Zwei Stromkreise können beide mit 24 V DC arbeiten und trotzdem unterschiedliche Massepotenziale besitzen, die bei einer direkten Verbindung zu Messfehlern, Ausgleichsströmen oder schwer nachvollziehbaren EMV-Problemen führen.
Genau an diesem Punkt entscheidet sich, ob ein galvanisch getrennter oder ein nicht galvanisch getrennter DC/DC-Wandler die technisch richtige Lösung ist.
Ein nicht isolierter Wandler verändert zwar das Spannungsniveau, besitzt jedoch weiterhin eine leitende Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite. Häufig sind beispielsweise Eingangsminus und Ausgangsminus direkt miteinander verbunden.
Ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler überträgt dagegen Energie zwischen zwei elektrisch voneinander getrennten Stromkreisen. Dadurch kann auf der Ausgangsseite ein eigenes Bezugspotenzial aufgebaut werden.
Galvanische Trennung ist deshalb nicht nur eine Frage der Spannungswandlung. Sie bestimmt, ob Massepotenziale gekoppelt werden, Ausgleichsströme fließen können und Störungen aus einem Versorgungskreis unmittelbar in einen anderen Stromkreis übertragen werden.
Ein passendes Beispiel aus dem ICS-Portfolio ist die ISD-Serie DC/DC-Wandler. Die entsprechenden isolierten Ausführungen besitzen eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang und sind mit hoher I/O-Isolation für industrielle Gleichspannungsversorgungen ausgelegt.
Als Gegenbeispiel zeigt die DC/DC-Wandler-Ausführung 2218.52, dass eine stabile Spannungswandlung auch ohne galvanische Trennung möglich ist. Bei diesem Gerät sind Eingangs- und Ausgangsseite galvanisch verbunden.
Weitere Lösungen finden Sie unter DC/DC-Wandler und unter Stromversorgung bei ICS Schneider.
Inhaltsverzeichnis
- Was bedeutet galvanische Trennung?
- Wie funktioniert ein nicht galvanisch getrennter DC/DC-Wandler?
- Wie arbeitet ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler?
- 0 V, Masse, GND, FE und PE unterscheiden
- Wie entstehen unterschiedliche Massepotenziale?
- Was ist eine Erd- oder Masseschleife?
- Wie entstehen dadurch Messfehler?
- Wann ist galvanische Trennung sinnvoll?
- Wann reicht ein nicht isolierter Wandler?
- Warum kann auch 24 V auf 24 V sinnvoll sein?
- Isolationsspannung richtig bewerten
- Muss der isolierte Ausgang erdfrei bleiben?
- Einpunkt-Erdung richtig einsetzen
- Wie wird eine galvanische Trennung ungewollt überbrückt?
- Galvanische Trennung und EMV
- Kabelschirme richtig berücksichtigen
- 4–20-mA-Messkreise richtig versorgen
- Entfernte Schaltschränke und Sensoren
- Galvanische Trennung praktisch prüfen
- Warum ein Multimeter zwischen den Massen trotzdem Spannung anzeigen kann
- Praxisbeispiel: analoges Signal springt bei Motorstart
- Typische Planungs- und Verdrahtungsfehler
- Empfohlener Auswahlablauf
- Passende DC/DC-Wandler bei ICS Schneider
- Fazit
- FAQ
Was bedeutet galvanische Trennung?
Galvanische Trennung bedeutet, dass zwischen zwei Stromkreisen keine direkte elektrisch leitende Verbindung besteht.
Bei einem isolierten DC/DC-Wandler werden Energie und Regelinformation beispielsweise über:
- Transformatoren,
- magnetische Kopplung,
- Optokoppler beziehungsweise andere isolierende Rückführungen
zwischen Eingangs- und Ausgangsseite übertragen.
Dadurch besitzt die Ausgangsseite zunächst ein eigenes Bezugspotenzial.
Vereinfacht betrachtet
Bei einem isolierten Wandler besteht keine direkte Verbindung zwischen Eingangsminus und Ausgangsminus.
Die Ausgangsseite kann deshalb gegenüber der Eingangsseite elektrisch schweben oder gezielt auf ein anderes Bezugspotenzial gelegt werden.
Bei einem nicht isolierten Wandler
sind Ein- und Ausgang dagegen elektrisch miteinander verbunden.
Typisch ist beispielsweise:
Vin− = Vout−
Damit wird das Eingangspotenzial automatisch auf die Ausgangsseite übertragen.
Wie funktioniert ein nicht galvanisch getrennter DC/DC-Wandler?
Ein nicht isolierter DC/DC-Wandler verändert die Gleichspannung, ohne die elektrischen Bezugspotenziale voneinander zu trennen.
Typische Schaltungstopologien sind beispielsweise:
- Buck-Wandler zur Spannungsreduzierung,
- Boost-Wandler zur Spannungserhöhung,
- Buck-Boost-Wandler für variable Eingangsbereiche.
Ein gemeinsamer Bezugspunkt bleibt dabei normalerweise erhalten.
Beispiel
Ein Wandler reduziert:
48 V DC → 12 V DC
Wenn Eingangs- und Ausgangsminus gemeinsam verbunden sind, gilt:
0 V Eingang = 0 V Ausgang
Die Spannung wurde geändert, das Massepotenzial jedoch nicht getrennt.
Das ist nicht grundsätzlich nachteilig
Wenn beide Stromkreise bewusst dasselbe Bezugspotenzial verwenden und keine problematischen Ausgleichsströme zu erwarten sind, kann ein nicht isolierter Wandler:
- einfacher,
- kompakter,
- leistungsstärker,
- wirtschaftlicher
sein.
Ein nicht galvanisch getrennter Wandler ist deshalb nicht die schlechtere Variante. Er erfüllt lediglich eine andere elektrische Aufgabe.
Wie arbeitet ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler?
Ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler besitzt zwischen Primär- und Sekundärseite eine elektrische Isolationsbarriere.
Die Eingangsgleichspannung wird zunächst elektronisch geschaltet und anschließend über eine isolierende Übertragungsstufe auf die Sekundärseite übertragen.
Dort wird wieder eine geregelte Gleichspannung erzeugt.
Dadurch können beispielsweise
auf der Eingangsseite:
24 V / 0 VA
und auf der Ausgangsseite:
24 V / 0 VB
existieren.
Die beiden 0-V-Potenziale müssen nicht miteinander verbunden sein.
Das ermöglicht die Versorgung eines Stromkreises, der elektrisch vom ursprünglichen Versorgungssystem entkoppelt werden soll.
0 V, Masse, GND, FE und PE unterscheiden
Viele Verdrahtungsprobleme entstehen bereits dadurch, dass unterschiedliche Bezugspunkte pauschal als „Masse“ bezeichnet und anschließend miteinander verbunden werden.
Technisch sollten mehrere Funktionen unterschieden werden.
| Bezeichnung | Typische Funktion |
|---|---|
| 0 V / GND | elektrisches Bezugspotenzial eines Gleichspannungsstromkreises |
| PE | Schutzleiter für den Personenschutz |
| FE | Funktionserde, beispielsweise für EMV-Zwecke |
| Gehäuse / Chassis | mechanisches Metallgehäuse, je nach Konstruktion mit PE oder FE verbunden |
| Schirm | hochfrequente Störableitung beziehungsweise elektromagnetische Abschirmung |
0 V, PE, FE und Kabelschirm sind daher nicht automatisch dasselbe Potenzial und dürfen nicht ohne Betrachtung des Erdungs- und EMV-Konzeptes beliebig miteinander verbunden werden.
Wie entstehen unterschiedliche Massepotenziale?
In einer idealen Schaltung hätte jeder Punkt einer Masseleitung exakt dasselbe Potenzial.
In einer realen Industrieanlage besitzen Leitungen jedoch:
- ohmschen Widerstand,
- Induktivität,
- Kontaktwiderstände.
Fließt Strom über eine Leitung, entsteht deshalb ein Spannungsabfall.
Vereinfacht gilt:
U = R × I
Beispiel
Zwischen zwei Schaltschrankbereichen beträgt der gesamte Widerstand des 0-V-Rückleiters:
0,05 Ω
Fließt darüber ein Strom von:
10 A
ergibt sich bereits:
0,05 Ω × 10 A = 0,5 V
Potenzialunterschied.
Für eine 24-V-Magnetspule ist dies möglicherweise kaum relevant.
Für ein empfindliches Messsignal kann ein Potenzialunterschied von mehreren hundert Millivolt dagegen erhebliche Auswirkungen haben.
Was ist eine Erd- oder Masseschleife?
Eine Masseschleife entsteht, wenn zwei Punkte eines Stromkreises über mehrere leitende Wege miteinander verbunden sind.
Beispiel
Schaltschrank A und Schaltschrank B sind miteinander verbunden über:
- eine 0-V-Leitung,
- einen Kabelschirm,
- die metallische Maschinenkonstruktion beziehungsweise PE-Verbindung.
Damit entsteht ein geschlossener leitender Kreis.
Besteht zwischen den beiden Punkten ein kleines Potenzialgefälle, kann ein Ausgleichsstrom durch diese Schleife fließen.
Dieser Strom kann
- Messsignale beeinflussen,
- Schirmströme erhöhen,
- Störungen einkoppeln,
- Kommunikationsprobleme verursachen.
Besonders kritisch sind große räumliche Schleifen, weil sie zusätzlich elektromagnetische Störfelder aufnehmen können.
Wie entstehen dadurch Messfehler?
Ein Messgerät interpretiert normalerweise eine Spannungsdifferenz zwischen seinen Eingangsklemmen als Nutzsignal.
Wenn jedoch ein Teil des Spannungsabfalls aus einer Masseleitung in dieses Signal eingeht, entsteht ein Messfehler.
Beispiel mit Spannungssignal
Ein Sensor liefert:
0 … 10 V
Zwischen Sensormasse und Eingangsmasse der SPS besteht gleichzeitig ein Potenzialunterschied von:
0,4 V
Je nach Verdrahtung kann diese Differenz direkt in den Messwert eingehen.
Bei einem 10-V-Endwert entsprechen 0,4 V bereits:
4 % des Messbereichs
.
Das eigentliche Sensorsignal kann dabei vollständig korrekt sein
Der Fehler entsteht erst durch die unterschiedlichen Bezugspotenziale.
Genau deshalb treten solche Probleme häufig erst nach dem Einbau in eine größere Anlage auf, obwohl Sensor und Steuerung einzeln einwandfrei funktionieren.
Wann ist galvanische Trennung sinnvoll?
Ein galvanisch getrennter DC/DC-Wandler ist besonders sinnvoll, wenn die Ausgangsseite ein vom Eingang unabhängiges Bezugspotenzial benötigt.
Typische Anwendungen sind:
- entfernte Sensoren und Messstellen,
- mehrere Schaltschränke mit unterschiedlichen Massepotenzialen,
- Batterie- und Bordnetze,
- empfindliche Analogmesstechnik,
- Mess- und Datenerfassungssysteme,
- Stromkreise mit störbehafteter Versorgung,
- Unterbrechung unerwünschter Masseschleifen.
Auch bei gleicher Spannung kann Trennung erforderlich sein
Der Wandler muss nicht zwingend:
24 V → 12 V
wandeln.
Eine Anwendung kann auch lauten:
24 V → 24 V galvanisch getrennt
Die Hauptaufgabe besteht dann nicht in der Spannungsänderung, sondern in der Potenzialtrennung.
Wann reicht ein nicht isolierter Wandler?
Eine galvanische Trennung ist nicht in jedem Stromkreis erforderlich.
Ein nicht isolierter DC/DC-Wandler kann sinnvoll sein, wenn:
- Ein- und Ausgang bewusst dasselbe Bezugspotenzial verwenden,
- alle Komponenten räumlich eng beieinander liegen,
- keine problematischen Erdschleifen entstehen,
- kein Sicherheits- oder Funktionskonzept eine Trennung fordert,
- hoher Ausgangsstrom bei kompakter Bauform erforderlich ist.
Beispiel
Innerhalb eines Fahrzeugs soll aus einem vorhandenen 48-V-Bordnetz eine stabile 12-V-Versorgung für zusätzliche Verbraucher erzeugt werden.
Wenn das gesamte System bewusst eine gemeinsame Fahrzeugmasse nutzt, kann ein nicht galvanisch getrennter DC/DC-Wandler technisch vollkommen ausreichend sein.
Die Ausführung 2218.52 arbeitet beispielsweise mit:
48 V DC Eingang → 12 V DC Ausgang
bei:
10 A
und besitzt ausdrücklich keine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang.
Warum kann auch 24 V auf 24 V sinnvoll sein?
Auf den ersten Blick scheint ein DC/DC-Wandler mit identischer Ein- und Ausgangsspannung unnötig zu sein.
Bei einer isolierten Ausführung erfüllt er jedoch eine zusätzliche Funktion.
Aus:
24 V / 0 V Hauptversorgung
kann eine separate:
24 V / 0 V isolierte Versorgung
erzeugt werden.
Beide Spannungen haben denselben Nennwert, aber nicht zwangsläufig dasselbe elektrische Bezugspotenzial.
Typische Anwendung
Eine zentrale 24-V-Versorgung speist:
- SPS,
- Relais,
- Ventile,
- Schütze.
Ein empfindlicher Messkreis soll dagegen von Schaltstörungen und Masseverschiebungen dieser Versorgung entkoppelt werden.
Hier kann eine galvanisch getrennte 24-V-Versorgung zweckmäßig sein.
Isolationsspannung richtig bewerten
Bei isolierten DC/DC-Wandlern wird häufig eine Isolations- beziehungsweise Prüfspannung angegeben.
Für entsprechende ISD-Ausführungen wird beispielsweise eine I/O-Isolation von:
1.500 V AC
angegeben.
Diese Angabe darf nicht falsch interpretiert werden
Eine Prüfspannung von 1.500 V AC bedeutet nicht automatisch, dass im Dauerbetrieb beliebig eine permanente Potenzialdifferenz von 1.500 V zwischen Ein- und Ausgang zulässig ist.
Bei der Bewertung müssen zusätzlich berücksichtigt werden:
- zulässige Arbeitsspannung,
- Isolationsklasse,
- Luft- und Kriechstrecken,
- anwendbare Sicherheitsnormen,
- Überspannungskategorie,
- Verschmutzungsgrad.
Die Isolationsprüfspannung ist deshalb ein wichtiger Kennwert, ersetzt aber keine vollständige Bewertung des Isolations- und Sicherheitskonzeptes.
Muss der isolierte Ausgang erdfrei bleiben?
Nein. Galvanisch getrennt und erdfrei sind nicht zwangsläufig dasselbe.
Nach dem DC/DC-Wandler kann die Sekundärseite zunächst gegenüber Erde schweben.
Sie kann jedoch je nach Anlagenkonzept bewusst an einem definierten Punkt mit:
- PE,
- FE,
- einem lokalen Bezugspotenzial
verbunden werden.
Die galvanische Trennung zur Eingangsseite bleibt dabei grundsätzlich bestehen
Die Ausgangsseite erhält lediglich ein definiertes Bezugspotenzial.
Wichtig ist jedoch, dass diese Verbindung bewusst geplant wird.
Mehrere Erdungspunkte innerhalb desselben Sekundärsystems können erneut unerwünschte Schleifen erzeugen.
Einpunkt-Erdung richtig einsetzen
Bei empfindlichen Gleichspannungs- und Messsystemen wird häufig eine klar definierte Einpunktverbindung verwendet.
Dabei wird beispielsweise der isolierte 0-V-Ausgang nur an einer einzigen vorgesehenen Stelle mit dem Anlagenbezug verbunden.
Dadurch bleibt kontrollierbar
- wo Ausgleichsströme fließen können,
- welcher Punkt als Referenz dient,
- wie Schirme und Funktionserde eingebunden werden.
Eine Einpunktverbindung ist jedoch keine universelle EMV-Regel für jede Frequenz und jede Anlage.
Bei hochfrequenten Störungen spielen zusätzlich kurze, flächige Erd- und Schirmverbindungen eine wichtige Rolle.
Wie wird eine galvanische Trennung ungewollt überbrückt?
Ein isolierter DC/DC-Wandler allein garantiert noch kein insgesamt isoliertes System.
Die Trennstelle kann an anderer Stelle wieder elektrisch überbrückt werden.
Typische Beispiele sind
- Signalmasse zwischen beiden Stromkreisen,
- USB-Verbindung zu einem geerdeten PC,
- Ethernet- oder Kommunikationshardware mit ungeeigneter Massekopplung,
- beidseitige Verbindung von 0 V und PE,
- Messgeräte mit gemeinsamem Masseanschluss,
- Schirmanschlüsse mit zusätzlicher leitender Verbindung.
Beispiel
Ein isolierter DC/DC-Wandler versorgt einen Sensor.
Der Sensor besitzt jedoch ein Spannungsausgangssignal von:
0 … 10 V
dessen Signalmassenleitung direkt zur ursprünglichen SPS-Masse zurückgeführt wird.
Damit ist die galvanische Trennung über die Signalleitung wieder überbrückt.
Bei der Planung muss deshalb immer der komplette Strom- und Signalweg betrachtet werden und nicht nur der DC/DC-Wandler.
Galvanische Trennung und EMV
Eine galvanische Trennung kann Gleich- und niederfrequente Ausgleichsströme wirkungsvoll unterbrechen.
Sie stellt jedoch keine unendlich hohe Impedanz für jede Frequenz dar.
Reale Wandler besitzen parasitäre Kapazitäten
Zwischen Primär- und Sekundärseite existieren konstruktionsbedingt kleine kapazitive Kopplungen.
Über diese können hochfrequente Gleichtaktstörungen teilweise auf die Ausgangsseite gelangen.
Zusätzlich können zur Einhaltung von EMV-Anforderungen interne Filterkomponenten verwendet werden.
Deshalb sind weiterhin wichtig
- kurze Leitungswege,
- saubere Schirmung,
- Trennung von Leistungs- und Signalleitungen,
- geeignete Filterung,
- korrekte FE- und PE-Anbindung.
Galvanische Trennung ist ein wichtiges Werkzeug im EMV-Konzept, ersetzt aber kein vollständiges EMV-gerechtes Anlagenlayout.
Kabelschirme richtig berücksichtigen
Ein Kabelschirm dient in erster Linie der elektromagnetischen Abschirmung und sollte nicht ungeplant als Betriebsstromrückleiter verwendet werden.
Bei einer isolierten Verbindung muss deshalb geklärt werden
- wo der Schirm aufgelegt wird,
- ob er ein- oder beidseitig angeschlossen wird,
- ob hochfrequente Störungen abgeleitet werden müssen,
- ob dadurch eine leitende Verbindung zwischen den Anlagenteilen entsteht.
Die richtige Ausführung hängt stark von:
- Signalart,
- Frequenzbereich,
- Anlagenstruktur,
- Herstellervorgaben
ab.
Eine pauschale Regel, jeden Schirm grundsätzlich nur einseitig anzuschließen, ist deshalb für industrielle Anlagen nicht sinnvoll.
4–20-mA-Messkreise richtig versorgen
Auch ein 4–20-mA-Stromkreis kann durch unterschiedliche Potenziale beeinflusst werden, wenn mehrere leitende Verbindungen zwischen Feld- und Steuerungsseite bestehen.
Bei der Planung sollte geklärt werden
- ob der Analogeingang galvanisch getrennt ist,
- ob der Sensor separat isoliert versorgt wird,
- ob mehrere Kanäle eine gemeinsame Masse besitzen,
- wo der Schirm angeschlossen ist.
Typischer Aufbau
Eine isolierte DC/DC-Versorgung speist einen entfernten Transmitter.
Das Messsignal gelangt anschließend über einen galvanisch getrennten Analogeingang zur Steuerung.
Dadurch können Feldkreis und Steuerungsversorgung konsequent voneinander entkoppelt werden.
Anderer Aufbau
Besitzt der Analogeingang selbst bereits eine geeignete galvanische Trennung, kann ein zusätzlicher isolierter DC/DC-Wandler unter Umständen nicht erforderlich sein.
Die gesamte Messkette sollte daher betrachtet werden, bevor zusätzliche Trennkomponenten eingebaut werden.
Entfernte Schaltschränke und Sensoren
Mit zunehmender Entfernung zwischen zwei Anlagenteilen steigt die Wahrscheinlichkeit relevanter Potenzialunterschiede.
Typische Ursachen sind:
- lange PE-Leitungen,
- große Betriebsströme,
- unterschiedliche Einspeisepunkte,
- Blitz- und Überspannungsschutzsysteme,
- große Motoren und Frequenzumrichter.
Beispiel
Ein Sensor sitzt 80 Meter vom Hauptschaltschrank entfernt.
Am entfernten Maschinenrahmen besteht ein etwas anderes Erdpotenzial als am SPS-Schrank.
Werden beide Systeme über 0 V, PE und Signalleitung mehrfach miteinander verbunden, können Ausgleichsströme entstehen.
Ein galvanisch getrenntes Versorgungskonzept kann hier helfen, die beiden Massebereiche sauber voneinander zu entkoppeln.
Galvanische Trennung praktisch prüfen
Ob ein unbekannter DC/DC-Wandler galvanisch getrennt ist, sollte zunächst anhand des Datenblattes geprüft werden.
Eine zusätzliche elektrische Prüfung kann bei spannungsfreiem und vollständig abgetrenntem Gerät Hinweise liefern.
Bei einem nicht isolierten Wandler
kann beispielsweise zwischen:
Vin−
und:
Vout−
ein niederohmiger Durchgang messbar sein.
Bei einem isolierten Wandler
sollte keine direkte niederohmige Verbindung zwischen Primär- und Sekundärseite bestehen.
Das konkrete Messergebnis kann durch:
- interne Filter,
- Kondensatoren,
- Schutzbeschaltungen
beeinflusst werden.
Eine Isolationsmessung mit hoher Prüfspannung sollte an elektronischen DC/DC-Wandlern nur durchgeführt werden, wenn Hersteller und Prüfverfahren dies ausdrücklich zulassen.
Warum ein Multimeter zwischen den Massen trotzdem Spannung anzeigen kann
Ein häufiges Missverständnis entsteht, wenn bei einem galvanisch getrennten Wandler zwischen Eingangs- und Ausgangsmasse trotzdem eine Spannung gemessen wird.
Ursache kann die sehr hohe Eingangsimpedanz des Multimeters sein
Über kleine parasitäre Kapazitäten im Wandler können sehr geringe Ströme fließen.
Ein hochohmiges Digitalmultimeter kann dadurch eine scheinbare beziehungsweise kapazitiv eingekoppelte Spannung anzeigen.
Diese Spannung kann:
- schwanken,
- bei Belastung zusammenbrechen,
- von der Umgebung und dem Messgerät abhängen.
Eine angezeigte Spannung zwischen zwei isolierten Stromkreisen beweist deshalb nicht automatisch eine direkte galvanische Verbindung.
Praxisbeispiel: analoges Signal springt bei Motorstart
Ein Drucktransmitter liefert während des normalen Anlagenbetriebs ein stabiles Analogsignal, zeigt jedoch bei jedem Start eines großen Frequenzumrichtermotors kurzzeitig deutliche Messwertsprünge.
Ausgangssituation
Der Transmitter befindet sich in einem entfernten Maschinenteil und wird aus derselben 24-V-Hauptversorgung wie:
- SPS,
- Relais,
- Ventile
gespeist.
Sensor-0-V und SPS-0-V sind über eine lange Leitung miteinander verbunden.
Zusätzlich bestehen Verbindungen über:
- Kabelschirm,
- PE,
- Maschinenrahmen.
Messung
Beim Motorstart lässt sich zwischen lokalem Sensor-0-V und dem 0-V-Punkt des SPS-Schrankes kurzzeitig eine deutliche Potenzialdifferenz feststellen.
Der Transmitter selbst arbeitet korrekt.
Änderung
Der Feldstromkreis wird mit einem galvanisch getrennten DC/DC-Wandler versorgt und die gesamte Signalführung hinsichtlich Masse- und Schirmverbindungen überprüft.
Der Ausgangskreis erhält ein klar definiertes eigenes Bezugspotenzial.
Ergebnis
Der niederfrequente Ausgleichsstrom über die bisher gemeinsame 0-V-Verbindung wird unterbrochen und das Messsignal wird deutlich stabiler.
Entscheidend war dabei nicht allein der Einbau des DC/DC-Wandlers, sondern die konsequente Betrachtung aller leitenden Verbindungen zwischen Feld- und Steuerungsseite.
Typische Planungs- und Verdrahtungsfehler
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Messwert ändert sich beim Schalten großer Verbraucher | Potenzialverschiebung auf gemeinsamer 0-V-Leitung | Spannung zwischen lokalen Massepunkten messen |
| Isolierter DC/DC-Wandler bringt keine Verbesserung | Trennung wird über Signalleitung überbrückt | gesamten Strom- und Signalweg prüfen |
| Zwischen Vin− und Vout− besteht Durchgang | nicht galvanisch getrennter Wandler | Datenblatt und Schaltung prüfen |
| Zwischen isolierten Massen wird eine Spannung gemessen | kapazitive Einkopplung und hochohmige Messung | nicht automatisch als galvanische Verbindung interpretieren |
| Ausgleichsstrom über Kabelschirm | mehrere Masse- beziehungsweise Erdverbindungen | Schirm- und Erdungskonzept prüfen |
| Analogsignal besitzt konstanten Offset | unterschiedliche Bezugspotenziale | Massepotenziale an beiden Geräten vergleichen |
| Störung tritt nur bei langem Kabel auf | größerer Potenzialunterschied oder Störeinkopplung | lokale Versorgung und Trennung prüfen |
| Ausgang eines isolierten Wandlers liegt undefiniert gegenüber PE | schwebende Sekundärseite | prüfen, ob definierte Erdung erforderlich ist |
| Nach zweiter Erdverbindung treten Störungen auf | Masseschleife im Sekundärsystem | alle Erdungspunkte erfassen |
| Hochfrequente Störung bleibt trotz Isolation bestehen | kapazitive Kopplung oder ungeeignete EMV-Führung | Filterung, Schirmung und Leitungsführung prüfen |
| 24-V-Wandler gewählt, aber Verbraucher fällt bei Lastspitze aus | Ausgangsleistung zu klein | Strombedarf und Einschaltstrom prüfen |
Empfohlener Auswahlablauf
- Eingangsspannung bestimmen: Nennwert und tatsächlichen Schwankungsbereich berücksichtigen.
- Ausgangsspannung festlegen: Erforderliche Versorgung des Verbrauchers bestimmen.
- Ausgangsstrom ermitteln: Dauerstrom und Lastspitzen berücksichtigen.
- Potenzialkonzept prüfen: Müssen Eingang und Ausgang dasselbe 0-V-Potenzial verwenden?
- Galvanische Trennung festlegen: Bei unterschiedlichen Potenzialbereichen oder unerwünschten Masseschleifen Isolation vorsehen.
- Gesamten Signalweg prüfen: Sicherstellen, dass die Trennung nicht über Signalmasse oder Kommunikation überbrückt wird.
- Isolationsanforderung definieren: Prüfspannung nicht mit zulässiger Dauer-Arbeitsspannung verwechseln.
- Ausgangserdung festlegen: Erdfrei oder mit bewusst definiertem Bezugspunkt ausführen.
- PE und FE unterscheiden: Schutz- und Funktionsanforderungen getrennt betrachten.
- Schirmkonzept festlegen: Signalart und EMV-Anforderungen berücksichtigen.
- Restwelligkeit prüfen: Besonders bei empfindlicher Mess- und Sensorelektronik.
- Wirkungsgrad berücksichtigen: Verlustleistung und Erwärmung bestimmen.
- Temperaturbereich prüfen: Gegebenenfalls Derating berücksichtigen.
- Schutzfunktionen prüfen: Kurzschluss-, Überlast- und Überspannungsschutz bewerten.
- Mechanische Bauform festlegen: Hutschiene, Wandmontage oder Geräteeinbau berücksichtigen.
- Verdrahtung dokumentieren: Eingangs- und Ausgangsmasse eindeutig kennzeichnen.
- Inbetriebnahme durchführen: Massepotenziale und Ausgangsspannung unter realen Betriebsbedingungen kontrollieren.
Passende DC/DC-Wandler bei ICS Schneider
ISD-Serie – galvanisch getrennte DC/DC-Wandler
Die ISD-Serie eignet sich für Anwendungen, bei denen neben der Spannungswandlung eine galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang erforderlich ist.
Je nach Ausführung stehen Eingangsspannungen im Bereich von:
9 … 72 V DC
und Ausgangsspannungen von:
5 … 24 V DC
zur Verfügung.
Für entsprechende Ausführungen werden unter anderem folgende Eigenschaften angegeben:
- 2:1-Weitbereichseingang,
- galvanische I/O-Trennung,
- Isolationsprüfspannung bis 1.500 V AC bei entsprechenden Modellen,
- integrierter EMI-Filter,
- Schutz gegen Kurzschluss, Überlast und Überspannung.
Typische Anwendung
Die ISD-Serie ist besonders interessant, wenn aus einer vorhandenen Gleichspannungsversorgung ein elektrisch entkoppelter Mess-, Steuer- oder Sensorstromkreis erzeugt werden soll.
2218-Serie – Spannungswandlung ohne galvanische Trennung
Die 2218-Serie zeigt die andere Auslegungsvariante.
Die Geräte wandeln eine vorhandene Gleichspannung in eine definierte niedrigere Ausgangsspannung, besitzen jedoch:
keine galvanische Trennung
zwischen Ein- und Ausgang.
Die Serie umfasst je nach Ausführung:
- Eingangsnennspannungen von 24 V, 48 V oder 60 V DC,
- Ausgangsspannungen von 5 V, 12 V oder 24 V DC,
- Leistungen von 60 bis 240 W.
Beispiel 2218.52
Der 2218.52 arbeitet mit:
42 … 56 V DC Eingang
und stellt:
12 V DC / 10 A
bereit.
Die Nennleistung beträgt:
120 W
und Eingangs- und Ausgangsseite sind ausdrücklich nicht galvanisch getrennt.
Damit eignet sich diese Bauart für Anwendungen, in denen die Spannungsumwandlung erforderlich ist, ein gemeinsames Massepotenzial jedoch gewünscht oder unkritisch ist.
Weitere Geräte finden Sie unter DC/DC-Wandler bei ICS Schneider.
Fazit
Die Entscheidung zwischen einem galvanisch getrennten und einem nicht galvanisch getrennten DC/DC-Wandler sollte nicht allein anhand von Eingangs- und Ausgangsspannung getroffen werden.
Ein nicht isolierter Wandler verändert das Spannungsniveau
Die Massepotenziale von Ein- und Ausgang bleiben dabei jedoch elektrisch miteinander gekoppelt.
Ein isolierter Wandler schafft einen neuen Potenzialbereich
Dadurch lassen sich unerwünschte Gleich- und niederfrequente Ausgleichsströme zwischen verschiedenen Stromkreisen unterbrechen.
Auch 24 V auf 24 V kann sinnvoll sein
Wenn die eigentliche Aufgabe in der Potenzialtrennung liegt, müssen Eingangs- und Ausgangsspannung nicht unterschiedlich sein.
Die Isolationsspannung muss richtig interpretiert werden
Eine angegebene Prüfspannung ist nicht automatisch mit der zulässigen kontinuierlichen Arbeitsspannung zwischen den Stromkreisen gleichzusetzen.
Die gesamte Verdrahtung entscheidet
Eine galvanische Trennung kann über Signalmassen, Kommunikationsleitungen, Schirme oder zusätzliche Erdverbindungen ungewollt wieder überbrückt werden.
Galvanische Trennung ersetzt kein EMV-Konzept
Hochfrequente Störungen können über parasitäre Kapazitäten weiterhin gekoppelt werden. Leitungsführung, Filterung, Schirmung und Erdung bleiben deshalb entscheidend.
Für die Praxis gilt
Eingangs- und Ausgangsspannung bestimmen → Leistungsbedarf prüfen → Masse- und Erdungskonzept analysieren → mögliche Potenzialunterschiede identifizieren → galvanische Trennung bei Bedarf vorsehen → gesamte Signalführung auf unbeabsichtigte Brücken prüfen → Isolationsdaten bewerten → Ausgangserdung bewusst festlegen → EMV- und Schirmkonzept berücksichtigen → Verdrahtung eindeutig dokumentieren → Anlage unter realen Last- und Störbedingungen überprüfen.
FAQ: Galvanisch getrennte DC/DC-Wandler richtig einsetzen
Was bedeutet galvanisch getrennt bei einem DC/DC-Wandler?
Zwischen Eingangs- und Ausgangsstromkreis besteht keine direkte leitende elektrische Verbindung. Die Energie wird über eine isolierende Übertragungsstufe auf die Ausgangsseite übertragen.
Was ist der Unterschied zu einem normalen DC/DC-Wandler?
Bei einem nicht galvanisch getrennten Wandler besitzen Ein- und Ausgang normalerweise einen gemeinsamen elektrischen Bezugspunkt, beispielsweise einen gemeinsamen Minuspol.
Ist ein nicht galvanisch getrennter DC/DC-Wandler schlecht?
Nein. Wenn ein gemeinsames Massepotenzial gewünscht ist und keine galvanische Isolation benötigt wird, kann ein nicht isolierter Wandler die technisch und wirtschaftlich passende Lösung sein.
Warum benötigt man einen galvanisch getrennten DC/DC-Wandler?
Typische Gründe sind die Trennung unterschiedlicher Massepotenziale, die Unterbrechung unerwünschter Masseschleifen und die Entkopplung empfindlicher Mess- oder Steuerstromkreise.
Was bedeutet gemeinsamer Minuspol?
Eingangsminus und Ausgangsminus sind elektrisch miteinander verbunden und besitzen damit grundsätzlich dasselbe Bezugspotenzial.
Was ist eine Masseschleife?
Eine Masseschleife entsteht, wenn zwei Punkte über mehrere leitende Wege miteinander verbunden sind und dadurch ein geschlossener Strompfad entsteht.
Warum sind Masseschleifen problematisch?
Durch Potenzialunterschiede können Ausgleichsströme fließen, die Messsignale beeinflussen und zusätzliche Störungen verursachen.
Kann ein Massepotenzial wirklich unterschiedlich sein, obwohl alles an 0 V angeschlossen ist?
Ja. Reale Leitungen besitzen Widerstand und Induktivität. Bei fließendem Strom entstehen dadurch Spannungsabfälle zwischen verschiedenen 0-V-Punkten.
Was ist der Unterschied zwischen 0 V und PE?
0 V ist normalerweise der elektrische Bezugspunkt eines Gleichspannungsstromkreises. PE ist der Schutzleiter und erfüllt primär eine Sicherheitsfunktion.
Was ist FE?
FE steht für Funktionserde und wird unter anderem für funktionale beziehungsweise EMV-technische Zwecke eingesetzt.
Muss 0 V immer mit PE verbunden werden?
Nein. Ob und wo eine Verbindung erforderlich ist, hängt vom elektrischen Schutz-, Erdungs- und EMV-Konzept der Anlage ab.
Kann ein isolierter Ausgang vollständig erdfrei betrieben werden?
Je nach Gerät und Anlagenkonzept ja. Der Ausgang kann jedoch auch bewusst an einem definierten Punkt mit einem Bezugspotenzial verbunden werden.
Geht die galvanische Trennung verloren, wenn Ausgangsminus mit PE verbunden wird?
Die galvanische Isolation zwischen Ein- und Ausgang bleibt grundsätzlich bestehen. Die Sekundärseite ist dann jedoch nicht mehr erdfrei, sondern besitzt ein definiertes Erdpotenzial.
Warum kann eine zweite Erdung problematisch sein?
Mehrere Verbindungen können erneut einen geschlossenen Strompfad und damit eine Masseschleife erzeugen.
Kann ein 24-V-DC/DC-Wandler 24 V auf 24 V wandeln?
Ja. Bei einer isolierten Ausführung kann der Zweck gerade darin bestehen, aus einer vorhandenen 24-V-Versorgung eine galvanisch getrennte 24-V-Versorgung zu erzeugen.
Was bedeutet eine I/O-Isolation von 1.500 V AC?
Sie beschreibt eine spezifizierte Isolationsprüfung zwischen Ein- und Ausgang. Die Angabe darf nicht automatisch als zulässige permanente Arbeitsspannung interpretiert werden.
Unterbricht galvanische Trennung alle Störungen?
Nein. Besonders hochfrequente Störungen können über parasitäre Kapazitäten oder andere Kopplungswege übertragen werden.
Hilft galvanische Trennung gegen Erdschleifen?
Ja, wenn die betreffende galvanische Verbindung tatsächlich die Schleife verursacht und die Trennstelle nicht an anderer Stelle wieder überbrückt wird.
Kann die Signalleitung die galvanische Trennung wieder aufheben?
Ja. Eine direkte Verbindung zwischen den Signalmassen beider Seiten kann die über den DC/DC-Wandler geschaffene Potenzialtrennung wieder überbrücken.
Kann ein USB-Kabel eine galvanische Trennung überbrücken?
Ja. Wenn das angeschlossene Gerät keine eigene galvanische Trennung besitzt, kann die Masseverbindung des USB-Anschlusses einen zusätzlichen leitenden Pfad erzeugen.
Warum sollte bei 4–20 mA auch die Isolation des Analogeingangs geprüft werden?
Weil die galvanische Trennung des gesamten Messkreises davon abhängt, welche leitenden Verbindungen zwischen Feldgerät und Steuerung bestehen.
Wie erkenne ich, ob ein DC/DC-Wandler galvanisch getrennt ist?
Die zuverlässigste Information liefert das Datenblatt. Angaben wie „I/O isolation“, „galvanic isolation“ oder „isolated“ weisen auf eine entsprechende Trennung hin.
Kann ich die Trennung mit einem Multimeter prüfen?
Eine spannungsfreie Widerstands- beziehungsweise Durchgangsmessung kann Hinweise geben. Die endgültige Beurteilung sollte jedoch anhand der Herstellerunterlagen erfolgen.
Warum zeigt mein Multimeter zwischen zwei isolierten Massen trotzdem Spannung?
Hochohmige Digitalmultimeter können bereits sehr geringe kapazitiv eingekoppelte Ströme als Spannung anzeigen. Das bedeutet nicht automatisch, dass eine direkte leitende Verbindung besteht.
Darf ich einen DC/DC-Wandler mit einem Isolationsmessgerät prüfen?
Nur wenn Hersteller und Prüfverfahren dies ausdrücklich zulassen. Hohe Prüfspannungen können elektronische Komponenten beschädigen.
Welcher ICS-Wandler bietet galvanische Trennung?
Die ISD-Serie umfasst galvanisch getrennte DC/DC-Wandler für industrielle Gleichspannungsanwendungen.
Welcher ICS-Wandler ist nicht galvanisch getrennt?
Die 2218-Serie arbeitet ohne galvanische Trennung zwischen Ein- und Ausgang.
Welche konkrete nicht isolierte 48-V-auf-12-V-Ausführung gibt es?
Der 2218.52 arbeitet mit 42 … 56 V DC Eingang und liefert 12 V DC bei 10 A beziehungsweise 120 W ohne galvanische Trennung.
Wo finde ich weitere DC/DC-Wandler?
Weitere Geräte finden Sie unter DC/DC-Wandler bei ICS Schneider.