Galvanische Trennung

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Als galvanische Trennung (auch galvanische Entkopplung) wird im Allgemeinen eine elektrische Trennung zweier leitfähiger Gegenstände, beispielsweise Metallplatten oder Stromkreise, bezeichnet. Sie kann zum Beispiel in messtechnischen Anwendungen und bei der Datenübertragung erforderlich sein. Im Fall von Stromkreisen ist es Ladungsträgern daher nicht möglich, von einem Stromkreis in einen anderen zu fließen, da keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen diesen beiden Stromkreisen besteht. Über entsprechende Kopplungsglieder können jedoch zwischen den Stromkreisen elektrische Leistung oder Signale übertragen werden. Da bei galvanisch getrennten Verbindungen elektrische Potentiale voneinander getrennt sind, spricht man auch von potentialfreien Verbindungen.

Der Name „galvanische Verbindung“ bzw. „galvanische Trennung“ für das Vorhanden- bzw. Nicht-Vorhandensein einer leitfähigen Verbindung ist im Zusammenhang mit den Forschungen des italienischen Arztes Luigi Galvani geprägt worden.

Möglichkeiten der technischen Umsetzung[Bearbeiten]

Zur Umsetzung einer galvanischen Trennung können verschiedene Bauteile wie Transformatoren, Optokoppler oder auch Kondensatoren verwendet werden. Die Übertragung erfolgt in diesen Fällen dann über den Umweg eines Magnetfeldes, respektive mittels Infrarotstrahlung oder durch Ladungsverschiebung.

Kunststoffzahnräder in Handbohrmaschinen oder isolierende Klauenkupplungen dienen der Schutzisolation elektrischer Handgeräte und stellen eine zusätzliche Potentialtrennung zwischen metallischen Antriebsteilen und den äußeren, berührbaren metallischen Teilen her.

Induktive Trennung[Bearbeiten]

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

Das bekannteste Beispiel für eine galvanische Trennung sind Transformatoren, insbesondere wenn sie aus dem öffentlichen Stromnetz gespeist werden (Netztransformatoren). Mit ihnen wird neben der Spannungsanpassung eine galvanische Trennung zum Netz geschaffen, um in den angeschlossenen Stromkreisen die Sicherheit vor dem Berühren der Netzspannung herzustellen. Das wird durch zwei elektrisch voneinander getrennte Spulen, die sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden, realisiert. Durch diese Konstruktion soll auch dann keine Hochspannung auf der Sekundärseite anliegen, wenn die Primärwicklung durch einen Defekt unter Überspannung gerät oder durchbrennt. Eine Schutzisolation (oder auch verstärkte Isolierung) zur sicheren elektrischen Trennung (siehe SELV) ist bei den meisten Netztransformatoren gegeben.

Übertrager nennt man die induktive galvanische 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, vorzugsweise um Brummschleifen zuverlässig zu verhindern. So werden z. B. die Mikrophone in der Studiotechnik generell potentialfrei gehalten und per Übertrager an das Mischpult angeschlossen.

Weitere Beispiele sind die Übertrager des Ethernet Standard.

Die Übertrager, die in der sogenannten 100-Volt-Technik verwendet werden, dienen hingegen primär der Impedanzanpassung der niederohmigen Schallwandler an die hochohmige Endstufe bzw. Verkabelung und der Leistungsübertragung und erfordern nicht zwingend eine induktive Trennung. Das heißt, sie können aus einer einzigen Spule mit verschiedenen Abgriffen bestehen. Auch Stelltransformatoren sind in der Regel aus Kostengründen einspulige Spartransformatoren und trennen die Potentiale nicht.

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]

Auch die Ladungsverschiebung kann zur galvanischen Signaltrennung eingesetzt werden, indem hochfrequente Signale mit gut isolierten, spannungsfesten kleinen Kondensatoren kapazitiv gekoppelt werden. Bei niederfrequenten Potentialunterschieden verändert sich die Spannung über dem Kondensator und gleicht die Unterschiede so aus. Diese Form der galvanischen Trennung ist wegen des möglichen Versagens bzw. Durchschlagens des Kondensators auf Grund seiner begrenzten Spannungsfestigkeit für einige Anwendungsfälle aus Gründen der elektrischen Sicherheit nicht möglich.

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[1].

Informationsübertragung[Bearbeiten]

Ein galvanisch getrennter Informationsaustausch ist durch nicht-elektrische Übertragungswege mit entsprechenden Wandlern möglich. Dazu zählen die optische Übertragung (Optokoppler, Lichtleitkabel), die induktive Kopplung (Transformatoren und Übertrager) oder die mechanische Übertragung durch Druckluft (Pneumatikelemente) oder isolierende mechanische Teile (z. B. in Relais).

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. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso122.pdf ISO 122 Isolationsverstärker mit kapazitiver Kopplung