methoden bewusst.

Wirklich? Lass mal hören.

> Magnetische Felder sind schwerer zu kontrollieren als elektrische und
> können nicht vollständig abgeschirmt werden.

Da stimmt so allgemein nicht. Schon gar nicht, wenn wir über HF reden. 
Da reicht Weißblech (verzinntes Eisen), um verdammt gute HF-Schirmung 
auch gegen Magnetfelder zu erreichen. Alu geht auch, wenn gleich mit 
Einschränkungen.

> Sie können lediglich durch
> hochpermeable Materialien umgeleitet werden.

Blödsinn! Das betrifft nur sehr niederfrequente Magnetfelder von einigen 
Dutzend Hz!

> Im Gegensatz dazu lassen
> sich elektrische Felder durch leitfähige Hüllen effizient abschirmen.

Schon mal was von Wirbelströmen gehört? Denn die bewirken die 
Abschirmung hochfrequenter Magnetfelder in fast jedem halbwegs gut 
leitfähigen Material. Es muss KEIN ferromagnetisches sein! Alu und 
Kupfer gehen auch!

> Ist es rational, einen kapazitiven Isolator zu wählen, da durch hohe
> Ströme in einem Schaltschrank Magnetfelder entstehen, die schwerer
> abzuschirmen sind, während elektrische Felder, für die kapazitive
> Isolatoren anfälliger sind, leichter abgeschirmt werden können, oder
> fällt dieser Unterschied kaum ins Gewicht?

Der Unterschied dürfte eher schwer nachweisbar sein, denn soooo hohe 
StromÄNDERUNGEN hast du im Schaltschrank auch wieder nicht! Und es ist 
das di/dt, welches Spannungen induzieren kann. Aber schau mal ins 
Datenblatt der magnetischen Koppler bezüglich Störeinflüssen und versuch 
das mal umzurechnen. Da musst du VERDAMMT viel Strom, verdammt schnell, 
verdammt nah schalten, damit die gekitzelt werden.

von Lu (oszi45)


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Ohne praktischen Test würde ich bei Maschinen gar nichts sagen. Mein 
E-Technik-Lehrer hat mir einen Kompass auf den Tisch gelegt und die 
Nadel pendelte ca. 45 Grad, weil in der nächsten Straße Maschinen 
arbeiteten. Kapazitiv muss auch nicht viel besser sein, wenn es recht 
hochohmig konstruiert ist.

von Falk B. (falk)


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Filip D. schrieb:
> Leider finde ich diesbezüglich keine Quellen.

Ich schon. RTFM! Siehe Anhang. (Das war jetzt echt schwer zu finden, so 
ganz ohne KI Support . . . ;-)

von Falk B. (falk)


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Lu schrieb:
> Ohne praktischen Test würde ich bei Maschinen gar nichts sagen.

Praktische Test allein nützen auch nur bedingt, weil man dann 
bestenfalls ein geht/geht nicht Ergebnis bekommt. Da weiß man nie, 
wieviel Reserve der Aufbau hat. Den kann man nur durch einen Labortest 
mit künstlichen Störquellen rausfinden.

> Mein
> E-Technik-Lehrer hat mir einen Kompass auf den Tisch gelegt und die
> Nadel pendelte ca. 45 Grad, weil in der nächsten Straße Maschinen
> arbeiteten. Kapazitiv muss auch nicht viel besser sein, wenn es recht
> hochohmig konstruiert ist.

Jaja, alles ganz schlimm. Also doch eher Winksignale?

von Lu (oszi45)


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Falk B. schrieb:
> Also doch eher Winksignale?

Durch Feler wirt mann kluck. Jedenfalls würde ich das Ergebnis mehrfach 
vergleichen um zeitliche Ausreißer zu finden.

von H. H. (hhinz)


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Filip D. schrieb:
> keine optische Isolation.

Das ist natürlich schlecht. Gibts auch einen Grund dafür?

von Rainer W. (rawi)


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Filip D. schrieb:
> Magnetische Felder sind schwerer zu kontrollieren als elektrische und
> können nicht vollständig abgeschirmt werden. Sie können lediglich durch
> hochpermeable Materialien umgeleitet werden. Im Gegensatz dazu lassen
> sich elektrische Felder durch leitfähige Hüllen effizient abschirmen.

Wenn du elektromagnetische Wechselfelder im Bereich um 400 THz benutzt, 
lässt sich das sehr gut abschirmen. Welche Bandbreite möchtest du denn 
übertragen und warum fragst du nicht im Unterforum für Hf, Funk und 
Felder?

von Harald A. (embedded)


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Bei magnetischen Feldern, die digitale (magnetfeldbasierte) Isolatoren 
(bei den im Schaltschrank üblichen Abständen) aus dem Takt bringen, hat 
man sowieso noch ganz andere Probleme.

von Martin (hiru)


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Filip D. schrieb:
> Hey,
> ich soll ein SPS Signal mithilfe eines digitalen Isolators überwachen.

Ohne zu wissen um welche Signale es sich handelt, wie die 
Einbaubedingungen sind und nach welchen Kriterien überwacht werden soll, 
macht die ganze Diskussion absolut keinen Sinn.
Mit anderen Worten, erst wenn die Aufgabenstellung klar ist, kann nach 
einer Lösung gesucht werden, bzw. über verschiedene Lösungsmöglichkeiten 
diskutiert werden.

von Rainer W. (rawi)


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Filip D. schrieb:
> ... da durch hohe Ströme in einem Schaltschrank Magnetfelder entstehen

Einerseits kannst du Leiter von Hin- und Rückstrom eng beieinander 
führen, damit gar nicht erst starke weitreichende Felder entstehen 
(Biot-Savart-Gesetz) und andererseits musst du drauf achten, keine 
Empfangsschleifen aufzubauen. Magnetfelder werden durch Leiterschleifen 
eingefangen und die gilt es zu vermeiden. Von was für 
Feldstärkeänderungen ist hier überhaupt die Rede?

von Udo K. (udok)


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Kapazitive Kopplung ist erst mal schlecht, weil da prinzipbedingt immer 
Gleichtaktströme über die Barriere fließen. Die Gleichtaktströme müssen 
irgendwie wieder zurück fließen, und brauchen einige nF in unmittelbarer 
Nähe, wenn sie nicht irgendwo hin fließen sollen. das will man 
eigentlich nicht. Magnetische Kopplung hat das Problem nicht, und ist 
theoretisch unempfindlich gegen dV / dt Änderungen, d.h. das GND 
Potential der beiden Seiten ist egal.
In der Praxis haben es viele Hersteller geschafft, die Nachteile zu 
umschiffen. Die kapazitiven brauchen deutlich weniger Strom, und sind 
trotzdem unempfindlicher gegen dV/dt. Inzwischen gibt es auch 
magnetoresistive Systeme. Wenn es um HF Abstrahlung geht, dürften 
optische Systeme am besten sein. Die Isolation ist da auch deutlich 
dicker.

von Peter D. (peda)


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Udo K. schrieb:
> Kapazitive Kopplung ist erst mal schlecht, weil da prinzipbedingt immer
> Gleichtaktströme über die Barriere fließen.

Das kann ich bestätigen.
Mit kapazitiven Kopplern haben wir schlechte Erfahrungen gemacht.
Zu Zeiten der Lieferprobleme hatten wird die ADUM1401 durch ISO6741 
ersetzt. Die mußten wir alle wieder runter löten, die funktionierten nur 
sporadisch.
Man konnte die Fehlfunktion schön mit dem Oszi triggern. Eingang = 0, 
Ausgang = 1 bzw. umgekehrt.
Ob es nur dieses eine Los betraf und es dazu ein Errata gibt, habe ich 
nicht weiter verfolgt.

Wir nehmen daher nur noch die induktiven Isolatoren (ADUM1401).
Und für besonders hohe Isolation die optischen (OPI1268), da sieht man 
schön die lange Isolationsbarriere. Kosten natürlich auch.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Filip D. schrieb:
> Magnetische Felder sind schwerer zu kontrollieren als elektrische ...
> Ist es rational, einen kapazitiven Isolator zu wählen
Sicher nicht aus diesem Grund. Denn das Magnetfeld, das nötig ist, um 
diese mikroskopischen Magnetfelder im z.B. ADUM zu stören, ist extrem 
hoch. Da würden sich vermutlich eher die Bleche des Schaltschranks 
verbiegen, als dass die Übertragung innerhalb des Chips gestört wird.

> ich soll ein SPS Signal mithilfe eines digitalen Isolators überwachen.
Was für ein Signal ist es, das du da "überwachen" sollst? Und aus 
welchem "rationalen" Grund werden für diese Überwachuhng Optokoppler von 
vorn herein ausgeschlossen? Grade bei "SPS-Signalen" sind ja meist keine 
hohen Frequenzen im MHz-Bereich unterwegs. Und genau für solche 
schnellen Signale sind diese schnellen (magnetischen und kapazitiven) 
Koppler ausgelegt.

von Hans W. (Firma: Wilhelm.Consulting) (hans-)


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Peter D. schrieb:
> Zu Zeiten der Lieferprobleme

Wahrscheinlich einfach keine echten.
Damals war jeder froh über jedes stängchen, das vom LKW viel.

Egal ob magnetisch oder kapazitiv. Solange du dU/dt, Isolation 
Spannung,... einhältst siehst du keine großen Unterschiede. Nur von der 
ursprünglichen ADUM Serie würde ich die Finger lassen. Die 
produziert(t)en doch einiges an Störungen. Die neueren sind da 
tendenziell auch etwas anspruchsvoller beim Layout als die gängigen 
kapazitiven.

Funktionell habe ich aber noch nie wirklich Probleme gesehen.

Natürlich kann man mit einem schlechten Layout und Massekonzept alles 
schlecht machen... Aber auch dazu steht einiges in den Datenblätter - 
die sollte man auch genau lesen und verstehen!

73

von Falk B. (falk)


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Peter D. schrieb:
>> Kapazitive Kopplung ist erst mal schlecht, weil da prinzipbedingt immer
>> Gleichtaktströme über die Barriere fließen.
>
> Das kann ich bestätigen.
> Mit kapazitiven Kopplern haben wir schlechte Erfahrungen gemacht.

Und nie verstanden warum. Damit kann man wenig anfangen und schon gar 
nicht verallgemeinern.

> Zu Zeiten der Lieferprobleme hatten wird die ADUM1401 durch ISO6741
> ersetzt. Die mußten wir alle wieder runter löten, die funktionierten nur
> sporadisch.

Unsinn. Wenn das nur ansatzweise stimmen würde, wären die unverkäuflich. 
Irgend etwas in euerem Anwendungsumfeld muss SEHR besonders sein. Oder 
ihr habe einen grundsätzlichen Fehler gemacht.

Die kapazitiven ISO-Koppler haben typisch 2pF Koppelkapazität für die 
Daten. Soviel haben die meisten Optokoppler auch. Die ISO-Koppler von TI 
sind mit 25-50kV/us Gleichtaktimmunität spezifiziert. Es gibt auch 
andere Typen von anderen Herstellern, die 100kV/us und mehr schaffen!

So wie bei Software der Fehler oft vor der Tastatur sitzt, so hält er 
bei Hardware oft den Lötkolben ;-)

von Michael (Gast)


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Filip D. schrieb:
> digitalen Isolators

Rede mal mit Würth.
Die haben digitale Isolatoren und auch EMI Messwerte dazu.

von Vanye R. (vanye_rijan)


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> Die haben digitale Isolatoren und auch EMI Messwerte dazu.

Was mich an diesem Thread wundert, das wichtiges an diesen Teilen
ist doch was die an VDE und sonstigen Zertifikaten mitbringen
damit man sie ueberhaubt einsetzen darf. Da sollte man auch
mal dran denken. .-)

Vanye

von Lu (oszi45)


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Zertifikate sind schön, aber der Einbau sollte trotzdem fachgerecht 
erfolgen. Bis jetzt habe den Verdacht, dass der Fragesteller Flip sich 
eher einen Überblick verschaffen möchte, um später die richtigen Fragen 
stellen zu können.

von Rainer W. (rawi)


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Lu schrieb:
> Bis jetzt habe den Verdacht, dass der Fragesteller Flip sich eher einen
> Überblick verschaffen möchte, um später die richtigen Fragen stellen zu
> können.

Unbegründeter Ausschluss von optischen Isolatoren, keine Reaktion auf 
Rückfragen und Glanz durch Abwesenheit sprechen nicht für ein besonderes 
Interesse an dem Thema.

von Vanye R. (vanye_rijan)


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> Unbegründeter Ausschluss von optischen Isolatoren,

Naja, er hat es dir gegenueber nicht begruendet, es gibt aber schon ein 
paar Gruende die gegen den alten Optokram sprechen.

Vanye

von Clemens L. (c_l)



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Filip D. schrieb:
> oder fällt dieser Unterschied kaum ins Gewicht?

Der Unterschied existiert. Ich weiß nicht, wie dein Schaltschrank 
aussieht.

Quelle: https://www.ti.com/lit/pdf/slla198

von Falk B. (falk)


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Clemens L. schrieb:
>> oder fällt dieser Unterschied kaum ins Gewicht?
>
> Der Unterschied existiert. Ich weiß nicht, wie dein Schaltschrank
> aussieht.

Und deiner? Weißt du was 100 Wb/m^2 sind? 100 Tesla! Und damit meine ich 
nicht Autos! ;-)
100T hat kein Schaltschank, nicht mal 1.

Beide Koppler liegen 6-10 Zehnerpotenzen über den Grenzwerten!

von Rainer W. (rawi)


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Vanye R. schrieb:
> Naja, er hat es dir gegenueber nicht begruendet, es gibt aber schon ein
> paar Gruende die gegen den alten Optokram sprechen.

Für manche Anwendungen werden zur Trennung von Modulen in gestörter 
Umgebung auch LWL-Strecken eingesetzt - aus guten Gründen.

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