隔离变压器的概念、选型和应用

知识点：隔离变压器

传统的单相电源线由火线、零线和地线组成。当多个物理上分开的设备共用一条电源线时，由于设备的接地电位不同，有可能产生接地回路。这些接地回路在医疗设备中尤其成问题，并且在设备测试期间可能会造成麻烦。对于设计人员而言，很难用使用整流线路电压的设备来测量接地环路。接地的测试设备（如示波器）可能会在无意中导致这些设备的电源短路。而且，交流电源线上会产生高频噪声，从而导致敏感的传感器和仪器出现问题。

 

通过在电源输入端与设备之间正确使用隔离变压器，可以避免所有这些问题。

 

隔离变压器有助于隔离电源线接地连接，以消除接地回路和测试设备意外接地。此外，还能抑制电源上的高频噪声。

本文将使用来自Hammond Manufacturing、Bel/Signal Transformer和Triad Magnetics的示例器件，来讨论隔离变压器的特征、选择标准和应用。

隔离变压器工作原理

隔离变压器在交流电源线（主电源）与用电设备之间提供电隔离。这意味着两个绕组之间没有直流路径。它们主要用于三个用途：

• 首先是将次级绕组与地面（接地）隔离
• 其次是提供线路（主）电压的升降操作
• 第三是减少从初级绕组传输到次级绕组的线路噪声，反之亦然

 

隔离变压器首先是变压器，它们具有变压器的共同特征（图1）。初级和次级绕组缠绕在一个共用的铁磁芯上。

图1：一款简单电源变压器的原理图，该变压器由共用铁磁芯上的一个N_P匝初级绕组和一个N_S匝次级绕组组成。（图片来源：Digi-Key Electronics）

 

在图中，初级绕组绕铁磁芯N_P匝，次级绕组绕N_S匝。初级电压(V_P) 和次级电压 (V_S) 之间的关系如公式1所示：

  公式1

如果初级绕组的匝数多于次级绕组，则次级绕组上的电压将低于初级绕组上的电压。这是一个降压配置。如果初级绕组的匝数少于次级绕组，则次级绕组上的电压将高于初级绕组上的电压，从而导致升压配置。大多数隔离变压器的初级和次级绕组匝数相同，因此初级和次级电压也相同。

 

变压器中的能量是守恒的，因此，如果我们忽略损耗，则V_P与初级电流(I_P) 的乘积将等于V_S与次级电流(I_S) 的乘积。变压器的额定功率由初级绕组的RMS电压乘以RMS初级电流的乘积来确定。这是“视在功率”，度量单位为伏安或VA。

 

原理图上的点是定相点，表示初级和次级电流方向。如图所示，流入绕组初级点侧的电流会导致次级电流从绕组次级点侧流出。如果绕组要串联或并联放置，这一点很重要。不遵循绕组的定相可能会导致错误。

 

法拉第屏蔽是一种静电屏蔽，可减小初级绕组与次级绕组之间的电容，并且通常接地。该屏蔽可降低通过变压器的共模噪声和瞬变的幅度。

 

隔离变压器中的初级和次级绕组高度绝缘，以最大程度地减少彼此之间的直接电导。绝缘效果的衡量标准是漏电电流。大多数隔离变压器也使用高电势或耐压测试仪进行测试。当检查漏电电流时，这些仪器会在绝缘两端施加高电压。

 

隔离变压器的物理结构可以有多种形式，包括壳式结构（图2）。其中，初级绕组和次级绕组以同心方式包裹着绝缘层，法拉第屏蔽插入这两层之间。

图2：采用壳式结构的隔离变压器剖视图，其中初级绕组和次级绕组以同心方式包裹着绝缘层，法拉第屏蔽插入这两层之间。（图片来源：Digi-Key Electronics）

法拉第屏蔽可以为箔层或密绕绕组，如图所示。接地通常位于初级侧，与大地相连。由于初级绕组和次级绕组已经使用了漆包线，因此这种结构称为“双绝缘”。

 

或者，绕组可以并排放置在磁芯上，这称为“多槽线架”结构，也可以绕在环形磁芯上。

商业隔离变压器

隔离变压器可采用开放式结构，也可封闭在屏蔽结构中（图3）。Hammond Manufacturing的 171E 隔离变压器使用屏蔽壳体结构。端盖屏蔽罩包含变压器的磁场，还用于最大程度地减少变压器外部磁场的干扰。这款500VA的1:1变压器还包括引线、NEMA、三线接地输入和输出连接器，以及集成式过载断路器。

 

尽管接地线连接到次级输出连接器，但在大多数隔离变压器应用中不会使用该接地线。在额定输入电压下，该变压器初级和次级之间的漏电电流不到60微安 。

图3：端盖上装有屏蔽罩的隔离变压器示例。（图片来源：Hammond Manufacturing）

 

来自Bel/Signal Transformer的 DU1/4 是一款250VA隔离变压器，采用开放式结构，具有两组多抽头绕组。初级绕组和次级绕组各有两个（图4）。

图4：Bel/Signal Transformer的DU1/4是一款开放式隔离变压器，带有两组初级和次级抽头绕组。（图片来源：Bel/Signal Transformer）

 

初级和次级绕组的额定电压相同，分别为0、104、110和120伏。这样可允许在初级或次级绕组上进行串联或并联。因此，对于110或220伏输入，可以维持标称的1:1比例。而且，也可以配置从110伏到220伏的升压变压器，或从220伏到110伏的降压变压器。另外，多抽头绕组允许中间额定电压，例如208伏、214伏或230 伏（图5）。

 

该变压器的电源连接方式为螺纹端子。

图5：DU1/4的双绕组允许许多可能的接线配置，包括1:1、2:1、1:2电压比。（图片来源：Digi-Key Electronics）

 

如果初级和次级绕组均为串联，则该变压器是220伏输入，1:1电压比。如果初级和次级绕组均为并联，则为110伏输入，1:1电压比，可用电流是单个绕组的两倍。如果初级绕组串联放置，而次级绕组为并联，则初级电压将降为二分之一。如果次级绕组为串联，而初级绕组为并联，则可实现2:1升压。

医疗隔离

医疗应用所采用的隔离变压器必须满足更严格的漏电电流要求。对于接地漏电、外壳漏电和患者漏电，均有最大漏电电流规格。接地漏电是指设备接地线中的漏电电流。外壳电流描述了通过接地线以外的导体从裸露的导电表面流到地面的电流。患者漏电是指正常连接到设备时，通过患者流向地面的电流。此类别中的大多数设备均已通过UL/IEC 60601-1认证。

 

Triad Magnetics的 MD-500-U型 是一款适用于医疗应用的500VA隔离变压器（图6）。该变压器通过Underwriters Laboratories (UL) 的UL 60601-2规格认证，典型漏电电流为10?A，最大漏电电流不到50?A。

图6：MD-500-U是一款适用于医疗应用的500VA隔离变压器。漏电电流为10?A（典型值），并使用一个环形变压器来保持紧凑结构，最大程度上减少杂散磁场。（图片来源：Triad Magnetics）

MD-500-U采用环形变压器，在最大程度上减小尺寸的同时实现杂散磁场最小化和效率最大化。像大多数独立医用变压器一样，它牢牢封装在一个钢制外壳中，内置保险丝和热熔断开关。

典型的隔离变压器应用

隔离变压器的最常见应用是将设备与交流线路接地隔离。为了说明这样做的必要性，我们以开关模式电源 (SMPS) 为例。典型的线路供电型SMPS存在若干安全相关问题。

这是一个采用反激式拓扑结构的线路供电型电源。该电路的初级侧以黄色突出显示，对线路（电源）输入进行全波整流并将其应用于初级轨。这意味着若使用120伏线路，高压轨和低压轨之间出现的电压电平约为170伏，若使用240伏线路，该值约为340伏。此整流线路电压将存储于初级储能电容器C2中。

 

请注意，该电源的初级和次级区段会采用反激式变压器L2和光隔离耦合器Q4进行电隔离。次级区段在负极 (-) 输出端接地，初级区段不接地。若使用接地输入仪器（如示波器）进行故障排除，这种接地方式便有问题。将示波器探头的接地连接端与电源初级侧的元件连接可能会导致短路，而且还会损坏主要元件和示波器。

 

电源中的低压初级轨连接到交流线路零线。虽然零线在进线口处接地，但当零线到达SMPS输入时，可能比接地电压高几伏，这使其成为示波器探头接地的不安全连接点。

 

隔离变压器主要用于对SMPS的初级区段进行电气隔离。一经隔离，便可与初级电路中任意部分的探头接地端连接。这样一来，无论地线夹连接到哪一个点，都会把接地基准放在此处，从而消除了初级电路发生短路的可能性。

 

当多个设备（每个设备具有自己的接地返回路径）连接在一起时，这种相同的接地隔离能力使得隔离变压器对于诊断和纠正接地回路非常有用。

 

变压器允许隔离接地，以查看哪些设备是接地漏电电流的来源。

 

隔离变压器还可以减少从线路传输到所连接设备或从设备传回线路的高频噪声。这是由于变压器的串联电感和接地的法拉第屏蔽，后者减少了变压器两端的电容耦合。

总结

隔离变压器可将连接至次级绕组的设备与初级绕组上的交流电源隔离，因此允许重新定义次级设备上的基准平面。这样还允许对漏电电流进行重定向和控制。同时，它们会最大程度地减少高频谐波和噪声的传输。这些器件对于测试电源相关的设备非常有用。

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