Zellen und damit auch Organismen können durch elektrischen Strom geschädigt oder in ihrer
Funktion beeinträchtigt werden. Dabei muss man verschiedene Wirkmechanismen unterscheiden.
Elektrischer Strom und die damit verbundene Energie können über Widerstandsvorgänge in
Wärmeenergie umgewandelt werden. Bekannt ist den meisten, dass oberhalb von 42 °C
Denaturierungsvorgänge bei Eiweißen beginnen, also organisches Material zerstört werden kann.
Führt also die thermische Wirkung des elektrischen Stroms zu höheren Temperaturen, so wird
Zellgewebe zerstört. Äußerlich ist dies dann auch durch typische Verbrennungserscheinungen
deutlich erkennbar. Bei Stromunfällen mit größeren Spannungen kommt es zusätzlich auch im
Körper zu lokalen Überhitzungen an den Stellen höheren Widerstandes, zum Beispiel in den
Gelenken.
Darüber hinaus spielen im menschlichen Organismus elektrische Signale eine zentrale Rolle bei der Übermittlung von Informationen im Nervensystem oder bei der Kontraktion von Muskeln. Diese Signalpfade sind besonders sensitiv in bestimmten Frequenzbereichen, in anderen weniger. Die Aktivität des Herzmuskels ist beispielsweise ein solches System, das auf der Basis der Ausbreitung elektrischer Impulse den Herzmuskel in genau definierter Abfolge kontrahiert und somit die optimale Pumpwirkung des Herzens sicherstellt. Treffen nun externe elektrische Impulse in der so genannten vulnerablen Phase (verwundbaren Phase) auf den Herzmuskel, kommt es zu unkoordinierter Reizausbreitung und als Folge dessen unter Umständen zu dauerhaft anhaltendem Herzkammerflimmern. In diesem Zustand sinkt die Pumpleistung des Herzens dramatisch und es kommt zu einer lebensbedrohlichen Situation, die nur durch einen externen Stromschock mit einem Defibrillator (das kennen die meisten aus ”Emergency Room”) behoben werden kann. Bis zum Eintreffen des Rettungsdienstes kann ein Betroffener aber auch durch Atemhilfe und Herzdruckmassage am Leben erhalten werden.
Als weitere Wirkung des elektrischen Stroms auf Organismen ist die langzeitige Einwirkung elektrischer Potentiale auf Zellen bekannt. So führt beispielsweise eine länger anliegende Gleichspannung zur Verschiebung von Ionenpotentialen und stört damit das innere Gleichgewicht der Zellen.
Als Elektroingenieur sollte man sich dieser verschiedenartigen Wirkungen des elektrischen Stroms immer bewusst sein und dies auch in der Umsetzung eigener Projekte berücksichtigen. Für elektrische Geräte und Installationen existieren verschiedene anwendungsspezifische Normen, die für den konkreten Anwendungsfall oft wertvolle Hilfe und Anleitung bieten. In diesen Normen sind beispielsweise Grenzwerte festgelegt, bei deren Einhaltung man nach den Regeln der Technik, soweit möglich, Gefährdung auf ein tolerables Maß absenkt. Auf diese Weise kann man sicherstellen, dass man als Entwickler in Fragen der Haftung den Bereich grober Fahrlässigkeit verlässt.
Als Handlungsrichtlinie sind in der DIN/VDE 0100-410 [VDI05] entsprechende Leitlinien für die elektrische Sicherheit hinterlegt. Die meisten unserer Projekte mit Mikrocontrollern lassen sich in die so genannte Bürogerätenorm DIN EN 60950 [VDI06b] einordnen, da diese ”Geräte zur Informationsverarbeitung” abdeckt. Für Geräte der Medizintechnik gilt ein eigener Standard, die DIN EN 60601-1 [VDI06a]. Da davon ausgegangen werden muss, dass Medizingeräte am Menschen direkt angewendet werden und unter Umständen bereits Vorschädigungen oder Verletzungen vorliegen, sind die Grenzwerte strenger gefasst als die für andere elektrische Geräte.
Die Geräteschutzklasse eines elektrischen Gerätes ist eine Angabe des Herstellers, wie die
elektrische Sicherheit gegen das Berühren stromführender Teile realisiert ist. In der DIN EN 61140
[VDI02] sind insgesamt vier Schutzklassen definiert, wobei Schutzklasse 0 nicht für den Betrieb in
Deutschland zugelassen ist. Die Kennzeichnung der Schutzklasse ist verpflichtend und muss durch
die entsprechenden Symbole erfolgen.
 | Bei einem Gerät der Schutzklasse I sind alle leitfähigen Teile des Gehäuses mit dem Schutzleitersystem der Elektroinstallation verbunden. Zu erkennen sind solche Geräte daran, dass sie mit einem Stecker ausgestattet sind, der über einen zusätzlichen Kontakt für den Schutzleiter verfügt, z.B. der sog. ”Schuko-Stecker”. Im Fehlerfall wird der an leitenden Teilen anliegende Strom mit kleinem Widerstand in den Schutzleiter abgeleitet und so ein elektrischer Schlag vermieden. |
 | Geräte der Schutzklasse II sind mit einer doppelten bzw. verstärkten Isolation zwischen spannungsführenden Teilen und berührbaren Teilen ausgestattet, so dass auch im Fehlerfall ein Berühren gefährlicher Spannungen nahezu ausgeschlossen werden kann. Zu erkennen sind sie neben der Symbolkennzeichnung daran, dass Netzstecker solcher Geräte keinen Schutzleiteranschluss besitzen, z.B. so genannte ”Euro-” Stecker. |
 | Die Schutzklasse III umfasst Geräte, die nur mit so genannter Schutz-Kleinspannung, also ungefährlichen Spannungen z.B. aus Batterien betrieben werden. |
Verbindet man das eigene Projekt mit anderen Systemen, die gefährliche Spannungen führen (z.B. die Netzspannung) oder die nicht unter der Maßgabe der elektrischen Sicherheit entwickelt wurden (z.B. experimentelle Aufbauten) oder deren elektrische Sicherheit schwächeren normativen Grenzwerten unterliegt (z.B. bei Verbinden eines PCs, der nach Bürogerätenorm entwickelt wurde, mit einem Medizingerät), so ist die elektrische Sicherheit der strengeren Norm an der Verbindungsstelle durch ausreichende galvanische Trennung herzustellen. Eine wesentliche Kenngröße für die galvanische Trennung ist die so genannte Isolationsspannung. Dies ist die Spannung, die zwischen beliebigen isolierten Kontakten angelegt werden kann, ohne dass ein Strom fließt. Für technische Systeme nach der Bürogerätenorm genügt eine Isolationsspannung von 1500V, medizinische Systeme müssen hingegen eine Isolationsfestigkeit von bis zu 4000V aufweisen. Die jeweils aktuell anzuwendenden Spannungswerte sind in den für das Gerät und seinen Einsatzzweck zutreffenden Norm zu finden, z.B. [VDI06b, VDI06a].
Die elektrische Isolation verschiedener Schaltungsteile ist immer auch an verteilten Stellen zu
realisieren. Hier definiert das schwächste Element die Funktionsfähigkeit des gesamten Systems.
Wie immer können technische Angaben von Bauteilen und Materialien für den Entwurf
herangezogen werden, der funktionelle Nachweis muss jedoch immer durch Prüfung mit geeigneten
Prüfgeräten erfolgen.
Eine der besten Maßnahmen zur galvanischen Trennung ist räumlicher Abstand. Je weiter
Komponenten voneinander entfernt sind, desto höher ist die resultierende Isolationsspannung. Für
Luft gilt die Faustformel einer Isolationsfestigkeit von etwa 1000V pro mm Abstand zwischen zwei
Leitern. Daraus ergibt sich, dass man bei 1500V bzw. 4000V einen Mindestabstand von
Luftstrecken von 1.5mm bzw. 4mm einhalten sollte. Befinden sich zwischen den zu isolierenden
Stellen andere Materialien, so sind deren Isolationseigenschaften für die Berechnung von
Mindestabständen heranzuziehen. Für Kabel kann man beispielsweise vom Hersteller die
Isolationsfestigkeit der Isolierung erfragen. Bei Platinen sind Oberflächen-Kriechstrecken zu
berücksichtigen. Um auf der sicheren Seite zu sein, schlägt beispielsweise die DIN EN 60601-1 den
doppelten Abstand der Luftstrecke vor. Die reale Isolationsfestigkeit ist jedoch stark von
verschiedenen Faktoren wie Material, Verschmutzung oder Schutzlackierung abhängig, so dass man
unter Umständen auch kleinere Abstände tolerieren kann. Z.B. sind Isolationsstrecken > 5mm mit
handelsüblichen Optokopplern kaum zu realisieren. Zur Verbesserung der Isolationseigenschaften
kann das Platinenmaterial stellenweise ausgefräst werden. Weitere kritische Stellen, die besonders
betrachtet werden müssen, sind die Befestigungen der Platine, die im isolierten Bereich liegen,
sowie Gehäusedurchführungen und Steckkontakte. Auch innenliegende kabelgebundene
Verdrahtung sollte so verlegt werden, dass nicht zufällig notwendige Isolationsabstände
unterschritten werden können.
An einigen Stellen ist es notwendig, über die Isolationsbarriere hinweg Energie oder Information zu übertragen. Für die Energieübertragung wird heutzutage ausschließlich eine induktive Kopplung mit Übertragern verwendet. Soll unser Gerät aus einer Netzspannung versorgt werden, muss dem Design des Netzteils auch unter sicherheitstechnischen Aspekten besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Da hierzu allerdings sehr spezifisches Anwendungs- und Fertigungs-Know-How notwendig ist, sollte man von einem Eigenbau lieber absehen und fertige Netzteile verwenden. Diese erfüllen normative Vorgaben und wurden entsprechend getestet. In kleinen Selbstbauprojekten sollte man zudem lieber auf Steckernetzteile zurückgreifen. Im Gegensatz zu so genannten ”Open-Frame-” Netzteilen sind diese voll gekapselt und niemand gerät in Gefahr, potentiell lebensgefährliche Spannungen berühren zu können. Dies gilt im speziellen auch für die Zuleitung und Verdrahtung der Netzspannung im Gerätegehäuse, die im Fehlerfall ein mögliches Gefahrenpotential aufweist. Aus diesem Grund sollte man auch auf die Qualität der Netzteile achten und solche mit GS- oder VDE-Prüfzeichen bevorzugen. Die CE Kennzeichnung besagt lediglich, dass der Hersteller verspricht, alle gültigen Normen für das Netzteil erfüllt zu haben. Ob dies so ist und wie der Hersteller das sicherstellt, wird hingegen erst überprüft, wenn etwas passiert ist. Für Medizingeräte gibt es mittlerweile auch bei den bekannten Distributoren spezielle Netzteile, die eine Freigabe gemäß DIN/EN 60601-1 erhalten haben. Diese gewährleisten dann eine erhöhte Isolationsfestigkeit.
Mitunter besteht die Notwendigkeit, kleine Schaltungsteile auf der ”gefährlichen” Seite von der
isolierten Seite heraus mit Energie versorgen zu wollen. Da dort meistens Gleichspannungen zu
übertragen sind, kann nicht direkt ein Übertrager eingesetzt werden. Vielmehr muss zuerst ein
Wechselrichter eingesetzt werden und die Wechselspannung auf der anderen Seite wieder
gleichgerichtet werden. Auch hier sollte man wegen der Komplexität der Schaltung und der
sicherheitskritischen Dimensionierung lieber auf fertige Lösungen zurückgreifen. Solche integrierten
Hybridschaltungen werden als sogenannte DC/DC-Wandler bezeichnet. Diese Wandler gibt es in
vielen Ausführungen und Leistungsklassen, so dass eigentlich immer ein passender Typ
gefunden werden kann. Es gibt auch hier Typen, die eine Isolationsspannung für den
Einsatz in Medizingeräten bereitstellen. Einen Nachteil haben diese Bauteile jedoch.
Durch die Wechselrichtung entstehen hochfrequente Störungen, die zum einen mein
Versorgungsspannungsnetz, zum anderen auch das EMV- Abstrahlverhalten deutlich negativ
beeinflussen können. Zur Unterdrückung der Störungen haben sich Versorgungsspannungsfilter in
direkter Nähe zum DC/DC-Wandler sehr bewährt.
Sollen Daten über die Isolationsbarriere hinweg übertragen werden, so stehen gleich mehrere Prinzipien zur Verfügung.
In der Telekommunikations- und Netzwerktechnik sind beispielsweise induktive Übertrager sehr beliebt. So ist an jedem Eingang einer Ethernet-Schnittstelle immer auch ein Übertrager zu finden. Dies hat den primären Grund, dass es sich bei dieser Schnittstelle um differentielle Signale handelt, die so auf einfache Art und Weise galvanisch zu entkoppeln sind. Hätte man diese galvanische Entkopplung nicht, wären beispielsweise Masseschleifen über Signalleitung und Spannungsversorgung an der Tagesordnung. Dimensioniert man den Übertrager mit entsprechender Isolationsspannung, kann damit auch elektrische Sicherheit gewährleistet werden.
Optokoppler bestehen aus einer in einem Gehäuse integrierten optischen Übertragungsstrecke, einer
Leuchtdiode und empfangsseitig einer Fotodiode oder einem Fototransistor. Je nach Ausführung
sind Isolationsspannungen zwischen 500V und 4000V erhältlich. Standardtypen für die
Telekommunikationstechnik wie der 6N137 liegen typischerweise bei einer Isolationsspannung von
2500V. Gleichermaßen ist auch die erreichbare Datenrate sehr unterschiedlich und von den
verwendeten Komponenten abhängig. Ein 6N137 erreicht beispielsweise eine Datenrate von bis zu
10 MBit/s. Eine typische Beschaltung einer bidirektionalen Datenverbindung zeigt Bild
9.9.
Als Spezialfall ist hier auf der primären Seite zusätzlich der Betrieb an einer gemischten 3.3V / 5V-Versorgung beschrieben. Der 6N137 benötigt als Versorgungsspannung zum Betrieb 5V. Da er aber einen Open-Collector-Ausgang besitzt, kann auf relativ einfache Art und Weise eine Pegelwandlung vorgenommen werden.
In Kapitel 9.4.5 werden wir noch kurz auf die galvanische Trennung speziell bei der seriellen Schnittstelle RS232 und dem MSP430 eingehen.
