Galvanische Trennung bei Netzteilen

Bei einer galvanischen Trennung besteht zwischen zwei Stromkreisen keine direkte leitende Verbindung. Elektrische Energie oder Signale können dennoch übertragen werden – beispielsweise magnetisch über einen Transformator, optisch über einen Optokoppler oder kapazitiv über parasitäre beziehungsweise gezielt eingesetzte Kapazitäten.

Bei einem galvanisch getrennten Netzteil sind Eingangs- und Ausgangsseite deshalb elektrisch voneinander isoliert. Bei einem klassischen AC/DC-Netzteil übernimmt diese Aufgabe typischerweise der Transformator. Bei einem isolierten DC/DC-Wandler wird ebenfalls ein Transformator innerhalb des Wandlers eingesetzt.

Die Trennung ist dabei nicht nur eine einzelne Komponente. Sie entsteht durch das Zusammenspiel aus Isolationssystem, Transformator, Leiterplattenlayout, Isolierstoffen, Kriech- und Luftstrecken sowie gegebenenfalls Optokopplern, digitalen Isolatoren und Sicherheitskondensatoren.

Wichtig: Galvanische Trennung bedeutet nicht, dass zwischen den beiden Seiten grundsätzlich kein Strom fließen kann. Über parasitäre Kapazitäten oder EMV-Maßnahmen wie Y-Kondensatoren können Wechselströme beziehungsweise Ableitströme auftreten. Deshalb muss die Isolation immer zusammen mit dem gesamten Schutz- und EMV-Konzept betrachtet werden.

Bei der Auswahl eines Netzteils geht es nicht nur darum, welche Spannung und Leistung am Ausgang benötigt werden. Sobald eine potentiell gefährliche Spannung auf eine berührbare oder zugängliche Ausgangsseite trifft, stellt sich auch die Frage nach dem Schutz gegen elektrischen Schlag.

Eine geeignete galvanische Trennung kann hier eine wichtige Schutzbarriere bilden. Sie verhindert eine direkte leitende Verbindung zwischen der gefährlichen Eingangsspannung und dem Ausgang und kann dadurch die Umsetzung eines Schutzkleinspannungskonzepts vereinfachen.

Das betrifft keineswegs nur medizinische Geräte. Auch in industriellen Steuerungen, Automatisierungssystemen, Messgeräten, Sensorik und Kommunikationssystemen werden Ausgänge häufig so ausgelegt, dass sie berührbar oder mit weiteren Schaltungsteilen verbunden sind.

Die häufigste technische Lösung ist ein Transformator. Bei einem AC/DC-Netzteil wird die sinusförmige Eingangsspannung zunächst gleichgerichtet und geglättet. Die daraus resultierende Gleichspannung wird anschließend mithilfe eines elektronischen Schalters, meist eines MOSFETs, mit hoher Frequenz ein- und ausgeschaltet. Dadurch entsteht eine getaktete Rechteckspannung, die der Primärwicklung des Transformators zugeführt wird. Über den Transformator wird die Energie mit hoher Frequenz auf die galvanisch getrennte Sekundärseite übertragen, gleichgerichtet und geregelt.

Bei einem isolierten DC/DC-Wandler funktioniert das Prinzip ähnlich: Bei einem isolierten DC/DC-Wandler liegt bereits eine Gleichspannung am Eingang an. Die nachfolgenden Schritte – Takten, Übertragung über den Transformator sowie Gleichrichtung und Regelung auf der Sekundärseite – entsprechen grundsätzlich dem Prinzip des AC/DC-Schaltnetzteils.

Für die Signalübertragung zwischen den beiden Seiten kommen beispielsweise Optokoppler oder digitale Isolatoren zum Einsatz. Damit können Steuer-, Regel- oder Kommunikationssignale übertragen werden, ohne die galvanische Trennung aufzuheben.

Die tatsächliche Qualität der Isolation hängt deshalb nicht nur vom Transformator ab. Entscheidend sind unter anderem:

• Isolationssystem und Isoliermaterialien
• Wicklungsaufbau und Transformator-Design
• Kriech- und Luftstrecken
• Leiterplattenlayout
• Gehäuse und mechanische Konstruktion
• Sicherheitskondensatoren und EMV-Konzept
• Anforderungen an Überspannungen und Verschmutzungsgrad

Ein galvanisch getrenntes Netzteil ist damit immer als Bestandteil einer Gesamtarchitektur zu betrachten.

Bei der Bewertung einer Isolation werden häufig zwei Begriffe genannt: Luft- und Kriechstrecke.

Die Luftstrecke ist die kürzeste Entfernung zwischen zwei leitfähigen Teilen durch die Luft.

Die Kriechstrecke beschreibt dagegen den kürzesten Weg entlang einer isolierenden Oberfläche.

Beide Werte sind für die elektrische Sicherheit relevant. Wie groß sie sein müssen, hängt unter anderem von der Arbeitsspannung, transienten Überspannungen, dem Verschmutzungsgrad, den Eigenschaften des verwendeten Isoliermaterials und der geforderten Isolationsart ab.

Deshalb lässt sich nicht pauschal sagen, dass eine bestimmte Spannung immer eine bestimmte Luft- und Kriechstrecke erfordert. Die konkrete Auslegung muss anhand der jeweils relevanten Norm und der tatsächlichen Einsatzbedingungen erfolgen.

Gerade bei kompakten Netzteilen ist das eine Herausforderung: Hohe Isolationsanforderungen müssen mit begrenztem Bauraum, hoher Leistungsdichte und gleichzeitig guter EMV-Eigenschaft kombiniert werden.

Bei Datenblättern von Netzteilen findet sich häufig eine Angabe wie „4.250 V AC“ oder „5.000 V AC Isolation“.

Hier ist Vorsicht bei der Interpretation geboten. Eine solche Angabe bezeichnet in der Regel eine Isolations- beziehungsweise Spannungsfestigkeitsprüfung. Sie bedeutet nicht automatisch, dass das Netzteil dauerhaft mit dieser Spannung betrieben werden darf. Wichtig ist auch, dass die Anschlüsse im Ein- und im Ausgang jeweils kurzgeschlossen sind.

So gibt beispielsweise der Hersteller CINCON für den LFM200M eine Eingang-zu-Ausgang-Isolationsprüfung mit 4.250 V AC für eine Minute ohne Durchschlag an. Zusätzlich werden 2.000 V AC zwischen Eingang und Erde sowie zwischen Ausgang und Erde spezifiziert.

Beim Vergleich verschiedener Netzteile sollte deshalb immer geprüft werden, welche Art von Isolationsangabe tatsächlich im Datenblatt gemeint ist und unter welchen Bedingungen sie gilt.

Eine galvanische Trennung reduziert zwar die direkte leitende Verbindung zwischen zwei Stromkreisen, sie verhindert aber nicht automatisch sämtliche Ströme zwischen ihnen.

In realen Netzteilen entstehen beispielsweise kapazitive Kopplungen über Transformatorwicklungen oder über EMV-Filter. Sicherheitskondensatoren können ebenfalls einen definierten Wechselstrompfad bilden.

Gerade in medizinischen Anwendungen müssen deshalb Ableit- und Berührungsströme genau betrachtet werden. Dabei spielt nicht nur das Netzteil selbst eine Rolle, sondern die gesamte Systemarchitektur aus Netzteil, Verkabelung, Gehäuse, Schutzleiter und angeschlossenen Komponenten.

Mehr zu den verschiedenen Ableitströmen und ihren Anforderungen finden Sie in unserem Beitrag „Ableitströme in der Medizintechnik“.

Worauf sollten Entwickler bei der Auswahl achten?

Bei der Auswahl eines galvanisch getrennten Netzteils lohnt sich ein Blick über die reine Ausgangsspannung und Leistung hinaus. Je nach Anwendung sollten insbesondere folgende Punkte geprüft werden:

1.      Welche Eingangsspannung liegt an?
Je höher die Spannung und je höher die möglichen transienten Überspannungen, desto anspruchsvoller wird die Isolationsauslegung.

2.      Welche Schutzfunktion wird benötigt?
Soll die Isolation beispielsweise ein SELV- oder PELV-Konzept unterstützen oder werden besondere medizinische Anforderungen benötigt?

3.      Welche Isolationsspannung ist tatsächlich spezifiziert?
Dabei sollte zwischen Prüfspannung und zulässiger beziehungsweise zugrunde liegender Arbeitsspannung unterschieden werden.

4.      Welche Kriech- und Luftstrecken werden erreicht?
Diese müssen zur vorgesehenen Anwendung und den relevanten Normanforderungen passen.

5.      Wie hoch sind die Ableitströme?
Gerade bei berührbaren Ausgängen und medizinischen Anwendungen können sie für die Systemauslegung entscheidend sein.

6.      Welche Zertifizierungen und Normen gelten für die konkrete Anwendung?
Ein Netzteil sollte nicht nur anhand eines einzelnen Prüfwertes ausgewählt werden. Entscheidend ist, ob das komplette Produkt für die vorgesehene Anwendung geeignet ist.

CINCON bietet verschiedene isolierte Netzteile und DC/DC-Wandler für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an Isolation und elektrische Sicherheit.

Ein Beispiel ist der CHM150, ein 150-W-DC/DC-Wandler mit einem Eingang von 18 bis 36 VDC und Ausgangsspannungen von 12, 15 oder 24 V. CINCON spezifiziert eine I/O-Isolation von 5.000  V AC für 250 V AC Arbeitsspannung und gibt eine Zulassung nach IEC/UL 60601-1 mit 2 MOPP an. Der Hersteller beschreibt das Produkt außerdem als für „CF Rated Medical Applications“ ausgelegt.

Für höhere Leistungen bietet CINCON unter anderem die LFM-Serie an. Die genaue Ausführung ist dabei entscheidend: Die medizinische Variante LFM200M ist als galvanisch getrenntes Netzteil mit erhöhten Isolationsanforderungen einzuordnen. CINCON gibt für dieses Modell eine Eingang-zu-Ausgang-Isolationsprüfung von 4.250  V AC für eine Minute an. Die Isolationsfestigkeit gegenüber Erde ist mit jeweils 2.000 V AC für Eingang und Ausgang angegeben.

Die Angaben zeigen beispielhaft, wie galvanische Trennung, hohe Isolationsfestigkeit und Anforderungen aus der Medizintechnik in kompakten Stromversorgungen kombiniert werden können. Bei anderen LFM-Varianten müssen die jeweiligen Datenblattangaben und Sicherheitsanforderungen separat geprüft werden.

Galvanische Trennung ist ein wichtiger Baustein für die elektrische Sicherheit von Netzteilen. Sie verhindert eine direkte leitende Verbindung zwischen zwei Stromkreisen und kann dadurch Schutzkonzepte wie SELV oder PELV unterstützen.

In medizinischen Anwendungen kommen zusätzliche Anforderungen hinzu, beispielsweise an MOPP, Kriech- und Luftstrecken sowie Ableitströme. Entscheidend ist deshalb nicht ein einzelner Prüfwert, sondern das Zusammenspiel aus Netzteil, Isolation, Layout, Gehäuse und den geltenden Normen.

Wer ein galvanisch getrenntes Netzteil auswählt, sollte daher immer die Anforderungen der konkreten Anwendung betrachten.

Sie sind sich nicht sicher, welche Isolation, Isolationsspannung oder welches Netzteil für Ihre Anwendung geeignet ist? Unser Team unterstützt Sie gerne bei der Auswahl und Auslegung. Sprechen Sie uns an! Wir beraten Sie persönlich und finden gemeinsam eine passende Lösung für Ihre technischen Anforderungen.

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