Det grundlæggende i isolationstransformatorer og hvordan man vælger og bruger dem

Traditionelle enfasede strømledninger består af en varm ledning, en neutral ledning og en jordledning. Når flere fysisk adskilte enheder deler en fælles strømledning, er det muligt at skabe jordsløjfer på grund af enheder med forskellige jordpotentialer. Disse jordsløjfer er især problematiske i medicinsk udstyr og kan være besværlige under test af enheden. For designere er det vanskeligt at måle jordsløjfer med enheder, der bruger ensrettede linjespændinger. Jordet testudstyr, som f.eks. oscilloskoper, kan uforvarende kortslutte strømforsyningerne i disse enheder. Højfrekvent støj kan også være med på vekselstrømsledninger, hvilket kan skabe problemer for følsomme transducere og instrumenter.

Alle disse problemer kan undgås ved korrekt anvendelse af isolationstransformatorer mellem strømindgangen og enheden.

Isolationstransformere giver adskillelse fra jordforbindelsen til strømledningen for at undgå jordsløjfer og utilsigtet jordforbindelse af testudstyr. De undertrykker også højfrekvent støj fra strømkilden.

Denne artikel omhandler egenskaber, udvælgelseskriterier og anvendelse af isolationstransformatorer ved hjælp af eksempler på enheder fra Hammond Manufacturing, Bel/Signal Transformer og Triad Magnetics.

Sådan fungerer isolationstransformatorer

Isolationstransformatorer sørger for galvanisk isolation mellem vekselstrømsledningerne (netledningen) og den strømforsynede enhed. Det betyder, at der ikke er en jævnstrømsvej mellem de to viklinger. De tjener tre hovedformål:

• Den første er at isolere sekundæret fra jord (jord)
• Den anden er at op- eller nedtrappe netspændinger (netspændinger)
• Den tredje er at reducere den støj, der overføres fra den primære til den sekundære og omvendt

Isolationstransformatorer er til at begynde med transformatorer, og de har transformatorernes fælles egenskaber (figur 1). De primære og sekundære viklinger er viklet på en fælles ferromagnetisk kerne.

Figur 1: Skematisk fremstilling af en simpel strømtransformator bestående af en primær vikling med_NP-viklinger og en sekundær vikling med_NS-vindinger på en fælles ferromagnetisk kerne. (Billedkilde: DigiKey)

På figuren har den primære vikling_NP vindinger viklet rundt om kernen og den sekundære vikling_NS vindinger. Forholdet mellem den primære (_VP) og sekundære spænding (_VS) er vist i ligning 1:

 Ligning 1

Hvis der er flere omdrejninger på den primære end på den sekundære, vil spændingen på den sekundære være mindre end på den primære. Dette er en step-down-konfiguration. Hvis antallet af vindinger på den primære er mindre end antallet af vindinger på den sekundære, vil den sekundære spænding være højere end den primære, hvilket resulterer i en step-up-konfiguration. De fleste isolationstransformere har det samme antal primære og sekundære vindinger, så primær- og sekundærspændingerne er de samme.

Energi er bevaret i transformere, så hvis vi ser bort fra tab, vil produktet af_VP og primærstrømmen (_IP) være lig med produktet af_VS og sekundærstrømmen (_IS). Transformere er klassificeret efter produktet af primærens RMS-spænding gange primærstrømmen. Dette er den "tilsyneladende effekt", og den måles i enheder af volt-ampere eller VA.

Punkterne på skemaet er faseringspunkter, som viser den primære og sekundære strømretning. Strøm, der strømmer ind i viklingens primære punktside, resulterer i en sekundær strøm, der kommer ud af viklingens punktside, som vist i diagrammet. Dette er vigtigt, hvis viklingerne skal placeres i serie eller parallelt. Manglende overholdelse af viklingens fasering kan medføre fejl.

Faraday-skjoldet er et elektrostatisk skjold, der reducerer kapacitansen mellem de primære og sekundære viklinger og er generelt jordet. Afskærmningen reducerer amplituden af common-mode-støj og transienter gennem transformeren.

De primære og sekundære viklinger i isolationstransformatoren er stærkt isolerede for at minimere den direkte ledning mellem dem. Målestokken for effektiviteten af denne isolering er lækstrømmen. De fleste isolationstransformatorer testes også ved hjælp af højpotentiale- eller hi-pot-testere. De anvender en høj spænding på tværs af isoleringen og kontrollerer samtidig, om der er strømlækage.

Isolationstransformatorens fysiske struktur kan have flere forskellige former, herunder en skalformet struktur (figur 2). Her er de primære og sekundære viklinger omviklet koncentrisk med et isolerende lag, og Faraday-skjoldet er indsat mellem de to lag.

Figur 2: Udsnit af en isoleringstransformator med en konstruktion af skal-typen, hvor de primære og sekundære viklinger er omviklet koncentrisk med et isolerende lag, og Faraday-skjoldet er indsat mellem de to lag. (Billedkilde: DigiKey)

Faraday-skjoldet kan være udført som et folielag eller som en tætliggende vikling, som vist. Jording sker generelt på primærsiden til en jordforbindelse. Da de primære og sekundære viklinger allerede anvender emaljeret tråd, kaldes denne konstruktion "dobbeltisoleret".

Alternativt kan viklingerne placeres side om side på kernen i en såkaldt "split bobbin"-konstruktion eller vikles på en toroidal kerne.

Kommercielle isolationstransformatorer

Isolationstransformatorer kan være fordelt med åbne rammer eller være indkapslet i en afskærmet konstruktion (figur 3). Hammond Manufacturing's 171E isolationstransformator har et afskærmet kabinet. Enden af skærmene indeholder transformatorens magnetfelt og tjener også til at minimere opfangning fra felter uden for transformeren. Denne 500 VA, 1:1 transformer indeholder også pigtail, NEMA, tre-tråds jordede ind- og udgangsstik med tre ledninger og en integreret overbelastningsafbryder.

Selv om jorden er forbundet til det sekundære udgangsstik, vil den ikke blive brugt i de fleste anvendelser med isolationstransformatorer. Denne transformer har mindre end 60 mikroampere (µA) lækstrøm mellem primær- og sekundærdelen ved den nominelle indgangsspænding.

Figur 3: Et eksempel på en isolationstransformator med afskærmningsdæksler over transformatorens endekapper. (Billedkilde: Hammond Manufacturing)

DU1/4 fra Bel/Signal Transformer er en 250 VA isoleringstransformator med åben ramme-konstruktion og et dobbelt sæt af multitappede viklinger. Der er to primære og to sekundære viklinger (figur 4).

Figur 4: Bel/Signaltransformator DU1/4 er en isoleringstransformator med åben ramme og to sæt af aflyttede primær- og sekundærviklinger. (Billedkilde: Bel/Signal Transformer)

De primære og sekundære viklinger er identiske ved 0, 104, 110 og 120 volt. Dette muliggør serie- eller parallelforbindelser på enten primær eller sekundær. Derfor kan der opretholdes et nominelt 1:1-forhold ved indgange på enten 110 eller 220 volt. Der kan også konfigureres en optrapningstransformator fra 110 volt til 220 volt eller en nedtrapningstransformator fra 220 volt til 110 volt. Desuden giver multi-tap-viklingerne mulighed for mellemliggende spændingsværdier som f.eks. 208 volt, 214 volt eller 230 volt (figur 5).

Strømtilslutningerne til denne transformer sker ved hjælp af skrueterminaler.

Figur 5: DU1/4's dobbelte vikling giver mulighed for mange mulige ledningskonfigurationer, herunder spændingsforhold på 1:1, 2:1 og 1:2. (Billedkilde: DigiKey)

Hvis primær- og sekundærdelen er koblet i serie, er transformeren et spændingsforhold på 1:1 for en 220 volt indgang. Hvis primær- og sekundærspændingen er parallelle, er resultatet et spændingsforhold på 1:1 for 110 volt med dobbelt så stor strømstyrke som ved en enkelt vikling. Hvis primærspændingerne er placeret i serie og sekundærspændingerne er placeret parallelt, nedsættes primærspændingen med en faktor to. Hvis sekundæret er tilsluttet i serie og primæret parallelt, opnås en step-up på 2:1.

Medicinsk isolation

Isolationstransformere til medicinske anvendelser skal opfylde strengere krav med hensyn til lækstrømme. Der er specifikationer for maksimal lækstrøm for lækage fra jord eller jord, lækage fra kabinet og lækage fra patienten. Jordlækage henviser til lækstrømme i en enhedens jordledning. Indkapslingsstrømme beskriver strømme, der strømmer fra en eksponeret ledende overflade til jord via en anden leder end jordledningen. Patientlækage er den strøm, der strømmer gennem en patient til jord, når den er tilsluttet enheden normalt. De fleste enheder i denne kategori er certificeret i henhold til UL/IEC 60601-1.

Triad Magnetics' model MD-500-U er en 500 VA isolationstransformator, der er beregnet til medicinske anvendelser (figur 6). Denne transformer er certificeret af Underwriters Laboratories (UL) i henhold til specifikation UL 60601-2 og har en lækstrøm på 10 µA typisk og mindre end 50 µA maksimalt.

Figur 6: MD-500-U er en 500 VA-isolationstransformator, der er beregnet til medicinske anvendelser. Den har en lækstrøm på 10 µA (typisk) og bruger en ringformet transformer for at holde den kompakt og minimere streufelter. (Billedkilde: Triad Magnetics)

MD-500-U bruger en ringformet transformer, der minimerer strøfelter og maksimerer effektiviteten, samtidig med at størrelsen minimeres. Ligesom de fleste selvstændige medicinske transformatorer er den forsvarligt placeret i et stålkabinet med indbyggede sikringer og en termisk afbryder.

En typisk anvendelse af isolationstransformator

Den mest almindelige anvendelse af en isolationstransformator er at isolere en enhed fra vekselstrømsnettets jord. Som et eksempel på, hvorfor dette kan være nødvendigt, kan man se på en switched mode power supply (SMPS). En typisk netdrevet SMPS giver anledning til flere sikkerhedsrelaterede problemer (figur 7).

Figur 7: Skemaet af en SMPS, der viser kredsløbsområder, der er jordrefereret, og dem, der ikke er det. (Billedkilde: DigiKey)

Dette er en netdrevet strømforsyning, der anvender flyback-topologi. Den primære side af kredsløbet, som er vist i den gule fremhævning, fuldbølge ensretter linjens (netets) input og anvender det på de primære skinner. Det betyder, at spændingsniveauerne mellem høj- og lavspændingsskinnerne er ca. 170 volt for en 120 volts linje og ca. 340 volt for en 240 volts linje. Denne ensrettede netspænding lagres i den primære lagerkondensator, C2.

Bemærk, at primær- og sekundærdelen af forsyningen er elektrisk isoleret af flybacktransformatoren L2 og den optisk isolerede kobler Q4. Mens den sekundære del er forbundet til jord ved den negative (-) udgangsterminal, er den primære del ujordet. Denne tilstand bliver problematisk, når der anvendes instrumenter med jordet indgang som f.eks. oscilloskoper til fejlfinding. Hvis du forbinder jordforbindelsen på en oscilloskopprobe med komponenterne på primærsiden af forsyningen, kan det resultere i en kortslutning med deraf følgende skader på de primære komponenter og oscilloskopet.

Den lave primære skinne i forsyningen er forbundet med vekselstrømslinjens neutralpunkt. Selv om den neutrale linje er forbundet til jord ved serviceindgangen, kan den, når den når frem til SMPS-indgangen, være flere volt over jorden, hvilket gør den til et usikkert forbindelsespunkt for en scopeprobejord.

Formålet med isolationstransformatoren er at isolere SMPS'ens primære sektion elektrisk. Når den er isoleret, er det muligt at tilslutte jordsiden af en probe hvor som helst i det primære kredsløb. Dette placerer jordreferencen på det punkt, som jordklemmen er tilsluttet, hvilket eliminerer muligheden for at kortslutte primæren.

Denne samme evne til jordisolering gør isolationstransformatorer nyttige til at diagnosticere og korrigere jordsløjfer, når flere enheder, der hver har deres egen jordreturvej, er forbundet sammen.

Transformatoren/transformerne gør det muligt at isolere jordforbindelserne for at se, hvilke enheder der er kilden til jordlækstrømmen.

Isolationstransformatorer reducerer også højfrekvent støj, der overføres enten fra ledningen til den tilsluttede enhed eller fra enheden tilbage til ledningen. Dette skyldes transformatorens serieinduktans og den jordede Faraday-skærm, som reducerer den kapacitive kobling over transformeren.

Konklusion

Ved at isolere enheder, der er forbundet til den sekundære vikling, fra vekselstrømskilden på den primære, tillader isolationstransformatorer en omdefinering af referenceplanet på de sekundære enheder. Dette gør det også muligt at omdirigere og kontrollere lækstrømmene. Samtidig minimerer de transmissionen af højfrekvente harmoniske frekvenser og støj. De er uhyre nyttige til test af strømrelaterede enheder.