傳統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備共用一條電源線時，由於(yú)設備的接地電位不同，有可能産生接地回路。這些接地回路在醫療設備中尤其成問題，並(bìng)且在設備測試期間可能會造成麻煩。對於(yú)設計人員而言，很難用使用整流線路電壓的設備來測量接地環路。接地的測試設備（如示波器）可能會在無意中導緻這些設備的電源短路。而且，交流電源線上會産生高頻噪聲
，從而導緻敏感的傳感器和儀器出現問題。

通過在電源輸入端與設備(bèi)之間正確(què)使用隔離變壓器，可以避免所有這些問題。

隔離變壓器有助於(yú)隔離電源線接地連接，以消除接地回路和測試設備(bèi)意外接地。此外，還能抑制電源上的高頻噪聲。

本文将使用來(lái)自 Hammond Manufacturing、Bel/Signal Transformer 和 Triad Magnetics 的示例器件，來(lái)讨論隔離變(biàn)壓器的特征、選擇标準和應用。

隔離(lí)變(biàn)壓器工作原理

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

首先是将次級(jí)繞組與地面（接地）隔離(lí)

其次是提供線(xiàn)路（主）電(diàn)壓的升降操作

第三是減少從(cóng)初級繞組傳(chuán)輸到次級繞組的線路噪聲，反之亦然

隔離變(biàn)壓器首先是變(biàn)壓器，它們具有變(biàn)壓器的共同特征（圖 1）。初級和次級繞組纏(chán)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) 之間的關系如公式 1 所示：

公式 1

如果初級繞組的匝數多於(yú)次級繞組，則次級繞組上的電壓将低於(yú)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少於(yú)次級繞組，則次級繞組上的電壓将高於(yú)初級繞組上的電壓
，從而導緻升壓配置。大多數隔離變(biàn)壓器的初級和次級繞組匝數相同，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) 的乘積将等於(yú) 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(què)定。這是“視在功率”，度量單位爲伏安或 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)的電流會導緻次級電流從繞組次級點側(cè)流出。如果繞組要串聯或並(bìng)聯放置，這一點很重要。不遵循繞組的定相可能會導緻錯誤。

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，並(bìng)且通常接地。該屏蔽可降低通過變(biàn)壓器的共模噪聲和瞬變(biàn)的幅度
。

隔離變(biàn)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。絕緣效果的衡量标準是漏電電流。大多數隔離變(biàn)壓器也使用高電勢或耐壓測(cè)試儀進行測(cè)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(biàn)壓器的物理結構可以有多種形式，包括殼式結構（圖 2）。其中，初級繞組和次級繞組以同心方式包裹著(zhe)絕緣層，法拉第屏蔽插入這兩層之間
。

法拉第屏蔽可以爲箔層或密繞繞組
，如圖所示。接地通常位於初級側，與大地相連。由於初級繞組和次級繞組已經使用瞭漆包線，因此這種結構稱爲“雙絕緣”。

或者，繞組可以並(bìng)排放置在磁芯上，這稱(chēng)爲“多槽線架”結構，也可以繞在環形磁芯上。

商業隔離(lí)變(biàn)壓器

隔離變壓器可採(cǎi)用開放式結構，也可封閉在屏蔽結構中（圖3）。Hammond Manufacturing 的 171E 隔離變壓器使用屏蔽殼體結構。端蓋屏蔽罩包含變壓器的磁場，還用於(yú)最大程度地減少變壓器外部磁場的幹擾。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，但在大多數隔離變(biàn)壓器應用中不會使用該接地線。在額定輸入電(diàn)壓下，該變(biàn)壓器初級和次級之間的漏電(diàn)電(diàn)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，採用開放式結構，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，分别爲 0、104、110 和 120 伏。這樣可允許在初級或次級繞組上進行串聯或並(bìng)聯。因此，對於(yú) 110 或 220 伏輸入，可以維持标稱的 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(biàn)壓器的電(diàn)源連接方式爲螺紋端子
。

重新定義“一站式”上雲如果初級和次級繞組均爲串聯，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爲並聯，則爲 110 伏輸入，1:1 電壓比，可用電流是單個繞組的兩倍。如果初級繞組串聯放置，而次級繞組爲並聯，則初級電壓将降爲二分之一。如果次級繞組爲串聯，而初級繞組爲並聯
，則可實現 2:1 升壓。

醫療隔離

醫療應用所採用的隔離變壓器必須滿足更嚴格的漏電電流要求
。對於(yú)接地漏電、外殼漏電和患者漏電，均有最大漏電電流規格。接地漏電是指設備接地線中的漏電電流。外殼電流描述瞭(le)通過接地線以外的導體從裸露的導電表面流到地面的電流。患者漏電是指正常連接到設備時，通過患者流向地面的電流。此類别中的大多數設備均已通過 UL/IEC 60601-1 認證。

Triad Magnetics 的 MD-500-U 型是一款适用於(yú)醫療應用的 500 VA 隔離變(biàn)壓器（圖 6）。該變(biàn)壓器通過 Underwriters Laboratories (UL) 的 UL 60601-2 規格認證，典型漏電電流爲 10 µA，最大漏電電流不到 50 µA。

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

典型的隔離(lí)變(biàn)壓器應用

隔離變壓器的最常見應用是将設備(bèi)與交流線路接地隔離。爲瞭(le)說明這樣做的必要性，我們以開關模式電源 (SMPS) 爲例。典型的線路供電型 SMPS 存在若幹安全相關問題（圖 7）。

這是一個採用反激式拓撲結構的線路供電型電源。該電路的初級側以黃色突出顯示，對線路（電源）輸入進行全波整流並将其應用於初級軌。這意味著若使用 120 伏線路，高壓軌和低壓軌之間出現的電壓電平約爲 170 伏，若使用 240 伏線路，該值約爲 340 伏。此整流線路電壓将存儲於初級儲能電容器 C2 中。

請注意，該電源的初級和次級區段會採(cǎi)用反激式變(biàn)壓器 L2 和光隔離耦合器 Q4 進行電隔離。次級區段在負極 (-) 輸出端接地，初級區段不接地。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。将示波器探頭的接地連接端與電源初級側的元件連接可能會導緻短路，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(chù)接地，但當零線到達(dá) SMPS 輸入時，可能比接地電壓高幾伏，這使其成爲示波器探頭接地的不安全連接點。

隔離變壓器主要用於(yú)對 SMPS 的初級區段進行電氣隔離。一經隔離，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，從而消除瞭(le)初級電路發生短路的可能性。

當多個設備(bèi)（每個設備(bèi)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於(yú)診斷和糾正接地回路非常有用。

變(biàn)壓器允許隔離接地，以查看哪些設備(bèi)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到所連接設備或從設備傳回線路的高頻噪聲。這是由於(yú)變壓器的串聯電感和接地的法拉第屏蔽，後者減少瞭(le)變壓器兩端的電容耦合。

總結

隔離變壓器可将連接至次級繞組的設備(bèi)與初級繞組上的交流電源隔離，因此允許重新定義次級設備(bèi)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。這些器件對於(yú)測試電源相關的設備(bèi)非常有用。

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