De basisprincipes van isolatietransformators en hoe ze te selecteren en te gebruiken

Traditionele eenfasige elektriciteitsbedrading bestaat uit een hete draad, een neutrale draad en een aarddraad. Wanneer meerdere, fysiek gescheiden apparaten een gemeenschappelijke voedingslijn delen, is het mogelijk dat er aardlussen ontstaan doordat de apparaten verschillende aardpotentialen hebben. Deze aardlussen zijn vooral problematisch in medische apparatuur en kunnen problemen opleveren bij het testen van apparatuur. Voor ontwerpers is het moeilijk om aardlussen te meten bij apparaten die gebruik maken van gelijkgerichte netspanningen. Geaarde testapparatuur, zoals oscilloscopen, kan onbedoeld kortsluiting veroorzaken in de voedingen van deze apparaten. Ook kan hoogfrequente ruis meeliften op wisselstroomleidingen, wat problemen kan veroorzaken voor gevoelige transducers en instrumenten.

Al deze problemen kunnen worden vermeden door de juiste toepassing van scheidingstransformatoren tussen de stroomingang en het toestel.

Scheidingstransformatoren zorgen voor scheiding van de aardaansluiting van de voedingslijn om aardlussen en onbedoelde aarding van testapparatuur te voorkomen. Zij onderdrukken ook hoogfrequent geluid dat op de stroombron inwerkt.

In dit artikel worden de kenmerken, selectiecriteria en toepassing van scheidingstransformatoren besproken aan de hand van voorbeeldapparaten van Hammond Manufacturing, Bel/Signal Transformer en Triad Magnetics.

Hoe isolatietransformatoren werken

Isolatietransformatoren zorgen voor galvanische scheiding tussen de wisselstroomleidingen (netspanning) en het gevoede apparaat. Dat betekent dat er geen gelijkstroom is tussen de twee wikkelingen. Zij dienen drie hoofddoelen:

• De eerste is het isoleren van de secundaire van aarde
• De tweede is het op- of afschakelen van netspanningen
• De derde is het verminderen van lijnruis die wordt doorgegeven van de primaire naar de secundaire of vice versa

Isolatietransformatoren zijn om te beginnen transformatoren, en zij hebben de gemeenschappelijke kenmerken van transformatoren (figuur 1). De primaire en secundaire wikkelingen zijn gewikkeld op een gemeenschappelijke ferromagnetische kern.

Figuur 1: Het schema van een eenvoudige vermogenstransformator bestaande uit een primaire wikkeling van_NP-windingen en een secundaire wikkeling van_NS-windingen op een gemeenschappelijke ferromagnetische kern. (Bron afbeelding: DigiKey)

In de figuur heeft de primaire wikkeling_NP wikkelingen om de kern gewikkeld en de secundaire wikkeling_NS wikkelingen. De relatie tussen de primaire (_VP) en secundaire spanning (_VS) wordt weergegeven in vergelijking 1:

Vergelijking 1

Als er meer windingen zijn op de primaire dan op de secundaire, zal de spanning op de secundaire lager zijn dan die op de primaire. Dit is een step-down configuratie. Als het aantal windingen op de primaire kleiner is dan het aantal windingen op de secundaire, dan zal de secundaire spanning hoger zijn dan die op de primaire, wat resulteert in een step-up configuratie. De meeste scheidingstransformatoren hebben hetzelfde aantal primaire en secundaire windingen, zodat de primaire en secundaire spanningen gelijk zijn.

In transformatoren blijft energie behouden, zodat, als we verliezen buiten beschouwing laten, het product van de_VP en de primaire stroom (_IP) gelijk zal zijn aan het product van de_VS en de secundaire stroom (_IS). Transformatoren worden gewaardeerd aan de hand van het product van de RMS-spanning van de primaire maal de RMS primaire stroom. Dit is het "schijnbaar vermogen" en het wordt gemeten in eenheden van volt-ampère, of VA.

De stippen op het schema zijn faseringsstippen die de primaire en secundaire stroomrichtingen aangeven. Stroom die in de primaire puntzijde van de wikkeling vloeit, resulteert in een secundaire stroom die uit de puntzijde van de wikkeling komt, zoals in het diagram is aangegeven. Dit is belangrijk als de wikkelingen in serie of parallel moeten worden geplaatst. Het niet in acht nemen van de fasering van de wikkeling kan tot fouten leiden.

Het Faraday-schild is een elektrostatisch schild dat de capaciteit tussen de primaire en secundaire wikkelingen vermindert en in het algemeen geaard is. De afscherming vermindert de amplitude van common-mode ruis en transiënten door de transformator.

De primaire en secundaire wikkelingen in de scheidingstransformator zijn sterk geïsoleerd om de directe geleiding tussen beide te minimaliseren. De maatstaf voor de doeltreffendheid van deze isolatie is de lekstroom. De meeste scheidingstransformatoren worden ook getest met hoogpotentiaal- of hoogpotentesters. Deze zetten een hoge spanning over de isolatie en controleren op stroomlekkage.

De fysieke structuur van de scheidingstransformator kan verschillende vormen aannemen, waaronder een schelpvormige structuur (figuur 2). Hier worden de primaire en secundaire wikkelingen concentrisch omwikkeld met een isolerende laag, en wordt het Faraday-schild tussen de twee lagen aangebracht.

Figuur 2: Uitsnede van een scheidingstransformator met een schelpvormige constructie waarbij de primaire en secundaire wikkelingen concentrisch met een isolatielaag zijn omwikkeld, en het Faraday-schild tussen de twee lagen is aangebracht. (Afbeelding bron DigiKey)

Het Faraday-schild kan worden uitgevoerd als een folielaag of als een dicht bij elkaar liggende wikkeling, zoals afgebeeld. Aarding geschiedt in het algemeen aan de primaire zijde, naar een aarde-aarde. Aangezien voor de primaire en secundaire wikkelingen reeds geëmailleerde draad wordt gebruikt, wordt deze constructie "dubbel geïsoleerd" genoemd.

Als alternatief kunnen de windingen naast elkaar op de kern worden geplaatst, in wat een "gesplitste spoel"-constructie wordt genoemd, of worden gewikkeld op een ringkern.

Commerciële scheidingstransformatoren

Isolatietransformatoren kunnen worden verdeeld met open frames of kunnen worden ingesloten in een afgeschermde structuur (figuur 3). De 171E scheidingstransformator van Hammond Manufacturing maakt gebruik van een afgeschermde behuizing. De eindafschermingen houden het magnetische veld van de transformator tegen, en dienen tevens om de pickup van velden buiten de transformator tot een minimum te beperken. Deze 500 VA, 1:1 transformator bevat ook pigtail, NEMA, drie-aderige geaarde ingangs- en uitgangsconnectoren, en een integrale overbelastingsstroomonderbreker.

Hoewel de aarde op de secundaire uitgangsconnector is aangesloten, zal deze in de meeste isolatietransformatortoepassingen niet worden gebruikt. Deze transformator heeft minder dan 60 microampère (µA) lekstroom tussen de primaire en secundaire bij zijn nominale ingangsspanning.

Figuur 3: Een voorbeeld van een scheidingstransformator met afschermkappen over de eindkappen van de transformator. (Bron afbeelding: Hammond Manufacturing)

De DU1/4 van Bel/Signal Transformer is een 250 VA scheidingstransformator die gebruik maakt van een open frame constructie en een dubbele set van multi-tapped wikkelingen heeft. Er zijn twee primaire en twee secundaire wikkelingen (figuur 4).

Figuur 4: De Bel/Signal Transformator DU1/4 is een open frame scheidingstransformator met een dubbele set van getapte primaire en secundaire wikkelingen. (Foto bron: Bel/Signal Transformer)

De primaire en secundaire wikkelingen zijn identiek nominaal op 0, 104, 110, en 120 volt. Dit maakt serie- of parallelle aansluitingen mogelijk op zowel primaire als secundaire. Daarom kan een nominale 1:1 verhouding worden gehandhaafd voor ingangen van 110 of 220 volt. Een step-up transformator van 110 volt naar 220 volt of een step-down transformator van 220 volt naar 110 volt kan ook worden geconfigureerd. Bovendien maken de multi-tap wikkelingen tussenliggende spanningsbereiken mogelijk, zoals 208 volt, 214 volt, of 230 volt (figuur 5).

De stroomaansluitingen voor deze transformator zijn door middel van schroefklemmen.

Figuur 5: De dubbele wikkeling van de DU1/4 maakt vele mogelijke bedradingsconfiguraties mogelijk, waaronder 1:1, 2:1, 1:2 spanningsverhoudingen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Als de primaire en secundaire elk in serie zijn geschakeld, heeft de transformator een spanningsverhouding van 1:1 voor een ingangsspanning van 220 volt. Als de primaire en secundaire wikkelingen parallel worden bedraad, resulteert dit in een spanningsverhouding van 1:1 voor 110 volt met tweemaal de beschikbare stroom in vergelijking met een enkele wikkeling. Indien de primaire spanningen in serie worden geplaatst en de secundaire parallel, wordt de primaire spanning met een factor twee verlaagd. Als de secundaire in serie wordt geschakeld en de primaire parallel, dan wordt een 2:1 step-up gerealiseerd.

Medisch isolement

Isolatietransformatoren bestemd voor medische toepassingen moeten voldoen aan strengere eisen ten aanzien van lekstromen. Er zijn maximale lekstroom specificaties voor aard- of aardlek, behuizingslek en patiëntlek. Aardlek verwijst naar lekstromen in de aardkabel van een toestel. Omhullingsstromen beschrijven stromen die van een bloot geleidend oppervlak naar de aarde vloeien via een andere geleider dan de aardkabel. Lekkage bij de patiënt is de stroom die door een patiënt naar de aarde loopt wanneer deze normaal op het toestel is aangesloten. De meeste toestellen in deze categorie zijn gecertificeerd volgens UL/IEC 60601-1.

Model MD-500-U van Triad Magnetics is een 500 VA scheidingstransformator voor medische toepassingen (figuur 6). Deze transformator is gecertificeerd door Underwriters Laboratories (UL) onder specificatie UL 60601-2 en heeft een lekstroom van 10 µA typisch en minder dan 50 µA maximum.

Figuur 6: De MD-500-U is een 500 VA scheidingstransformator geschikt voor medische toepassingen. Hij heeft een lekstroom van 10 µA (typisch) en maakt gebruik van een ringkerntransformator om hem compact te houden en strooivelden tot een minimum te beperken. (Afbeelding bron: Triad Magnetics)

De MD-500-U maakt gebruik van een ringkerntransformator die strooivelden minimaliseert en de efficiëntie maximaliseert terwijl de afmetingen tot een minimum beperkt blijven. Zoals de meeste zelfstandige medische transformatoren is hij veilig opgeborgen in een stalen behuizing met integrale zekeringen en een thermische afsluitschakelaar.

Een typische toepassing van een scheidingstransformator

De meest gebruikelijke toepassing van een scheidingstransformator is het isoleren van een apparaat van de AC-lijnaarde. Een voorbeeld van waarom dit nodig kan zijn, is de geschakelde stroomvoorziening (SMPS). Een typische lijngevoede SMPS heeft diverse veiligheidsaspecten (figuur 7).

Figuur 7: Het schema van een SMPS met de circuitgedeelten die aan massa zijn gekoppeld en die welke dat niet zijn. (Bron afbeelding: DigiKey)

Dit is een lijngevoede voeding die gebruik maakt van flyback topologie. De primaire zijde van de schakeling, aangegeven in de gele markering, gelijkricht de ingangsspanning van de lijn (netspanning) en past deze toe op de primaire rails. Dit betekent dat de spanningsniveaus die zich voordoen tussen de hoog- en laagspanningsrails ongeveer 170 volt bedragen voor een 120 volt lijn, en ongeveer 340 volt voor een 240 volt lijn. Deze gelijkgerichte lijnspanning wordt opgeslagen in de primaire opslagcondensator, C2.

Merk op dat de primaire en secundaire secties van de voeding elektrisch geïsoleerd zijn door de flybacktransformator, L2, en de optisch geïsoleerde coupler, Q4. Terwijl het secundaire gedeelte aan de negatieve (-) uitgangsklem met massa is verbonden, is het primaire gedeelte niet geaard. Deze toestand wordt problematisch bij het gebruik van instrumenten met een geaarde ingang, zoals oscilloscopen, voor het opsporen van storingen. Het aansluiten van de massa-aansluiting van een scoopsonde op de componenten in de primaire zijde van de voeding kan kortsluiting veroorzaken met schade aan de primaire componenten en de oscilloscoop als gevolg.

De lage primaire rail in de voeding is verbonden met de nulleider van de AC-lijn. Hoewel de nulleider bij de hoofdingang met massa is verbonden, kan hij tegen de tijd dat hij de SMPS-ingang bereikt, enkele volts boven de aarde staan, waardoor het een onveilig aansluitpunt voor een scoopsondeaarde wordt.

Het doel van de scheidingstransformator is het primaire gedeelte van de SMPS elektrisch te isoleren. Eenmaal geïsoleerd, is het mogelijk de aardzijde van een sonde overal in het primaire circuit aan te sluiten. Dit plaatst de massareferentie op het punt waarop de massaklem is aangesloten, waardoor de mogelijkheid van kortsluiting van de primaire wordt geëlimineerd.

Dezelfde aardingsisolatie maakt scheidingstransformatoren nuttig bij het diagnosticeren en corrigeren van aardlussen wanneer meerdere apparaten, elk met een eigen aardretourpad, met elkaar zijn verbonden.

De transformator(en) maakt het mogelijk de massa's te isoleren om te zien welke apparaten de bron zijn van de aardlekstroom.

Isolatietransformatoren verminderen ook de overdracht van hoogfrequente ruis van de lijn naar het aangesloten apparaat of van het apparaat terug naar de lijn. Dit is te danken aan de seriële inductie van de transformator en het geaarde Faraday-schild, dat de capacitieve koppeling over de transformator vermindert.

Conclusie

Door apparaten die op de secundaire wikkeling zijn aangesloten te isoleren van de wisselstroombron op de primaire, maken scheidingstransformatoren een herdefinitie mogelijk van het referentievlak op de secundaire apparaten. Hierdoor kunnen ook lekstromen worden omgeleid en beheerst. Tegelijkertijd minimaliseren zij de overdracht van hoogfrequente harmonischen en ruis. Zij zijn uiterst nuttig voor het testen van stroomgerelateerde toestellen.