隔離變壓器的特征、選擇標準和應(yīng)用

傳統(tǒng)的單相電源線由火線、零線和地線組成。當多個物理上分開的設(shè)備共用一條電源線時，由于設(shè)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(yī)療設(shè)備中尤其成問題，并且在設(shè)備測試期間可能會造成麻煩。對于設(shè)計人員而言，很難用使用整流線路電壓的設(shè)備來測量接地環(huán)路。接地的測試設(shè)備（如示波器）可能會在無意中導(dǎo)致這些設(shè)備的電源短路。而且，交流電源線上會產(chǎn)生高頻噪聲，從而導(dǎo)致敏感的傳感器和儀器出現(xiàn)問題。 通過在電源輸入端與設(shè)備之間正確使用隔離變壓器，可以避免所有這些問題。 隔離變壓器有助于隔離電源線接地連接，以消除接地回路和測試設(shè)備意外接地。此外，還能抑制電源上的高頻噪聲。

隔離變壓器工作原理

隔離變壓器在交流電源線（主電源）與用電設(shè)備之間提供電隔離。這意味著兩個繞組之間沒有直流路徑。它們主要用于三個用途：

首先是將次級繞組與地面（接地）隔離

其次是提供線路（主）電壓的升降操作

第三是減少從初級繞組傳輸?shù)酱渭壚@組的線路噪聲，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共用的鐵磁芯上。

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(shù)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。這是一個降壓配置。如果初級繞組的匝數(shù)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(dǎo)致升壓配置。大多數(shù)隔離變壓器的初級和次級繞組匝數(shù)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 初級電流的乘積來確定。這是“視在功率”，度量單位為伏安或 VA。 ? 原理圖上的點是定相點，表示初級和次級電流方向。如圖所示，流入繞組初級點側(cè)的電流會導(dǎo)致次級電流從繞組次級點側(cè)流出。如果繞組要串聯(lián)或并聯(lián)放置，這一點很重要。不遵循繞組的定相可能會導(dǎo)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(dǎo)。絕緣效果的衡量標準是漏電電流。大多數(shù)隔離變壓器也使用高電勢或耐壓測試儀進行測試。當檢查漏電電流時，這些儀器會在絕緣兩端施加高電壓。 ? 隔離變壓器的物理結(jié)構(gòu)可以有多種形式，包括殼式結(jié)構(gòu)（圖 2）。其中，初級繞組和次級繞組以同心方式包裹著絕緣層，法拉第屏蔽插入這兩層之間。 ?

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(cè)，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，因此這種結(jié)構(gòu)稱為“雙絕緣”。 或者，繞組可以并排放置在磁芯上，這稱為“多槽線架”結(jié)構(gòu)，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放式結(jié)構(gòu)，也可封閉在屏蔽結(jié)構(gòu)中（圖3）。Hammond Manufacturing 的 171E 隔離變壓器使用屏蔽殼體結(jié)構(gòu)。端蓋屏蔽罩包含變壓器的磁場，還用于最大程度地減少變壓器外部磁場的干擾。這款 500 VA 的 1:1 變壓器還包括引線、NEMA、三線接地輸入和輸出連接器，以及集成式過載斷路器。 盡管接地線連接到次級輸出連接器，但在大多數(shù)隔離變壓器應(yīng)用中不會使用該接地線。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)。

來自 Bel/Signal Transformer 的 DU1/4 是一款 250 VA 隔離變壓器，采用開放式結(jié)構(gòu)，具有兩組多抽頭繞組。初級繞組和次級繞組各有兩個（圖 4）。

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行串聯(lián)或并聯(lián)。因此，對于 110 或 220 伏輸入，可以維持標稱的 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。

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)，則可實現(xiàn) 2:1 升壓。

醫(yī)療隔離

醫(yī)療應(yīng)用所采用的隔離變壓器必須滿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(guī)格。接地漏電是指設(shè)備接地線中的漏電電流。外殼電流描述了通過接地線以外的導(dǎo)體從裸露的導(dǎo)電表面流到地面的電流?；颊呗╇娛侵刚＿B接到設(shè)備時，通過患者流向地面的電流。此類別中的大多數(shù)設(shè)備均已通過 UL/IEC 60601-1 認證。 Triad Magnetics 的 MD-500-U 型是一款適用于醫(yī)療應(yīng)用的 500 VA 隔離變壓器（圖 6）。該變壓器通過 Underwriters Laboratories (UL) 的 UL 60601-2 規(guī)格認證，典型漏電電流為 10 μA，最大漏電電流不到 50 μA。

MD-500-U 采用環(huán)形變壓器，在最大程度上減小尺寸的同時實現(xiàn)雜散磁場最小化和效率最大化。像大多數(shù)獨立醫(yī)用變壓器一樣，它牢牢封裝在一個鋼制外殼中，內(nèi)置保險絲和熱熔斷開關(guān)。

典型的隔離變壓器應(yīng)用

隔離變壓器的最常見應(yīng)用是將設(shè)備與交流線路接地隔離。為了說明這樣做的必要性，我們以開關(guān)模式電源 (SMPS) 為例。典型的線路供電型 SMPS 存在若干安全相關(guān)問題（圖 7）。

這是一個采用反激式拓撲結(jié)構(gòu)的線路供電型電源。該電路的初級側(cè)以黃色突出顯示，對線路（電源）輸入進行全波整流并將其應(yīng)用于初級軌。這意味著若使用120伏線路，高壓軌和低壓軌之間出現(xiàn)的電壓電平約為170伏，若使用240伏線路，該值約為340伏。此整流線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(qū)段會采用反激式變壓器L2和光隔離耦合器Q4進行電隔離。次級區(qū)段在負極（-）輸出端接地，初級區(qū)段不接地。若使用接地輸入儀器（如示波器）進行故障排除，這種接地方式便有問題。將示波器探頭的接地連接端與電源初級側(cè)的元件連接可能會導(dǎo)致短路，而且還會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路零線。雖然零線在進線口處接地，但當零線到達SMPS輸入時，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。 隔離變壓器主要用于對SMPS的初級區(qū)段進行電氣隔離。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，無論地線夾連接到哪一個點，都會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。 當多個設(shè)備（每個設(shè)備具有自己的接地返回路徑）連接在一起時，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(shè)備是接地漏電電流的來源。 隔離變壓器還可以減少從線路傳輸?shù)剿B接設(shè)備或從設(shè)備傳回線路的高頻噪聲。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(jié)

隔離變壓器可將連接至次級繞組的設(shè)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(shè)備上的基準平面。這樣還允許對漏電電流進行重定向和控制。同時，它們會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(shè)備非常有用。