Galvanische Trennung - was ist das?

Wie werden Stromkreise voneinander getrennt?

Die galvanische Trennung tritt dann auf, wenn der Stromkreis zwischen Gegenständen getrennt ist, die eigentlich miteinander Strom austauschen würden. Zur gleichen Zeit findet trotzdem ein Austausch von Signalen statt. Dafür müssen die Gegenstände zunächst leitfähig sein. Doch nicht nur Strom an sich spielt bei der galvanischen Trennung eine Rolle. Auch Audio- und Videosignale gehören dazu sowie die Übertragung von Informationen in elektrischer Form. Es handelt sich dabei, kurz gesagt, um ein wichtiges Prinzip in der Elektronik.

Eine galvanische Trennung kann durch mehrere Methoden geschehen. Man wendet dabei unterschiedliche Bauteile an, wie Transformatoren, Optokoppler oder Kondensatoren. Kunststoff verfügt über isolierende Eigenschaft und kommt in elektrischen Handgeräten vor, um den Anwender vor der elektrischen Spannung zu schützen. Bauteile wie Kondensatoren und Optokoppler trennen die leitfähigen Gegenstände voneinander. Gleichzeitig ermöglichen sie die Übertragung über ein Magnetfeld durch die Ladungsverschiebung.

Wo kommt eine galvanische Kopplung zur Anwendung?

Ein wichtiges Anwendungsfeld ist die Vermeidung von Stromkreisen zwischen Gegenständen, die trotzdem Informationen miteinander tauschen sollen. Das geschieht zum Beispiel zwischen zwei Geräten, die Daten miteinander austauschen sollen, die jedoch gleichzeitig Potentialunterschiede (Spannungsunterschiede) aufweisen. Das ist etwa eine wichtige Eigenschaft bei Messgeräten.

Eine der häufigsten Anwendungen der galvanischen Trennung ist im öffentlichen Stromnetzwerk bei Transformatoren. Das geschieht etwa bei der induktiven Kopplung. Innerhalb der Transformatoren schafft man mithilfe der galvanischen Entkopplung eine Trennung der Leitungen des Primärstromkreises und des Sekundärstromkreises. Dadurch ist es sicherer, die Netzspannung zu berühren, denn auch wenn die primäre Spule aufgrund eines Defektes unter Überspannung gesetzt ist, gibt es keine Hochspannung auf der sekundären Spule. Allgemeine Anwendungsfelder der galvanischen Trennung sind:

• Sicherheit bei elektrischen Geräten, Isolation bei Schutzkleidung, Audiogeräten, Ladegeräten, medizinischen Geräten, Spielzeug
• Messtechnik: die Trennung im Messsignalweg bei Stromzangen oder Stromwandlern sowie die Trennung des Messgerätes vom Stromkreis der zu messenden Spannung
• Schutz gegen elektromagnetische Störungen oder Störsignale bei Audiogeräten und bei Übertragern von Daten
• Schutz vor elektromagnetischen Pulsen (EMP)

Die galvanische Trennung kommt besonders bei Geräten vor, bei denen die Stromkreise sehr nahe beieinander liegen. Trotz der Trennung besteht noch immer eine leitende Verbindung. Der Benutzer kann jedoch sicher sein, keinen Schlag zu bekommen. Damit steht die galvanische Trennung im Gegensatz zur Isolierung, wo überhaupt keine Leitung stattfindet.

Wie kommt es zur Leistungs- oder Signalübertragung?

Für die Übertragung der Leistung und der Signale sind die Kopplungsglieder verantwortlich. Zu diesen Bauteilen gehören etwa:

• Transformatoren
• Kondensatoren
• Optokoppler
• Lichtwellenleiter
• Relais

Die Informationsübertragung geschieht mithilfe von Wandlern. Zu solchen Wandlern werden die optische Übertragung der Optokoppler und das Lichtleitkabel gezählt. Bei der induktiven Kopplung sind dafür die Transformatoren und Übertrager verantwortlich. Die mechanische Weiterleitung lässt sich zum Beispiel durch Druckluft (Pneumatik) oder durch isolierende mechanische Teile wie Relais realisieren.

Was ist eine kapazitive Trennung?

Eine kapazitive Trennung macht sich die Ladungsverschiebung zunutze, um eine galvanische Signaltrennung zu bewirken. Hierfür verwendet man kleine, spannungsfeste und isolierte Kondensatoren, die man kapazitiv mit hochfrequenten Signalen koppelt. Sobald Potentialunterschiede bestehen, verändert sich die Spannung im Kondensator und die Unterschiede gleichen sich aus.

Was ist eine induktive Kopplung?

In der Elektronik beschreibt eine induktive Kopplung die Übertragung von Energie mithilfe eines Magnetfeldes: Im einen Leiter ändert sich die Stärke des Stroms, wodurch ein Magnetfeld entsteht. Im anderen Leiter induziert das eine Spannung. Induktive Kopplungen sind vor allem dort nützlich, wo es auf eine schnelle Datenübertragung ankommt, zum Beispiel beim Low Voltage Differential Signaling. Man verwendet für die induktive Kopplung Transformatoren, weshalb man auch von der transformatorischen Kopplung spricht.

Was ist ein Optokoppler?

Bei einem Optokoppler handelt es sich um ein Bauelement aus der Optoelektronik. Es hat die Aufgabe, Signale zwischen zwei Stromkreisen zu übertragen, die mittels galvanischer Trennung voneinander getrennt sind. Er besteht aus einer Leuchtdiode (LED), einer Laserdiode (LD), einer Photodiode und einem Fototransistor. Die Leuchtdioden und die Laserdioden fungieren als Sender, die Photodioden und die Fototransistoren als Empfänger. Die Kopplung erfolgt auf optischer Basis.

Was ist eine Kopplung?

In der Elektronik bezeichnet man eine gegenseitige Verbindung als Querverbindung oder Kopplung. Speziell ist damit die Verbindung zweier Netzwerkteile gemeint, zum Beispiel bei der galvanischen Kopplung, bei der induktiven und der kapazitiven Kopplung. In der Physik beschreibt der Begriff eine Wechselwirkung, die aufgrund von Energie- und Impulsübertragung zwischen zwei Systemen oder Systemteilen auftritt.