隔离变压器的特征,选择标准和应用场合_隔离变压器的特征、选择标准和应用

传统的单相电源线由火线、零线和地线组成。当多个物理上分离的设备共享一条电源线时，由于设备的接地电位不同，可能会出现接地环路。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。设计人员很难用整流线路电压的设备来测量接地环路。接地测试设备(如示波器)可能会无意中使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，它还可以抑制电源上的高频噪声。

本文将使用Hammond Manufacturing、Bel/Signal Transformer和Triad Magnetics的样品器件来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

隔离变压器在交流电源线(主电源)和电气设备之间提供电气隔离。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：

第一是将次级绕组与地面隔离(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)。初级和次级绕组缠绕在一个共同的铁磁芯上。

图1:一个简单电源变压器的原理图，它由一个NP匝初级绕组和一个NS匝次级绕组组成，位于一个公共铁磁芯上。(来源：Digi-Key电子公司)

在图中，围绕铁磁芯的初级绕组匝数为NP，次级绕组匝数为ns。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比次级绕组多，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的匝数相同，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，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的均方根电压乘以初级电流的均方根值决定。这是“视在功率”，测量单位是伏安或va。

原理图上的点是相位点，表示初级和次级电流的方向。如图所示，流入绕组一次点侧的电流会导致二次电流从绕组二次点侧流出。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。这种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，以最大限度地降低它们之间的直接电导。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，这些仪器会在绝缘层上施加一个高电压。

隔离变压器的物理结构可以有多种形式，包括外壳结构(图2)。其中初级绕组和次级绕组用绝缘层同心缠绕，法拉第屏蔽置于两层之间。

图2:具有外壳结构的隔离变压器的截面图，其中初级绕组和次级绕组用绝缘层同心缠绕，法拉第屏蔽I

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

商用隔离变压器

隔离变压器可以采用开放式结构，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。端盖的屏蔽包含了变压器的磁场，同时也用于将变压器外部磁场的干扰降到最低。这款500VA 1:1变压器还包括导线、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)。

图3:端盖带有屏蔽的隔离变压器示例。(来源：哈蒙德制造)

来自Bel/Signal Transformer的DU1/4是一款250VA的隔离变压器，具有开放式结构和两套多抽头绕组。有两个初级绕组和两个次级绕组(图4)。

图4:DU1/4/4:Bel/信号变压器是一种开放式隔离变压器，具有两组初级和次级抽头绕组。(来源：Bel/信号变压器)

一、二次绕组的额定电压相同，分别为0、104、110、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208伏、214伏或230伏(图5)。

变压器的电源连接方式为螺纹端子。

图5:DU 1/4的双绕组允许多种可能的接线配置，包括11、21、1:2电压比。(来源：Digi-Key电子公司)

如果初级绕组和次级绕组串联，变压器的输入电压为220伏，电压比为1:1。如果初级和次级绕组都并联连接，则可用电流是110伏输入和1:1电压比的单个绕组的两倍。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。对于接地漏电、外壳漏电、病人漏电，都有最大漏电流规范。接地泄漏是指设备接地线中的泄漏电流。外壳电流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。Triad Magnetics的MD-500-U是一款适合医疗应用的500VA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，最大漏电流小于50 A

图6: MD-500-U是一款适合医疗应用的500VA隔离变压器。泄漏电流为10 A(典型值)，环形变压器用于保持紧凑的结构，并将杂散磁场降至最低。(来源：Triad Magnetics)

MD-500-U采用环形变压器，体积最小化，杂散磁场和效率最大化。像大多数独立的医疗变压器一样，它被牢牢地封装在一个钢壳中，内置保险丝和热熔断开关。

隔离变压器的典型应用

隔离变压器最常见的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，我们以开关电源(SMPS)为例。典型的线路供电SMPS有几个安全相关的问题(图7)。

图7: SMPS原理图显示了有参考接地和无参考接地的电路区域。(来源：Digi-Key电子公司)

这是一款采用反激式拓扑的线路供电电源。电路的原边以黄色突出显示，线路(电源)输入经过全波整流并施加于主供电轨。这意味着，如果使用120伏的线路，出现在高压轨和低压轨之间的电压电平约为170伏，如果使用240伏的线路，该值约为340伏。该整流后的线电压将被存储在主存储电容器C2中。

请注意，电源的初级和次级部分将通过回扫变压器L2和光隔离耦合器Q4进行电气隔离。次级部分在负(-)输出端接地，初级部分不接地。如果使用接地输入仪器(如示波器)进行故障排除，这种接地方式有问题。将示波器探头的接地端子与电源一次侧的元件连接可能会导致短路，还会损坏主要元件和示波器。

电源中的低压主轨连接到交流线路中性线。虽然中性线在进线口接地，但当它到达SMPS的输入端时，可能比接地电压高几伏，这使得它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电气隔离SMPS的一次部分。一旦隔离，它可以连接到初级电路中任何部分的探针接地端子。这样无论接地夹接在哪里，接地参考都会放在这里，这样就排除了一次回路短路的可能。

当多个器件(每个器件都有自己的接地回路)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校正接地环路非常有用。

变压器允许隔离接地，以查看哪些设备是接地泄漏电流的来源。隔离变压器还可以降低从线路传输到相连设备或从设备传输回线路的高频噪声。这是由于变压器的串联电感和接地的法拉第屏蔽降低了变压器两端的容性耦合。

摘要

隔离变压器可以将连接到次级绕组的设备与初级绕组上的交流电源隔离，从而允许重新定义次级设备上的参考平面。这也允许漏电流的重定向和控制。同时，它们将最大限度地减少高频谐波和噪声的传输。这些设备对于测试与电源相关的设备非常有用。

原标题：隔离变压器的概念、选择和应用：几个例子，供你透彻理解！

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