Isolierte vs. nicht isolierte Leistungswandler
3. Dezember 2019 von Ron Stull – Lesezeit: 7 Minuten
Was ist der Unterschied zwischen isolierten und nicht isolierten Stromversorgungen?
Kurz gesagt trennt ein isolierter Leistungswandler den Eingang vom Ausgang, da der Stromkreis elektrisch und physikalisch in zwei Abschnitte unterteilt wird, um einen Gleichstromfluss zwischen Eingang und Ausgang zu verhindern, der normalerweise durch die Verwendung eines Transformators erreicht wird. Ein nicht isolierter Leistungswandler verfügt über einen einzelnen Schaltkreis, bei dem Strom zwischen Eingang und Ausgang fließen kann. Bei denjenigen, die nicht mit Stromversorgungen vertraut sind, führt dies zu zusätzlichen Fragen: Welche Vorteile bieten isolierte gegenüber nicht isolierten Netzteilen? Und woher weiß ich, welchen ich für meine Anwendung benötige?
Isolationsgrundlagen
Die galvanische Isolation (in der Regel als „Isolation“ vereinfacht) ist die physikalische und elektrische Trennung zwischen einem Abschnitt eines Stromkreises und einem anderen Abschnitt. Ein Ergebnis der Isolation besteht darin, dass jeder der isolierten Schaltkreise eine eigene Rückleitung oder Erdreferenz hat. In einem nicht isolierten Wandler, wie auf der linken Seite von Figur 1 dargestellt, teilen die Eingangs- und Ausgangsteile ein gemeinsames Masserohr und zwischen ihnen kann Strom fließen. In einem isolierten Wandler, wie auf der rechten Seite von Figur 1 dargestellt, kehren die Ein- und Ausgänge jedoch zu ihrer eigenen unabhängigen Masse zurück, und es gibt keinen Weg für Gleichstrom von einem zum anderen.
Auch wenn Strom in isolierten Wandlern nicht zwischen Eingang und Ausgang strömt, müssen Strom und Informationen immer noch von einer Seite zur anderen übertragen werden. Es gibt verschiedene Möglichkeiten dafür, aber Leistungswandler verlassen sich generell auf zwei. Die Energieübertragung erfolgt durch elektromagnetische Felder über Transformatoren oder gekoppelte Induktionsspulen und Signale werden über Signaltransformatoren oder optisch über Optoisolatoren über die Isolation geleitet.
Die Isolation ist nicht absolut. Sind die Spannungen hoch genug, wird die Isolierung unterbrochen und Strom fließt. Datenblätter führen normalerweise die Isolationsspannung auf. Hierbei handelt es sich um die Spannung, die eine kurze Zeit lang über die Isolation angelegt werden kann, ohne dass Strom fließt. Die Isolationsleistung sollte nicht mit der Arbeitsspannung verwechselt werden, die die maximale Spannung ist, die kontinuierlich über die Isolation ohne Isolationsdurchschlag angelegt werden kann.
Vorteile der Isolation
In mehreren Fällen kann eine isolierte Stromversorgung erforderlich sein oder in einer Anwendung Vorteile bringen. Dazu gehören die Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen, das Unterbrechen von Erdschleifen und die Pegelverschiebung.
Sicherheitskonformität
Die Sicherheitsanforderungen sind ein häufiger Grund für den Einsatz eines isolierten Leistungswandlers. Bei Wandlern, die von hohen und potenziell gefährlichen Spannungen angetrieben werden (wie AC/DC-Wandler, die aus dem Netz betrieben werden), trennt die Isolierung den Ausgang von gefährlichen Spannungen, die am Eingang anliegen.
Wenn es um Sicherheit geht, muss auch der Isolationsgrad berücksichtigt werden. Sicherheitsstandards sollten überprüft werden, um festzustellen, welcher Isolationsgrad für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Der Isolationsgrad ist in mehrere Kategorien unterteilt, einschließlich funktionell, grundlegend, zusätzlich und verstärkt.
- Funktionelle Isolation: Sie ist die einfachste und bietet zwar Isolation, aber keinen Schutz vor Stromschlag.
- Grundlegende Isolierung: Sie bietet eine einzelne Schutzschicht gegen Stromschlag.
- Zusätzliche Isolierung: Sie ist die grundlegende Isolierung plus eine zusätzliche Barriere für Redundanz.
- Verstärkte Isolation: Sie ist eine einzige Barriere, die zwei Schichten der grundlegenden Isolation entspricht.
Unterbrechen von Erdschleifen
Da Eingang und Ausgang der isolierten Versorgungen keine Erde teilen, können sie zum Unterbrechen von Erdschleifen eingesetzt werden. Rauschempfindliche Schaltkreise können davon profitieren, da ihre Erde unterbrochen und von rauschbehafteten Schaltkreisen getrennt wird, die Probleme verursachen können.
Potenzialfreie Ausgänge und Pegelverschiebung
Ein weiterer Vorteil von isolierten Wandlern ist ein potenzialfreier Ausgang. Isolierte Ausgänge haben zwar eine feste Spannung zwischen den Ausgangsklemmen, jedoch keine definierte oder feste Spannung in Bezug auf Spannungsknoten in Stromkreisen, von denen sie isoliert wurden, und sie gelten als potenzialfrei. Bei einem potenzialfreien Ausgang kann jedoch einer seiner Anschlüsse mit einem anderen Schaltungsknoten verbunden sein, um ihm diese Spannung vorzugeben. Diese Tatsache kann verwendet werden, um den Ausgang relativ zu einem anderen Punkt in einer Schaltung zu verschieben oder zu invertieren.
Beispielsweise zeigt Abbildung 2, wie durch Verbinden des +Vout-Anschlusses mit dem Eingangsmasseanschluss die Ausgangsmasse um einen Betrag von Vout unter die Eingangsmasse gedrückt wird. Bevor diese Verbindung hergestellt wurde, war die Spannung zwischen Vin und Vout undefiniert. Diese Verbindung bietet nun ein gemeinsames Potenzial, auf das sich jede Seite bezieht.
Durch Verbinden des Ausgangserdungsanschlusses mit dem +Vin-Anschluss (siehe Abbildung 3) ist der +Vout-Anschluss gleich Vin+Vout (relativ zur Eingangserdung). Sowohl in diesem als auch im vorherigen Fall wurde die Isolation von Eingang zu Ausgang aufgehoben, da beide Seiten nun eine direkte Verbindung teilen.
Es können auch mehrere isolierte Wandler mit potenzialfreien Ausgängen in Reihe geschaltet werden, um die Ausgangsspannung zu erhöhen oder +/- Schienen zu erstellen, wie in Abbildung 4 dargestellt.
Es sollte darauf geachtet werden, dass die Ausgänge wirklich potenzialfrei sind. Wenn beispielsweise die Ausgangserdungsklemmen von zwei isolierten Wandlern mit dem Chassis verbunden wären, würden sie nicht mehr relativ zueinander potenzialfrei sein, und wenn die Ausgänge in Reihe geschaltet wären, würde dies einen Kurzschluss über einem der Wandler hinweg erzeugen, da beide Klemmen mit dem Fahrgestell verbunden sind. In AC/DC-Wandlern kommt es manchmal vor, dass der Ausgangserdungsanschluss mit Masse verbunden ist, was bedeutet, dass er nicht mehr potenzialfrei ist, obwohl er isoliert ist.
Vorteile der Nicht-Isolation
Die Isolierung bietet viele Vorteile. Es gibt jedoch auch Gründe für die Verwendung eines nicht isolierten Wandlers, einschließlich Kosten, Größe und Leistung.
Kosteneinsparungen
Isolierte Wandler sind in der Regel teurer als nicht isolierte. Ein Hauptgrund für den Kostenunterschied ist die Verwendung eines Transformators anstelle einer Induktionsspule. Im Gegensatz zur Induktionsspule in einem nicht isolierten Wandler, der ab Lager erhältlich ist, werden Transformatoren in der Regel kundenspezifisch gefertigt. Wenn ein höheres Maß an Isolation benötigt wird (wie das für die Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen), steigen die Kosten weiter. Neben dem Transformator gibt es Komponenten wie die Optokoppler, die zu einem isolierten Design hinzugefügt werden können. Das wäre in einem nicht isolierten Design nicht erforderlich. All dies erhöht die Kosten im Vergleich zu einem nicht isolierten Design.
Kleinere Größe
Nicht isolierte Wandler sind in der Regel kleiner als isolierte. Die oben erwähnten kostenintensiven Komponenten nehmen mehr Platz ein als Komponenten, die in einer nicht isolierten Ausführung verwendet werden. Nicht isolierte Wandler ersetzen nicht nur einen Transformator durch eine Induktionsspule, sondern arbeiten auch mit höheren Schaltfrequenzen, wodurch die Größe der magnetischen Komponenten und Kondensatoren weiter verringert wird.
Wirkungsgrad
Der Wirkungsgrad und die Regelung von nicht isolierten Wandlern sind in der Regel auch besser als die eines isolierten Wandlers. Der Transformator und die Optokoppler tragen ebenfalls maßgeblich zum Leistungsunterschied bei. Das Fehlen einer Isolationsbarriere ermöglicht es, den Ausgang direkt zu erfassen und genau zu steuern, um eine bessere Regelung und ein besseres Einschwingverhalten zu erzielen. Aufgrund ihrer geringen Größe können sie auch näher an der Last platziert werden, um die Übertragungsleitungseffekte zu verringern.
Fazit
Die Wahl zwischen isolierten und nicht isolierten Wandlern hängt von vielen Faktoren ab. Einige Anwendungen erfordern aus Sicherheitsgründen eine Isolation, andere können von einem potenzialfreien Ausgang durch Unterbrechen der Erdschleifen oder Verschieben der Referenzspannungen profitieren. Wenn jedoch keine Isolation erforderlich ist, kann ein nicht isolierter Wandler die Kosten, die Größe und/oder den Wirkungsgrad verringern. Das Verständnis der Kosten und Vorteile der Isolation ist wichtig für die Auswahl des richtigen Wandlers für ein optimiertes Design.
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Ron Stull
Seit Ron Stull 2009 zu CUI kam, hat er eine Reihe von Kenntnissen und Erfahrungen in den Bereichen der analogen und digitalen Stromversorgung sowie der AC/DC- und DC/DC-Energieumwandlung gesammelt. Er spielt eine Schlüsselrolle im Engineering-Team von CUI, mit Verantwortlichkeiten wie Anwendungsunterstützung, Test und Validierung sowie Design. Außerhalb der Energietechnik spielt Ron Gitarre, joggt und unternimmt mit seiner Frau Ausflüge in die Natur. Sie haben vor, alle US-Nationalparks zu besuchen.