隔离变压器原理(隔离变压器基础知识)

隔离变压器原理（隔离变压器基础知识）

传统的单相电力线由火线、零线和地线组成。当多个物理上分离的设备共享一条电力线时，由于设备的不同接地电位，可能会出现接地回路。这些接地环路在医疗设备中尤其成问题，可能会在设备测试期间造成麻烦。对于设计人员来说，使用整流线路电压的设备很难测量接地环路。接地测试设备(如示波器)可能会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，导致敏感的传感器和仪器出现问题。

所有这些问题都可以通过在电源输入和设备之间正确使用隔离变压器来避免。

隔离变压器有助于隔离电源线的接地连接，从而消除接地回路和测试设备的意外接地。此外，可以抑制电源上的高频噪声。

本文将利用Hammond Manufacturing、Bel/Signal Transformer和Triad Magnetics公司的样品设备，讨论隔离变压器的特性、选择标准和应用。

隔离变压器的工作原理

隔离变压器提供交流电源线(主电源)和电气设备之间的电气隔离。这意味着两个绕组之间没有DC路径。它们主要用于三个目的:

首先，将次级绕组与地隔离(接地)。

其次，它提供线(主)电压的提升操作。

第三是降低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，具有变压器的共同特征(图1)。初级绕组和次级绕组缠绕在共同的铁磁芯上。

在图中，初级绕组围绕铁磁芯缠绕NP匝，次级绕组缠绕ns匝。初级电压(VP)和次级电压(VS)之间的关系如公式1所示:

一级方程式

如果初级绕组的匝数大于次级绕组的匝数，则次级绕组上的电压将低于初级绕组上的电压。这是一种降压配置。如果初级绕组的匝数小于次级绕组的匝数，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相同。

变压器中的能量是守恒的，因此如果我们忽略损耗，VP与初级电流(IP)的乘积将等于VS与次级电流(IS)的乘积。变压器的额定功率由初级绕组电压有效值乘以初级电流有效值的乘积决定。这是“视在功率”，以伏安或VA为单位。

原理图上的点是相位点，表示初级和次级电流方向。如图所示，流入绕组一次侧的电流会导致二次电流从绕组二次侧流出。如果绕组串联或并联，这一点很重要。不遵循绕组相位可能会导致错误。

法拉第屏蔽是一种静电屏蔽，可以降低一次绕组和二次绕组之间的电容，通常接地。该屏蔽可以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，以更大限度地降低彼此之间的直接电导。绝缘效果的衡量标准是漏电流。大多数隔离变压器也用高电位或耐压测试仪测试。当检查泄漏电流时，这些仪器会在绝缘上施加高电压。

隔离变压器的物理结构有多种形式，包括外壳结构(图2)。其中初级绕组和次级绕组同心地缠绕在绝缘层周围，法拉第屏蔽插入两层之间。

法拉第屏蔽可以是箔层或紧密缠绕的绕组，如图所示。接地通常位于初级侧并连接到大地。这种结构被称为“双重绝缘”，因为初级绕组和次级绕组已经使用了漆包线。

或者，绕组可以并排放置在磁芯上，这被称为“多槽线轴”结构，或者缠绕在环形磁芯上。

商用隔离变压器

隔离变压器可以是开放式的，也可以封装在屏蔽结构中(图3)。哈蒙德制造的171E隔离变压器采用屏蔽外壳结构。屏蔽罩包含了变压器的磁场，同时也是用来最小化变压器外部磁场的干扰。这款500 VA 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过载断路器。

虽然接地线连接到次级输出连接器，但它不会用于大多数隔离变压器应用。在额定输入电压下，变压器初级和次级之间的泄漏电流小于60微安(a)。

来自Bel/Signal Transformer的DU1/4是一款250 VA隔离变压器，具有开放式结构和两组多抽头绕组。有两个初级绕组和两个次级绕组(图4)。

初级和次级绕组的额定电压相同，分别为0、104、110和120伏。这允许在初级或次级绕组上串联或并联。因此，对于110或220伏输入，可以保持1:1的标称比率。此外，还可以配置从110伏到220伏的升压变压器或从220伏到110伏的降压变压器。此外，多抽头绕组允许中间额定电压，如208V、214V或230V(图5)。

变压器的电源连接方式为螺纹端子。

如果初级绕组和次级绕组串联，则变压器为220v输入，电压比为1:1。如果一、二次绕组都并联，则是110V输入，电压比为1:1，可用电流是单个绕组的两倍。如果初级绕组串联，次级绕组并联，初级电压将降低一半。如果次级绕组串联，初级绕组并联，可以实现2:1的升压。

医学隔离

医疗应用中使用的隔离变压器必须满足更严格的漏电流要求。对地漏电、外壳漏电、病人漏电，都有更大漏电流规格。接地是指设备接地线中的泄漏电流。外壳描述了从暴露的导电表面通过导体而不是地线流到地面的电流。病人漏电是指正常连接设备时，通过病人流向地面的电流。这一类别的大多数设备都通过了UL/IEC 60601-1认证。

Triamagnetics的MD-500-U型号是一款适合医疗应用的500 VA隔离变压器(图6)。该变压器通过了美国保险商实验室(UL)的UL 60601-2规范认证，典型漏电流为10 A，更大漏电流小于50 A

MD-500-U采用环形变压器，使体积最小化，效率更大化，同时使杂散磁场最小化。像大多数独立的医疗变压器一样，它被牢固地封装在一个钢外壳中，内置保险丝和热熔断开关。