Isolierung, Isolation und Arbeitsspannung

18. Februar 2020 verfasst von Bruce Rose

Isolierung, Isolation und Arbeitsspannung

Stromversorgungen ermöglichen den Betrieb elektrischer Systeme, indem eine erforderliche Spannung oder ein erforderlicher Strom mit einem angemessenen Leistungsniveau bereitgestellt wird. Zusätzlich zur Stromversorgung eines elektrischen Systems müssen die Netzteile so ausgelegt sein, dass das Verletzungsrisiko für den Endbenutzer minimiert wird. In diesem Beitrag untersuchen wir die Frage: „Wie gelten die Konzepte von Isolationstypen, Isolationsspannungen und Arbeitsspannung, wenn Sicherheitsbedenken für Netzteile berücksichtigt werden?“

  • Isolierungstyp beschreibt, wie die elektrische Isolierung in einem Netzteil verwendet wird
  • Isolationsspannung bezieht sich auf die maximale Spannung, bei der das Netzteil für kurze Zeit gefährliche Spannungen verhindert
  • Arbeitsspannung beschreibt die empfohlenen Betriebsbedingungen für die Stromversorgung über einen längeren Zeitraum

Isolierungstypen

In der Welt der Elektronik werden Isolatoren als Materialien definiert, die keinen elektrischen Stromfluss zulassen. Es gibt Normen, die die Zwecke für fünf verschiedene Arten von Isolierungen definieren:

  1. Funktionell
  2. Grundlegend
  3. Zusätzlich
  4. Doppelt
  5. Verstärkt

Funktionelle Isolierung

Eine funktionale Isolierung kann auch als Betriebsisolierung bezeichnet werden. Der Zweck dieser Isolierung besteht darin, die korrekte Funktion oder den ordnungsgemäßen Betrieb eines Produkts sicherzustellen, und sie wird nicht verwendet, um den Benutzer von gefährlichen Spannungen zu isolieren. Ein häufiges Beispiel ist die Emailisolierung um den Draht, mit dem eine Spule gewickelt wird. Die Isolierung muss nur stark genug sein, um zu verhindern, dass die benachbarten Wicklungen der Spule kurzschließen. Ein weiteres Beispiel wäre die Isolierung zwischen den Spuren einer mit Niederspannung betriebenen Leiterplatte. Die Isolierung dieser Leiterplattenspuren dient dazu, sicherzustellen, dass die Spuren nicht kurzgeschlossen werden und die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert –nicht aus Sicherheitsgründen. Sicherheitsbestimmungen regeln die Leistung der Funktionsisolierung nicht.

Grundisolierung

Die Grundisolierung besteht aus einer einzelnen Isolationsschicht, die vor gefährlichen Spannungen schützt. Ein Beispiel für eine Grundisolierung ist die Kunststoffisolierung um jeden Leiter eines gewöhnlichen Netzkabels. Eine Schicht der Grundisolierung reicht aus, um den Benutzer vor einem elektrischen Schlag zu schützen. Wenn jedoch aus irgendeinem Grund die Grundisolierung ausfällt, kann der Benutzer gefährlichen Spannungen ausgesetzt sein.

Zusatzisolierung

Die Zusatzisolierung ist eine zweite Isolationsschicht, die von der Grundisolierung unabhängig ist. Der Zweck dieser Isolationsschicht besteht darin, Schutz vor gefährlichen Spannungen zu bieten, wenn die Grundisolierung ausfällt. Eine Zusatzisolierung ist zusätzlich zur Grundisolierung enthalten, wenn in einem Netzteil keine Sicherheitserdung vorhanden ist. Ein Beispiel für eine Zusatzisolierung ist das Kunststoffgehäuse eines externen Netzteils.

Doppelte Isolierung

Doppelte Isolierung ist die Einbeziehung sowohl der Grund- als auch der Zusatzisolierung in ein Design und kann eher als Sicherheitsniveau als als eine Art von Isolierung angesehen werden (in den meisten Dokumenten wird die doppelte Isolierung als eine Art von Isolierung aufgeführt). Sowohl die Grund- als auch die Zusatzisolationsschicht wird implementiert, da befürchtet wird, dass die Grundisolationsschicht beeinträchtigt werden könnte und der Benutzer dann gefährlichen Spannungen ausgesetzt wäre.

Verstärkte Isolierung

Eine verstärkte Isolierung erreicht das gleiche Sicherheitsniveau wie eine doppelte Isolierung, wird jedoch mit einer einzigen Isolierschicht implementiert. Die Anforderungen an eine Isolierung, die als verstärkt eingestuft werden soll, sind strenger als an eine Grund- oder Zusatzisolierung.

Produktschutzklassen

Durch gesetzliche Normen wurden Schutzklassen für Produkte geschaffen, die sich durch den Schutz des Bedieners vor gefährlichen Spannungen auszeichnen. In einem Produkt der Klasse I befindet sich ein leitfähiges Chassis, das mit der Sicherheitserdung verbunden ist. Daher ist bei Produkten der Schutzklasse I ein Eingangsnetzkabel mit einem Erdungsleiter erforderlich. Ein Produkt der Schutzklasse II hat keinen Sicherheitserdungsleiter im Eingangsnetzkabel. Daher ist eine zweite Isolierschicht zum Schutz des Bedieners enthalten, da kein geerdetes Gehäuse vorhanden ist.

Diagramm mit Isolationstypen und gängigen Schutzklassen von Netzteilen
Abb. 1: Isolierungstypen und gängige Schutzklassen von Netzteilen

Isolationsspannung

Die Isolationsspannung bezieht sich auf eine Prüfung der Fähigkeit eines Isolators, den Stromfluss bei hoher angelegter Spannung zu minimieren. Die meisten Isolatoren weisen eine extrem hohe Impedanz (einen extrem geringen Stromfluss) auf, bis die angelegte Spannung (und damit die resultierende Spannungsfeldstärke) groß genug ist, um die Isolierung zu „zerstören“. Sobald die Isolierung zusammenbricht, verhält sie sich nicht mehr wie ein guter Isolator und dient dann als schlechter Leiter. Nach dem Zusammenbruch der Isolierung können gefährliche Ströme über eine Isolationsbarriere fließen.

Der Abbau der Isolation hängt sowohl von der Größe als auch von der Dauer der angelegten Spannungsbelastung ab. Aus diesem Grund umfassen die technischen Daten der Isolationsspannung eine Spannungsgröße der Prüfspannung, eine Zeitdauer der Prüfspannung und einen maximal zulässigen Stromfluss während der Prüfspannungsbelastung. Die für die Prüfung der Isolationsspannung verwendete Spannungswellenform kann entweder eine sinusförmige Wechselspannung oder eine Gleichspannung sein. Das wohlbekannte Verhältnis der Quadratwurzel von zwei zwischen dem Effektivwert und dem Spitzenwert einer sinusförmigen Wellenform ermöglicht es, die Prüfspannung entweder als Wechsel- oder als Gleichspannung anzugeben. Übliche sicherheitsrelevante Isolationsspannungen, die für Netzteile spezifiziert sind, umfassen Eingang zu Masse, Eingang zu Ausgang und Ausgang zu Masse.

Diagramm mit verschiedenen Isolationsspannungen
Abb. 2: Isolationsspannungen Eingang zu Masse, Eingang zu Ausgang und Ausgang zu Masse

Arbeitsspannung

Während das Konzept der Isolationsspannung darin besteht, für kurze Zeit eine hohe Spannung anzulegen und das Verhalten der Isolierung zu beobachten, gilt das Konzept der Arbeitsspannung für das Verhalten der Isolierung bei einem Spannungsniveau, das über einen längeren Zeitraum vorhanden sein kann. Die auf die Arbeitsspannung einwirkenden Spannungsbelastungen können von der normalerweise angelegten Wechsel- oder Gleichstromeingangsspannung, dem Spannungsversatz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung oder zwischen einer dieser Spannungen und der Sicherheitserdung herrühren. Bei der wegen der Arbeitsspannung vorhandenen Spannungsfeldstärke bleibt die Qualität der Isolierung erhalten und verschlechtert sich nicht mit der Zeit. Bei niedrigeren geprüften Isolationsspannungen darf die empfohlene Arbeitsspannung nur ein Zehntel der geprüften Isolationsspannung betragen. Bei höheren geprüften Isolationsspannungen kann die Arbeitsspannung größer als die Hälfte der geprüften Isolationsspannung sein.

Diagramm, das die Arbeitsspannung im Vergleich zur geprüften Isolationsspannung zeigt
Abb. 3: Empfohlene Arbeitsspannung im Vergleich zur geprüften Isolationsspannung

Fazit

Verschiedene Arten von Isolierungen werden verwendet, um unterschiedliche Funktionen in elektronischen Produkten auszuführen. Manchmal besteht der Zweck der Isolierung darin, einen Stromkreis ordnungsgemäß funktionieren zu lassen, während ein anderer Zweck der Isolierung darin bestehen kann, den Benutzer vor gefährlichen Spannungen zu schützen. Die Isolierung fällt aus oder bricht zusammen, wenn über einen ausreichend langen Zeitraum eine ausreichend hohe Spannung angelegt wird. Das Ergebnis der Prüfung auf Versagen der Isolierung wird als Isolationsspannung der Isolierung bezeichnet. Die empfohlene Arbeitsspannung der Isolierung ergibt sich aus den Ergebnissen der Isolationsspannungsprüfung. Die Arbeitsspannung ist ein empfohlenes Niveau, bei dem die im Produkt enthaltene Isolierung den Benutzer vor den Gefahren eines Stromschlags schützt.

Zusätzliche Ressourcen


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Bruce Rose

Bruce Rose

Hauptanwendungsingenieur

Während seiner langjährigen Arbeit in der Elektronikindustrie und den Bereichen Design, Vertrieb und Marketing hat sich Bruce Rose auf analoge Schaltungen und Stromversorgung konzentriert. Seine Arbeitserfahrung umfasst die Organisation und die Leitung internationaler Workshops, die Veröffentlichung und Präsentation bei mehr als 40 Fachkonferenzen und Zeitschriften sowie sieben Patente. Neben seiner Begeisterung für die Arbeit verbringt Bruce auch gerne Zeit mit seiner Familie beim Wandern, Radfahren und Kanufahren und widmet sich der Luftfahrt und Modellluftfahrt.

 
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