Spannungsisolation: Die wichtigsten Punkte im Überblick
20.05.2020
Auch wenn im Internet, Herstellerdatenblättern und Büchern viele Informationen zu diesem Thema zu finden sind, gehören Fragen zur Isolation und zum Isolationsgrad zu den häufigsten Fragen an den technischen Kundendienst.Es ist im Grunde ein leicht verständliches, und doch komplexes, vielschichtiges Thema, zu dem es viele Standards und Definitionen gibt. Dieses Merkblatt umreißt knapp die Grundzüge. Falls Fragen offen bleiben, wenden Sie sich jederzeit gern an den technischen Kundendienst oder an den Vertrieb von Recom.
Wozu braucht man eine Spannungsisolation?
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.
Welche Isolationsgrade gibt es?
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.
Wer entscheidet, welcher Isolationsgrad erforderlich ist?
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.
Wir helfen Ihnen gerne weiter
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.
RECOM: We Power your Products
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.
Welche Isolationsgrade gibt es?
In Sicherheitsstandards werden folgende vier Isolationsarten benannt:
- Funktionale Isolation
Die beiden Teile des Systems sind galvanisch voneinander getrennt. Erdschleifenströme und Querstörungen von einer Versorgungsschiene zur anderen werden blockiert, und es kann ein Schutz gegen bestimmte Fehlerzustände (z. B. Kurzschlüsse am Ausgang) eingerichtet werden.
In einer Stromversorgung wird die funktionale Isolation in der Regel durch einen Transformator erreicht. Die Eingangs- und Ausgangswicklungen können direkt übereinander gewickelt werden, wobei die elektrische Isolierung lediglich in einer Drahtbeschichtung besteht. Es sind keine Mindestkriech- oder Lufttrennungsabstände erforderlich, da die Isolierung keinen Schutz gegen elektrischen Schlag bietet.
Typische Anwendungen sind: Vermeidung von Erdschleifen, Isolierung von Signalstörungen (Trennung von leisen und lauten Stromschienen), Stromversorgungen auf Leiterplattenebene (Isolation der Last von der Versorgung), Generierung positiver oder negativer Spannungen durch Auswahl des Erdungspunkts sowie von Mehrkanal- oder Bussystemen (ein Kurzschluss an einem Ausgang wirkt sich nicht auf das gesamte System aus). - Basisisolation
Funktionale Isolation plus eine zusätzliche Isolationsebene zum Schutz vor Stromschlägen in Verbindung mit einem weiteren Schutzmechanismus.
In einer DC/DC-Spannungsversorgung wird die Basisisolation zwischen Eingang und Ausgang üblicherweise durch einen Transformator erreicht, bei dem die Eingangs- und Ausgangswicklungen durch eine Schicht fester Isolierung voneinander getrennt sind. Die Basisisolation gegen Erde wird normalerweise durch Isolierung oder physische Trennung erreicht.
Abhängig von den Spannungsunterschieden im System, der Überspannungskategorie der Versorgung, dem Verschmutzungsgrad der Umgebung und des Freiraums sowie der Höhe, sind Mindestkriech- oder Luftabstände erforderlich.
Typische Anwendungen: Gleichspannungssysteme, die als potenziell gefährlich gelten (über 60 VDC) oder funktionale Isolationsanwendungen, die zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit einen zusätzlichen Einzelfehlerschutz erfordern. Eine Basisisolierung zwischen Wechselstromeingang und ungeerdeten Ausgängen ist bei netzbetriebenen Anwendungen nicht einsetzbar, da die Sicherheitsstandards zwei Schutzvorrichtungen vorschreiben. Allerdings ist eine Basisisolation zwischen dem AC-Eingang und einem geerdeten Gehäuse erforderlich. - Doppelte Isolation
PFunktionale Isolation plus zwei unabhängige Isolationsebenen, die jeweils vor elektrischem Schlag schützen (zwei unabhängige Schutzmechanismen).
In einer Spannungsversorgung wird eine doppelte Isolation zwischen Eingang und Ausgang durch den Einsatz eines Transformators erreicht, wobei die Eingangs- und Ausgangswicklungen durch zwei getrennte Schichten fester Isolierung von minimaler Dicke getrennt sind.
Abhängig von den Spannungsunterschieden im System, der Überspannungskategorie der Versorgung, dem Verschmutzungsgrad der Umgebung und des Freiraums sowie der Höhe, sind Mindestkriech- oder Luftabstände erforderlich.
Typische Anwendungen: AC/DC-gespeiste Systeme in Kunststoffgehäusen ohne Erdungsleitung und hochzuverlässige DC/DC-Isolationsanwendungen, die einen Schutz vor Doppelfehlern erfordern. - Verstärkte Isolation
Funktionale Isolation plus eine einfache Isolationsschicht. Dies entspricht zwei unabhängigen Schutzmechanismen gegen Stromschlag.
In einer Spannungsversorgung wird eine verstärkte Isolation üblicherweise durch einen Transformator erreicht, bei dem die Eingangs- und Ausgangswicklungen durch festgelegte Kriech- und Luftstrecken und einen einzelnen, dicken Isolator getrennt sind, bzw. durch eine einzelne, dünnere Schicht fester Isolierung und eine Wicklung mit dreifach isoliertem Draht. Letzteres hat den Vorteil, dass der Transformator im Vergleich zu einer doppelt isolierten Konstruktion wesentlich kompakter ist. Abhängig von den Spannungsunterschieden im System, der Überspannungskategorie der Versorgung, dem Verschmutzungsgrad der Umgebung und des Freiraums sowie der Höhe sind Mindestkriech- oder Luftabstände erforderlich.
Typische Anwendungen: AC/DC-gespeiste Systeme, hochzuverlässige DC/DC-Isolationsanwendungen medizinischer Güte, die einen Doppelfehlerschutz erfordern.
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:
- Kriechstrecke
Der Mindestabstand über der Isolationsbarriere, gemessen entlang der Verbindungsfläche. Auf einer Leiterplatte zum Beispiel wäre die Kriechstrecke diejenige, bei der sich die Leiterbahnen auf der Primär- und Sekundärseite, gemessen entlang der Leiterplatte, am nächsten kommen. - Luftstrecke
Der Mindestabstand entlang der Isolationsbarriere, gemessen in gerader Linie zwischen zwei Leitern. Auf einer Leiterplatte zum Beispiel wäre die Luftstrecke diejenige, bei der sich zwei freiliegende Metallkomponenten, eine auf der Primär- und eine auf der Sekundärseite, in Luftlinie gemessen am nächsten kommen.
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.
Wer entscheidet, welcher Isolationsgrad erforderlich ist?
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.
Wir helfen Ihnen gerne weiter
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.
RECOM: We Power your Products
Anwendungen
