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，以最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，都有最大漏电流规格。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，最大漏电流小于50 A

MD-500-U采用环形变压器，使体积最小化，效率最大化，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。

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。为了说明这一点的必要性，让我们以开关电源(SMPS)为例。典型的线路供电SMPS有几个安全相关的问题(图7)。

这是一款采用反激式拓扑的线路电源。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，则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，则约为340伏。整流后的线电压将存储在主储能电容器C2中。

请注意，该电源的初级和次级部分将通过回扫变压器L2和光电隔离耦合器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，这种接地方式是有问题的。将示波器探头的接地端子与电源一次侧的部件连接可能会导致短路，也可能损坏主要部件和示波器。

电源中的低压主轨连接到交流线路的中性线。虽然零线在入口处接地，但当零线到达SMPS输入端时，它可能比接地电压高几伏，这使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的任何部分的探针接地端子。这样无论接地夹接在哪一点，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。

允许将变压器与地隔离，看哪个设备是对地泄漏电流的来源。

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。这是由于变压器和接地法拉第屏蔽的串联电感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。