Spannungsisolation: Die wichtigsten Punkte im Überblick

Die Isolation verhindert einen unerwünschten Stromfluss zwischen zwei oder mehreren Teilen des Systems. Dieser Strom kann aufgrund einer Potenzialdifferenz zwischen den Erdungen der Versorgungsschiene fließen (z. B. vom Hochspannungsnetz zu einem Niederspannungsnetzteil auf Leiterplattenebene), weil die Erdungen im System nicht gleich sind (Leistungs- und Signalerde haben möglicherweise unterschiedliche Potenziale) oder weil möglicherweise externe Spannung in das System eingespeist wird. Der unerwünschte Strom kann lebensgefährlich sein (Stromschlaggefahr), Gerätebeschädigungen verursachen (Fehler) oder einfach nur störend sein (fehlerhafte Datenmessungen), sodass verschiedene Ebenen der Prävention erforderlich sind. Diese Ebenen werden Isolationsgrade genannt.

In Sicherheitsstandards werden folgende vier Isolationsarten benannt:

Während die funktionale Isolation lediglich erfordert, dass die Isolationsbarriere der angewendeten Hochspannungsprüfspannung standhält, erfordern die anderen Isolationsgrade zusätzlich minimale Trennungen entlang der Isolationsbarriere. Diese Trennungen werden wie folgt definiert:

Einschlägige Industriestandards enthalten Tabellen, in denen die minimalen Kriech- und Luftstrecken in Abhängigkeit von mehreren anwendungsspezifischen Faktoren wie Betriebsspannung, maximale Stoßspannung, Art der Anwendungsumgebung und maximale Höhe aufgelistet sind. All diese Faktoren beeinflussen die Fähigkeit des Stroms, sich entlang der Oberfläche eines Bauteils zu bewegen oder einen Lichtbogen zwischen zwei Punkten zu bilden. Die Mindestabstände sind die ungünstigsten Abstände unter den genannten Bedingungen.

Darüber hinaus legen verschiedene Normen je nach Art der Anwendung unterschiedliche Grenzwerte fest. So ist es beispielsweise möglich, dass eine AC/DC-Spannungsversorgung alle Sicherheitsanforderungen für den Einsatz in rauer Industrieumgebung erfüllt, nicht aber die Mindestkriech- und Luftstrecken für den Einsatz in einer klinischen Umgebung. Zwar ist die Umgebung in einem Krankenhaus deutlich günstiger ist als in einer Fabrik, dafür benötigen aber die Anwender ein höheres Maß an Schutz.

Bei der Entwicklung einer Spannungsversorgung muss stets abgewogen werden zwischen dem Bestreben, eine möglichst kleine Leiterplatte zu entwickeln und der Notwendigkeit, die durch Normen festgelegten minimalen Kriech- und Luftstreckenabstände einzuhalten. Bestimmte Techniken wie das Einfräsen von Schlitzen in die Leiterplatte zur Vergrößerung der Kriechstrecken oder das Umwickeln von Bauteilen mit Klebeband, um die effektive Trennung zweier leitender Punkten zu erhöhen, können hilfreich sein. Die beste Methode ist jedoch stets, die Anwendung, ihre Verwendung und die zu erwartende Umgebung genau zu studieren und das Layout entsprechend zu gestalten.

Die Anforderungen an den Isolationsgrad für ein bestimmtes System werden durch Industrienormen, staatliche Vorschriften und Sicherheitsrichtlinien festgelegt und sind sowohl anwendungs- als auch sicherheitsspezifisch.

Die Gesetze zur Produktsicherheit verlangen von Herstellern, dass sie den Benutzer unter allen normalen Betriebsbedingungen vor der Gefahr von Stromschlägen schützen. Daher müssen die Produkte bei normalem Gebrauch, unter Einzelfehlerbedingungen und bei vorhersehbarem Missbrauch sicher sein. Die einfachste Möglichkeit, die Einhaltung der Gesetze und Vorschriften nachzuweisen, besteht für einen Hersteller von Spannungsversorgungen darin, das Produkt nach einem anerkannten Industriesicherheitsstandard zu zertifizieren. Die Prüfstelle bestimmt anhand der beabsichtigten Anwendung und der Spannungswerte des Geräts den erforderlichen Grad der Isolierung.

Welcher Isolationsgrad für eine Konstruktion erforderlich ist, hängt davon ab, warum eine Isolierung erforderlich ist, welche Anwendungsart vorgesehen ist und welche Sicherheitsnormen erfüllt werden müssen. Auch wenn man versucht sein mag, stets das größtmögliche Maß an Isolation anzustreben, ist dies nicht immer die beste Lösung. Die Verwendung eines basisisolierten Bauteils in einer batteriebetriebenen Niederspannungsanwendung, die nicht für den Anschluss an gefährliche Spannungen vorgesehen ist, führt zu einem Overkill und zusätzlichen Kosten, ohne einen Nutzen zu bringen. Die Verwendung eines DC/DC Wandlers mit verstärkter Isolation in einer Gate-Treiber-Stromversorgung kann tatsächlich nachteilig sein, da die Isolationskapazität in einem verstärkt isolierten DC/DC Wandler höher ist als in einem funktional isolierten DC/DC Wandler. Andererseits wird die Prüfstelle, wenn der Isolationsgrad nicht dem vorgesehenen Verwendungszweck der Stromversorgung entspricht, das isolierte Teil als ungeeignet ablehnen, was zu hohen Neuentwicklungs- und Rezertifizierungskosten führt.

In solchen Fällen lohnt es sich, den technischen Support von RECOM oder unsere erfahrenen Vertriebsingenieure um Rat zu fragen. RECOM stellt Zehntausende verschiedener AC/DC- und DC/DC-Wandler und LED-Treiber her. Einer der Gründe für ein so breites Produktportfolio ist, dass wir viele verschiedene Produkte anbieten, die speziell entwickelt wurden, um verschiedene Sicherheits- und Leistungsstandards zu erfüllen, sei es für LED-Beleuchtung, Eisenbahn, Industrie, Haushalt oder medizinische Anwendungen.

Die Spannungsversorgungseinheit, ob off-board oder on-board, ist in der Regel die Hauptkomponente für die Einhaltung der Sicherheitsgesetze und -vorschriften. Die Verwendung vorzertifizierter AC/DC Spannungsversorgungen ersetzt nicht die Notwendigkeit, bei der Entwicklung eines effizienten Systems mit der gebotenen Sorgfalt vorzugehen, aber sie erleichtert die Einhaltungskontrolle und macht sie schneller und kostengünstiger.

Diese Folge ist eine schnelle Einführung zur Isolation. Sie behandelt die verschiedenen Arten der Isolierung und die Anwendungen, in denen sie benötigt werden. (ENGLISH ONLY)