隔離變壓器的基本知識以及如何選擇和使用

傳統的單相電源線由火線、中性線和地線組成。當多個實體分離的裝置共用一條電源線時，由於各裝置的接地電位不同，可能會產生接地迴路。這些接地迴路在醫療裝置中尤其成問題，並且在裝置測試期間可能會造成麻煩。對於設計人員來說，使用整流線路電壓的裝置測量接地迴路並非易事。接地測試設備 (如示波器) 可能會在無意中造成這些裝置電源短路。此外，高頻雜訊可能會在 AC 電源線上傳輸，導致敏感的傳感器和儀器出現問題。

在電源輸入端和裝置之間適當地安裝隔離變壓器，可避免這些問題的發生。

隔離變壓器有助於隔離電源線接地裝置，以避免接地迴路和測試設備意外接地。此外，還能抑制在電源上傳輸的高頻雜訊。

本文將使用 Hammond Manufacturing、Bel/Signal Transformer 和 Triad Magnetics 這幾家公司的裝置作為範例，來討論隔離變壓器的特性、選擇標準和應用。

隔離變壓器的工作原理

隔離變壓器在 AC 電源線 (主電源) 和受電裝置之間提供電流隔離，這意味著在兩個繞組之間沒有 DC 路徑。這類元件有三個主要用途：

• 將二次繞組與地面 (接地) 隔離
• 提供線路 (主電源) 電壓的升壓或降壓效果
• 減少從一次繞組傳輸到二次繞組的線路雜訊，反向亦然

首先需要知道，隔離變壓器是一種變壓器，具有變壓器的共同特性 (圖 1)。一次繞組和二次繞組都是纏繞在一個共同的鐵磁芯上。

圖 1：簡易型電源變壓器的線路圖顯示，在一個共同鐵磁芯上包括 N_P 匝數的一次繞組和 N_S 匝數的二次繞組。(圖片來源：DigiKey)

在圖中，一次繞組在鐵磁芯上纏繞 N_P 匝數，二次繞組則纏繞 N_S 匝數。方程式 1 顯示了一次電壓 (V_P) 和二次電壓 (V_S) 之間的關係：

 方程式 1

如果一次繞組的匝數多於二次繞組的匝數，則二次繞組上的電壓將低於一次繞組上的電壓。這是一種降壓配置。如果一次繞組的匝數少於二次繞組的匝數，則二次繞組上的電壓將高於一次繞組上的電壓，因而形成升壓配置。大多數隔離變壓器的一次和二次匝數相同，因此一次和二次電壓也相同。

變壓器中的能量守恆，因此如果我們忽略損耗，則 V_P 與一次電流 (I_P) 的乘積將等於 V_S 與二次電流 (I_S) 的乘積。變壓器的額定值等於一次繞組的 RMS 電壓與 RMS 一次電流的乘積。這便是「視在功率」，以伏安 (即 VA) 為測量單位。

線路圖上的點是定相點，可顯示一次和二次電流的方向。電流流入繞組的一次點側後，將導致二次電流從繞組的點側流出，如圖所示。對於以串聯或並聯方式放置的繞組，這一點很重要。若未能遵循繞組的定相，可能會造成錯誤。

法拉第屏蔽是一種靜電屏蔽，可減少一次繞組和二次繞組之間的電容量，而且通常會接地。此種屏蔽可降低通過變壓器的共模雜訊和暫態的振幅。

隔離變壓器中的一次繞組和二次繞組都是高度絕緣的，可最大程度地減少彼此之間的直接傳電。這種絕緣有效性的衡量指標是漏電流。大多數隔離變壓器也使用高電位或耐壓測試器進行測試。檢查漏電流時，這些測試器會在絕緣體上施加高電壓。

隔離變壓器的實體結構可以有多種形式，包括殼型結構 (圖 2)。在這種結構中，一次繞組和二次繞組是以絕緣層按同心方向纏繞，而法拉第屏蔽則插在這兩層之間。

圖 2：採用殼型結構的隔離變壓器剖視圖，其中，一次繞組和二次繞組是以絕緣層按同心方向纏繞，而法拉第屏蔽則插在這兩層之間。(圖片來源：DigiKey)

如圖所示，法拉第屏蔽可以實作成箔片層或密集繞組。接地一般是在一次側接至地面。由於一次和二次繞組已經使用漆包線，因此這種結構稱為「雙重絕緣」。

或者，繞組也能以所謂的「多槽線圈架」結構並排放置在磁芯上，或者纏繞在環形磁芯上。

商用隔離變壓器

市面上銷售的隔離變壓器可能屬於開放式，也可能是包在屏蔽式結構中 (圖 3)。Hammond Manufacturing 的 171E 隔離變壓器採用屏蔽式外殼。端蓋屏蔽物包含變壓器的磁場，也用於最大程度地減少變壓器外部磁場的干擾。此款 500 VA 的 1:1 變壓器還包括軟導線、NEMA、三線接地輸入和輸出連接器，以及一體式過載斷路器。

儘管接地線是連接到二次輸出連接器，但大多數隔離變壓器應用不會使用該接地線。在額定輸入電壓下，此款變壓器在一次和二次之間的漏電流不到 60 µA。

圖 3：端蓋上裝有屏蔽蓋的隔離變壓器範例。(圖片來源：Hammond Manufacturing)

Bel/Signal Transformer 的 DU1/4 是一款 250 VA 的隔離變壓器，採用開放式結構，具有兩組多接頭繞組。一次繞組和二次繞組各有兩個 (圖 4)。

圖 4：Bel/Signal Transformer 的 DU1/4 是一款開放式隔離變壓器，具有兩組一次和二次接頭繞組。(圖片來源：Bel/Signal Transformer)

一次和二次繞組的額定電壓相同，分別是 0、104、110 和 120 V。這樣可允許在一次或二次繞組上進行串聯或並聯連接。因此，對於 110 或 220 V 的輸入電壓，可以保持標稱的 1:1 比例。而且，也可以配置 110 至 220 V 的升壓變壓器，或 220 至 110 V 的降壓變壓器。此外，多接頭繞組也允許中間電壓額定值，如 208、214 或 230 V (圖 5)。

這種變壓器是透過螺絲端子進行電源連接。

圖 5：DU1/4 的雙繞組允許多種可行的繞線配置，包括 1:1、2:1、1:2 電壓比。(圖片來源：DigiKey)

如果一次和二次繞組各自都是串聯繞線，則變壓器的輸入電壓為 220 V 時，電壓比為 1:1。如果一次和二次繞組各自都是並聯繞線，則 110 V 時，電壓比為 1:1，可用電流為單個繞組的兩倍。如果一次繞組是串聯繞線，二次繞組是並聯繞線，則一次電壓會降低至一半。如果二次繞組是串聯繞線，一次繞組是並聯繞線，則可以實現 2:1 的升壓。

醫用隔離

醫療用隔離變壓器在漏電流方面必須滿足更嚴格的要求。對於接地漏電流、外殼漏電流和患者漏電流，都有最大漏電流規格。接地漏電流是指裝置接地導線中的漏電流。外殼電流是指透過接地導線以外的導體，從裸露的導電表面流到地面的電流。患者漏電流是指正常連接到裝置時，流經患者並流到地面的電流。此類別中的大多數裝置均已通過 UL/IEC 60601-1 認證。

Triad Magnetics 的 MD-500-U 型變壓器是一款用於醫療應用的 500 VA 隔離變壓器 (圖 6)。此變壓器通過美國安全檢測實驗室公司 (UL) 的 UL 60601-2 認證，典型漏電流為 10 µA，最大漏電流小於 50 µA。

圖 6：MD-500-U 是一款用於醫療應用的 500 VA 隔離變壓器，漏電流為 10 µA (典型)。此產品使用環型變壓器以維持輕巧的特色，並將離散磁場降至最低。(圖片來源：Triad Magnetics)

MD-500-U 採用環形變壓器，不但可將尺寸保持在最小，還可將離散磁場減至最少並將效率最大化。像大多數獨立醫療變壓器一樣，這款產品被安全地包在一個含一體式保險絲和熱熔斷器開關的鋼製外殼中。

典型的隔離變壓器應用

隔離變壓器最常見的應用是將裝置與 AC 線路接地隔離。為了說明此做法的必要性，我們以切換式電源供應器 (SMPS) 為例。典型的線路供電式 SMPS 存在幾個與安全相關的問題 (圖 7)。

圖 7：SMPS 的線路圖顯示了接地參考及未接地參考的電路區域。(圖片來源：DigiKey)

這是利用返馳式拓撲的線路供電式電源供應器。圖中黃色色塊部分顯示電路的一次側，線路 (主電源) 輸入經過全波整流，並將此輸入施加於主要電壓軌。這表示高壓和低壓電壓軌之間發生的電壓位準，對於 120 V 的線路大約是 170 V，對於 240 V 的線路大約是 340 V。整流過的線路電壓儲存在主儲能電容 C2 中。

請注意，電源供應器的一次和二次部分是由返馳式變壓器 L2 和光學隔離耦合器 Q4 進行電氣隔離。當二次部分在負極 (-) 輸出端接地時，一次部分未接地。當使用接地的輸入儀器 (如示波器) 進行故障排除時，這種情況會成問題。若將示波器探頭的接地裝置連接到電源供應器一次側的元件，則可能導致短路，並對一次側元件和示波器造成損壞。

電源供應器當中的主要低壓電壓軌連接到 AC 中性線。雖然中性線是在進線口接地，但當中性線到達 SMPS 輸入端時，其電壓可能比接地電壓高幾伏，進而使其成為示波器探頭不安全的接地連接點。

隔離變壓器的目的是對 SMPS 的一次部分進行電氣隔離。一旦隔離，就可能將探頭的接地側連接至一次電路的任何一處。這樣可將接地基準放在接地夾所連接的任何點上，避免一次電路發生短路的可能性。

當多個裝置連接在一起時 (每個裝置都有自己的接地返迴路徑)，這種接地隔離的能力，對隔離變壓器診斷和改正接地迴路非常有用。

變壓器允許對接地進行隔離，以便查看哪些裝置是接地漏電流的來源。

隔離變壓器還可以減少從線路傳到連接裝置，或從該裝置傳回線路的高頻雜訊。這是由於變壓器的串聯電感和接地的法拉第屏蔽，後者會減少變壓器的電容耦合。

結論

隔離變壓器可將連至二次繞組的裝置，與一次繞組的 AC 電源隔離，因此可允許重新定義二次繞組裝置的基準面。這樣也允許重新導向和控制漏電流。同時，隔離變壓器可最大程度地減少高頻諧波和雜訊的傳播，這對於測試電源相關裝置非常有用。