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Blog rund um Strom und Spannung

Unterschiede zwischen nicht isolierten und isolierten Konvertern

von Thiele KG

In Stromumwandlungssystemen bedeutet galvanische Trennung, dass es keinen direkten Stromfluss zwischen verschiedenen Teilen des Schaltkreises gibt. Diese Trennung zwischen Eingangs- und Ausgangsstufen ist wichtig für die Sicherheit und ordnungsgemäße Funktion des Systems.

Isolierte Wandler haben getrennte Erdungen für Eingangs- und Ausgangsstufen. Nicht isolierte Wandler nutzen eine gemeinsame Erdung, was einen direkten Stromfluss zwischen beiden Seiten ermöglicht. Ein Transformator in isolierten Wandlern sorgt für die notwendige Trennung, indem er Energie durch elektromagnetische Felder überträgt. Dabei kann es zu einem Effizienzverlust kommen, der aber durch eine gute Transformatorenkonstruktion minimiert wird.

Bei Geräten, die Rückmeldungen benötigen, ist es wichtig, die Isolation auch für diese Signale zu gewährleisten. Wechselstromsignale können mit Miniatur-Signaltransformatoren isoliert werden, während Gleichstromsignale durch Optokoppler getrennt werden können.

Die Isolation wird durch elektrische Trennung erreicht, entweder durch Luftspalte oder durch nichtleitende Materialien wie Klebeband. Die Effektivität der Isolation wird anhand von Spannungsschwellenwerten gemessen. Wenn diese Schwellenwerte überschritten werden, kann es zu einem Isolationsdurchbruch kommen.

Gründe für die Isolation von Stromversorgungen, Konvertern und Invertern

Isolierte Wandler sind wichtig für die Einhaltung von Sicherheitsstandards, besonders bei hohen und potenziell gefährlichen Spannungen wie bei AC/DC-Wandlern. Die Isolierung trennt den Ausgang von den gefährlichen Eingangsspannungen und stellt so die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften sicher.

Der richtige Grad der Isolierung, festgelegt durch Sicherheitsnormen, ist entscheidend für die Sicherheit. Es gibt verschiedene Isolierungsgrade, die unterschiedlichen Schutz vor Stromschlägen bieten. Die verstärkte Isolierung bietet dabei den höchsten Schutz.

Es gibt vier Hauptarten der Isolierung:

Betriebsisolierung
Auch Funktionsisolierung genannt, dient betrieblichen Zwecken, bietet aber keinen Schutz vor Stromschlägen.

Basisisolierung
Besteht aus einer Schicht und bietet Schutz vor Stromschlägen.

Zusätzliche Isolierung
Ergänzt die Grundisolierung um eine weitere Schicht für erhöhte Sicherheit.

Verstärkte Isolierung
Bietet den doppelten Schutz der Basisisolierung mit einer einzigen Barriere.

Isolierte Netzteile verhindern Erdschleifen und Rauschstörungen durch ihre separate Erdung. Diese Trennung ist besonders vorteilhaft für rauschempfindliche Schaltkreise, da sie die Erde von möglichen Störquellen isoliert.

Isolierte Wandler haben zudem schwebende Ausgänge, im Gegensatz zu nicht isolierten Wandlern, die eine festgelegte Spannung zwischen den Ausgangsklemmen haben. Schwebende Ausgänge haben keine feste Spannung im Verhältnis zu anderen Schaltungspunkten, was Flexibilität bei der Pegelverschiebung und Schaltungskonfiguration ermöglicht. Verbindungen zwischen den Klemmen können die Ausgänge im Verhältnis zu anderen Punkten in der Schaltung ändern oder umkehren, was vielseitige Anwendungen ermöglicht.

Gründe für die Nichtisolation von Spannungswandlern

Trotz der Vorteile der Isolierung gibt es gute Gründe, nicht isolierte Konverter zu verwenden, zum Beispiel Kosten, Größe und Effizienz.

Kostensenkung
Nicht isolierte Konverter sind oft günstiger, da sie handelsübliche Induktoren statt teurer maßgeschneiderter Transformatoren verwenden. Isolierte Konverter benötigen zudem häufig zusätzliche Komponenten wie Optokoppler, was die Kosten weiter erhöht.

Größeneffizienz
Nicht isolierte Konverter sind meist kompakter, da sie Induktoren anstelle von Transformatoren nutzen und mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten. Dies führt zu kleineren magnetischen Komponenten und Kondensatoren.

Verbesserte Effizienz
Nicht isolierte Konverter haben oft eine bessere Effizienz und Regelung, da sie weniger Komponenten benötigen und ohne Transformator auskommen. Dies ermöglicht eine direktere Überwachung und präzisere Steuerung der Ausgangsspannung.

Anwendungsbereiche für Konverter und Spannungswandler

Nicht isolierte Konverter werden oft in Point-of-Load-Einstellungen (POL) verwendet, um Hochspannung in niedrigere Spannung umzuwandeln. Dies geschieht häufig in industriellen Umgebungen, wo die Stromversorgung in gut isolierten Gehäusen untergebracht ist.

Isolierte Wandler sind unverzichtbar in medizinischen, militärischen und Schwerindustrieumgebungen, wo strenge Isolationsstandards zur Einhaltung der Sicherheitsvorschriften erforderlich sind. Branchen, die hohe Spannungen benötigen, erfordern Stromversorgungen mit robuster Isolierung, um das Risiko elektrischer Gefahren zu minimieren.

 

Zusammengefasst hängt die Wahl zwischen isolierten und nicht isolierten Wandlern von den spezifischen Anforderungen der Anwendung ab. Faktoren wie Kosten, Größe, Effizienz und Sicherheitsaspekte müssen berücksichtigt werden, die durch die Endanwendungsumgebung vorgegeben sind. Isolierte Wandler sind für Anwendungen mit strengen Sicherheitsanforderungen entscheidend, während nicht isolierte Wandler kostengünstige und kompakte Lösungen für weniger gefährliche Umgebungen bieten. Das Verständnis des Unterschieds zwischen isolierten und nicht isolierten Wandlern ist besonders bei isolierten DC/DC-Wandlern wichtig.

Elektronische Platine mit Blitzen und Lichtern
Vergleich von isolierten und nicht isolierten Wandlern
Isolationsdiagram eines ODS-3000
Isolationsdiagram eines ODS-3000
Diagramm eines nicht isolierten Konverters
Diagramm eines nicht isolierten Konverters

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