Galvanische Trennung

Unter galvanischer Trennung (auch galvanische Entkopplung) versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen. Die elektrische Leitung wird dabei durch elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder aufgetrennt. Bei galvanischer Trennung sind die elektrischen Potentiale voneinander getrennt und die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei.

Die galvanische Trennung ist dort notwendig, wo sich die Stromkreise in einem gemeinsamen Gehäuse oder in einer vergleichbaren Funktionseinheit befinden und zumindest einer auf den anderen einwirken soll, sie dabei aber in ihren Bezugspotentialen getrennt bleiben müssen. Sie kann zum Beispiel in messtechnischen oder audiotechnischen Anwendungen und bei der Datenübertragung erforderlich sein. Wenn es ausschließlich auf das Fehlen einer elektrisch leitenden Verbindung ankommt, spricht man von Isolierung.

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

Möglichkeiten der technischen Umsetzung

Die galvanische Trennung umfasst stets zugleich eine nicht elektrische Kopplung. Zur Leistungs- oder Signalübertragung können verschiedene Bauelemente wie Transformatoren, Kondensatoren, Optokoppler, Lichtwellenleiter oder Relais verwendet werden. Nach dem aktuellen Stand der technischen Entwicklung wird die Kopplung fast ausschließlich durch Induktion, Influenz, Strahlung oder mittels eines potentialfreien Kontaktes realisiert.

Induktive Trennung

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 benutzt 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 beiden Leiter als Neutralleiter geerdet und nur der andere als Außenleiter steht unter Spannung. 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 denjenigen Netztransformatoren gegeben, die eine verstärkte oder doppelte Isolierung aufweisen und mit Zeichen der Schutzklasse II oder III gekennzeichnet sind.

Zur induktiven galvanischen Trennung von analogen Mess- oder Audiosignalen verwendet man Übertrager, Messwandler, transformatorische Mantelstromfilter oder induktiv gekoppelte elektronische Trennverstärker. Bei Anlagen mit langen Leitungen oder mehreren Erdungspunkten werden damit Brummschleifen verhindert.

In älteren Audioverstärkern gab es Zwischen- und Ausgangsübertrager zur Signalkopplung und Impedanzanpassung, die jedoch oft nicht der Potentialtrennung dienen sollten.

Kapazitive Trennung

Kapazitive Trennung mit zwei Kondensatoren

Kondensatoren können durch Ladungsverschiebung Wechselgrößen hindurchlassen, Gleichgrößen dagegen nicht. Bei geeigneter Dimensionierung können niedrigfrequente Wechselspannungen (z.B. die Netzspannung) ebenfalls gesperrt werden, und nur höherfrequente Spannungen werden durchgelassen. Voraussetzung ist ein genügend großer Frequenzabstand des übertragenen Signales, was oft durch Modulation des Signales auf einen Träger erreicht wird. Auf diese Weise können kleine spannungsfeste Kondensatoren zur Potentialtrennung eingesetzt werden.

Galvanische Trennung mit Kondensatorbrücke

Eine Wheatstonebrücke besteht aus zwei Spannungsteilern. Bei einer unsymmetrischen Teilung ist die Brückenquerspannung proportional der Speisespannung. Dies gilt bei Wechselspannung auch für kapazitive Spannungsteiler wie im Bild. Wählt man die Kapazitätswerte der Kondensatoren an einem Zweig der Brücke so, dass das Potential am Knoten möglichst tief ist und am anderen Zweig möglichst hoch – etwas durch ein Verhältnis von 1:100 an einem Zweig und 100:1 am anderen, erhält man zwischen beiden Knoten nahezu dieselbe Spannung wie am Eingang der Schaltung. Den Ausgangsklemmen fehlt die galvanische Verbindung zum Eingang.

Die kapazitive galvanische Trennung ist konstruktiv oft einfacher als die induktive. Sie erfordert für jeden Leiter einen Kondensator. Kapazitive Spannungswandler können für eine Spannung von mehr als 1 MV gebaut werden. Die oben erwähnten Mantelstromfilter sowie Trennverstärker sind auch nach dem Prinzip der kapazitiven Kopplung erhältlich, siehe auch weiter unten.

In älteren Fernsehgeräten diente die kapazitive Signalübertragung zur Netztrennung der Antennenanschlüsse, da diese Röhrengeräte Netzspannungspotential auf dem Chassis hatten.

Andere Trennung

Trennung mit Optokoppler, der zwei Photodioden enthält: Bei gleichem Übertragungsverhalten in beiden Zweigen (wenn $I_{\mathrm {P1} }=I_{\mathrm {P2} }$ ) werden durch die Rückkopplung von $I_{\mathrm {P1} }$ die Nichtlinearität und Drift der Übertragung kompensiert.

Ferner ist eine galvanische Trennung mittels Relais und mittels Optokopplern von Bedeutung. Mit Kontaktbetätigung und einfacher Optokopplung lassen sich nur Signale mit zwei diskreten Werten übertragen. In einer aufwändigeren Schaltung als Trennverstärker lassen sich mit Optokopplern auch Analogsignale übertragen. Während induktive und kapazitive Kopplungsglieder nicht nur Information, sondern auch in gewissem Umfang Leistung weitergeben können, ist die Leistungsübertragung mit Optokopplern und Kontakten nicht möglich.

Eine Signalübertragung durch akustische oder elektromagnetische Wellen (abseits der Optokoppler) umfasst oft ebenfalls eine galvanische Trennung. Allerdings ist dieses Auftreten der elektrischen Trennung der zwei Stromkreise in der Regel nur ein Nebeneffekt.

Elektronische Baugruppen

Elektronische Schaltungen zur Potentialtrennung gibt es unter der Bezeichnung Isolations- oder Trennverstärker. Sie werden als integrierter Schaltkreis ausgeführt oder als Modul für industrielle Anwendung – mit induktiver, kapazitiver oder optoelektronischer Kopplung und mit belastbarem Ausgang; Eingangskreis, Ausgangskreis und Versorgungskreis können jeweils untereinander potentialfrei und bis in den Kilovoltbereich spannungsfest sein.

Für die Übertragung von Gleichgrößen oder niederfrequenten Wechselgrößen werden diese bei induktiver oder kapazitiver Kopplung einem Träger aufmoduliert; dieser wird potentialfrei übertragen; dann wird das Signal wieder vom Träger abgetrennt. Es gibt vereinfachte Schaltpläne integrierter Schaltkreise dieser Art. Beim Trennverstärker mittels Optokoppler kann in der oben gezeigten Schaltung eine Gleichgröße ohne Modulation übertragen werden.

Anwendungsbereiche

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.);
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)
zur Entkopplung von Potentialdifferenzen.

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 elektromagnetischen Impulsen erforderlich.

Risiko

Bei vollständiger galvanischer Trennung zweier Stromkreise kann sich ein Stromkreis gegenüber dem anderen statisch aufladen. Es kann zu gefährlichen Spannungen kommen; die elektrostatische Entladung kann mit einem elektromagnetischen Impuls und damit einhergehenden Gefahren verbunden sein. Als Vorsorgemaßnahme können die beiden Stromkreise sehr hochohmig verbunden werden (im Allgemeinen Masse-zu-Masse). Obwohl dies prinzipiell die Potentialfreiheit aufhebt, kann der hohe Widerstand nur einen sehr geringen (Ausgleichs-)Strom fließen lassen – er genügt jedoch, um statische Aufladungen kontinuierlich abfließen zu lassen.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de