In einem Schaltschrank stehen häufig bereits stabile 24 V DC zur Verfügung. Trotzdem kann es sinnvoll sein, einen Sensor, einen Messumformer oder eine entfernte elektronische Baugruppe über einen zusätzlichen DC/DC-Wandler zu versorgen.
Der Grund ist nicht immer eine andere Ausgangsspannung. Ein DC/DC-Wandler kann beispielsweise auch aus vorhandenen 24 V erneut 24 V erzeugen. Entscheidend ist dann, ob Ein- und Ausgang elektrisch miteinander verbunden bleiben oder galvanisch voneinander getrennt werden.
Bei einem nicht isolierten DC/DC-Wandler besitzen Ein- und Ausgang weiterhin einen gemeinsamen elektrischen Bezug. Häufig sind Eingangsminus und Ausgangsminus direkt miteinander verbunden. Der Wandler verändert oder stabilisiert die Spannung, erzeugt aber keinen neuen Potentialbereich.
Ein isolierter DC/DC-Wandler besitzt dagegen keine direkte leitende Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsstromkreis. Seine Ausgangsseite kann damit zunächst gegenüber der Eingangsseite schweben und bei Bedarf einen eigenen Bezugspunkt erhalten.
Genau diese Eigenschaft ist für industrielle Mess- und Steuerkreise häufig wichtiger als die reine Spannungswandlung.
Ein weit entfernter Sensor kann beispielsweise über seine Montage, einen Kabelschirm, eine andere Stromversorgung oder eine angeschlossene Auswerteelektronik ein anderes Massepotential besitzen als die zentrale SPS. Werden beide Potentiale ungeplant miteinander verbunden, können Ausgleichsströme, Störungen und schwer nachvollziehbare Messfehler entstehen.
Andererseits ist galvanische Trennung nicht grundsätzlich die bessere Lösung. Wenn alle Komponenten bewusst denselben 0-V-Bezug verwenden, räumlich eng zusammenliegen und keine funktionale oder sicherheitstechnische Trennung erforderlich ist, kann ein nicht isolierter Wandler einfacher, leistungsstärker und wirtschaftlicher sein.
Auch ein isolierter Wandler löst nicht automatisch jedes EMV-Problem. Hochfrequente Störungen können über parasitäre Kapazitäten der Isolation, Schirme oder andere elektrische Verbindungen weiterhin zwischen den Stromkreisen gekoppelt werden.
Die zentrale Aussage lautet: Die Entscheidung zwischen isoliertem und nicht isoliertem DC/DC-Wandler muss aus der gesamten Stromkreisarchitektur getroffen werden. Versorgung, Signalweg, Massebezug, Schutzleiter, Schirmung, Leistung, Einschaltstrom und Leitungsverlust müssen zusammen betrachtet werden.
Inhaltsverzeichnis
- Was macht ein DC/DC-Wandler?
- Was unterscheidet isolierte und nicht isolierte Wandler?
- Was bedeutet ein eigener Potentialbereich?
- Wann ist galvanische Trennung sinnvoll?
- Wann reicht ein nicht isolierter DC/DC-Wandler?
- Warum kann 24 V auf 24 V sinnvoll sein?
- Warum die Stromversorgung allein noch keine vollständige Trennung erzeugt
- 2-Leiter- und 4–20-mA-Stromkreise richtig betrachten
- 0 V, PE und Funktionserde nicht verwechseln
- Schirme und Potentialausgleich in das Konzept einbeziehen
- Isolationsspannung und Sicherheitsisolation unterscheiden
- Ausgangsleistung und Eingangsstrom richtig dimensionieren
- Einschaltstrom und kapazitive Lasten berücksichtigen
- Leitungsverluste bei entfernten Sensoren richtig bewerten
- Warum galvanische Trennung EMV-Probleme nicht automatisch beseitigt
- Kurzschluss, Überlast und Sicherung richtig planen
- Mehrere getrennte Sensorgruppen sinnvoll strukturieren
- Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
- Isoliert oder nicht isoliert: praktische Entscheidungshilfe
- Passende DC/DC-Wandler von ICS Schneider
- Fazit
- Häufige Fragen zu isolierten DC/DC-Wandlern
1. Was macht ein DC/DC-Wandler?
Ein DC/DC-Wandler nimmt eine vorhandene Gleichspannung auf und erzeugt daraus eine definierte Gleichspannung für einen nachgeschalteten Verbraucher.
Je nach Schaltung kann die Ausgangsspannung niedriger, höher oder in bestimmten Topologien sowohl oberhalb als auch unterhalb der Eingangsspannung liegen.
Typische Anwendungen in industriellen Anlagen sind die Versorgung von Sensoren, Messumformern, SPS-Baugruppen, Displays, Kommunikationsmodulen und elektronischen Hilfsgeräten.
Die Auswahl beginnt deshalb meist mit Ein- und Ausgangsspannung. Für einen vollständigen Entwurf reicht das jedoch nicht.
Zusätzlich müssen Ausgangsstrom, Leistung, Wirkungsgrad, Eingangsspannungsbereich, Restwelligkeit, Lastdynamik, Temperatur, Schutzfunktionen und gegebenenfalls die galvanische Trennung berücksichtigt werden.
Gerade der letzte Punkt verändert die elektrische Struktur des Stromkreises grundlegend.
2. Was unterscheidet isolierte und nicht isolierte Wandler?
Bei einem nicht galvanisch getrennten DC/DC-Wandler besteht eine leitende Verbindung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite.
Typischerweise gilt vereinfacht:
0 V Eingang = 0 V Ausgang
Damit bleibt der Ausgang Teil desselben Potentialsystems.
Bei einem isolierten Wandler wird die Energie über eine Isolationsbarriere übertragen. Zwischen Ein- und Ausgang besteht im vorgesehenen Zustand keine direkte galvanische Verbindung.
Dadurch entsteht auf der Ausgangsseite ein separater Versorgungskreis.
| Eigenschaft | Nicht isolierter DC/DC-Wandler | Isolierter DC/DC-Wandler |
|---|---|---|
| Direkte galvanische Verbindung | Ja | Nein |
| Gemeinsamer 0-V-Bezug | In der Regel ja | Nicht zwingend |
| Eigenständiges Ausgangspotential | Nein | Ja |
| Masseschleifen unterbrechen | Nein | Grundsätzlich möglich |
| Spannung wandeln | Ja | Ja |
| 24 V auf 24 V sinnvoll | Nur für Regelung beziehungsweise Entkopplung spezieller Art | Ja, zur Potentialtrennung |
Keine der beiden Varianten ist grundsätzlich technisch überlegen. Entscheidend ist, welche elektrische Funktion im Gesamtsystem benötigt wird.
3. Was bedeutet ein eigener Potentialbereich?
Ein isolierter Ausgang besitzt zunächst keinen festen elektrischen Bezug zur Eingangsseite.
Die Ausgangsklemmen können beispielsweise mit +24 V und 0 V bezeichnet sein. Dieses 0 V ist jedoch nicht automatisch dasselbe Potential wie das 0 V der Eingangsstromversorgung.
Die Ausgangsseite kann damit zunächst schweben.
Je nach Anlagenkonzept kann anschließend bewusst ein Bezug zu PE, Funktionserde oder einem anderen Potential hergestellt werden. Dadurch geht die galvanische Trennung zum Eingang nicht zwangsläufig verloren, aber der Ausgang ist anschließend nicht mehr potentialfrei gegenüber diesem Bezugspunkt.
Genau deshalb sollte der Bezugspunkt eines isolierten Stromkreises geplant und dokumentiert werden.
Ein Ausgang, der an einer Stelle bewusst auf ein definiertes Potential gelegt wurde, darf nicht an einer weit entfernten Stelle versehentlich ein zweites Mal mit einem abweichenden Potential verbunden werden.
4. Wann ist galvanische Trennung sinnvoll?
Galvanische Trennung ist besonders interessant, wenn Sensor- und Steuerkreise unterschiedliche elektrische Bezugspotentiale besitzen oder besitzen können.
Ein typisches Beispiel ist ein Sensor an einer entfernten Maschine. Die SPS befindet sich im Hauptschaltschrank, während das Sensorgehäuse beziehungsweise angeschlossene Anlagenteile lokal geerdet sind.
Zwischen beiden Orten können Potentialunterschiede entstehen. Werden die Stromkreise über mehrere leitende Wege verbunden, können Ausgleichsströme fließen.
Weitere typische Anwendungen sind empfindliche Analogmesstechnik, verteilte Steuerungssysteme, unterschiedliche Schaltschrankbereiche, Batterie- und Bordnetze sowie Messkreise, die von stark schaltenden Verbrauchern entkoppelt werden sollen.
Galvanische Trennung kann außerdem sinnvoll sein, wenn ein Fehler in einem Versorgungskreis nicht unmittelbar auf einen anderen Stromkreis übertragen werden soll.
Ob die Isolation dabei nur eine funktionale Trennung oder zusätzlich eine definierte Sicherheitsfunktion übernehmen muss, ist separat zu bewerten.
5. Wann reicht ein nicht isolierter DC/DC-Wandler?
Eine zusätzliche Isolationsbarriere ist nicht in jeder Anwendung erforderlich.
Innerhalb eines kompakten Schaltschranks kann beispielsweise bewusst ein gemeinsamer 24-V-/0-V-Bezug für SPS, Sensoren und Hilfselektronik verwendet werden.
Soll lediglich aus 24 V eine geregelte 12-V-Versorgung erzeugt werden und bestehen keine problematischen Potentialunterschiede, kann ein nicht isolierter DC/DC-Wandler die technisch einfachere Lösung sein.
Auch bei höheren Leistungen kann eine nicht isolierte Architektur vorteilhaft sein, wenn keinerlei Trennanforderung besteht.
Eine galvanische Trennung nur „zur Sicherheit“ einzubauen, ohne ihren Zweck im Stromlaufplan zu definieren, schafft dagegen nicht automatisch ein besseres System.
Sie kann zusätzliche Kosten, Verlustleistung, Bauraum und EMV-Aufwand verursachen.
6. Warum kann 24 V auf 24 V sinnvoll sein?
Bei einem isolierten DC/DC-Wandler muss die Ausgangsspannung nicht von der Eingangsspannung abweichen.
Ein typisches Versorgungskonzept kann lauten:
24 V Hauptversorgung → isolierter DC/DC-Wandler → 24 V Sensorversorgung
Elektrisch sind beide Seiten dann trotz identischer Nennspannung getrennt.
Der Sensorstromkreis erhält einen eigenen 0-V-Bezug und ist nicht automatisch mit dem 0 V des Hauptstromkreises verbunden.
Das ist beispielsweise interessant, wenn eine zentrale Versorgung gleichzeitig Relais, Magnetventile, Schütze und andere störende Verbraucher versorgt, während eine empfindliche Messgruppe separat referenziert werden soll.
Die gleiche Ausgangsspannung bedeutet daher nicht, dass der Wandler überflüssig ist. Seine Hauptfunktion kann in diesem Fall die Trennung und nicht die Spannungsänderung sein.
7. Warum die Stromversorgung allein noch keine vollständige Trennung erzeugt
Einer der häufigsten Planungsfehler besteht darin, nur die Versorgungsspannung zu betrachten.
Ein isolierter DC/DC-Wandler trennt zunächst nur seinen eigenen Ein- und Ausgang.
Wenn eine Signalleitung anschließend die beiden Potentialbereiche wieder direkt miteinander verbindet, ist die gesamte Baugruppe nicht mehr vollständig galvanisch getrennt.
Ein Sensor kann beispielsweise aus einem isolierten 24-V-Wandler versorgt werden, während sein Spannungsausgang mit einem nicht isolierten SPS-Analogeingang verbunden ist.
Besitzen Signalmasse und Ausgangsminus eine direkte Verbindung, entsteht darüber erneut ein galvanischer Pfad.
Für eine wirklich getrennte Messinsel müssen daher sämtliche Verbindungen zwischen den Potentialbereichen betrachtet werden.
| Möglicher Verbindungspfad | Kann Isolation überbrücken? | Zu prüfen |
|---|---|---|
| Versorgungsleitung | Ja | Isolierter oder nicht isolierter DC/DC-Wandler |
| Analogsignal | Ja | Galvanisch getrennter Analogeingang beziehungsweise Trennverstärker |
| Digitale Kommunikation | Ja | Isolierter Transceiver / Kommunikationsschnittstelle |
| Kabelschirm | Abhängig von Anschlusskonzept | Schirm- und EMV-Konzept prüfen |
| PE / Funktionserde | Ja beziehungsweise definiert Bezugspotential | Erdungskonzept prüfen |
| Sensor- oder Maschinengehäuse | Möglich | Mechanische und elektrische Montage berücksichtigen |
Die galvanische Trennung ist daher immer eine Eigenschaft der gesamten Verbindung und nicht nur eines einzelnen Bauteils.
8. 2-Leiter- und 4–20-mA-Stromkreise richtig betrachten
Bei 4–20-mA-Messkreisen ist die Betrachtung besonders wichtig, weil Versorgung und Messsignal häufig eng miteinander verbunden sind.
Ein 2-Leiter-Transmitter wird aus derselben Stromschleife versorgt, über die er seinen Messwert überträgt.
Soll eine solche Messstelle galvanisch von der Steuerung getrennt werden, reicht ein isolierter DC/DC-Wandler allein nicht zwangsläufig aus.
Die vollständige Schleife muss betrachtet werden: Speisespannung, Transmitter, Analogeingang, eventuell vorhandener Speisetrenner, Schirmung und Erdbezüge.
In vielen Anwendungen übernimmt deshalb ein galvanisch getrennter Speisetrenner beziehungsweise Signaltrenner gleichzeitig die elektrische Trennung des Messsignals.
Bei 3- oder 4-Leiter-Sensoren können Versorgung und Signal dagegen getrennte Pfade bilden. Hier muss für beide Pfade einzeln geprüft werden, ob sie die gewünschte Isolation einhalten.
9. 0 V, PE und Funktionserde nicht verwechseln
In Stromlaufplänen werden unterschiedliche Bezugspotentiale häufig vereinfacht als „Masse“ bezeichnet. Technisch können sie jedoch unterschiedliche Aufgaben besitzen.
Das 0-V-Potential einer 24-V-Versorgung ist zunächst der elektrische Bezugspunkt dieses Gleichstromkreises.
PE dient dem Schutz gegen gefährliche Berührungsspannungen und gehört zum Schutzkonzept der Anlage.
Eine Funktionserde beziehungsweise FE kann dagegen gezielt für EMV- und Funktionszwecke verwendet werden.
Ob und an welcher Stelle 0 V mit PE oder FE verbunden wird, hängt vom gesamten Versorgungskonzept und den anzuwendenden Anforderungen ab.
Bei einer isolierten Ausgangsversorgung sollte deshalb nicht automatisch davon ausgegangen werden, dass Ausgangsminus grundsätzlich ungeerdet bleiben oder grundsätzlich geerdet werden muss.
Die Entscheidung gehört in das dokumentierte Erdungs- und EMV-Konzept der Anlage.
10. Schirme und Potentialausgleich in das Konzept einbeziehen
Ein Kabelschirm ist nicht dasselbe wie der Signalrückleiter.
Seine Hauptaufgabe besteht darin, elektromagnetische Störungen abzuführen beziehungsweise deren Einkopplung zu reduzieren.
Je nach Signalart, Frequenzbereich und Anlagenkonzept kann der Schirm einseitig, beidseitig oder über spezielle Komponenten angeschlossen werden.
Eine pauschale Regel für jede Sensorleitung wäre deshalb nicht sinnvoll.
Wichtig ist jedoch: Ein beidseitig angeschlossener Schirm kann einen zusätzlichen leitenden Pfad zwischen zwei Anlagenteilen bilden.
Wenn eine Versorgung bewusst galvanisch getrennt wurde, muss deshalb geprüft werden, welche weiteren Verbindungen über Schirm, Gehäuse und Potentialausgleich bestehen.
Die beste DC/DC-Auswahl kann ein widersprüchliches Erdungs- und Schirmkonzept nicht kompensieren.
11. Isolationsspannung und Sicherheitsisolation unterscheiden
Bei isolierten DC/DC-Wandlern wird häufig eine Isolationsspannung angegeben.
Dieser Wert beschreibt eine definierte Prüfung der Isolationsbarriere zwischen Ein- und Ausgang.
Er darf nicht ohne weitere Prüfung als zulässige dauerhafte Arbeitsspannung zwischen beiden Seiten interpretiert werden.
Ebenso bedeutet eine hohe Prüfspannung nicht automatisch, dass ein Wandler für jede sicherheitsrelevante Potentialtrennung geeignet ist.
Je nach Anwendung wird unter anderem zwischen funktionaler Isolation, Basisisolation und verstärkter Isolation unterschieden.
| Isolationsart | Grundlegende Funktion | Typische Bedeutung |
|---|---|---|
| Funktionale Isolation | Elektrische Trennung für die Gerätefunktion | Zum Beispiel Potentialtrennung und Unterbrechung von Masseschleifen |
| Basisisolation | Grundlegender Schutz gegen elektrischen Schlag | Teil eines normativ bewerteten Schutzkonzeptes |
| Verstärkte Isolation | Erhöhte Isolation entsprechend einem erweiterten Schutzkonzept | Anwendungen mit entsprechend höheren Sicherheitsanforderungen |
Welche Ausführung erforderlich ist, hängt von Arbeitsspannung, Überspannungskategorie, Verschmutzungsgrad, Anwendung, Produktnorm und geforderter Schutzmaßnahme ab.
Auch SELV oder PELV entsteht nicht allein dadurch, dass irgendein DC/DC-Wandler eine galvanische Trennung besitzt. Der Wandler und das gesamte System müssen die dafür erforderlichen Bedingungen erfüllen.
12. Ausgangsleistung und Eingangsstrom richtig dimensionieren
Nach der Potentialstruktur muss die elektrische Leistung betrachtet werden.
Die erforderliche Ausgangsleistung ergibt sich aus Ausgangsspannung und maximalem Laststrom:
Pout = Uout × Iout
Ein 24-V-Sensorstromkreis mit maximal 0,8 A benötigt damit mindestens:
Pout = 24 V × 0,8 A = 19,2 W
Der DC/DC-Wandler sollte nicht nur anhand dieses Nennpunktes ausgewählt werden. Anlaufströme, Reserven, Umgebungstemperatur und mögliche Derating-Kurven müssen zusätzlich berücksichtigt werden.
Auch der Eingangsstrom kann deutlich höher sein, als eine Betrachtung der Ausgangsseite vermuten lässt.
Vereinfacht gilt:
Iin ≈ Pout / (Uin × η)
Dabei ist η der Wirkungsgrad des Wandlers.
Für Sicherung, Leitung und vorgelagerte Stromversorgung ist insbesondere der ungünstige Betriebspunkt mit niedriger Eingangsspannung und hoher Ausgangsleistung relevant.
13. Einschaltstrom und kapazitive Lasten berücksichtigen
Der Nennstrom eines Sensors oder Steuergerätes beschreibt nicht zwangsläufig dessen Stromaufnahme beim Einschalten.
Elektronische Geräte besitzen häufig Eingangskondensatoren, die beim Zuschalten zunächst geladen werden.
Werden mehrere Geräte gleichzeitig an einem DC/DC-Wandler eingeschaltet, kann dadurch kurzfristig eine deutlich höhere Last auftreten.
Auch der DC/DC-Wandler selbst kann beim Einschalten aufgrund seiner Eingangskapazitäten einen Stromimpuls aus der vorgeschalteten Versorgung aufnehmen.
Die konkrete Höhe hängt stark von Wandler, Last, Eingangsspannung und Einschaltbeschaltung ab und darf deshalb nicht pauschal aus dem Nennstrom abgeleitet werden.
Bei kritischen Anwendungen sollten Datenblattangaben zu Einschaltstrom, Strombegrenzung, Softstart und kapazitiver Last berücksichtigt werden.
Ein Wandler, dessen Nennleistung rechnerisch exakt zur Dauerlast passt, kann andernfalls beim Start zyklisch abschalten oder die Versorgungsspannung einbrechen lassen.
14. Leitungsverluste bei entfernten Sensoren richtig bewerten
Bei langen Sensorleitungen fällt ein Teil der Versorgungsspannung an den Leitungswiderständen ab.
Für eine Zweileiter-Versorgung mit gleichem Leiterquerschnitt auf Hin- und Rückweg kann der Spannungsabfall vereinfacht über den gesamten Schleifenwiderstand bestimmt werden:
ΔU = I × RLeitung
Je höher Strom und Leitungslänge und je kleiner der Leiterquerschnitt, desto größer wird der Spannungsabfall.
Ein Sensor benötigt deshalb nicht nur nominell „24 V“. Entscheidend ist, welche Spannung an seinen Klemmen unter maximaler Last tatsächlich ankommt.
Ein DC/DC-Wandler nahe beim Verbraucher kann in bestimmten Anwendungen helfen, aus einer schwankenden beziehungsweise höheren Verteilspannung lokal eine stabile Sensorspannung zu erzeugen.
Er kann jedoch keine Eingangsspannung kompensieren, die außerhalb seines zulässigen Eingangsspannungsbereiches liegt.
Die Leitungsberechnung muss deshalb zusammen mit dem minimalen Eingangswert des Wandlers und dem maximalen Laststrom durchgeführt werden.
15. Warum galvanische Trennung EMV-Probleme nicht automatisch beseitigt
Galvanische Trennung unterbricht den direkten leitenden Pfad zwischen zwei Stromkreisen.
Das bedeutet jedoch nicht, dass zwischen beiden Seiten keinerlei hochfrequente Kopplung mehr vorhanden ist.
In einem realen isolierten Wandler bestehen parasitäre Kapazitäten zwischen Primär- und Sekundärseite. Schnelle Schaltflanken können darüber Gleichtaktströme übertragen.
Hinzu kommen leitungsgebundene Störungen auf Eingangs- und Ausgangsseite sowie mögliche Kopplungen über Kabel, Schirme und Gehäuse.
Ein isolierter Wandler kann deshalb Masseschleifen sehr wirkungsvoll unterbrechen, muss aber trotzdem hinsichtlich Restwelligkeit, Schaltfrequenz, leitungsgebundener Störaussendung und Störfestigkeit zur Anwendung passen.
Bei empfindlicher Analogmesstechnik kann zusätzlich eine geeignete Filterung oder räumliche Trennung erforderlich sein.
Galvanische Trennung und gute EMV sind damit verwandte, aber nicht identische Eigenschaften.
16. Kurzschluss, Überlast und Sicherung richtig planen
Ein DC/DC-Wandler sollte nicht nur im Normalbetrieb betrachtet werden.
Ein Kurzschluss auf der Sensorseite darf beispielsweise nicht dazu führen, dass Leitungen thermisch überlastet werden oder ein übergeordneter Steuerstromkreis unkontrolliert zusammenbricht.
Viele industrielle Wandler besitzen interne Kurzschluss- und Überlastschutzfunktionen.
Diese ersetzen jedoch nicht automatisch die notwendige Absicherung der Zuleitungen und Stromkreise.
Die vorgeschaltete Sicherung muss zu Eingangsstrom, Leitung, Einschaltverhalten und Herstellerangaben passen.
Auf der Ausgangsseite ist zu prüfen, ob die Strombegrenzung des Wandlers eine nachgeschaltete Sicherung überhaupt zuverlässig auslösen kann.
Gerade bei elektronisch begrenzten Stromversorgungen kann der verfügbare Kurzschlussstrom deutlich kleiner sein als bei klassischen Netzversorgungen.
Schutzorgan und Stromversorgung müssen deshalb als Kombination geplant werden.
17. Mehrere getrennte Sensorgruppen sinnvoll strukturieren
Eine einzelne galvanisch getrennte Versorgung für alle Sensoren ist nicht zwangsläufig die optimale Architektur.
Werden mehrere räumlich oder funktional getrennte Messgruppen an denselben isolierten Ausgang angeschlossen, teilen sie anschließend wieder einen gemeinsamen Sekundärbezug.
Damit können zwischen diesen Verbrauchern erneut gemeinsame Rückströme und Kopplungen entstehen.
Bei besonders empfindlichen oder weit verteilten Messstellen kann es deshalb sinnvoll sein, mehrere getrennte Versorgungsgruppen aufzubauen.
Die Trennung sollte jedoch nicht beliebig kleinteilig erfolgen. Jeder zusätzliche Wandler erhöht Bauraum, Kosten, Verlustleistung und Diagnoseaufwand.
Eine sinnvolle Struktur orientiert sich an Funktionsgruppen, räumlicher Verteilung, Signalempfindlichkeit und möglichen gemeinsamen Fehlerursachen.
18. Typische Fehlerbilder systematisch diagnostizieren
| Beobachtung | Mögliche Ursache | Sinnvolle Prüfung |
|---|---|---|
| Sensorwert verändert sich beim Schalten von Ventilen oder Schützen | Gemeinsame Versorgung, Masseverschiebung oder EMV-Einkopplung | Versorgungs- und Massepotentiale während des Schaltvorgangs messen |
| Isolierter Wandler eingebaut, Masseschleife besteht weiterhin | Signal, Schirm oder Gehäuse verbindet beide Potentialbereiche erneut | Alle galvanischen Verbindungspfade prüfen |
| Sensor funktioniert im Schaltschrank, aber nicht am entfernten Einbauort | Spannungsabfall der Leitung | Spannung direkt an den Sensorklemmen unter Last messen |
| DC/DC-Wandler startet wiederholt neu | Einschaltstrom, kapazitive Last oder Überlast | Startstrom und Ausgangsspannung zeitlich aufzeichnen |
| 24-V-Ausgang bricht bei hoher Last ein | Wandler überlastet oder Eingangsspannung zu niedrig | Ein- und Ausgangsspannung sowie Laststrom gleichzeitig prüfen |
| Messsignal zeigt hochfrequentes Rauschen trotz Isolation | Kapazitive Gleichtaktkopplung oder Schaltstörungen | EMV-Pfad, Filterung, Schirmung und Leitungsführung untersuchen |
| Getrennter Ausgang besitzt unerwartet Potential gegen PE | Bewusste oder unbeabsichtigte Erdverbindung | Schaltplan und reale Verbindungen zu PE/FE kontrollieren |
| Ausgangssicherung löst im Kurzschlussfall nicht aus | Elektronische Strombegrenzung des Wandlers | Schutzkonzept und verfügbare Fehlerströme prüfen |
19. Isoliert oder nicht isoliert: praktische Entscheidungshilfe
Die Auswahl lässt sich auf einige zentrale Fragen reduzieren.
Benötigen Ein- und Ausgang bewusst denselben 0-V-Bezug und besteht keine Trennanforderung, spricht vieles für einen nicht isolierten Wandler.
Sollen unterschiedliche Massepotentiale voneinander getrennt, Masseschleifen unterbrochen oder eine eigenständige Sensorversorgung aufgebaut werden, ist eine isolierte Ausführung naheliegend.
Danach muss geprüft werden, ob die galvanische Trennung nur funktional erforderlich ist oder zusätzlich eine definierte Sicherheitsisolationsklasse erfüllen muss.
Anschließend folgen die klassischen Versorgungsparameter: Eingangsspannungsbereich, Ausgangsspannung, Dauerstrom, Spitzenlast, Wirkungsgrad, Temperatur, Kühlung und Schutzfunktionen.
Zum Schluss muss die komplette Systemverbindung betrachtet werden. Ein isolierter DC/DC-Wandler bringt wenig, wenn eine andere Leitung beide Potentialbereiche unmittelbar wieder verbindet.
20. Passende DC/DC-Wandler von ICS Schneider
ICS Schneider Messtechnik bietet unterschiedliche DC/DC-Wandler für industrielle, mobile und messtechnische Versorgungssysteme. Eine Übersicht finden Sie unter Stromversorgung und DC/DC-Wandler.
20.1 ISD-25 Serie – galvanisch getrennte DC/DC-Versorgung
Die ISD-25 Serie ist ein Beispiel für einen galvanisch getrennten industriellen DC/DC-Wandler.
Die Baureihe besitzt 25 W Ausgangsleistung und ist je nach Modell mit Eingangsspannungsbereichen von 9,2 … 18 VDC, 19 … 36 VDC oder 36 … 72 VDC erhältlich.
Ausgangsseitig stehen Varianten mit 5 VDC, 12 VDC oder 24 VDC zur Verfügung.
Die spezifizierte I/O-Isolation beträgt 1.500 VAC. Zusätzlich besitzt die Serie einen integrierten EMI-Filter sowie Schutzfunktionen gegen Kurzschluss, Überlast und Überspannung.
Für Sensor- und kleinere Steuerstromkreise kann die Serie damit insbesondere interessant sein, wenn neben der Spannungswandlung auch eine galvanische Trennung erforderlich ist.
Die angegebene Isolationsprüfspannung allein sollte jedoch nicht als Nachweis einer bestimmten normativen Sicherheitsisolationsklasse interpretiert werden. Für sicherheitsrelevante Anwendungen sind Datenblatt und die Anforderungen der konkreten Anlage separat zu prüfen.
20.2 2218-Serie – Spannungswandlung ohne galvanische Trennung
Die 2218-Serie zeigt die alternative Architektur ohne galvanische Trennung.
Je nach Ausführung stehen Eingangsnennspannungen von 24 VDC, 48 VDC oder 60 VDC und Ausgangsspannungen von 5 VDC, 12 VDC oder 24 VDC zur Verfügung.
Die Serie deckt Leistungen von 60 bis 240 W ab und besitzt Kurzschluss- sowie elektronischen Überlastschutz.
Ein- und Ausgang sind jedoch nicht galvanisch getrennt.
Damit eignet sich die Baureihe für Anwendungen, in denen eine definierte DC-Spannungswandlung benötigt wird, Ein- und Ausgang aber bewusst zum selben Potentialsystem gehören.
20.3 Isoliert und nicht isoliert nicht nur nach Leistung vergleichen
Bei der Produktauswahl sollten isolierte und nicht isolierte Wandler nicht allein nach Watt, Spannung und Preis verglichen werden.
Die gewünschte Potentialstruktur muss zuerst feststehen.
Danach werden Leistung, Eingangsspannungsbereich, Ausgangsstrom, Wirkungsgrad, Restwelligkeit, Temperaturbereich, Bauform und Schutzfunktionen ausgewählt.
Gerade für Mess- und Sensorstromkreise kann eine kleinere isolierte Versorgung technisch sinnvoller sein als ein deutlich leistungsstärkerer Wandler ohne Potentialtrennung.
20.4 Auslegung durch ICS Schneider
Für die Auswahl eines geeigneten DC/DC-Wandlers sind Eingangsspannung einschließlich Minimal- und Maximalwert, gewünschte Ausgangsspannung, Dauer- und Spitzenstrom, Anzahl und Art der Verbraucher, Leitungslängen, Umgebungstemperatur und Einbausituation relevant.
Zusätzlich sollte beschrieben werden, warum eine galvanische Trennung benötigt wird und welche weiteren elektrischen Verbindungen zwischen Sensorseite und Steuerungsseite bestehen.
Bei sicherheitsrelevanter Isolation werden außerdem die anzuwendende Norm, Arbeitsspannung und geforderte Isolationsart benötigt.
21. Fazit
Die Entscheidung zwischen isoliertem und nicht isoliertem DC/DC-Wandler ist keine reine Produktfrage.
Sie entscheidet darüber, ob zwei Stromkreise elektrisch denselben Bezugspunkt besitzen oder zunächst voneinander getrennte Potentialbereiche bilden.
Ein nicht isolierter Wandler ist sinnvoll, wenn Ein- und Ausgang bewusst denselben Massebezug verwenden und lediglich eine andere beziehungsweise stabilisierte Gleichspannung benötigt wird.
Ein isolierter Wandler ist dagegen besonders interessant, wenn unterschiedliche Massepotentiale getrennt, Masseschleifen unterbrochen oder empfindliche Sensor- und Messkreise als eigene Versorgungsgruppe aufgebaut werden sollen.
Die Trennung des Netzteils allein reicht jedoch nicht aus. Signalleitungen, Kommunikationsschnittstellen, Kabelschirme, Schutzleiter, Funktionserde und mechanische Erdverbindungen können die beiden Potentialbereiche erneut miteinander verbinden.
Ebenso darf eine hohe Isolationsprüfspannung nicht automatisch mit einer für die Anwendung ausreichenden Sicherheitsisolation gleichgesetzt werden. Funktionale, Basis- und verstärkte Isolation erfüllen unterschiedliche Aufgaben.
Nach der Potentialfrage folgt die Leistungsdimensionierung. Dauerlast, Einschaltstrom, kapazitive Verbraucher, minimaler Eingangsspannungswert, Wirkungsgrad und Temperatur müssen berücksichtigt werden.
Bei entfernten Sensoren kommt der Spannungsabfall der Versorgungsleitung hinzu.
Auch aus EMV-Sicht ist Isolation kein vollständiger Schutzschild. Parasitäre Kapazitäten können hochfrequente Störungen weiterhin zwischen Primär- und Sekundärseite koppeln.
Für eine belastbare Planung gilt deshalb:
Potentialstruktur festlegen → erforderliche Isolationsart bestimmen → alle Signal- und Erdverbindungen prüfen → Ein- und Ausgangsspannung festlegen → Dauer- und Spitzenlast bestimmen → Einschaltverhalten berücksichtigen → Leitungsverluste prüfen → EMV- und Schirmkonzept festlegen → Schutzorgane dimensionieren → geeigneten DC/DC-Wandler auswählen.
Der wichtigste praktische Grundsatz lautet damit: Nicht zuerst fragen, welchen DC/DC-Wandler man einsetzen möchte. Zuerst muss feststehen, welche elektrische Verbindung zwischen den beiden Seiten überhaupt bestehen darf.
22. Häufige Fragen zu isolierten DC/DC-Wandlern
22.1 Was ist ein isolierter DC/DC-Wandler?
Ein isolierter DC/DC-Wandler überträgt elektrische Energie zwischen Ein- und Ausgang, ohne dass im vorgesehenen Betrieb eine direkte galvanische Verbindung zwischen beiden Seiten besteht.
22.2 Was ist ein nicht isolierter DC/DC-Wandler?
Bei einem nicht isolierten Wandler bleiben Ein- und Ausgang elektrisch miteinander verbunden. Häufig besitzen beide Seiten einen gemeinsamen Minus- beziehungsweise 0-V-Bezug.
22.3 Ist ein isolierter DC/DC-Wandler immer besser?
Nein. Wenn eine gemeinsame Masse ausdrücklich gewünscht ist und keine Trennanforderung besteht, kann eine nicht isolierte Ausführung einfacher und wirtschaftlicher sein.
22.4 Warum sollte man 24 V in isolierte 24 V wandeln?
Damit kann bei identischer Nennspannung ein eigener Ausgangspotentialbereich erzeugt werden. Die Hauptfunktion ist dann die galvanische Trennung und nicht die Spannungsänderung.
22.5 Unterbricht ein isolierter Wandler eine Masseschleife?
Er kann den direkten Massepfad über die Versorgung unterbrechen. Ob die gesamte Masseschleife tatsächlich verschwindet, hängt jedoch davon ab, ob weitere Verbindungen über Signal, Schirm, PE oder Gehäuse bestehen.
22.6 Ist der Ausgang eines isolierten Wandlers automatisch potentialfrei?
Er ist zunächst galvanisch vom Eingang getrennt. Wird eine Ausgangsklemme anschließend bewusst mit PE, FE oder einem anderen Potential verbunden, erhält die Ausgangsseite einen definierten Bezug.
22.7 Darf ich Ausgangsminus mit PE verbinden?
Das hängt vom Erdungs-, EMV- und Sicherheitskonzept der Anlage ab. Eine pauschale allgemeine Vorgabe ist hierfür nicht sinnvoll.
22.8 Ist 1.500 VAC Isolation gleichbedeutend mit 1.500 VAC dauerhafter Arbeitsspannung?
Nein. Eine angegebene Isolationsspannung ist typischerweise eine definierte Prüfgröße. Die zulässige Arbeitsspannung und die normative Isolationsklasse müssen separat aus den technischen und normativen Angaben abgeleitet werden.
22.9 Bedeutet eine hohe Isolationsspannung automatisch verstärkte Isolation?
Nein. Die Isolationsklasse hängt nicht nur von einer Prüfspannung ab, sondern unter anderem von Aufbau, Kriech- und Luftstrecken, Arbeitsspannung und anzuwendender Norm.
22.10 Macht ein isolierter DC/DC-Wandler aus jedem Ausgang SELV?
Nein. Für SELV beziehungsweise PELV müssen die Anforderungen des gesamten Versorgungssystems und der einschlägigen Normen erfüllt sein.
22.11 Reicht ein isolierter Wandler für einen galvanisch getrennten 4–20-mA-Kreis?
Nicht zwangsläufig. Wenn das Messsignal anschließend über einen nicht isolierten Analogeingang beide Potentialbereiche verbindet, ist der vollständige Messkreis nicht mehr galvanisch getrennt.
22.12 Warum gibt es trotz galvanischer Trennung noch EMV-Störungen?
Reale Isolationsbarrieren besitzen parasitäre Kapazitäten. Schnelle Schaltvorgänge können darüber hochfrequente Gleichtaktströme zwischen beiden Seiten koppeln.
22.13 Wie groß muss ein DC/DC-Wandler dimensioniert werden?
Ausgangsspannung und maximaler Dauerstrom bilden die Grundlage. Zusätzlich müssen Einschaltstrom, Spitzenlast, Umgebungstemperatur, Derating und ausreichende Betriebsreserve berücksichtigt werden.
22.14 Warum ist der Eingangsstrom höher als erwartet?
Der Eingang muss die Ausgangsleistung zuzüglich der Wandlerverluste bereitstellen. Bei niedriger Eingangsspannung steigt daher für dieselbe Leistung der erforderliche Eingangsstrom.
22.15 Kann eine kapazitive Last den Start verhindern?
Ja. Hohe Ladestromspitzen können die Strombegrenzung des Wandlers aktivieren. Abhängig vom Schutzverhalten kann die Ausgangsspannung dann langsam ansteigen, einbrechen oder wiederholt neu starten.
22.16 Kann ein DC/DC-Wandler Spannungsabfall in einer langen Leitung lösen?
Eine lokale Spannungswandlung kann Teil der Lösung sein. Der Eingang des Wandlers muss jedoch auch am Leitungsende unter maximaler Last innerhalb seines zulässigen Eingangsspannungsbereiches bleiben.
22.17 Was ist ein Kraft- beziehungsweise Massebezug über den Kabelschirm?
Ein beidseitig leitend angeschlossener Schirm kann einen zusätzlichen elektrischen Pfad zwischen Anlagenteilen bilden. Er muss deshalb im Potential- und EMV-Konzept berücksichtigt werden.
22.18 Welche ICS-Serie ist galvanisch getrennt?
Die Mean Well ISD-25 Serie besitzt eine spezifizierte I/O-Isolation von 1.500 VAC und ist mit Ausgängen von 5 VDC, 12 VDC oder 24 VDC erhältlich.
22.19 Welche ICS-Wandler sind nicht galvanisch getrennt?
Die 2218er-DC/DC-Wandler sind Beispiele für Spannungswandler ohne galvanische Trennung zwischen Eingang und Ausgang.
22.20 Was benötigt ICS Schneider für die Auswahl eines passenden Wandlers?
Hilfreich sind minimale und maximale Eingangsspannung, gewünschte Ausgangsspannung, Dauer- und Spitzenstrom, Art und Anzahl der Verbraucher, Leitungslänge, Umgebungstemperatur, Einbauart, vorhandene Masse- und Erdverbindungen sowie die Information, ob eine funktionale oder sicherheitstechnische galvanische Trennung benötigt wird.