Galvanische Trennung

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Wechseln zu: Navigation, Suche

Als galvanische Trennung (auch galvanische Entkopplung) wird das Fehlen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen leitfähigen Gegenständen oder Stromkreisen, bezeichnet. Sie kann zum Beispiel in messtechnischen Anwendungen und bei der Datenübertragung erforderlich sein. Bei galvanischer Trennung sind auch elektrische Potentiale voneinander getrennt; die Gegenstände oder Stromkreise sind untereinander potentialfrei.

Von galvanischer Trennung wird meist gesprochen, wenn trotz der fehlenden elektrisch leitenden Verbindung elektrische Leistung oder ein elektrisches Signal zwischen den Stromkreisen übertragen werden kann.[1][2][3] Dazu sind den Leiter ersetzende Kopplungsglieder erforderlich. Wenn es ausschließlich auf das Fehlen einer elektrisch leitenden Verbindung ankommt, spricht man von Isolierung.

Die Namen „Galvanische Kopplung“ und „galvanische Trennung“ sind im Zusammenhang mit den Forschungen des italienischen Arztes Luigi Galvani geprägt worden.

Möglichkeiten der technischen Umsetzung[Bearbeiten]

Zur Umsetzung einer Leistungs- oder Signalkopplung galvanisch getrennter Stromkreise können verschiedene Bauteile wie Transformatoren, Kondensatoren, Optokoppler, Lichtwellenleiter oder Relais verwendet werden. Die Übertragung erfolgt in diesen Fällen dann über den Umweg eines Magnetfeldes, durch Ladungsverschiebung, mittels Strahlung oder eines potentialfreien Kontaktes.

Induktive Trennung[Bearbeiten]

Galvanische Trennung in einem Transformator: Die Leitungen des Primärstromkreises (oben) kommen nicht mit denen des Sekundärstromkreises in Berührung.

Die bekannteste Leistungs-/Signalkopplung galvanisch getrennter Stromkreise sind Transformatoren (ausgenommen Spartransformatoren). Mit ihnen wird eine für den jeweiligen Anwendungszweck erforderliche elektrische Spannung erzeugt und zugleich eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärstromkreis geschaffen. Bei Einphasenwechselstrom zur öffentlichen Energieversorgung ist der eine der Leiter als Neutralleiter geerdet („Masse“) und nur der andere als Außenleiter steht unter Spannung („Phase“). Die Sekundärseite kann potentialfrei betrieben werden oder mit einer Erdung an einer beliebigen Stelle des Sekundärkreises. Nur bei Speisung aus einem Mittelspannungs- oder Hochspannungsnetz soll zur Sicherheit die Sekundärseite geerdet sein. Eine Schutzisolierung zur sicheren elektrischen Trennung ist bei den meisten Netztransformatoren gegeben (siehe Sicherheitskleinspannung).

Zur induktiven galvanischen Trennung z. B. im Audiobereich, wenn es weniger um die Übertragung von Leistung geht, sondern mehr um die Übertragung von analogen Audiosignalen bei gleichzeitiger Trennung der Potentiale, verwendet man Übertrager. Bei Anlagen mit langen Leitungen oder mehreren Erdungspunkten werden damit Brummschleifen zuverlässig verhindert. So werden z. B. die Mikrophone in der Studiotechnik generell potentialfrei gehalten und per Übertrager an das Mischpult angeschlossen.

Bei Röhren-Endstufen sind hingegen galvanisch trennende Übertrager (Ausgangsübertrager) üblich, um die Endstufe an die Lautsprecher anzupassen und die lebensgefährliche Anodenspannung von den Lautsprecheranschlüssen fernzuhalten.

Kapazitive Trennung[Bearbeiten]

Kondensatoren können durch Ladungsverschiebung Wechselgrößen hindurchlassen, Gleichgrößen hingegen nicht und somit ebenfalls zur potentialfreien Signaltrennung eingesetzt werden. Die kapazitive galvanische Trennung ist schaltungstechnisch einfacher als die induktive, aber aus Gründen der elektrischen Sicherheit mitunter nicht angeraten, da viele Kondensatoren weniger spannungsfest sind als Transformatoren, so dass ein Spannungsdurchschlag droht. Kapazitive Spannungswandler werden aber durchaus für eine Spannung von mehr als 1 MV gebaut.

Kapazitive Kopplung wird teilweise vereinfacht so ausgeführt, dass ein Wechselsignal auf einem festliegenden Potential (gegenüber einem Bezugspotential, oft Erde) übertragen wird auf ein frei wählbares anderes Potential, wobei das für beide Seiten gemeinsame Bezugspotential ohne galvanische Trennung durchläuft; das Signal liegt nun auf Primär- und Sekundärseite auf verschiedenen Potentialen, die beiden Stromkreise sind zueinander aber nicht potentialfrei - hierzu muss auch das Bezugspotential galvanisch getrennt sein. Eine eventuell vorhandene Erdung in der Schaltung auf der Ausgangsseite muss mit dem Bezugspotential zusammenführbar sein.

Beispiele für die kapazitive Signalübertragung zur galvanischen Trennung sind Antennenanschlüsse älterer Fernsehgeräte (zur Netztrennung, da diese Röhrengeräte Netzspannungspotential auf dem Chassis hatten) und manche Isolationsverstärker[4].

Andere Trennung[Bearbeiten]

Ohne durchlaufendes Bezugspotential arbeiten die optischen und die mechanischen Koppler. Während induktive, kapazitive und mechanische Kopplungsglieder sowie Lichtwellenleiter nicht nur Information, sondern auch in gewissem Umfang Leistung weitergeben können, ist die Leistungsübertragung mit Kontakten nicht möglich, mit Optokopplern kaum.

Für industrielle Anwendungen gibt es Trennverstärker mit induktiver, kapazitiver oder optoelektronischer Kopplung und belastbarem Ausgang, bei denen Eingangskreis, Ausgangskreis und Versorgungskreis jeweils untereinander potentialfrei und bis in den Kilovoltbereich spannungsfest sind.

Anwendungsbereiche[Bearbeiten]

Eine galvanische Trennung ist in folgenden Fällen erforderlich:

  • zur Sicherheit (z. B. medizinische Geräte, elektrisches Spielzeug, alle netzbetriebenen Geräte mit Schutzkleinspannung, wie Steckernetzteile, Audiogeräte, Ladegeräte usw.); siehe hierzu auch Schutztrennung.
  • aus messtechnischen Gründen: Potentialtrennung der Spannungsversorgung von Messgeräten vom Stromkreis der zu messenden Spannung oder Potentialtrennung im Messsignalweg (z. B. Stromzangen, Stromwandler)
  • zur Verhinderung von Brummschleifen und elektromagnetischen Störungen (z. B. Audiogeräte, Analog- und Digitalsignale in der Industrie, Übertrager in Datennetzen, z. B. Ethernet)

Wenn mehrere elektrische Größen simultan gemessen und z. B. in einem Computer erfasst werden sollen, deren Bezugspotentiale sich unterscheiden, dann müssen die Messwertaufnehmer voneinander galvanisch getrennt sein. Das kann zum Beispiel mit Stromwandlern, Isolationsverstärkern oder Analog-Optokopplern erreicht werden.

Eine konsequent ausgeführte galvanische Trennung ist ein wirksamer Schutz gegen elektromagnetische Störungen. Das gilt auch dann, wenn keine galvanische Verbindung zu anderen Stromkreisen besteht – lange Kabel können auch ohne leitende Verbindung Störungen auffangen und in Signaleingänge weiterleiten. Diese sogenannten Gleichtaktstörungen können durch Potentialtrennung von den Signaleingängen ferngehalten werden. Industrieanlagen und -geräte müssen z. B. sog. Burst-Tests bestehen, bei denen steile Hochspannungsimpulse kapazitiv auf die Kabel gekoppelt werden. Auch der Schutz gegenüber eingestrahlten elektromagnetischen Wellen wird durch potentialtrennende Signaleingänge verbessert. Die Maßnahmen sind unter dem Begriff elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zusammengefasst.

Galvanische Trennung ist weiterhin bei der Datenfernübertragung auf Hochspannungsleitungen und zum Schutz vor einem elektromagnetischen Puls (EMP) erforderlich.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. R. Nater, A. Reichmuth, R. Schwartz, M. Borys, P. Zervos: Wägelexikon: Leitfaden wägetechnischer Begriffe. Springer 2008, S. 95
  2. Armin Bolz, Wilhelm Urbaszek: Technik in der Kardiologie: Eine interdisziplinäre Darstellung für Ingenieure und Mediziner. Springer 2002, S. 131
  3. B. Heinrich, B. Berling, W. Thrun, W. Vogt: Kaspers/Küfner Messen - Steuern - Regeln: Elemente der Automatisierungstechnik. Vieweg 2002, S. 139
  4. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso122.pdf ISO 122 Isolationsverstärker mit kapazitiver Kopplung