隔離變壓器的概念、選型和應用：幾個(gè)實(shí)例
發(fā)布時(shí)間：2023-07-28 11:39
傳統的單相電源線(xiàn)由火線(xiàn)、零線(xiàn)和地線(xiàn)組成。當多個(gè)物理上分開(kāi)的設備共用一條電源線(xiàn)時(shí)，由于設備的接地電位不同，有可能產(chǎn)生接地回路。這些接地回路在醫療設備中尤其成問(wèn)題，并且在設備測試期間可能會(huì )造成麻煩。對于設計人員而言，很難用使用整流線(xiàn)路電壓的設備來(lái)測量接地環(huán)路。接地的測試設備（如示波器）可能會(huì )在無(wú)意中導致這些設備的電源短路。而且，交流電源線(xiàn)上會(huì )產(chǎn)生高頻噪聲，從而導致敏感的傳感器和儀器出現問(wèn)題。
通過(guò)在電源輸入端與設備之間正確使用隔離變壓器，可以避免所有這些問(wèn)題。
隔離變壓器有助于隔離電源線(xiàn)接地連接，以消除接地回路和測試設備意外接地。此外，還能抑制電源上的高頻噪聲。
本文將使用來(lái)自HammondManufacturing、Bel/SignalTransformer和TriadMagnetics的示例器件，來(lái)討論隔離變壓器的特征、選擇標準和應用。
隔離變壓器工作原理
隔離變壓器在交流電源線(xiàn)（主電源）與用電設備之間提供電隔離。這意味著(zhù)兩個(gè)繞組之間沒(méi)有直流路徑。它們主要用于三個(gè)用途：
首先是將次級繞組與地面（接地）隔離
其次是提供線(xiàn)路（主）電壓的升降操作
第三是減少從初級繞組傳輸到次級繞組的線(xiàn)路噪聲，反之亦然
隔離變壓器首先是變壓器，它們具有變壓器的共同特征（圖1）。初級和次級繞組纏繞在一個(gè)共用的鐵磁芯上。
圖1：一款簡(jiǎn)單電源變壓器的原理圖，該變壓器由共用鐵磁芯上的一個(gè)NP匝初級繞組和一個(gè)NS匝次級繞組組成。（來(lái)源：Digi-KeyElectronics）
在圖中，初級繞組繞鐵磁芯NP匝，次級繞組繞NS匝。初級電壓（VP）和次級電壓（VS）之間的關(guān)系如公式1所示：
公式1
如果初級繞組的匝數多于次級繞組，則次級繞組上的電壓將低于初級繞組上的電壓。這是一個(gè)降壓配置。如果初級繞組的匝數少于次級繞組，則次級繞組上的電壓將高于初級繞組上的電壓，從而導致升壓配置。大多數隔離變壓器的初級和次級繞組匝數相同，因此初級和次級電壓也相同。
變壓器中的能量是守恒的，因此，如果我們忽略損耗，則VP與初級電流（IP）的乘積將等于VS與次級電流（IS）的乘積。變壓器的額定功率由初級繞組的RMS電壓乘以RMS初級電流的乘積來(lái)確定。這是“視在功率”，度量單位為伏安或VA。
原理圖上的點(diǎn)是定相點(diǎn)，表示初級和次級電流方向。如圖所示，流入繞組初級點(diǎn)側的電流會(huì )導致次級電流從繞組次級點(diǎn)側流出。如果繞組要串聯(lián)或并聯(lián)放置，這一點(diǎn)很重要。不遵循繞組的定相可能會(huì )導致錯誤。
法拉第屏蔽是一種靜電屏蔽，可減小初級繞組與次級繞組之間的電容，并且通常接地。該屏蔽可降低通過(guò)變壓器的共模噪聲和瞬變的幅度。
隔離變壓器中的初級和次級繞組高度絕緣，以最大程度地減少彼此之間的直接電導。絕緣效果的衡量標準是漏電電流。大多數隔離變壓器也使用高電勢或耐壓測試儀進(jìn)行測試。當檢查漏電電流時(shí)，這些儀器會(huì )在絕緣兩端施加高電壓。
隔離變壓器的物理結構可以有多種形式，包括殼式結構（圖2）。其中，初級繞組和次級繞組以同心方式包裹著(zhù)絕緣層，法拉第屏蔽插入這兩層之間。
圖2：采用殼式結構的隔離變壓器剖視圖，其中初級繞組和次級繞組以同心方式包裹著(zhù)絕緣層，法拉第屏蔽插入這兩層之間。（來(lái)源：Digi-KeyElectronics）
法拉第屏蔽可以為箔層或密繞繞組，如圖所示。接地通常位于初級側，與大地相連。由于初級繞組和次級繞組已經(jīng)使用了漆包線(xiàn)，因此這種結構稱(chēng)為“雙絕緣”。
或者，繞組可以并排放置在磁芯上，這稱(chēng)為“多槽線(xiàn)架”結構，也可以繞在環(huán)形磁芯上。
商業(yè)隔離變壓器
隔離變壓器可采用開(kāi)放式結構，也可封閉在屏蔽結構中（圖3）。
HammondManufacturing的171E隔離變壓器使用屏蔽殼體結構。端蓋屏蔽罩包含變壓器的磁場(chǎng)，還用于最大程度地減少變壓器外部磁場(chǎng)的干擾。這款500VA的1:1變壓器還包括引線(xiàn)、NEMA、三線(xiàn)接地輸入和輸出連接器，以及集成式過(guò)載斷路器。
盡管接地線(xiàn)連接到次級輸出連接器，但在大多數隔離變壓器應用中不會(huì )使用該接地線(xiàn)。在額定輸入電壓下，該變壓器初級和次級之間的漏電電流不到60微安（µA）。
圖3：端蓋上裝有屏蔽罩的隔離變壓器示例。（來(lái)源：HammondManufacturing）
來(lái)自Bel/SignalTransformer的DU1/4是一款250VA隔離變壓器，采用開(kāi)放式結構，具有兩組多抽頭繞組。初級繞組和次級繞組各有兩個(gè)（圖4）。
圖4：Bel/SignalTransformer的DU1/4是一款開(kāi)放式隔離變壓器，帶有兩組初級和次級抽頭繞組。（來(lái)源：Bel/SignalTransformer）
初級和次級繞組的額定電壓相同，分別為0、104、110和120伏。這樣可允許在初級或次級繞組上進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)。因此，對于110或220伏輸入，可以維持標稱(chēng)的1:1比例。而且，也可以配置從110伏到220伏的升壓變壓器，或從220伏到110伏的降壓變壓器。另外，多抽頭繞組允許中間額定電壓，例如208伏、214伏或230伏（圖5）。
該變壓器的電源連接方式為螺紋端子。
圖5：DU1/4的雙繞組允許許多可能的接線(xiàn)配置，包括1:1、2:1、1:2電壓比。（來(lái)源：Digi-KeyElectronics）
如果初級和次級繞組均為串聯(lián)，則該變壓器是220伏輸入，1:1電壓比。如果初級和次級繞組均為并聯(lián)，則為110伏輸入，1:1電壓比，可用電流是單個(gè)繞組的兩倍。如果初級繞組串聯(lián)放置，而次級繞組為并聯(lián)，則初級電壓將降為二分之一。如果次級繞組為串聯(lián)，而初級繞組為并聯(lián)，則可實(shí)現2:1升壓。
醫療隔離
醫療應用所采用的隔離變壓器必須滿(mǎn)足更嚴格的漏電電流要求。對于接地漏電、外殼漏電和患者漏電，均有最大漏電電流規格。接地漏電是指設備接地線(xiàn)中的漏電電流。外殼電流描述了通過(guò)接地線(xiàn)以外的導體從裸露的導電表面流到地面的電流?；颊呗╇娛侵刚＿B接到設備時(shí)，通過(guò)患者流向地面的電流。此類(lèi)別中的大多數設備均已通過(guò)UL/IEC60601-1認證。
TriadMagnetics的MD-500-U型是一款適用于醫療應用的500VA隔離變壓器（圖6）。該變壓器通過(guò)UnderwritersLaboratories（UL）的UL60601-2規格認證，典型漏電電流為10µA，最大漏電電流不到50µA。
圖6：MD-500-U是一款適用于醫療應用的500VA隔離變壓器。漏電電流為10µA（典型值），并使用一個(gè)環(huán)形變壓器來(lái)保持緊湊結構，最大程度上減少雜散磁場(chǎng)。（來(lái)源：TriadMagnetics）
MD-500-U采用環(huán)形變壓器，在最大程度上減小尺寸的同時(shí)實(shí)現雜散磁場(chǎng)最小化和效率最大化。像大多數獨立醫用變壓器一樣，它牢牢封裝在一個(gè)鋼制外殼中，內置保險絲和熱熔斷開(kāi)關(guān)。
典型的隔離變壓器應用
隔離變壓器的最常見(jiàn)應用是將設備與交流線(xiàn)路接地隔離。為了說(shuō)明這樣做的必要性，我們以開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）為例。典型的線(xiàn)路供電型SMPS存在若干安全相關(guān)問(wèn)題（圖7）。
圖7：SMPS原理圖顯示參考接地和未參考接地的電路區域。（來(lái)源：Digi-KeyElectronics）
這是一個(gè)采用反激式拓撲結構的線(xiàn)路供電型電源。該電路的初級側以黃色突出顯示，對線(xiàn)路（電源）輸入進(jìn)行全波整流并將其應用于初級軌。這意味著(zhù)若使用120伏線(xiàn)路，高壓軌和低壓軌之間出現的電壓電平約為170伏，若使用240伏線(xiàn)路，該值約為340伏。此整流線(xiàn)路電壓將存儲于初級儲能電容器C2中。
請注意，該電源的初級和次級區段會(huì )采用反激式變壓器L2和光隔離耦合器Q4進(jìn)行電隔離。次級區段在負極（-）輸出端接地，初級區段不接地。若使用接地輸入儀器（如示波器）進(jìn)行故障排除，這種接地方式便有問(wèn)題。將示波器探頭的接地連接端與電源初級側的元件連接可能會(huì )導致短路，而且還會(huì )損壞主要元件和示波器。
電源中的低壓初級軌連接到交流線(xiàn)路零線(xiàn)。雖然零線(xiàn)在進(jìn)線(xiàn)口處接地，但當零線(xiàn)到達SMPS輸入時(shí)，可能比接地電壓高幾伏，這使其成為示波器探頭接地的不安全連接點(diǎn)。
隔離變壓器主要用于對SMPS的初級區段進(jìn)行電氣隔離。一經(jīng)隔離，便可與初級電路中任意部分的探頭接地端連接。這樣一來(lái)，無(wú)論地線(xiàn)夾連接到哪一個(gè)點(diǎn)，都會(huì )把接地基準放在此處，從而消除了初級電路發(fā)生短路的可能性。
當多個(gè)設備（每個(gè)設備具有自己的接地返回路徑）連接在一起時(shí)，這種相同的接地隔離能力使得隔離變壓器對于診斷和糾正接地回路非常有用。
變壓器允許隔離接地，以查看哪些設備是接地漏電電流的來(lái)源。
隔離變壓器還可以減少從線(xiàn)路傳輸到所連接設備或從設備傳回線(xiàn)路的高頻噪聲。這是由于變壓器的串聯(lián)電感和接地的法拉第屏蔽，后者減少了變壓器兩端的電容耦合。
總結
隔離變壓器可將連接至次級繞組的設備與初級繞組上的交流電源隔離，因此允許重新定義次級設備上的基準平面。這樣還允許對漏電電流進(jìn)行重定向和控制。同時(shí)，它們會(huì )最大程度地減少高頻諧波和噪聲的傳輸。這些器件對于測試電源相關(guān)的設備非常有用。