HVPS im Drucker: Warum dreifach isolierter Draht (TIW) laut Spezifikation ausscheidet

Dieser Beitrag richtet sich an Entwickler von Hochspannungsnetzteilen und magnetischen Bauteilen sowie an Einkaufsingenieure im Bereich Laserdrucker und Kopierer (Elektrofotografie). Vielleicht ist Ihnen aufgefallen, dass dreifach isolierter Draht (TIW, Triple Insulated Wire) eine „dicke Isolierung“ hat, und Sie fragen sich, ob der Aufwärtstransformator im Hochspannungsnetzteil (HVPS, High Voltage Power Supply) des Druckers damit gewickelt werden könnte. Vorab die Antwort: Laut Spezifikation nicht, das ist eine Sackgasse. Der HVPS-Ausgang arbeitet dauerhaft auf Hochspannung, in einer Größenordnung, die weit über der Nenn-Arbeitsspannung von TIW liegt. TIW ist ein „sicherheitstechnischer Isolationsdraht“, kein „Hochspannungsdraht“; beide lösen unterschiedliche Probleme. Dieser Beitrag stellt das klar, um beiden Seiten Versuch und Irrtum zu ersparen. Alle Werte der DAH JIN-Produkte gelten „gemäß Freigabedokument“.

1. Wie hoch die Spannung ist, die das HVPS im Drucker erzeugen muss

Im elektrofotografischen Bildprozess (Aufladen → Belichten → Entwickeln → Übertragen → Fixieren) sind mehrere Stufen auf eine vom HVPS gelieferte Hochspannungs-Vorspannung oder Koronaspannung angewiesen. Diese Spannungen reichen von einigen hundert V bis zu mehreren kV, und sie liegen dauerhaft auf diesem Potential an, nicht als kurze Impulse.

• Entwicklervorspannung (developer bias) — Typische Ausgangsspannung (Dauerbetrieb)：Einige hundert V (etwa −600 V)；Erläuterung：DC-Vorspannung zur Steuerung der Druckdichte, oft mit überlagertem AC-Anteil
• Ladewalze (charge roller, PCR) — Typische Ausgangsspannung (Dauerbetrieb)：Etwa −1000 V；Erläuterung：Kontaktaufladung, ersetzt den älteren Koronadraht
• Transferwalze (transfer roller) — Typische Ausgangsspannung (Dauerbetrieb)：Einige hundert V bis etwa +1000 V；Erläuterung：Überträgt den Toner von der Fotoleitertrommel auf das Papier
• Korona-/Scorotron-Aufladung — Typische Ausgangsspannung (Dauerbetrieb)：Draht etwa −5～−8 kV; Gitter etwa −500～−1500 V；Erläuterung：Berührungslose Aufladung, in älteren und einigen High-End-Geräten
• Transferkorona (transfer corona, ältere Bauart) — Typische Ausgangsspannung (Dauerbetrieb)：Etwa +6 kV；Erläuterung：Ältere berührungslose Übertragung
• Spezielle Hochspannungsmodule für die Elektrofotografie — Typische Ausgangsspannung (Dauerbetrieb)：Bis etwa ±20 kV；Erläuterung：Handelsübliche Hochspannungsmodule für Aufladung / Transfer

Entscheidend sind zwei Dinge: die Größenordnung und das Wort „dauerhaft“. Kontakt-Ladewalzen sowie Entwickler- und Transferwalzen liegen meist zwischen einigen hundert V und etwa 1 kV; sobald berührungslos per Korona / Scorotron aufgeladen wird, liegt der Draht auf −5～−8 kV, ältere Transferkoronas erreichen +6 kV; handelsübliche Hochspannungsmodule für die Elektrofotografie geben sogar bis etwa ±20 kV ab. Das alles sind Dauer-Arbeitsspannungen, die das HVPS stabil liefern muss.

2. TIW ist ein „sicherheitstechnischer Isolationsdraht“, kein „Hochspannungsdraht“

Zunächst muss ein verbreiteter Trugschluss ausgeräumt werden: „dreifache Isolierung = dicke Isolierung = hält sicher Hochspannung aus“. Das stimmt nicht. Die drei Isolierschichten von TIW lösen das Problem der verstärkten Isolierung (reinforced insulation) nach Sicherheitsnorm, nicht das Problem „Dauer-Hochspannung tragen“.

Das Bewertungssystem für TIW besteht aus UL 2353, IEC 62368-1 Annex J (Sicherheit von ICT- und Audio/Video-Geräten), der Reihe IEC 61558 sowie IEC 60601-1 für Medizingeräte (gemäß Freigabedokument). Der Zweck dieses gesamten Systems ist es, zwischen Primär- und Sekundärseite eines Transformators bei Arbeitsspannungen auf Netzniveau mit einem einzigen Draht eine verstärkte Isolierung zu erreichen und die Kriechstrecke einzusparen, die sonst mit Randband und Zwischenlagenband aufgebaut werden müsste. Mit anderen Worten: Der Wert von TIW liegt in der „sicheren Isolierung ohne Kriechstrecke“, und die Spannungswelt, der er dient, ist das Netzniveau (Nenn-Arbeitsspannung in der Größenordnung von etwa 1 kV), nicht die Hochspannungswelt von kV bis einigen zehn kV am HVPS-Ausgang.

Als Beispiel die veröffentlichte Spezifikation eines dreifach isolierten Drahts aus der Branche (kein DAH JIN-Wert): Die Nenn-Arbeitsspannung ist dort mit VDE 1000 V, UL (elektronische Geräte) 1500 V und UL (Medizin) 707 V angegeben. Das ist der Arbeitsspannungsbereich, für den Drähte dieser Art ausgelegt und bewertet sind: Netzniveau, nicht die Dauer-Hochspannung von −5～−8 kV einer Koronaaufladung. Die Nennwerte der DAH JIN-Drähte gelten ausschließlich gemäß Freigabedokument und werden hier nicht wiederholt.

3. Entscheidend ist die „Nenn-Arbeitsspannung“, nicht die „Durchschlagspannung“

Dieser Abschnitt ist der Kern des Ganzen und zugleich die Stelle, an der am häufigsten falsch geurteilt wird. Mancher sagt: „In derselben Spezifikation steht für diesen TIW eine Durchschlagspannung (breakdown) von etwa 7 kV, dann reicht das doch gerade für eine Korona mit 6 kV?“ Hier werden zwei verschiedene Dinge vermischt.

• Nenn-Arbeitsspannung (working voltage): die Spannung, die der Draht dauerhaft aushält, Sicherheitsreserve bereits enthalten. Im genannten Beispiel 1000～1500 V.
• Durchschlag- / Prüfspannung (breakdown / dielectric withstand): ein kurzzeitig angelegter Prüfwert, mit dem nachgewiesen wird, dass die Isolierung fehlerfrei ist; im genannten Beispiel etwa 7 kV. Das bedeutet „übersteht die Prüfung“, nicht „kann hier dauerhaft eingesetzt werden“.

Isolierung wird niemals so eingesetzt, dass die Dauer-Arbeitsspannung nahe der Durchschlagspannung liegt; das hieße, ohne jede Reserve zu arbeiten und mit der Sicherheit zu spielen. Ob ein Draht „einsetzbar“ ist, entscheidet die Nenn-Arbeitsspannung. Stellt man beide Seiten gegenüber, wird es sofort deutlich:

• Art der Spannung — HVPS-Ausgang im Drucker：Dauerbetrieb auf Hochspannung；TIW für sicherheitstechnische Isolierung：Nenn-Dauer-Arbeitsspannung
• Größenordnung — HVPS-Ausgang im Drucker：Einige hundert V bis mehrere kV, Module bis etwa 20 kV；TIW für sicherheitstechnische Isolierung：Etwa 1 kV (veröffentlichte Branchenspezifikation; DAH JIN gemäß Freigabedokument)
• Kurzzeitige Spannungsfestigkeit / Durchschlag — HVPS-Ausgang im Drucker：—；TIW für sicherheitstechnische Isolierung：Durchschlag etwa 7 kV (kurzzeitiger Prüfwert, kein Dauernennwert)
• Konstruktive Rolle — HVPS-Ausgang im Drucker：Erzeugen / Abgeben von Hochspannung；TIW für sicherheitstechnische Isolierung：Verstärkte Isolierung zwischen Primär- und Sekundärseite (ohne Kriechstrecke)
• Fazit — HVPS-Ausgang im Drucker：—；TIW für sicherheitstechnische Isolierung：Dauer-Arbeitsspannung übersteigt die TIW-Nennwerte, nicht anwendbar

Das Ergebnis ist eindeutig: Stellen wie die Ladewalze mit einigen hundert V bis 1 kV brauchten von vornherein keine dreifache Isolierung in Qualität einer verstärkten Isolierung, um ihr Potential zu tragen; und die Dauer-Arbeitsspannungen von Korona, Scorotron, Transferkorona und Hochspannungsmodulen, von 5 kV und 6 kV aufwärts bis 20 kV, übersteigen die Nenn-Arbeitsspannung von TIW von etwa 1 kV nicht nur bei weitem, sondern kommen dem kurzzeitigen Durchschlag-Prüfwert nahe oder überschreiten ihn. Von welcher Seite man es auch betrachtet: Die Hochspannung des HVPS hält TIW draußen. Das ist eine Sackgasse in der Spezifikation, die weder eine Marke noch ein Freigabedokument schließen kann.

4. Wie Hochspannungstransformatoren im HVPS tatsächlich gewickelt werden

Wenn nicht mit TIW, wie wird der Aufwärtstransformator des HVPS dann tatsächlich gebaut? Hochspannungstransformatoren der Branche folgen einer völlig anderen Konstruktionslogik:

• Kammerspulenkörper (sectioned / multi-bay bobbin): Übersteigt das Ausgangspotential der Sekundärseite die Durchschlagfestigkeit der Lackschicht eines einzelnen Wickeldrahts, wird der Spulenkörper in mehrere Wickelkammern (winding bays) unterteilt. Die gesamte Ausgangsspannung verteilt sich auf die Kammern, und die Potentialdifferenz zwischen den Windungen an jeder einzelnen Stelle sinkt.
• Vergießen / Verkapseln (potting / encapsulation): Hochspannungsspulen werden häufig mit Epoxid- oder Polyesterharz vergossen, um innere Hohlräume zu beseitigen und Koronaentladungen (corona discharge) zu unterdrücken.
• Äquipotentialwicklung und spezieller Hochspannungs-Lackdraht: Die Sekundärseite wird in einer bestimmten Reihenfolge und Richtung gewickelt, sodass benachbarte, einander nächstliegende Windungen auf gleichem Potential bleiben und Entladungen zwischen den Windungen vermieden werden. Verwendet werden eigens für Hochspannung ausgelegte Lackdrähte und Anschlussleitungen, nicht der dünne, eindrähtige dreifach isolierte Draht für sicherheitstechnische Isolierung.

Mit anderen Worten: Auf der Hochspannungsseite lautet die Aufgabe „hohes Potential verteilen, Entladungen unterdrücken, Windungsdurchschlag vermeiden“, und die Lösung ist Kammerspulenkörper + Verguss + Hochspannungs-Lackdraht. Das ist ein anderes ingenieurtechnisches Problem als bei TIW („mit einem einzigen Draht auf Netzniveau eine verstärkte Isolierung erreichen“), und die Werkzeuge sind entsprechend andere.

5. Die Einordnung der DAH JIN-TIW (gemäß Freigabedokument)

Was die Produktlinie von DAH JIN betrifft, sind die vier extern angebotenen dreifach isolierten Drähte TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S und TLW-F sämtlich Wickeldrähte für die sicherheitstechnische Isolierung: bewertet nach VDE 40008834, UL 2353 und IEC 62368-1 Annex J (ICT / Audio-Video), wobei TLW-BB und TLW-B7S zusätzlich den Pfad IEC 60601-1 (Medizin) abdecken. Ihr Zweck ist es, bei Arbeitsspannungen auf Netzniveau zwischen Primär- und Sekundärseite eines Transformators eine verstärkte Isolierung ohne Kriechstrecke bereitzustellen: genau die in Abschnitt 2 beschriebene Welt, nicht die Hochspannungswelt am Ausgang eines Drucker-HVPS.

Der Hochspannungstransformator eines Drucker-HVPS liegt daher nicht im Anwendungsbereich der DAH JIN-TIW. Drahtdurchmesserbereich, Wärmeklasse, Spannungsfestigkeit und alle Prüfwerte der einzelnen Typen gelten ausschließlich gemäß Freigabedokument; konkrete Zahlen werden hier nicht wiederholt. Für den ersten Schritt der Auswahl (Zuordnung von Wärmeklasse und Typ) siehe den TIW-Auswahlleitfaden; für die Abgrenzung zwischen der Wärmeklasse des Drahts und der Wärmeklasse von System / Endprodukt siehe Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems. Fällt Ihre Anwendung tatsächlich in die sicherheitstechnische Isolierung auf Netzniveau (und nicht in den HVPS-Hochspannungsausgang), nennen Sie uns gern die Bedingungen (Arbeitsspannung, Isolationsanforderung, anzuwendende Norm, Drahtdurchmesser) und wenden Sie sich an den Vertrieb, der den Rahmen gemäß Freigabedokument festlegt.

DAH JIN ist Hersteller (kein Händler) von Drähten und fertigt im eigenen Werk in Guiren, Tainan, Taiwan; die im UL-Eintrag genannte Fertigungsstätte ist dieses Werk. Hergestellt in Taiwan.