Die Grundlagen von Isolationstransformatoren und wie man sie auswählt und verwendet

Traditionelle einphasige Stromverdrahtung besteht aus einem heißen Draht, einem Nullleiter und einem Erdleiter. Wenn sich mehrere, physisch getrennte Geräte eine gemeinsame Stromleitung teilen, ist es möglich, Erdschleifen zu erzeugen, da die Geräte unterschiedliche Massepotenziale haben. Diese Erdschleifen sind besonders bei medizinischen Geräten problematisch und können bei der Geräteprüfung störend sein. Für Konstrukteure ist es schwierig, Erdschleifen mit Geräten zu messen, die gleichgerichtete Netzspannungen verwenden. Geerdete Testgeräte, wie z.B. Oszilloskope, können in diesen Geräten versehentlich Stromversorgungen kurzschließen. Außerdem kann hochfrequentes Rauschen über Wechselstromleitungen übertragen werden, was zu Problemen für empfindliche Messwandler und Instrumente führen kann.

All diese Probleme lassen sich durch den richtigen Einsatz von Isolationstransformatoren zwischen dem Leistungseingang und dem Gerät vermeiden.

Isolationstransformatoren sorgen für eine Trennung von der Erdungsverbindung der Stromleitung, um Erdschleifen und versehentliche Erdung von Prüfgeräten zu vermeiden. Sie unterdrücken auch hochfrequentes Rauschen, das über die Stromquelle übertragen wird.

In diesem Artikel werden die Eigenschaften, Auswahlkriterien und die Anwendung von Isolationstransformatoren anhand von Beispielgeräten aus Hammond Manufacturing, Bel/Signaltransformator und Triad Magnetics diskutiert.

Wie Isolationstransformatoren funktionieren

Isolationstransformatoren sorgen für eine galvanische Trennung zwischen den Wechselstromleitungen (Netz) und dem gespeisten Gerät. Das bedeutet, dass es keinen Gleichstrompfad zwischen den beiden Wicklungen gibt. Sie dienen drei Hauptzwecken:

• Die erste ist die Isolierung des Sekundärteils vom Boden (Erde)
• Die zweite ist die Aufwärts- oder Abwärtswandlung von Netzspannungen.
• Die dritte besteht darin, das Leitungsrauschen zu reduzieren, das von der Primär- zur Sekundärleitung oder umgekehrt übertragen wird.

Zunächst einmal sind Isolationstransformatoren Transformatoren, und sie haben die gemeinsamen Merkmale von Transformatoren (Abbildung 1). Primär- und Sekundärwicklungen sind auf einen gemeinsamen ferromagnetischen Kern gewickelt.

Abbildung 1: Das Schema eines einfachen Leistungstransformators, bestehend aus einer Primärwicklung aus N_P Windungen und einer Sekundärwicklung aus N_S Windungen auf einem gemeinsamen ferromagnetischen Kern. (Bildquelle: DigiKey)

In der Abbildung ist die Primärwicklung mit N_P Windungen um den Kern gewickelt und die Sekundärwicklung mit N_S Windungen. Die Beziehung zwischen der Primärspannung (V_P) und der Sekundärspannung (V_S) ist in Gleichung 1 dargestellt:

 Gleichung 1

Wenn auf der Primärseite mehr Windungen als auf der Sekundärseite vorhanden sind, dann ist die Spannung auf der Sekundärseite geringer als die auf der Primärseite. Dies ist eine Step-down-Konfiguration. Wenn die Anzahl der Windungen auf der Primärseite kleiner als die Anzahl der Windungen auf der Sekundärseite ist, dann ist die Sekundärspannung höher als die auf der Primärseite, was zu einer Step-up-Konfiguration führt. Die meisten Isolationstransformatoren haben die gleiche Anzahl von Primär- und Sekundärwindungen, so dass die Primär- und Sekundärspannungen gleich sind.

In Transformatoren wird Energie gespart, so dass, wenn wir die Verluste ignorieren, das Produkt aus V_P und dem Primärstrom (I_P) gleich dem Produkt aus V_S und Sekundärstrom (I_S) ist. Die Bemessung von Transformatoren erfolgt durch das Produkt aus der Effektivwertspannung der Primärwicklung und dem Effektivwert des Primärstroms. Dies ist die "Scheinleistung" und wird in Einheiten von Volt-Ampere oder VA gemessen.

Die Punkte auf dem Schema sind Phasenpunkte, die die primäre und sekundäre Stromrichtung anzeigen. Strom, der in die primäre Punktseite der Wicklung fließt, führt zu einem Sekundärstrom, der aus der Punktseite der Wicklung austritt, wie in der Abbildung dargestellt. Dies ist wichtig, wenn Wicklungen in Reihe oder parallel geschaltet werden sollen. Die Nichtbeachtung der Phasenlage der Wicklung kann zu Fehlern führen.

Der Faraday-Schirm ist ein elektrostatischer Schirm, der die Kapazität zwischen der Primär- und Sekundärwicklung verringert und im Allgemeinen geerdet ist. Die Abschirmung reduziert die Amplitude von Gleichtaktstörungen und Transienten durch den Transformator.

Die Primär- und Sekundärwicklungen im Isolationstransformator sind hoch isoliert, um die direkte Leitung zwischen ihnen zu minimieren. Das Maß für die Wirksamkeit dieser Isolierung ist der Ableitstrom. Die meisten Isolationstransformatoren werden auch mit Hochpotential- oder Hi-Pot-Testern geprüft. Diese legen eine hohe Spannung über die Isolierung an, während sie auf Kriechstrom prüfen.

Die physikalische Struktur des Isolationstransformators kann verschiedene Formen annehmen, einschließlich einer Schalenstruktur (Abbildung 2). Hier werden die Primär- und Sekundärwicklungen konzentrisch mit einer Isolierschicht umwickelt und der Faradaysche Schild zwischen den beiden Schichten eingefügt.

Abbildung 2: Schnittansicht eines Isolationstransformators in Schalenbauweise, bei dem die Primär- und Sekundärwicklungen konzentrisch mit einer Isolierschicht umwickelt sind und der Faraday-Schirm zwischen den beiden Schichten eingefügt ist. (Bildquelle DigiKey)

Der Faraday-Schild kann als Folienschicht oder als eng beieinander liegende Wicklung ausgeführt werden, wie gezeigt. Die Erdung erfolgt im Allgemeinen auf der Primärseite, an einer Erdung. Da für die Primär- und Sekundärwicklungen bereits Lackdraht verwendet wird, nennt man diese Konstruktion "doppelt isoliert".

Alternativ können die Wicklungen nebeneinander auf den Kern gelegt werden, in so genannter "Spulenkörper"-Konstruktion, oder auf einen Ringkern gewickelt werden.

Kommerzielle Isolationstransformatoren

Isolationstransformatoren können mit offenen Rahmen verteilt oder in einer abgeschirmten Struktur eingeschlossen werden (Abbildung 3). Der 171E Isolationstransformator von Hammond Manufacturing verwendet ein abgeschirmtes Gehäuse. Die Endkappenabschirmungen enthalten das Magnetfeld des Transformators und dienen auch dazu, die Aufnahme von Feldern außerhalb des Transformators zu minimieren. Dieser 1:1-Transformator mit 500 VA enthält außerdem Pigtail-, NEMA-, dreidrahtige geerdete Eingangs- und Ausgangsanschlüsse und einen integrierten Überlastschalter.

Obwohl die Masse mit dem sekundären Ausgangsanschluss verdrahtet ist, wird sie in den meisten Isolationstransformator-Anwendungen nicht verwendet. Dieser Transformator hat bei seiner Nenneingangsspannung einen Leckstrom von weniger als 60 Mikroampere (µA) zwischen Primär- und Sekundärseite.

Abbildung 3: Ein Beispiel für einen Isolationstransformator mit Schirmabdeckungen über den Endkappen des Transformators. (Bildquelle: Hammond Manufacturing)

Bei dem DU1/4 von Bel/Signal Transformer handelt es sich um einen 250 VA Isolationstransformator, der eine offene Rahmenkonstruktion mit einem doppelten Satz mehrfach angezapfter Wicklungen verwendet. Es gibt zwei Primär- und zwei Sekundärwicklungen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Der Bel/Signal-Transformator DU1/4 ist ein offener Trenntransformator mit einem doppelten Satz angezapfter Primär- und Sekundärwicklungen. (Image source: Bel/Signal Transformer)

Die Primär- und Sekundärwicklungen sind bei 0, 104, 110 und 120 Volt identisch ausgelegt. Dies ermöglicht Serien- oder Parallelschaltungen auf der Primär- oder Sekundärseite. Daher kann ein nominales Verhältnis von 1:1 für Eingänge von entweder 110 oder 220 Volt beibehalten werden. Es kann auch ein Aufwärtstransformator von 110 Volt auf 220 Volt oder ein Abwärtstransformator von 220 Volt auf 110 Volt konfiguriert werden. Darüber hinaus ermöglichen die Mehrfachanschlusswicklungen Zwischenspannungswerte wie 208 Volt, 214 Volt oder 230 Volt (Abbildung 5).

Die Leistungsanschlüsse für diesen Transformator erfolgen über Schraubklemmen.

Abbildung 5: Die doppelte Wicklung des DU1/4 erlaubt viele mögliche Verdrahtungskonfigurationen einschließlich Spannungsverhältnisse von 1:1, 2:1, 1:2. (Bildquelle: DigiKey)

Wenn Primär- und Sekundärseite jeweils in Reihe geschaltet sind, hat der Transformator ein Spannungsverhältnis von 1:1 für einen 220-Volt-Eingang. Wenn die Primär- und Sekundärwicklung jeweils parallel geschaltet sind, ergibt sich ein Spannungsverhältnis von 1:1 für 110 Volt mit dem doppelten verfügbaren Strom im Vergleich zu einer einzelnen Wicklung. Wenn die Primären in Reihe und die Sekundären parallel geschaltet sind, wird die Primärspannung um den Faktor zwei heruntergesetzt. Wenn die Sekundärseite in Serie und die Primärseite parallel geschaltet ist, wird ein 2:1 Step-up realisiert.

Medizinische Isolation

Isolationstransformatoren, die für medizinische Anwendungen bestimmt sind, müssen strengere Anforderungen in Bezug auf Ableitströme erfüllen. Es gibt maximale Ableitstrom-Spezifikationen für Erd- oder Erdableitung, Gehäuseableitung und Patientenableitung. Erdableitung bezieht sich auf Ableitströme in der Erdleitung eines Geräts. Gehäuseströme beschreiben Ströme, die von einer freiliegenden leitenden Oberfläche über einen anderen Leiter als die Erdungsleitung zur Erde fließen. Patientenleckstrom ist Strom, der durch einen Patienten zur Erde fließt, wenn er normal an das Gerät angeschlossen ist. Die meisten Geräte in dieser Kategorie sind nach UL/IEC 60601-1 zertifiziert.

Triad Magnetics' Modell MD-500-U ist ein 500 VA Isolationstransformator, der für medizinische Anwendungen ausgelegt ist (Abbildung 6). Dieser Transformator ist von Underwriters Laboratories (UL) nach der Spezifikation UL 60601-2 zertifiziert und hat einen typischen Leckstrom von 10 µA und einen maximalen Leckstrom von weniger als 50 µA.

Abbildung 6: Der MD-500-U ist ein 500 VA Isolationstransformator, der für medizinische Anwendungen ausgelegt ist. Er hat einen Leckstrom von 10 µA (typisch) und verwendet einen Ringkerntransformator, um ihn kompakt zu halten und Streufelder zu minimieren. (Bildquelle: Triad Magnetics)

Das MD-500-U verwendet einen Ringkerntransformator, der Streufelder minimiert und den Wirkungsgrad bei minimaler Größe maximiert. Wie die meisten eigenständigen medizinischen Transformatoren ist er sicher in einem Stahlgehäuse mit integrierten Sicherungen und einem thermischen Trennschalter untergebracht.

Eine typische Trenntransformator-Anwendung

Die häufigste Anwendung für einen Trenntransformator ist die Isolierung eines Geräts von der Masse der Wechselstromleitung. Ein Beispiel dafür, warum dies notwendig sein kann, ist das Schaltnetzteil (SMPS). Ein typisches netzgespeistes Schaltnetzteil weist mehrere sicherheitsbezogene Bedenken auf (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der Schaltplan eines Schaltnetzteils mit den Schaltungsbereichen, die massebezogen sind, und denen, die nicht massebezogen sind. (Bildquelle: DigiKey)

Es handelt sich um ein netzgespeistes Netzteil mit Flyback-Topologie. Die gelb hinterlegte Primärseite des Schaltkreises wirkt als Vollweggleichrichter der Eingangsspannung (Netzspannung) und gibt diese an die Primärschienen ab. Das bedeutet, dass die zwischen der Hoch- und Niederspannungsschiene auftretenden Spannungspegel etwa 170 Volt für eine 120-Volt-Leitung und etwa 340 Volt für eine 240-Volt-Leitung betragen. Diese gleichgerichtete Netzspannung wird im Primärspeicherkondensator C2 gespeichert.

Beachten Sie, dass der primäre und der sekundäre Abschnitt des Netzteils durch den Sperrwandler L2 und den optisch isolierten Koppler Q4 elektrisch isoliert sind. Während der Sekundärteil an der negativen (-) Ausgangsklemme mit Masse verbunden ist, ist der Primärteil nicht geerdet. Dieser Zustand wird dann problematisch, wenn zur Fehlersuche geerdete Eingabeinstrumente wie Oszilloskope verwendet werden. Wird die Masseverbindung einer Oszilloskop-Messspitze mit der Primärseite des Netzteils verbunden, kann dies zu einem Kurzschluss mit entsprechenden Schäden an den Primärkomponenten wie am Oszilloskop führen.

Die niedrige Primärschiene in der Versorgung ist mit dem Neutralleiter des AC-Netzes verbunden. Obwohl der Neutralleiter am Serviceeingang mit der Erde verbunden ist, kann er, wenn er den SMPS-Eingang erreicht, mehrere Volt über der Erde liegen, was ihn zu einem unsicheren Verbindungspunkt für die Erdung einer Oszilloskop-Sonde macht.

Der Trenntransformator dient dazu, den primären Abschnitt des Schaltnetzteils elektrisch zu isolieren. Nach der Isolierung ist es möglich, die Masseseite einer Messspitze mit einem beliebigen Punkt des Primärschaltkreises zu verbinden. Dadurch wird die Erdungsreferenz an dem Punkt platziert, mit dem die Erdungsklammer verbunden ist, wodurch die Möglichkeit eines Kurzschlusses des Primärteils ausgeschlossen wird.

Dieselbe Erdungsisolationsfähigkeit macht Isolationstransformatoren bei der Diagnose und Korrektur von Erdschleifen nützlich, wenn mehrere Geräte, die jeweils einen eigenen Erdungsrückweg haben, miteinander verbunden sind.

Der (die) Transformator(en) ermöglicht (ermöglichen) die Isolierung der Erdung, um zu sehen, welche Geräte die Quelle des Erdableitstroms sind.

Isolationstransformatoren reduzieren auch hochfrequente Störungen, die entweder von der Leitung zum angeschlossenen Gerät oder vom Gerät zurück in die Leitung übertragen werden. Dies ist auf die Reiheninduktivität des Transformators und die geerdete Faraday-Abschirmung zurückzuführen, die die kapazitive Kopplung über den Transformator reduziert.

Fazit

Durch die Trennung der an seine Sekundärwicklung angeschlossenen Geräte von der Wechselstromquelle auf der Primärseite ermöglichen Isolationstransformatoren eine Neudefinition der Bezugsebene auf den Sekundärgeräten. Dies ermöglicht auch die Umleitung und Kontrolle von Ableitströmen. Gleichzeitig minimieren sie die Übertragung von hochfrequenten Oberwellen und Rauschen. Sie sind immens nützlich für die Prüfung leistungsbezogener Geräte.