Isolierte und nicht isolierte Netzteile: So treffen Sie stets die richtige Wahl

Electrical power supplies

Im Rahmen Ihrer Arbeit als PCB-Designer kommt es manchmal vor, dass Sie sich an die Vorgaben von Aufsichtsbehörden halten müssen. Ob Medizin, Automobil, Militär oder ähnliches, Ihr Design wird sicherlich genau unter die Lupe genommen und an sehr hohen Standards gemessen: wo solche Vorschriften greifen, ist die Stromisolierung (oder deren Fehlen) oft ein sehr wichtiges Thema. 

Die Stromisolierung ist im Wesentlichen das, wonach sie klingt; die Isolierung der Stromversorgung vom Rest der angewandten Schaltung. Dieser Schwerpunkt ist bei solchen Behörden aus offensichtlichen Gründen üblich, insbesondere im medizinischen Bereich. Mit einem nicht isolierten Netzteil, das Ihre in eine medizinische Anwendung eingebaute Leiterplatte mit Strom versorgt, besteht ein größeres Risiko, dass gefährliche Stromstöße durch das Netzteil in Ihr Gerät eindringen und dem Benutzer (und vielleicht sogar dem Patienten!) schaden könnten - ein Horrorszenario!

Mit einem besseren Verständnis der isolierten und nicht isolierten Netzteile, ihrer möglichen Nachteile und ihrer optimalen Funktionsweise können wir versuchen, bessere Geräte herzustellen, die ohne Fehler und vor allem ohne Verursachung von Schaden funktionieren. Wir raten Ihnen also im allgemeinen Interesse einen genaueren Blick auf solche Vorschriften zu werfen, bevor Sie an anderen Menschen operieren. 

Das isolierte Netzteil

Wie bereits erwähnt ist ein isoliertes Netzteil einfach ein Netzteil, das vom Rest der Schaltung, die es versorgt, elektrisch getrennt ist. Die "Hürde" für die meisten dieser isolierten Netzteile besteht in der Verwendung eines Transformators. 

Transformatoren sind im Wesentlichen große Magnete. Diese Magnete nehmen einen typischen Wechselstrom auf und sind darauf ausgerichtet, die Spannung je nach den Anforderungen nachgeschalteter Geräte oder Bauteile zu erhöhen oder zu verringern. Der Vorteil der Isolierung besteht darin, dass der Magnet buchstäblich wie eine magnetische Schutzwand wirkt, die große Überspannungen stoppt, die versuchen, den Transformator zu passieren. Dadurch werden alle dem Transformator nachgeschalteten Geräte oder Bauteile geschützt bzw. "isoliert".

Wie bereits erwähnt werden diese Netzteile oft in regulierten Industrien benötigt. Da beim Isolieren jedoch am häufigsten ein großer Magnet verwendet wird, muss man sich leider auch gleich von dem Bauraum verabschieden, mit dem man geplant hatte. Aber ich (und wahrscheinlich viele andere) würde ein großes Gerät bevorzugen, das isoliert und sicher ist und keine Gefahr eines gefährlichen Stromstoßes birgt!

Ein weiterer Punkt, der gegen die Verwendung dieser isolierten Versorgungen spricht, ist die Effizienz, da diese Transformatoren einfach nicht so effizient sind wie ihre nicht isolierten Gegenstücke. Diese Ineffizienz ergibt sich aus der Physik des Transformators selbst, denn wenn man den Eisenkern sozusagen als "Hebel" verwendet, geht durch die Abgabe von Wärme durch das Metall in die Luft etwas Energie verloren.

A power transformer

Isolierte Netzteile verwenden oft den Einsatz eines solchen Transformators.

Das nicht isolierte Netzteil

Jetzt, da wir wissen, was ein Netzteil von der Leiterplatte isoliert, ist es ziemlich offensichtlich, dass die Entnahme des Transformators aus der Designkette ein nicht isoliertes Netzteil zur Folge hat. Diese Netzteile verwenden oft Chips, um ihre Leistung zu regeln.

Ein Leiterplatten-Design ohne Stromisolierung ist eine gängige Praxis, insbesondere wo keine Vorgaben von Regulierungsbehörden vorliegen. Dennoch rate ich Ihnen, den Endverbraucher in Ihrem Design zu berücksichtigen und sich vielleicht ein oder zwei Gerichtsverfahren aufgrund eines defekten Netzteils zu sparen, das Ihren Lieblingskunden einen Schock verabreicht, den sie nicht so schnell vergessen werden.

Die Vorteile eines auf nicht isolierten Stromversorgungen basierenden Designs sind groß. Erstens haben Sie deutlich mehr Platz (im Vergleich zu einem isolierten Design) aufgrund der Tatsache, dass Sie keinen großen Magneten in Ihr Gehäuse einbauen müssen. [Vollständiger Haftungsausschluss: Altium ist ein Unternehmen, das sich für Chancengleichheit einsetzt. Wir akzeptieren Magnete in allen Formen und Größen!]

Overloaded circuit

Nicht isolierte Netzteile bergen immer das Risiko eines Stromschlags aufgrund des Designs.

Aber Spaß beiseite, Sie profitieren zusätzlich von einer Effizienzsteigerung Ihres Netzteils, da Sie nicht den Einsatz eines großen und ineffizienten Magneten benötigen. Diese Magnete scheinen heutzutage nicht sehr beliebt zu sein. Der Wirkungsgrad vieler dieser nicht isolierten Einheiten liegt deutlich im Bereich von 95%.

Es ist anzumerken, dass es gängige Praxis ist, diese nicht isolierten Netzteile einem isolierten Netzteil nachzuschalten (manchmal physisch getrennt voneinander). Dies ist etwas komplexer, hat aber den Vorteil, dass Sie den richtigen Schutz erhalten, der Ihren Sicherheitsanforderungen genügt. Ein Beispiel dafür kann ein eigenständiges medizinisches Netzteil (isoliert) sein, das eine Reihe (nicht isolierter) nachgeschalteter Geräte versorgt.

Welche Lösung ist also die Richtige für Sie?

Nachdem wir Ihnen die Fakten, Vorteile und Anwendungen vorgestellt haben, wissen Sie nun, welches Netzteil für Ihre Anwendung das richtige ist? Sie werden diese Entscheidung wahrscheinlich anhand einiger konkreter Faktoren treffen, aber wie sie sehen können, haben Sie viele Möglichkeiten, um beide Lösungen umzusetzen.

Wenn Sie bedenken, dass einerseits eine Isolierung Ihres Netzteils viel Platz in Anspruch nimmt, der ansonsten verfügbar wäre, jedoch Schutz bietet, und andererseits ein nicht isoliertes Netzteil Ihnen mehr Platz und Effektivität bietet, allerdings das (potentiell gefährliche) Risiko des fehlenden Schutzes birgt, sollten Sie in der Lage sein, eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Programme wie Altium können beim Design und Routing eines dieser Designs sehr hilfreich sein und verfügen über großartige Funktionen wie PDNA, die Ihnen eine hervorragende Analyse der Stromverteilung in jedem Teil Ihres Designs liefern.

Wenn Sie gerne unseren Rat zu der Frage hätten, welches Netzteildesign für Sie das Richtige ist, sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten.

Über den Autor

Altium Designer

PCB Design Tools for Electronics Design and DFM. Information for EDA Leaders.

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