Galvanische Isolation (GI)

Inhalt

Was ist galvanische Isolation?

Isolieren und schützen

Die galvanische Isolation ist gleichbedeutend mit "galvanische Trennung“ und bietet Schutz für Mensch und Maschine gegen Überspannungen. Eine galvanische Isolation unterbindet gefährliche Ausgleichsströme und trennt im Wesentlichen die induzierten Spannungen zwischen Versorgungsspannungen. Damit werden unerwünschte Potentialunterschiede zwischen Schaltkreisen verhindert und eine funktionierende Erdung und Kabelschirmung in unterschiedlichen Netzen sichergestellt.

Galvanische Isolatoren sind vollkommen transparent hinsichtlich der Funktion eines Gerätes oder einer Anlage. Man kann diese als integrierte Schutzschaltung verstehen. Sehr bekannte Anwendungsbereiche der galvanischen Isolation sind Trenntransformatoren und Lichtwellenleiter.

Hinweis
Bei der Verwendung nicht oder zu gering isolierter externer Netzteile an einer galvanischen Isolation ist die Platzierung im Sekundär-Stromkreis zu beachten.

Die technische Funktion dahinter lässt sich einfach verstehen. Eine galvanische Isolation ist eine nicht elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Strom- oder Schaltkreisen. Die Strom- oder Schaltkreise sind vollständig elektrisch voneinander isoliert, bleiben dabei jedoch mit speziellen Koppelelementen zur Energie- und Datenübertragung miteinander verbunden.

Koppelelemente der galvanischen Isolation

Koppeln und vernetzen

Die Koppelelemente sind die wesentlichen technischen Bauteile der galvanischen Isolation. Sie isolieren Strom und Spannung und übertragen durch verschiedene Kopplungsmethoden Daten und Energie zwischen den Strom- und Schaltkreisen. Es kommen [a.] optische, [b.] induktive oder [c.] kapazitive Koppelelemente bei der galvanischen Isolation zum Einsatz. Im Folgenden werden die grundsätzlichen Eigenschaften dieser Koppelelemente dargestellt.

[a.] Optische Koppelelemente → Optische Isolation

• Technik: Optokoppler mit Leuchtdiode und Photodiode
• Koppelt: Daten
• Isolation: 5 kV rms Barrieren
• EMV: Sehr gute Eigenschaften
• Anwendung: RS-485 Netze, RS-232 Isolation
• Datenübertragungsrate: < 100 Mbps
• Externe Spannungsversorgung oder Buspower

[b.] Induktive Koppelelemente → Induktive Isolation

• Technik: Induktive Kopplung zweier Spulen
• Koppelt: Energie und Daten
• Isolation: bis 5 kV rms Barrieren
• EMV: Störempfindlich bei Magnetfeldern
• Anwendung: DC-DC Wandler, Netzteile, Sensoren
• Datenübertragungsrate: > 100 Mbps
• Externe Spannungsversorgung bei Gleichstrom

[c.] Kapazitive Koppelelemente → Kapazitive Isolation

• Technik: Koppelkapazität, modulierte Signale OOK (On-Off-Keying)
• Koppelt: Daten
• Isolation: 5 kV rms Barrieren
• EMV: Störempfindlich bei externen elektrischen Feldern
• Anwendung: Industrieschnittstellen
• Datenübertragungsrate: Hochgeschwindigkeitsübertragung
• Spannungsversorgung erforderlich, hohe Komplexität

Praktische Vorteile der galvanischen Isolation

  →  Schutz und Isolierung vor Überspannungen, Blitzeinschlag, Schaltspannung und elektrostatische Entladung
  →  Verbesserte Datenübertragungsgeschwindigkeit und höhere Reichweite
  →  (vgl. galvanische Isolation gegen Gleichtaktstörungen bei RS-485 Leitern, Delock Infothek)
  →  Keine parasitären HF-Übertragungen
  →  Potentialfreie Kopplung von Schaltkreisen
  →  Keine Brummschleifen in Audioanlagen
  →  Fehlerfreie Messergebnisse ohne Masseschleifen
  →  Etc.

Unterstützung der Elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV)

Harmonisieren und ausgleichen

Derzeit sind bei Delock Produkte für galvanische Isolation für USB und das LAN Netzwerk erhältlich. Ebenso bietet Delock verschiedene Möglichkeiten der galvanischen Trennung für Industrieschnittstellen wie RS-232, RS-485 und RS-422. Der Einsatz entsprechender Produkte kann der Vorbeugung oder auch der direkten Entstörung dienen.

Die galvanische Isolation kann die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit und damit geforderte EMV-Richtlinien unterstützen. Sie kann auch als Entstörungsmaßnahme an Kabeln und Geräten verwendet werden, da sie Sicherheit vor Überspannungen bietet und darüber hinaus die Störfestigkeit von Schaltkreisen verbessert. Nicht zuletzt hilft sie beim Entstören von Masseschleifen und beim Ausgleich von Erdpotentialunterschieden.

Varianten galvanischer Isolation: Delock-Produktbeispiele

Galvanische Isolation für USB

Art. 64154
Adapter USB 2.0 Typ-A zu Seriell RS-232 D-Sub 9 Pin • 2,5 kV Galvanische Isolation • 2 m

Der Adapter bietet einen kompatiblen RS-232 DB9 Anschluss für Drucker, Messgeräte, Steuerungen, IoT Geräte etc. Er entkoppelt den USB- und RS-232 Anschluss und die USB Stromversorgung vollständig. []

Art. 62588
USB Isolator mit 5 kV Isolation

Dieser USB Konverter trennt die elektrische Verbindung zwischen Host-PC und USB-Gerät. Durch die galvanische Trennung werden Störgeräusche im Audiobereich und ungenaue Messergebnisse in der Labortechnik verhindert. []

Galvanische Isolation für Netzwerk

Art. 62619
Netzwerk Überspannungsschutz 6 kV RJ45

Der RJ45 Isolator schützt ein Gerät vor Überspannung an einer angeschlossenen Netzwerkverbindung. Der kompakte Adapter unterstützt Ethernet mit 10/100/1000 Mb/s.

Art. 62920
Netzwerk Überspannungsschutz 6 kV RJ45 mit PoE

Der RJ45 Isolator schützt ein Gerät vor Überspannung an einer angeschlossenen Netzwerkverbindung. Der kompakte Adapter unterstützt Ethernet mit 10/100/1000 Mb/s und Power over Ethernet.

Galvanische Isolation für RS-232 / RS-485 / RS-422

Art. 62501
Konverter USB 2.0 zu Seriell RS-422/485 • 3 kV

Der Konverter bietet einen RS-422/485 Anschluss für Messgeräte, Drucker, IoT Geräte, Modbus etc. Die galvanische Trennung durch optische Isolatoren verhindert Datenübertragungsfehler bei ungleichmäßigen Erdpotentialen, Masseschleifen oder Störungen durch Spannungspitzen. []

Art. 62921
Isolator 1 x Seriell RS-232 DB9 Buchse zu 1 x Seriell RS-232 DB9 Stecker • 3 kV

Dieser Isolator schützt alle angeschlossenen Geräte wie Computer, Maschinen, Steuerungen, Messgeräte etc. vor elektromagnetischen und elektrostatischen Entladungen sowie vor Überspannungen. []

Art. 87686
Konverter 1 x Seriell RS-232 zu 1 x Seriell RS-422/485 • ESD Schutz 15 kV • Überspannungsschutz 600 W • 2,5 kV Isolation

Dieser RS-232 zu RS-422/485 Konverter mit erweitertem Temperaturbereich von -40 °C ~ 85 °C eignet sich für alle seriellen Geräte z. B. Maschinensteuerungen, Feldbussysteme, Messgeräte, Computer, Drucker etc. []

Art. 62502
Konverter USB 2.0 > Seriell RS-232 • 5 kV Isolation

Der USB 2.0 zu seriell RS-232 Konverter bietet einen RS-232 Anschluss für Messgeräte, POS-Systeme, Drucker, Modems, IoT Geräte etc. Mit der galvanischen Trennung werden Datenübertragungsfehler bei ungleichmäßigen Erdpotentialen, Masseschleifen oder Störungen durch Spannungspitzen verhindert. Der Konverter ist für die Hutschienenmontage geeignet. []