Warum brauchen industrielle Systeme optische Isolierung?

Wenn Ingenieure an Glasfaser denken, fallen ihnen oft zuerst höhere Bandbreiten und längere Übertragungsdistanzen ein. In industriellen Systemen ist jedoch keines von beiden möglicherweise der Hauptgrund für die Verwendung von Glasfaser.

Ein Steuersignal muss möglicherweise nur wenige Meter innerhalb einer Maschine, zwischen zwei Schränken oder von einer Steuerung zu einer Leistungsumwandlungsstufe gelangen. Die erforderliche Datenrate kann ebenfalls relativ gering sein. Dennoch kann eine optische Verbindung einen wichtigen systemweiten Vorteil bieten: Informationen können zwischen elektrischen Domänen ausgetauscht werden, ohne dass das Kommunikationsmedium selbst einen leitenden elektrischen Pfad zwischen ihnen erzeugen muss.

Dieser Unterschied ist in Umgebungen mit Frequenzumrichtern, Servosystemen, Schaltnetzteilen, Schützen, großen Motoren, Energiespeichergeräten und Hochspannungs-IGBT- oder SiC-Leistungsstufen wichtig. Unterschiedliche Erdpotenziale, Gleichtaktstörungen, Schalttransienten und elektromagnetische Interferenzen können alle dazu führen, dass elektrisch verbundene Kommunikationsverbindungen schwieriger zu handhaben sind.

Das Verständnis der industriellen optischen Isolierung beginnt daher mit einem grundlegenden Ingenieurproblem: Zwei Geräte müssen Informationen austauschen, obwohl sie nicht in derselben elektrischen Umgebung arbeiten.

Was ist optische Isolierung in einem industriellen System?

Optische Isolierung in einem industriellen System ist die Übertragung von Steuer- oder Datensignalen zwischen getrennten elektrischen Domänen, ohne dass ein leitender Signalpfad zwischen ihnen erforderlich ist. Das Signal wird von elektrischer Form in Licht umgewandelt, über ein optisches Medium übertragen und auf der Empfängerseite wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Der wichtige Punkt ist nicht einfach, dass das Signal optisch wird. Der Kommunikationspfad selbst muss die beiden Endpunkte nicht mehr elektrisch verbinden.

Eine herkömmliche elektrische Verbindung verwendet normalerweise Leiter zwischen Geräten. Je nach Schnittstelle können dies Signalleitungen, Referenzleiter, Schirme oder andere leitende Pfade sein, die mit dem Kommunikationssystem verbunden sind. Wenn sich die beiden Geräte an unterschiedlichen elektrischen Potenzialen befinden, kann die Kommunikationsverkabelung Teil des Pfades werden, über den unerwünschter Strom oder Spannung übertragen wird.

Eine optische Verbindung ändert diese Beziehung. Elektronik auf einer Seite treibt einen optischen Sender an. Licht wandert durch die Faser. Ein optischer Empfänger auf der anderen Seite wandelt das Licht wieder in ein elektrisches Signal um.

Wenn die Glasfaserverbindung keinen leitenden Pfad über die Isolationsgrenze aufweist, müssen die beiden elektronischen Seiten keinen Signal- oder gemeinsamen elektrischen Bezug über das Übertragungsmedium teilen.

Galvanische Trennung vs. Signalaufbereitung

Signalaufbereitung und galvanische Trennung lösen unterschiedliche Probleme.

Filterung kann unerwünschte Frequenzkomponenten reduzieren. Differenzielle Signalübertragung kann die Unterdrückung von Störungen verbessern, die auf beiden Signalleitern ähnlich auftreten. Abschirmung kann elektromagnetische Kopplung reduzieren. Überspannungsschutzkomponenten können transiente Belastungen begrenzen.

All diese Techniken sind wertvoll, aber sie trennen nicht automatisch zwei elektrische Domänen.

Galvanische Trennungbedeutet, dass normaler elektrischer Strom nicht direkt über die Isolationsbarriere fließen kann, während Informationen oder Leistung über einen anderen Mechanismus übertragen werden. Transformatoren, Optokoppler, kapazitive Isolatoren, magnetische Isolatoren und Glasfaserverbindungen sind verschiedene Möglichkeiten, solche Grenzen zu schaffen.

Isolierung ist nicht nur eine Sicherheitsfunktion

Isolierung wird oft mit dem Schutz vor gefährlicher Spannung in Verbindung gebracht, aber die industrielle Kommunikation hat einen weiteren Grund, sie zu nutzen: Signalintegrität.

Zwei Stromkreise können mit relativ niedrigen Spannungen arbeiten und dennoch genügend Erdpotentialunterschiede oder Gleichtaktstörungen aufweisen, um Kommunikationsprobleme zu verursachen.

Industrielle Isolierung kann daher verwendet werden, um inkompatible Referenzpotenziale zu trennen, unerwünschte Erdungsstrompfade zu unterbrechen, die Ausbreitung elektrischer Störungen über Kommunikationsleitungen zu reduzieren oder Niederspannungssteuerungselektronik vor Hochspannungstransienten zu schützen.

Aus diesem Grund ist die Isolierung oft Teil der Kommunikationsarchitektur selbst und nicht nur eine nachträglich hinzugefügte Sicherheitskomponente.

Warum entwickeln industrielle Systeme Erdpotentialunterschiede?

Elektrische Schaltpläne stellen die Erde oft als einen einzigen Null-Volt-Knoten dar. Reale industrielle Installationen sind komplizierter.

Erdungsleiter haben Widerstand und Induktivität. Stromströme fließen durch Leiter, Schutzleiter-Netzwerke, Schrankstrukturen, Maschinenrahmen und Verteilungssysteme. Geräte können auch von verschiedenen Netzteilen gespeist oder weit voneinander entfernt installiert werden.

Infolgedessen ist nicht garantiert, dass zwei Punkte, die an verschiedenen Geräten als "Masse" bezeichnet werden, auf demselben momentanen Potenzial liegen.

"Masse" ist nicht immer überall dasselbe Potenzial

Betrachten Sie eine Steuerung, die in einem Schrank installiert ist, und einen Antrieb, der in einem anderen installiert ist.

Beide Geräte können ordnungsgemäß geerdet sein. Ihre lokalen Erdungsreferenzen können sich aufgrund von Spannungsabfällen entlang der Erdungsleiter, hohen Strömen, die durch gemeinsame Impedanzen fließen, Unterschieden in der Stromverteilung, Schalttransienten oder physischer Trennung immer noch unterscheiden.

Wenn ein elektrisches Kommunikationskabel zwischen diesen Systemen angeschlossen ist, kann es Teil des Pfades werden, über den sich der Potentialunterschied auszugleichen versucht.

                                        Wie Erdpotentialunterschiede eine Masseschleife erzeugen

Wie ein Erdpotentialunterschied zu einer Masseschleife wird

Eine Masseschleife kann entstehen, wenn mehr als ein leitender Pfad Punkte verbindet, die nominell geerdet sind, aber nicht tatsächlich identisches Potenzial haben.

Strom kann dann durch Pfade zirkulieren, die hauptsächlich für die Signalreferenz, Abschirmung oder Kommunikation bestimmt sind, anstatt für den Ausgleichsstrom.

Der resultierende Strom erzeugt zusätzliche Spannungsabfälle entlang des Kommunikationspfades. Der Empfänger sieht nicht mehr nur das beabsichtigte differentielle Informationssignal; das gesamte Signal kann sich auch relativ zur eigenen lokalen Referenz des Empfängers verschieben.

Hier wird der Erdpotentialunterschied zu einem Gleichtaktproblem.

Wie Masseschleifen zu Kommunikationsproblemen werden

Elektrische Empfänger arbeiten innerhalb einer begrenzten Gleichtaktumgebung.

Wenn die Spannungsdifferenz zwischen verbundenen Systemen zu groß wird oder wenn sich die Gleichtaktspannung zu schnell ändert, kann die verfügbare Signalreserve abnehmen. Daten können beschädigt werden, Schutzstrukturen können zu leiten beginnen oder Schnittstellenkomponenten können zusätzlichen elektrischen Belastungen ausgesetzt sein.

Diese Probleme sind oft intermittierend.

Eine Kommunikationsverbindung kann während der Inbetriebnahme funktionieren, aber instabil werden, nachdem weitere Geräte angeschlossen wurden. Sie kann ausfallen, wenn ein großer Motor startet oder wenn ein Wechselrichter in einen anderen Betriebszustand wechselt. Das Protokoll selbst kann korrekt funktionieren, während die elektrische Beziehung zwischen den Endpunkten dies nicht tut.

Warum EMI Kupferkommunikationsverbindungen beeinflusst

Erdpotentialunterschied ist nur ein Teil der industriellen elektrischen Umgebung.

Fabriken und Leistungselektroniksysteme enthalten auch starke Quellen für elektromagnetische Interferenzen (EMI). Motorkabel führen sich schnell ändernde Ströme. Wechselrichter und Schaltwandler erzeugen steile Spannungsübergänge. Schütze und Relais schalten induktive Lasten. Hochstromleiter können nahe an Niederspannungssteuerleitungen verlaufen.

Elektrische Kommunikationskabel arbeiten in derselben Umgebung.

Wie Störungen in eine elektrische Verbindung gelangen

Rauschen kann auf verschiedene Weise in ein leitendes Kommunikationssystem gelangen.

Ein sich änderndes Magnetfeld kann eine Spannung in einer Leiterschleife induzieren. Ein sich änderndes elektrisches Feld kann Energie kapazitiv in nahegelegene Leiter koppeln. Rauschen kann auch über gemeinsame Strom- oder Erdungsimpedanzen eindringen.

Industrielle Kommunikationssysteme verlassen sich daher auf Techniken wie differentielle Signalübertragung, kontrollierte Impedanz, Abschirmung, Erdungsstrategie, Filterung, Überspannungsschutz, Kabelverlegung und galvanische Trennung.

Jede adressiert einen anderen Teil des Problems.

Differenzielle Signalübertragung hilft, aber sie entfernt die elektrische Verbindung nicht

Differenzielle Kommunikation ist weit verbreitet, da der Empfänger hauptsächlich auf die Spannungsdifferenz zwischen zwei Leitern reagiert und nicht auf jeden Leiter einzeln.

Wenn dieselbe Störung auf beiden Leitungen gleichermaßen auftritt, kann ein Großteil davon unterdrückt werden.

In der Praxis ist Rauschen jedoch selten perfekt ausbalanciert. Kabelgeometrie, Abschirmung, Terminierung, Frequenz, Erdung, Installationsqualität und die Gleichtaktfähigkeit des Empfängers beeinflussen das Ergebnis.

Wichtiger ist, dass die differentielle Signalübertragung allein den leitenden Pfad zwischen elektrischen Domänen nicht eliminiert.

Eine gut konzipierte Kupferverbindung kann in industriellen Systemen sehr zuverlässig funktionieren. Die eigentliche Designfrage ist, ob die Anwendung davon profitiert, die beiden elektrischen Domänen überhaupt physisch verbunden zu halten.

Warum Glasfaser elektrische Isolierung auf der physikalischen Ebene bietet

Glasfaser verändert das Kommunikationsproblem, da Informationen nicht mehr als elektrischer Strom oder Spannung die Grenze überschreiten müssen.

Eine typische industrielle optische Verbindung folgt einer einfachen Sequenz:

elektrisches Signal → optischer Sender → Faser → optischer Empfänger → elektrisches Signal

Die Elektronik existiert immer noch an beiden Enden, aber das Übertragungsmedium transportiert Licht und kein elektrisches Signal.

                         Warum Kupfer elektrische Störungen überträgt, während Glasfaser den leitenden Pfad unterbricht

Die beiden Seiten müssen keinen Signalmasse über die Glasfaser teilen

Angenommen, eine Niederspannungssteuerung sendet einen Befehl an Geräte, die in einer anderen elektrischen Domäne arbeiten.

Bei einer direkten Kupferverbindung werden beide Systeme durch die Kommunikationsverkabelung elektrisch miteinander verbunden.

Bei einem vollständig nichtleitenden optischen Pfad gibt es keinen metallischen Signal-Leiter, über den Ausgleichsstrom von einem Endpunkt zum anderen fließen kann.

Die Information überquert die Grenze, aber das elektrische Potenzial muss ihr nicht folgen.

Dies ist ein grundlegend anderer Ansatz als die bloße Erhöhung der Rauschfestigkeit eines elektrischen Empfängers.

Warum EMI nicht auf dieselbe Weise in das optische Signal einkoppelt

Ein Kupferleiter unterstützt elektrischen Strom und Spannung, sodass externe elektrische und magnetische Felder direkt mit dem Kommunikationskreis interagieren können.

Das optische Signal in einer dielektrischen Faser ist anders. Entlang der Faser verläuft kein elektrisches Signal-Leiter, den ein externes elektromagnetisches Feld auf dieselbe Weise antreiben kann.

Deshalb ist Glasfaser in elektrisch verrauschten Industrieumgebungen sehr wertvoll.

Der Unterschied sollte jedoch nicht übertrieben werden. Die Transmitters-Leiterplatte, die Empfänger-Leiterplatte, lokale Netzteile, Steckverbinder-Elektronik und umgebende Schaltungen sind immer noch elektronische Systeme. Schlechte Erdung, schwache Stromintegrität, unzureichender Transistorenschutz oder schlechtes Leiterplattenlayout können immer noch zu Ausfällen führen.

Glasfaser entfernt eine wichtige Kopplungs- und Strompfad. Sie beseitigt nicht die Notwendigkeit eines ordnungsgemäßen EMV-Designs an den Endpunkten.

Glasfaserisolierung vs. elektrische Isolatoren: Wann bringt Glasfaser mehr Wert?

Glasfaser ist nicht die einzige Möglichkeit, galvanische Trennung zu erzeugen.

Industrielle Elektronik verwendet auch Optokoppler, kapazitive Isolatoren, magnetische Isolatoren, Trenntransformatoren und andere Technologien. Diese können eine hochwirksame Isolierung bieten und gleichzeitig das Signal vollständig auf einer Leiterplatte oder innerhalb einer elektrischen Schnittstelle belassen.

Der sinnvolle Vergleich ist daher nicht, ob Glasfaser "besser" ist als jeder elektrische Isolator.

Die wichtigere Frage ist, wo die Isolationsgrenze liegen muss.

                                    Leiterplattenisolierung vs. Domänenisolierung per Glasfaser

Leiterplatten-elektrische Isolierung

Betrachten Sie eine Controller-Leiterplatte mit einem Mikrocontroller und einer isolierten Kommunikationsschnittstelle.

Ein digitaler Isolator kann die Controller-Domäne von der schnittstellenseitigen Elektronik trennen. Das externe Kabel bleibt elektrisch, aber die Platinenarchitektur verhindert, dass Strom über die lokale Isolationsbarriere in die Controller-Domäne gelangt.

Für viele Anwendungen ist dies genau die richtige Lösung.

Elektrische Isolatoren können kompakt, schnell, kostengünstig und einfach zu integrieren sein. Es gibt keinen Grund, sie automatisch durch Glasfaser zu ersetzen.

Kabel- oder Domänenisolierung

Glasfaser wird attraktiver, wenn die erforderliche Isolationsgrenze über eine lokale Leiterplatte hinausgeht.

Der Kommunikationspfad kann zwischen Schränken, zwischen verschiedenen Maschinen, zwischen Steuerelektronik und einem Hochspannungs-Leistungsabschnitt oder über Bereiche mit unsicherem Erdpotential und starkem Schaltrauschen verlaufen.

In diesen Situationen kann das Übertragungsmedium selbst Teil der Isolationsarchitektur werden.

Anstatt eine Schnittstelle elektrisch zu isolieren und gleichzeitig ein leitendes Kabel durch die Umgebung zu führen, kann eine Glasfaserverbindung die elektrische Trennung über die gesamte physische Distanz zwischen den Endpunkten aufrechterhalten.

Diese Architekturen lösen verwandte, aber unterschiedliche Probleme. Die richtige Wahl hängt davon ab, wo der unerwünschte elektrische Pfad existiert und wo das System ihn unterbrechen muss.

Wo optische Isolierung in realen industriellen Systemen wichtig ist

Das gleiche elektrische Prinzip tritt in vielen industriellen Anwendungen auf, auch wenn die Geräte sehr unterschiedlich aussehen.

                                    Optische Isolierung in industriellen Hochspannungssystemen

Frequenzumrichter und Servoantriebe

Motorantriebe kombinieren Niederspannungssteuerungselektronik mit Hochstrom-, schnell schaltenden Leistungsstufen.

Die Steuerung kann Befehle, Positionsinformationen, Diagnosen oder Rückmeldungen verarbeiten, während die Wechselrichterstufe erhebliche Spannungen und Ströme zum Motor schaltet.

Motorkabel und Schaltknoten können eine schwierige elektromagnetische Umgebung erzeugen. Steuergeräte, Fernbedienungen, Encoder und Antriebssysteme können sich auch an leicht unterschiedlichen Erdpotentialen befinden.

Optische Kommunikation kann nützlich sein, wo ein Steuer- oder Rückkopplungspfad eine dieser Grenzen überschreiten muss, ohne die elektrische Verbindung zu erweitern.

Das bedeutet nicht, dass jeder Servo- oder Frequenzumrichter eine Glasfaser benötigt. Kurze interne Signale können mit elektrischer Isolierung gut gehandhabt werden. Glasfaser wird wertvoller, wenn physische Trennung und elektrische Domänentrennung beides Teil der Anforderung sind.

Energiespeicher-PCS- und BMS-Architekturen

Energiespeichersysteme enthalten mehrere elektrische Domänen.

Batterieüberwachungsschaltungen, Kommunikationselektronik, Steuerungssysteme und Leistungsumwandlungsstufen können bei sehr unterschiedlichen Potenzialen arbeiten. Diese Abschnitte müssen immer noch Informationen austauschen und gleichzeitig verhindern, dass unerwünschte elektrische Belastungen frei zwischen ihnen propagieren.

Galvanische Trennung ist daher ein wichtiger Teil der Systemarchitektur.

Glasfaser kann nützlich sein, wo die Kommunikation eine physisch getrennte oder besonders verrauschte elektrische Grenze überschreitet. Sie sollte nicht als zwingend für jede PCS- oder BMS-Verbindung behandelt werden. Die geeignete Methode hängt von der Systemtopologie, Spannung, Entfernung, Bandbreite, Sicherheitsanforderungen und Kosten ab.

IGBT- und SiC-Gate-Treiber-Systeme

Gate-Treiber-Systeme zeigen das Isolationsproblem besonders deutlich.

Eine Niederspannungssteuerung muss einem Leistungstransistor mitteilen, wann er schalten soll, während der Transistor an einem Schaltknoten sitzen kann, dessen Potenzial sich schnell relativ zur Steuerungserde ändert.

Bei IGBTs, SiC-MOSFETs und anderen schnellen Leistungskomponenten muss die Isolationsbarriere weiterhin das korrekte Steuersignal übertragen, während sich die Spannung zwischen ihren elektrischen Domänen schnell ändert.

Hier wird Gleichtakt-Transienten-Immunität (CMTI) wichtig. CMTI beschreibt die Fähigkeit eines isolierten Geräts, während schneller Gleichtaktspannungsübergänge ein korrektes Signalverhalten aufrechtzuerhalten.

Ein optischer Steuerpfad nähert sich dem gleichen Problem aus einer anderen Richtung. Ein Teil des Kommunikationspfades kann als Licht und nicht als elektrisches Signal, das die beiden Domänen überspannt, übertragen werden.

Das vollständige System erfordert immer noch eine geeignete isolierte Stromversorgung, ordnungsgemäße Kriech- und Luftstrecken, Schalttransistorenschutz, Leiterplattendesign und EMV-Kontrolle. Glasfaser adressiert den Kommunikationspfad, nicht jede Isolationsanforderung in der Leistungsstufe.

Welche Rolle spielt POF bei kurzreichweitigen industriellen Isolationsverbindungen?

Nicht jede industrielle Glasfaserverbindung erfordert Glasfaser für lange Distanzen.

Innerhalb von Maschinen, Schränken, Antrieben, Automatisierungssystemen und Leistungselektronikgeräten beträgt die erforderliche Distanz möglicherweise nur wenige Meter oder einige zehn Meter. In diesem Bereich kann Kunststoff-Glasfaser (POF) eine nützliche Kombination aus elektrischer Isolierung und praktischen Installationseigenschaften bieten.

Warum POF für kurze Maschinenverbindungen geeignet ist

Gängige industrielle POF verwendet einen relativ großen optischen Kern im Vergleich zu herkömmlicher Telekommunikationsfaser.

Dies kann die optische Ausrichtung und Terminierung weniger anspruchsvoll machen, was bei Maschinenverbindungen nützlich ist, bei denen Installationspraktikabilität, Wartung und Handhabung von Steckverbindern wichtiger sein können als lange Übertragungsdistanzen.

POF ist auch flexibel und leicht.

Die vollständige Kabelkonstruktion ist immer noch wichtig. Mantelmaterial, mechanische Verstärkung, Temperaturbeständigkeit, Brandverhalten, Zugfestigkeit, Biegeleistung und Widerstandsfähigkeit gegen wiederholte Bewegungen bestimmen, ob ein Kabel für eine bestimmte industrielle Umgebung geeignet ist.

Aus diesem Grund sollte eine industrielle POF-Verbindung als vollständiges Kabel- und Steckverbindersystem bewertet werden und nicht nur nach dem optischen Fasermaterial.

Eine typische POF-Isolationsverbindung

Eine kurze industrielle optische Verbindung kann dargestellt werden als:

Steuerelektronik
→ optischer Sender
→ POF-Kabel
→ optischer Empfänger
→ isolierte Elektronik

                                             Architektur einer kurzreichweitigen POF-Isolationsverbindung

Die Elektronik an beiden Enden benötigt immer noch eine lokale Stromversorgung.

Der Isolationsvorteil ergibt sich aus dem Fehlen eines leitenden Kommunikationspfades zwischen den beiden Domänen.

Abhängig vom ausgewählten Transceiver und der Schnittstellenarchitektur kann diese Art von Verbindung Steuerbefehle, Statusinformationen, serielle Daten oder andere kurzreichweitige industrielle Signale übertragen.

Warum kurze Distanz nicht geringen Wert bedeutet

Es ist einfach, Glasfaser hauptsächlich nach der Übertragungsdistanz zu bewerten.

Aus dieser Perspektive mag die Verwendung von Glasfaser für eine kurze Verbindung unnötig erscheinen, wenn Kupfer die erforderlichen Daten über dieselbe Distanz leicht übertragen könnte.

Aber die Entfernung ist möglicherweise nicht das eigentliche technische Problem.

Wenn diese wenigen Meter verschiedene Erdungsdomänen kreuzen, neben einem Hochleistungswechselrichter verlaufen, einen Steuerkasten mit einer Schaltstufe verbinden oder einen unerwünschten Strompfad zwischen Geräten erzeugen, liegt der Wert der optischen Verbindung in der elektrischen Trennung und nicht in der Reichweite.

Eine kurze optische Verbindung kann daher ein systemweites Problem lösen, das wenig mit der maximalen Übertragungsdistanz zu tun hat.

POF ist nicht die richtige Wahl für jede optische Verbindung

POF hat auch klare Grenzen.

Längere Distanzen, höhere Datenraten, engere Anforderungen an den optischen Verlust, erhöhte Temperaturen, Umwelteinflüsse, Steckverbinderarchitektur und System-Link-Margen können andere optische Medien wie Hard-Clad Silica, Polymer-Clad Silica oder herkömmliche Glasfaser begünstigen.

Die Entscheidung sollte mit den Anwendungsanforderungen beginnen und nicht mit einer Präferenz für einen Fasertyp.

Für eine kurze Maschinen-Isolationsverbindung kann POF sehr praktisch sein. Für ein langes industrielles Backbone oder eine sehr schnelle Verbindung kann ein anderes optisches Medium geeigneter sein.

Wie man entscheidet, ob eine industrielle Verbindung optische Isolierung benötigt

Die Entscheidung sollte mit der elektrischen Grenze beginnen, nicht mit dem Kabelmaterial.

Bestimmen Sie zunächst, ob beide Endpunkte wirklich dasselbe stabile Referenzpotential teilen. Geräte, die von verschiedenen Netzteilen gespeist, in verschiedenen Schränken installiert oder an verschiedene Erdungspunkte angeschlossen sind, möglicherweise nicht.

Untersuchen Sie dann die Rauschumgebung. Motorantriebe, Schütze, Wechselrichter-Schaltknoten, Hochstromkabel, DC/DC-Wandler, IGBT-Module, SiC-Leistungsstufen und induktive Lasten können die Belastung einer elektrischen Kommunikationsverbindung erhöhen.

Der physische Standort der Isolationsgrenze ist ebenso wichtig. Wenn das Problem nur über eine kleine Leiterplattengrenze besteht, kann ein digitaler Isolator oder Optokoppler die einfachste Lösung sein. Wenn der Kommunikationspfad Schränke, Maschinen, Hochspannungszonen oder unsichere Erdungsdomänen kreuzt, kann die Verlagerung der Isolationsgrenze in das Übertragungsmedium selbst einen zusätzlichen Wert bieten.

Kommunikationsanforderungen müssen dann neben der Isolierung berücksichtigt werden. Datenrate, Latenz, Verbindungsdistanz, Temperatur, Kabelbewegung, Biegeanforderungen, Haltbarkeit der Steckverbinder, Wartungsmethode, optische Leistungsreserve und Fehlerverhalten beeinflussen alle die endgültige Architektur.

Die Wahl ist daher nicht einfach Kupfer gegen Glasfaser. Es ist eine Entscheidung zwischen direkter elektrischer Kommunikation, elektrisch isolierter Kupferkommunikation, POF, HCS/PCS oder Glasfaser, basierend auf der tatsächlichen elektrischen und Kommunikationsgrenze.

Das wichtigste technische Prinzip: Trennen Sie die elektrischen Domänen, wenn die Verbindung dies erfordert

Industrielle Glasfaser sollte nicht nur als schnellere Version von Kupfer verstanden werden.

In vielen Steuerungssystemen ist ihre wichtigste Eigenschaft grundlegender: Licht kann Informationen zwischen Orten transportieren, ohne dass diese Orte über das Kommunikationsmedium elektrisch verbunden sein müssen.

Das ist wichtig, wenn Erdpotentiale unterschiedlich sind. Es ist wichtig, wenn unerwünschter Strom sonst durch Kommunikationsleitungen zirkulieren würde. Es ist wichtig, wenn Hochleistungsschaltungen schwierige Gleichtakt- und EMI-Bedingungen erzeugen. Es ist auch wichtig, wenn eine Steuerung über eine physische Hochspannungsbarriere kommunizieren muss.

Elektrische Isolatoren, differentielle Schnittstellen, Abschirmung, Filterung, Überspannungsschutz und sorgfältige Erdung bleiben wesentliche Ingenieurwerkzeuge. Glasfaser ersetzt sie nicht universell.

Sie bietet eine weitere architektonische Option: den leitenden Signalpfad komplett zu entfernen.

Für Systeme mit großer Reichweite oder hoher Bandbreite kann dies zusammen mit den bekannten Übertragungsvorteilen von Glasfaser geschehen. Für kurze industrielle Verbindungen kann der Hauptvorteil jedoch viel einfacher sein:

das Signal überquert die Grenze, während die Erde dies nicht tut.

Häufig gestellte Fragen

• Warum wird optische Isolierung in industriellen Systemen verwendet?

Optische Isolierung ermöglicht den Austausch von Daten- oder Steuersignalen zwischen elektrischen Domänen, ohne dass ein leitender Kommunikationspfad zwischen ihnen erforderlich ist. Dies kann helfen, Masseschleifen zu unterbrechen, die Auswirkungen von Erdpotentialunterschieden zu reduzieren und zu verhindern, dass das Kommunikationskabel eine weitere elektrische Verbindung zwischen verrauschten oder Hochspannungsabschnitten wird.

• Wie eliminiert Glasfaserkommunikation Masseschleifen?

Eine Masseschleife erfordert einen leitenden geschlossenen Pfad, durch den Strom zirkulieren kann. Wenn zwei Endpunkte über die relevante Grenze nur durch nichtleitende Glasfaser verbunden sind, bietet die Glasfaser keinen elektrischen Rückweg für diesen Strom.

• Ist Glasfaserkommunikation immun gegen EMI?

Das optische Übertragungsmedium interagiert nicht auf die gleiche Weise mit elektromagnetischen Interferenzen wie ein elektrischer Leiter, da die Informationen als Licht und nicht als elektrischer Strom oder Spannung übertragen werden. Der Sender, Empfänger, lokale Netzteile und die umgebende Elektronik erfordern weiterhin ein ordnungsgemäßes EMV-Design.

• Wann sollte Glasfaser anstelle eines digitalen Isolators oder Optokopplers verwendet werden?

Digitale Isolatoren und Optokoppler eignen sich oft gut für die Isolierung auf Leiterplatten- oder Schnittstellenebene. Glasfaser wird besonders nützlich, wenn die erforderliche elektrische Trennung physisch zwischen Schränken, Maschinen, Hochspannungszonen oder Geräten mit unsicheren Erdpotentialunterschieden erfolgen muss.

• Warum wird POF für kurzreichweitige industrielle Kommunikation verwendet?

POF kombiniert einen nichtleitenden optischen Pfad mit einem relativ großen Kern, Flexibilität und praktischer Handhabung. Diese Eigenschaften eignen sich für kurze Maschinen-, Schrank- und Geräteverbindungen, bei denen elektrische Isolierung und Installationspraktikabilität wichtiger sind als sehr lange Übertragungsdistanzen.

• Kann Glasfaser in IGBT- oder SiC-Gate-Treiber-Steuerpfaden verwendet werden?

Ja. Eine optische Verbindung kann Teil des Steuerpfades zwischen Niederspannungssteuerungselektronik und einer Hochspannungs-Schalt-Domäne sein. Das vollständige System erfordert weiterhin eine geeignete isolierte Stromversorgung, Schalttransistorenschutz, Kriech- und Luftstrecken, Timing-Leistung und EMV-Design.