Die Bedeutung der elektrischen Isolierung (Betriebs- vs. Prüfspannung)

Bei der Auswahl eines Netzteils für einen Anwendungsbereich – ob in der Medizin, der Telekommunikation, der Industrie oder anderweitig – müssen Ingenieure prüfen, welche zahlreichen Faktoren berücksichtigt werden müssen. Die erste Priorität ist die Sicherstellung, dass das jeweilige Netzteil den benötigten AC- und/oder DC-Eingangsspannungsbereich bewältigen und die erforderliche Ausgangsleistung bereitstellen kann. Weitere wichtige Überlegungen sind die Effizienz, das Wärmemanagement, die Größe, die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und die Umgebungsstabilität.

Ein oftmals übersehener Aspekt ist die richtige elektrische Isolierung. Die Auswahl eines Netzteils mit geeigneten Isolationseigenschaften ist entscheidend für die langfristige Zuverlässigkeit und Sicherheit des Systems und die Einhaltung von Normen. Für unternehmens- und sicherheitskritische Installationen, z.B. in der Industrie, Medizin und in der Automatisierung ist das Verständnis des Unterschieds zwischen Prüfspannung und Betriebsspannung entscheidend für fundierte Designentscheidungen.

Bei Netzteilen stellt die Isolationsbarriere eine gezielte elektrische Trennung zwischen dem netzseitigen Eingang (Primärseite) und dem lastseitigen Ausgang (Sekundärseite) dar. Diese Barriere verhindert den Fluss von elektrischem Gleichstrom zwischen den beiden Seiten und ermöglicht zugleich eine sichere und effektive Übertragung von Strom und Daten. Diese Isolierung wird normalerweise durch Transformatoren zur Energieübertragung erreicht, ergänzt durch Optokoppler oder digitale Isolatoren für die Rückmeldung von Steuersignalen.

Der Begriff der „Betriebsspannung“ (auch als „Dauerspannung“ bezeichnet) an einer Isolationsbarriere bezieht sich auf die maximale Spannungsdifferenz, die zwischen den beiden isolierten Bereichen während des normalen Betriebs kontinuierlich bestehen kann. Dieser Wert – entscheidend für die Bestimmung der Isolationsanforderungen und Sicherheitseinstufungen des Netzteils – hängt von der Systemkonfiguration und nicht nur von der Eingangsspannung ab.

Der Begriff „dielektrische Spannungsfestigkeit“ (auch als „Prüfspannung“ bezeichnet) bezieht sich auf die maximale Spannung, der ein Isoliermaterial (das „Dielektrikum“) ohne Durchschlag standhalten kann. Mit anderen Worten: Es handelt sich um den Schwellenwert, bei dem das Material die Isolierung aufrechterhält, ohne den Durchfluss des Stroms auf eine Weise zu ermöglichen, die die Sicherheit beeinträchtigen würde. Die „dielektrische Spannungsprüfung“ (auch bekannt als „Hochspannungsprüfung“ oder „Hi-Pot-Test“) basiert auf diesem Konzept. Bei dieser Isolationsprüfung wird eine Hochspannung (normalerweise deutlich über der Betriebsspannung) an die Isolationsbarriere angelegt. Dies dient der Bestätigung, dass die Isolierung intakt bleibt, ohne Durchschlag oder übermäßige Leckage, wobei gezeigt wird, dass das Produkt auch unter transienten oder Fehlerbedingungen sicher und belastbar ist.

Während der dielektrischen Spannungsprüfung wird die Hochspannung für eine bestimmte Dauer angelegt, oft 1 Sekunde oder 60 Sekunden, um sicherzustellen, dass keine Leckage oder kein Durchschlag auftritt. Ein-Sekunden-Tests werden üblicherweise in der Produktion angewendet, um eine Schädigung von Komponenten zu verhindern, während 60-Sekunden-Tests strenger sind und normalerweise der Typgenehmigung und Typenzertifizierung vorbehalten sind. Verschiedene Normen definieren unterschiedliche Multiplikatoren der Betriebsspannung, Prüfdauer und sogar Prüfwellenformen, um die Isolationsintegrität zu bestätigen.

Die Sicherheit und Zuverlässigkeit eines Netzteils erfordern die Berücksichtigung der elektrischen Eigenschaften und des physikalischen Designs des Netzteils. Normen spezifizieren Anforderungen für Folgendes:

• Betriebsspannung (Dauerspannung an der Barriere)
• Dielektrische Spannungsfestigkeit (kurzzeitige Hochspannungsprüfung)
• Isolierungsart (einfach, zusätzlich, verstärkt oder doppelt)
• Sicherheitsabstand
• Kriechstrecke
• Verschmutzungsgrad
• Überspannungskategorie (OVC)
• Höhe
• AC- vs. DC-Eingänge (bei AC-Designs sind Spitzenspannungen und Transienten stärker und erfordern eine robustere Isolierung und entsprechenden Abstand)

Der Sicherheitsabstand ist der kürzeste Abstand über die Luft zwischen zwei leitfähigen Teilen, wobei der Abstand einen „Überschlag“ (Lichtbogenbildung durch die Luft) verhindert. Im Gegensatz dazu ist die Kriechstrecke der kürzeste Weg entlang einer Oberfläche zwischen zwei leitfähigen Teilen und dient der Verhinderung von „Kriechwegbildung“ (Stromfluss entlang der Oberfläche des Isoliermaterials). Die erforderlichen Abstände hängen von mehreren Faktoren ab:

• Betriebsspannung
• Überspannungskategorie
• Verschmutzungsgrad
• Materialgruppe (Kriechstromfestigkeit der Isolierung)
• Höhe

Die Überspannungskategorie (OVC) stellt die Netzhierarchie dar, in der das Netzteil betrieben werden soll. Höhere Kategorien entsprechen größeren transienten Spannungsspitzen, die größere Abstände und höhere Prüfspannungen erfordern, um die Sicherheit zu gewährleisten. Im Folgenden finden Sie einen allgemeinen Überblick über diese Kategorien:

• CAT I: Geschützte elektronische Schaltungen (batteriebetriebene Sekundärkreise mit begrenzter Energie)
• CAT II: Lokale Geräte (Haushalt, tragbare Werkzeuge)
• CAT III: Gebäudeinstallationen (Verteiler, feste Verdrahtung)
• CAT IV: Ursprung der Installation (Freileitung, Primärverteilung)

Der Verschmutzungsgrad (VG) beschreibt die Menge an leitfähigen Verunreinigungen, deren Ansammlung an der Isolierung des Netzteils während des Normalbetriebs möglich ist. Höhere Verschmutzungsgrade erfordern größere Kriechstrecken zur Aufrechterhaltung einer sicheren Isolierung. Im Folgenden finden Sie einen allgemeinen Überblick über die Kategorien:

• VG 1 (0,1x): Sauber, trocken (z.B. versiegelte Elektronik, Raum)
• VG 2 (1,0x): Normalerweise nicht leitfähig, gelegentliche Kondensation (typisch in Innenräumen)
• VG 3 (1,5x): Leitfähige Verschmutzung oder Feuchtigkeit (z. B. Küchen, Fabriken)
• VG 4 (2,5x): Anhaltende leitfähige Verschmutzung (im Freien mit starkem Salznebel, Chemieanlagen)

Jeder Verschmutzungsgrad hat einen entsprechenden Multiplikator, der auf die Basis-Kriechstrecke pro kV Betriebsspannung angewendet wird. Wenn zum Beispiel die Basis-Kriechstrecke 2mm/kV beträgt und das Netzteil für eine VG-4-Umgebung vorgesehen ist, beträgt die Anforderung 2mm × 2,5 = 5mm/kV der Betriebsspannung. Zusätzlich muss die Höhe berücksichtigt werden. Mit zunehmender Höhe verringert sich die Luftdichte, was die Spannungsfestigkeit vermindert und die Gefahr der Lichtbogenbildung erhöht. Normen wie IEC 60664-1 wenden einen Derating-Faktor für den Abstand bei Höhen über 2000m an. Beispielsweise müsste bei 5000m der erforderliche Abstand möglicherweise um 50% oder mehr gegenüber dem Meeresspiegel erhöht werden.

Es gibt einen alten Ingenieur-Witz, der lautet: „Normen sind großartig … jeder sollte eine haben.“ Das Problem ist, dass viele Organisationen tatsächlich ihre eigenen haben. Im Beispiel der Netzteilisolierung gibt es zahlreiche Normen, die jeweils unterschiedliche Anforderungen haben. Einige gängige Normen für die elektrische Isolierung und Sicherheit von Netzteilen sind folgende:

• IEC 60950-1: IT- und Telekommunikationsgeräte (jetzt ersetzt durch IEC 62368-1)
• IEC 62368-1: Audio/Video, IT und Telekommunikation (zeitgemäßer Ersatz für IEC 60950-1)
• IEC 60601-1: Medizinische Geräte (einschließlich Patienten-/Anwenderschutz)
• IEC 61010-1: Labor und Industrie (der Schwerpunkt liegt auf Prüf- und Messgeräten)
• IEC 60204-1: Industrielle Maschinensysteme (oft verbunden mit IEC 61010)
• IEC 62109-1/-2: Solarwechselrichter und PV (für Hochspannungs-Solargeräte)

Die Herausforderung wird durch die Existenz verschiedener Regulierungs- und Zertifizierungsstellen mit jeweils eigenen Anforderungen noch komplizierter. Zu den wichtigsten Organisationen gehören UL (Underwriters Laboratories – USA), CE (Conformité Européenne – Europäische Union), CCC (China Compulsory Certificate – China), PSE (Product Safety Electrical Appliance & Material – Japan) und UKCA (UK Conformity Assessed). Zum Beispiel kann CE einen 1-Sekunden-Test bei einem bestimmten Spannungsniveau verlangen, während UL einen 60-Sekunden-Test bei einem anderen Niveau erfordern kann. Dies führt zu einem komplexen „Geflecht von Anforderungen“, in dem sich die Hersteller zurechtfinden müssen, um weltweite Konformität zu erreichen.

Das umfangreiche Portfolio von RECOM erfüllt die Anforderungen einer Vielzahl von Anwendungen und Märkten: von winzigen Wandlern in eingebetteten und IoT-Systemen bis hin zu Hochleistungswandlern für Industrie- und Automatisierungsanwendungen. Mit großer Anerkennung erhielt RECOM kürzlich den Red Dot Award für Produktdesign 2025 für seine RACPRO1 DIN-Schienen-Serie von Industrie- und Automatisierungsnetzteilen. RECOM bedient auch zahlreiche andere Branchen, darunter Medizin, Telekommunikation, Netzwerke, Bahn und Transport.

Jedes RECOM-Netzteil wird gezielt entwickelt, um die Anforderungen an Isolierung, Betriebsspannung und Prüfspannung der jeweiligen Anwendung zuverlässig zu erfüllen. Dabei stehen Ihnen die Experten von RECOM zur Verfügung, um Sie durch die Komplexität der Isolationsvorschriften zu führen.

Das RECOM AC/DC-, DC/DC- und EMC-Handbuch bietet eine umfangreiche Sammlung von Erkenntnissen und Fachwissen, die erforderlich sind, um effektive AC/DC-Netzteil-Designs zu implementieren. Zudem bietet der RECOM-Blog Energieeffizienz mit AC/DC-Netzteilen: Kurzanleitung zu den Grundlagen eine hilfreiche Einführung in die Ökodesign-Verordnungen. Diese Verordnungen umfassen eine Reihe von Standards und Richtlinien, die von Regierungen oder Aufsichtsbehörden festgelegt wurden, um sicherzustellen, dass Produkte so designt werden, dass ihre Umweltauswirkungen während ihres gesamten Lebenszyklus minimiert werden. Der Schwerpunkt liegt auf der Verbesserung der Energieeffizienz und der Förderung der Nachhaltigkeit durch die Reduzierung der Abfälle, Emissionen und des Ressourcenverbrauchs.