Unter galvanischer Trennung (auch galvanische Entkopplung oder Potentialtrennung) versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen zwei Stromkreisen, zwischen denen Leistung oder Signale ausgetauscht werden sollen.IEC 60050, deutschsprachige Ausgabe bei DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE: Internationales Elektrotechnisches Wörterbuch, IEV-Nummer 151-12-26 Die elektrische Leitung wird dabei durch elektrisch nicht leitfähige Kopplungsglieder aufgetrennt. Bei galvanischer Trennung sind die elektrischen Potentiale voneinander getrennt und die Stromkreise sind dann untereinander potentialfrei.Reinhold Paul: Elektrotechnik und Elektronik für Informatiker: Band 2 Grundgebiete der Elektronik. Teubner, 1995, S. 164. Dietrich Ernst, Dieter Ströle: Industrieelektronik: Grundlagen • Methoden • Anwendungen. Springer, 1973, S. 32.Kurt Bergmann: Elektrische Meßtechnik: Elektrische und elektronische Verfahren, Anlagen und Systeme. Vieweg, 5. Aufl. 1993, S. 385.Michael Dickreiter, Volker Dittel, Wolfgang Hoeg, Martin Wöhr: Handbuch der Tonstudiotechnik. de Gruyter, 8. Aufl. 2014, S. 518. Dabei darf diese Trennung nicht an anderer Stelle, beispielsweise über Erdungen, aufgehoben sein.
Die Bezeichnungen „galvanische Trennung“ und galvanische Kopplung (Gleichstromkopplung) sind im Zusammenhang mit den Forschungen des italienischen Arztes Luigi Galvani geprägt worden.
Eine galvanische Trennung ist notwendig, wenn Stromkreise aufeinander einwirken, ihre Bezugspotentiale jedoch getrennt bleiben sollen. Sie kann zur Vermeidung von Störungen (Gleichtaktstörungen oder Ausgleichsströme über Erdschleifen) zum Beispiel bei der Übergabe von Messsignalen, Hochfrequenz- oder Audiosignalen oder bei digitalen Signalen erforderlich sein. Auch aus Sicherheitsgründen wird eine Potentialtrennung angewendet, um so berührbare Teile von Stromkreisen mit lebensgefährlichen Spannungen zu trennen.
Ein weiterer Grund kann die Vermeidung von Kontaktkorrosion sein. Im Erdreich verlegte unterschiedliche Metalle bilden ein galvanisches Element und würden korrodieren, wenn sie elektrisch verbunden sind.K.-P. Müller: Korrosionsschäden an Erdungsanlagen, Mitteilung der Firma DEHN + SÖHNE GmbH + Co.KG., abgerufen am 9. Aug. 2020
Wenn es ausschließlich auf das Fehlen einer elektrisch leitenden Verbindung ankommt, die Stromkreise also keine Auswirkungen aufeinander haben sollen, spricht man von Isolierung.
Möglichkeiten der technischen Umsetzung Die galvanische Trennung umfasst stets zugleich eine nicht-elektrische Kopplung. Zur Leistungs- oder Signalübertragung können verschiedene Bauelemente wie Transformatoren, Kondensatoren, Optokoppler, Lichtwellenleiter oder Relais verwendet werden. Nach dem aktuellen Stand der technischen Entwicklung wird die Kopplung fast ausschließlich durch Induktion, Influenz, Strahlung oder mittels eines potentialfreien Kontaktes realisiert.
Induktive Trennung mini|Galvanische Trennung in einem Transformator: Die Leitungen des Primärstromkreises (oben, Netzwicklung) kommen nicht mit denen des Sekundärstromkreises (unten, Kleinspannungswicklung) in Berührung. Induktiv galvanisch getrennte Leistungs- und Signalkopplung erfordert Trenntransformatoren, Übertrager oder auch nahe beieinander liegende Spulen. Mit ihnen wird eine für den jeweiligen Anwendungszweck erforderliche Wechselspannung übertragen und zugleich eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärstromkreis geschaffen. Bei Netztransformatoren (ausgenommen Spartransformatoren) kann die Sekundärseite potentialfrei betrieben werden oder auf einem beliebigen anderen Potential liegen. Nur bei Speisung aus einem Mittelspannungs- oder Hochspannungsnetz soll zur Sicherheit und zur Verhinderung kapazitiver Ableitströme die Sekundärseite geerdet sein.
Eine Schutzisolierung zur sicheren elektrischen Trennung ist bei denjenigen Netztransformatoren gegeben, die eine verstärkte oder doppelte Isolierung aufweisen und mit Zeichen der Schutzklasse II oder III gekennzeichnet sind.
Zur induktiven galvanischen Trennung von analogen Mess- oder Audiosignalen verwendet man Übertrager, Messwandler, transformatorische Mantelstromfilter oder induktiv gekoppelte elektronische Trennverstärker. Bei Anlagen mit langen Leitungen oder mehreren Erdungspunkten werden damit Brummschleifen verhindert.
In älteren Fernsehgeräten gab es Übertrager zwischen Gerät und Kopfhöreranschluss, da diese Geräte einen der Netzanschlusspole als Bezugspotential (Chassis) hatten.
Induktive Übertragung wird auch beim kontaktlosen Laden (elektrische Zahnbürsten) angewendet und dient der besonderen Berührungssicherheit (sichere elektrische Trennung) in feuchter Umgebung.
Kapazitive Trennung mini|hochkant=0.7|Kapazitive Trennung mit zwei Kondensatoren Kondensatoren können durch Ladungsverschiebung Wechselgrößen hindurchlassen, Gleichgrößen dagegen nicht. Bei geeigneter Dimensionierung können niedrigfrequente Wechselspannungen (z. B. die Netzspannung) ebenfalls gesperrt werden, und nur höherfrequente Spannungen werden durchgelassen. Voraussetzung ist ein genügend großer Frequenzabstand des übertragenen Signales, was oft durch Modulation des Signales auf einen Träger erreicht wird. Auf diese Weise können kleine spannungsfeste Kondensatoren zur Potentialtrennung eingesetzt werden.
Die kapazitive galvanische Trennung ist konstruktiv oft einfacher als die induktive. Sie erfordert für jeden Leiter einen Kondensator. Die oben erwähnten Mantelstromfilter sowie Trennverstärker sind mit kapazitiver Kopplung realisierbar, siehe auch Abschnitt Elektronische Baugruppen.
Historische röhrenbestückte Fernsehgeräte hatten kapazitiv gekoppelte Antenneneingänge (zweimal 500 Picofarad), da deren Bezugspotential (Chassis) Netzpotential hatte.
Optoelektronische Trennung Optokoppler mini|Trennung mit Optokoppler, der zwei Photodioden enthält:pdf.datasheetcatalog.com Datenblatt HCNR200 Bei gleichem Übertragungsverhalten in beiden Zweigen (wenn ) werden durch die Rückkopplung von die Nichtlinearität und Drift der Übertragung kompensiert. alternativtext=Grüne Platine mit elektronischen Bauteilen. Eine dicke gelbe Linie zeigt optisch die Trennung zwischen Niederspannung und Kleinspannung an|mini|Platine mit galvanischer Trennung der Niederspannung („Hot“) von der Kleinspannung („Cold“), Oben rechts dient ein Optokoppler als Signalübermittler. Mitte rechts ein Transformator, der die 230 V Eingangsspannung auf die benötigte Kleinspannung überträgt. Die galvanische Trennung mittels Optokopplern ist besonders bei digitalen Signalen von Bedeutung. Wegen Toleranzen und Nichtlinearitäten lassen sich analoge Signale mit einfacher Optokopplung nicht genau reproduzieren. Daher beschränkt man sich meist auf Signale mit zwei diskreten Werten. Je nach verwendetem konkreten Bauelement können im Koppler selbst Schaltungsteile enthalten sein, die die Anpassung an Logikpegel vornehmen. Ansonsten erfolgt die Anpassung durch externe Bauteile und Dimensionierung.
Zur Übertragung analoger Informationen benötigt man eine Regelschleife, die Soll- und Instwert vergleicht und den Istwert entsprechend nachregelt. Allgemein kann dies zum Beispiel mit einer aufwändigeren Trennverstärker-Schaltung und einem speziellen Optokoppler, der zwei aufeinander abgestimmte Fototransistoren enthält, erfolgen (Bild rechts).Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp: Elemente der angewandten Elektronik: Kompendium für Ausbildung und Beruf. Vieweg+Teubner, 16. Aufl., 2010, S. 279Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. Springer, 9. Aufl., 1989, S. 863
Eine spezielle, sehr weit verbreitete analoge Anwendung von einfachen Optokopplern ist in der Regelung der Ausgangsspannung von Schaltnetzteilen zu finden. Die Schaltung selber ist kostenoptimiert. Das heißt, sie kommt mit wenigen preiswerten Bauteilen, unter anderem einem ungenauen Optokoppler, aus.The TL431 in the Control of Switching Power Supplies. ON Semiconductor Vergleichbare Anwendungen einfacher Optokoppler finden sich auch in anderen Regelungen, wie der Geschwindigkeitsregelung von Elektromotoren.
Die Leistungsübertragung ist mit Optokopplung möglich, wenn die Strahlungsquelle stark genug ist und der Empfänger eine Reihenschaltung von Photodioden ausreichender Gesamtfläche besitzt. Als Strahlungsquelle werden auch Laserdioden eingesetzt. Peter Urbanek: Powered over POF Sensors, abgerufen am 8. Juli 2020 Das Verfahren dient der bidirektionalen Kopplung von Sensoren ohne elektrische Versorgungsleitung.
Lichtwellenleiter Der Einsatz von Lichtwellenleitern erlaubt es, bei entsprechender Materialauswahl und Dimensionierung sehr hohe Isolationsspannungen zu erreichen. Neben der Anwendung in Geräten und Installationen wird die Technik zum Beispiel auch bei Hochspannungstastköpfen eingesetzt.Rigol PIA1000 optisch isolierte Sonde
Der Einsatz eines Lichtwellenleiters zur galvanischen Trennung sollte nicht mit der Funktion eines optischen Isolators verwechselt werden.
Trennung mittels Relais Relais arbeiten mit Magnetfeldern und sind prinzipiell potentialtrennend. Relais, die eine sichere elektrische Trennung gewährleisten, können Netzstromkreise schalten und mit einer sicheren Kleinspannung betrieben werden (SELV).
Weitere Verfahren Eine elektrische Trennung ist weiterhin u. a. mittels Pneumatik, Piezoelementen (z. B. Piezotaster) und elektromagnetischen Wellen möglich.
Elektronische Baugruppen Isolationsverstärker Elektronische Schaltungen zur Potentialtrennung gibt es unter der Bezeichnung Isolations- oder Trennverstärker. Sie werden als integrierter Schaltkreis ausgeführt oder als Modul für industrielle Anwendung – mit induktiver,analog.com Datenblatt AD210 Datenblatt IS 18 kapazitiverti.com Datenblatt ISO 122 Datenblatt Typ 07/121 oder optoelektronischerleg-gmbh.de Datenblatt TV1elv.de Datenblatt OTV100 Kopplung und mit belastbarem Ausgang; Eingangskreis, Ausgangskreis und Versorgungskreis können jeweils untereinander potentialfrei und bis in den Kilovoltbereich spannungsfest sein.
Für die Übertragung von Gleichgrößen oder niederfrequenten Wechselgrößen werden diese bei induktiver oder kapazitiver Kopplung einem Träger aufmoduliert; dieser wird potentialfrei übertragen; dann wird das Signal wieder vom Träger abgetrennt. Es gibt vereinfachte Schaltpläne integrierter Schaltkreise dieser Art. Beim Trennverstärker mittels Optokoppler kann in der oben gezeigten Schaltung eine Gleichgröße ohne Modulation übertragen werden.
Schnittstellen-Isolierübertrager Serielle Schnittstellen erfordern meist einen mitgeführten Massebezug oder sind zumindest nur eingeschränkt fähig, Potentialunterschiede zu überbrücken. Während Ethernet- und vergleichbare Datennetze prinzipiell transformatorische Trennstellen haben, ist das u. a. bei USB, RS232 oder RS485 nicht der Fall. In gestörter Umgebung oder zur Potentialüberbrückung werden daher Trennbaugruppen eingesetzt. Bei RS232 und USB werden diese Baugruppen aus der Leitung gespeist, auch wenn wie bei RS232 keine dedizierten Versorgungsleitungen vorhanden sind; man nutzt hier die gleichgerichteten Logikpegel zur Speisung.Self-Powered Isolated RS-232 to UART Interface, Referenz Schaltung der Firma Texas Instruments 2014, abgerufen am 8. Juli 2020
Die Signalübertragung solcher Isolatoren erfolgt optisch oder induktiv, die ggf. zu übertragende Speisespannung wird induktiv übertragen.
Anwendungsbereiche Eine galvanische Trennung ist in folgenden Fällen erforderlich: zur Sicherheit (z. B. medizinische Geräte, elektrisches Spielzeug, alle netzbetriebenen Geräte mit Schutzkleinspannung, wie Steckernetzteile, Audiogeräte, Ladegeräte usw.); siehe hierzu auch Schutztrennung, aus messtechnischen Gründen: Potentialtrennung der Spannungsversorgung von Messgeräten vom Stromkreis der zu messenden Spannung oder Potentialtrennung im Messsignalweg (z. B. Stromzangen, Stromwandler),