Trennverstärker

Ein Trennverstärker lässt sich – je nach spezieller Ausführung – auch als Isolationsverstärker, Gleichstrom-Spannungsverdoppler, Messumformer oder Signalwandler bezeichnen. Das Prinzip aller Baumformen beruht immer auf der galvanisch sicheren Trennung von Primär- und Sekundärkreis und der Anpassung beziehungsweise Verstärkung der Signale. Für die galvanische Trennung und gleichzeitige Kopplung des Primär- und Sekundärkreises kommen üblicherweise drei Technologien zum Einsatz: die Transformatorenkopplung, die kapazitive Kopplung und die Verwendung eines Optokopplers.

Transformatoren sind häufig dann im Einsatz, wenn sowohl das Signal als auch die Energie übertragen werden müssen. Herkömmliche kernbasierte Transformatoren verfügen aufgrund der Hochfrequenzeigenschaften des magnetischen Materials allerdings nur über eine begrenzte Bandbreite. Sie liegt oft bei nur 120 Kilohertz oder weniger.

Die kapazitive Kopplung ist dagegen eine einfache und kostengünstige Methode für eine galvanische Trennung. Verwendet wird dazu ein Kopplungskondensator. Nachteil: Es wird hier grundsätzlich nur ein einziges Signal übertragen. Zur Versorgung der Schaltungen am Eingang und am Ausgang des Trennverstärkers sind zudem potentialfreie Stromversorgungen nötig.

Hochgeschwindigkeitskoppler auf optischer Basis erreichen dagegen eine hohe Bandbreite bis in den Megahertz-Bereich hinein, können aber ebenfalls nur ein einziges Signal zum Empfänger übertragen. Sowohl beim Eingang als auch beim Ausgang sind auch hier erdfreie Stromversorgungen erforderlich. 

Moderne Trennverstärker verwenden verschiedene Techniken zur Übertragung eines Signals über die Isolationsbarriere hinweg. Eine Methode besteht darin, das analoge Signal mit einem Analog-Digital-Wandler, kurz ADC, zu digitalisieren. Das kodierte Binärsignal lässt sich dann über die Barriere übertragen. Bei dieser Methode kann das ursprüngliche Analogsignal mit einem Digital-Analog-Wandler, kurz DAC, exakt wiederhergestellt werden.

Eine andere Methode nutzt den linearen Bereich des optischen Kopplers zur Übertragung des Analogsignals. Allerdings sind Optokoppler temperaturempfindlich. Daher ist in der Regel eine Rückkopplungstechnik mit einem weiteren identischen Optokoppler erforderlich, um diese Unzulänglichkeit auszugleichen.

Die Modulation und Demodulation ist eine weitere Technik zur Signalübertragung. Dabei ist die Frequenzmodulation mit einem Tastverhältnis von 50 Prozent zur Übertragung der Energie und des analogen Signals durch die Isolationsbarriere vorteilhafter als die Amplitudenmodulation und die Pulsbreitenmodulation. Die Verwendung der Amplitudenmodulation führt zu hohen Leitungsverlusten in der Transformator-Treiberschaltung, da die Schalter in der Treiberschaltung im linearen Bereich arbeiten müssen. Andererseits ist die Pulsbreitenmodulation nicht optimal zur Übertragung der maximalen Energie: wenn die Primärspannung des Transformators ein Tastverhältnis von 50 Prozent erreicht hat, endet die Übertragung.

Die häufigsten Anwendungen für Trennverstärker sind die Erfassung von Spannungen und Strömen sowie die Signalverarbeitung. Für die Spannungsmessung wird in der Regel eine Widerstandsteilerschaltung mit einem Isolationsverstärker verwendet, während für die Strommessung in der Regel ein Shunt-Widerstand in der Leitung und ein isolierter Modulator zum Einsatz kommen.

Elektrische Geräte wie zum Beispiel Elektromotoren injizieren während des Betriebs große Rauschströme in die Erdungsrückleitungen, die sich mit den Erdungsrückleitungen des Signalwegs vermischen und die Messergebnisse beeinträchtigen können. Isolierte Verstärker und isolierte Modulatoren verhindern die Kopplung von verrauschten und sauberen Erdungsrückleitungen, indem sie die Rückleitungen durch die Isolationsbarriere unterbrechen.

Für Anwendungen in der Signalverarbeitung lassen sich verschiedene bipolare, CMOS- und komplementäre bipolare Trennverstärker verwenden, darunter Chopper, Isolations- und Instrumentenverstärker. Aufgrund der hervorragenden ohmschen Isolationseigenschaften am Eingang und Ausgang eignen sie sich auch als Schnittstelle beziehungsweise Adapter oder Interface zwischen medizinischen Überwachungsgeräten und Patienten. So ist die galvanische Trennung für Patientenüberwachungsgeräte wie Elektrokardiographen, kurz EKG, und Elektroenzephalographen, kurz EEG, unbedingt notwendig, um genaue Messergebnisse zu erhalten und gleichzeitig die Sicherheit des Patienten zu gewährleisten.