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Principi base dei trasformatori di isolamento, come sceglierli e usarli

Di Art Pini

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Il tradizionale cablaggio di un sistema monofase è composto da tre conduttori: uno di fase, uno di neutro e uno di terra. Quando più dispositivi fisicamente separati condividono la stessa linea di alimentazione, è possibile che si creino anelli di massa perché i dispositivi hanno potenziali di terra diversi. Questi anelli possono essere particolarmente problematici nei dispositivi medici e possono generare guasti durante il test del dispositivo. Per i progettisti è difficile misurare gli anelli di massa con dispositivi che utilizzano tensioni di linea rettificate. Le apparecchiature di test con messa a terra, come gli oscilloscopi, potrebbero mandare in cortocircuito gli alimentatori di questi dispositivi. Inoltre, il rumore ad alta frequenza può viaggiare sulle linee di alimentazione in c.a. causando problemi a trasduttori e strumenti sensibili.

Per evitare questi inconvenienti, occorre installare correttamente un trasformatore di isolamento tra l'ingresso dell'alimentazione e il dispositivo.

I trasformatori di isolamento forniscono la separazione dal collegamento a terra della linea di alimentazione per eliminare gli anelli di massa e la messa a terra accidentale delle apparecchiature di test. Sopprimono anche il rumore ad alta frequenza che si propaga alla fonte di alimentazione.

Questo articolo illustra le caratteristiche, i criteri di selezione e l'applicazione dei trasformatori di isolamento utilizzando dispositivi di esempio di Hammond Manufacturing, Bel/Signal Transformer e Triad Magnetics.

Come funzionano i trasformatori di isolamento

I trasformatori di isolamento assicurano l'isolamento galvanico tra le linee di alimentazione in c.a. (rete elettrica) e il dispositivo alimentato (utilizzatore). Ciò significa che non esiste un percorso c.c. tra i due avvolgimenti. Assolvono tre scopi principali:

  • Il primo è l'isolamento del secondario da terra
  • Il secondo è quello di fornire lo step-up o step-down delle tensioni della rete elettrica
  • Il terzo è quello di ridurre il rumore di linea trasmesso dal primario al secondario o viceversa

I trasformatori di isolamento sono a tutti gli effetti dei trasformatori e, in quanto tali, hanno le stesse caratteristiche (Figura 1). Gli avvolgimenti primario e secondario sono bobinati su un nucleo ferromagnetico comune.

Schema di un semplice trasformatore di alimentazioneFigura 1: Lo schema di un semplice trasformatore di alimentazione composto da un avvolgimento primario di NP spire e un avvolgimento secondario di NS spire su un nucleo ferromagnetico comune. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Nella figura, l'avvolgimento primario ha NP spire avvolte attorno al nucleo e l'avvolgimento secondario ha NS spire. La relazione tra la tensione primaria (VP) e quella secondaria (VS) è illustrata nell'Equazione 1:

Equazione 1 Equazione 1

Se sul primario ci sono più spire che sul secondario, la tensione nel secondario sarà inferiore a quella nel primario. In questo caso si tratta di una configurazione step-down. Se il numero di spire sul primario è inferiore a quello sul secondario, la tensione secondaria sarà superiore a quella nel primario e si avrà una configurazione step-up. La maggior parte dei trasformatori di isolamento ha lo stesso numero di spire sul primario e sul secondario, per cui la tensione primaria e quella secondaria sono identiche.

Nei trasformatori ideali (senza considerare le perdite), per il principio di conservazione dell'energia il prodotto di VP per la corrente primaria (IP) sarà uguale al prodotto di VS per la corrente secondaria (IS). I trasformatori sono classificati in base al prodotto della tensione efficace del primario moltiplicato per la corrente primaria efficace. Questa è la "potenza apparente" e si misura in unità volt-ampere, o VA.

Quelli sullo schema sono punti di messa in fase che mostrano la direzione della corrente primaria e secondaria. La corrente che scorre nel lato del punto primario dell'avvolgimento produce l'uscita di una corrente secondaria dal lato del punto dell'avvolgimento come mostrato nello schema. Questo è importante se gli avvolgimenti devono essere posizionati in serie o in parallelo. La mancata osservanza della messa in fase dell'avvolgimento può causare errori.

Lo scudo di Faraday è uno schermo elettrostatico che riduce la capacità elettrica tra l'avvolgimento primario e quello secondario ed è in genere messa a terra. Questo scudo riduce l'ampiezza del rumore di modo comune e dei transitori che attraversano il trasformatore.

Gli avvolgimenti primario e secondario nel trasformatore di isolamento sono altamente isolati per ridurre al minimo la conduzione diretta tra di essi. L'efficacia di questo isolamento la si vede dalla corrente di dispersione. La maggior parte dei trasformatori di isolamento viene testata utilizzando anche tester ad alto potenziale che applicano una tensione elevata attraverso l'isolamento e controllano la dispersione di corrente.

La struttura fisica del trasformatore di isolamento può avere diverse forme, compresa una struttura a guscio (Figura 2). Qui, gli avvolgimenti primario e secondario sono avvolti in modo concentrico con uno strato isolante e lo scudo di Faraday è inserito tra i due strati.

Vista in sezione di un trasformatore di isolamento con una struttura a guscioFigura 2: Vista in sezione di un trasformatore di isolamento con una struttura a guscio in cui gli avvolgimenti primario e secondario sono avvolti in modo concentrico con uno strato isolante e lo scudo di Faraday è inserito tra i due strati. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Lo scudo di Faraday può essere implementato come strato in lamina o come avvolgimento a distanza ravvicinata, come mostrato in figura. La messa a terra si trova in genere sul lato primario. Dato che gli avvolgimenti primario e secondario utilizzano già filo smaltato, questa costruzione è detta "a doppio isolamento".

In alternativa, gli avvolgimenti possono essere posizionati affiancati sul nucleo, in quella che viene definita costruzione a "bobina divisa" o avvolti su un nucleo toroidale.

Trasformatori di isolamento commerciali

I trasformatori di isolamento possono essere a telaio aperto oppure possono essere racchiusi in una struttura schermata (Figura 3). Il trasformatore di isolamento 171E di Hammond Manufacturing utilizza un involucro schermato. Gli scudi terminali di copertura contengono il campo magnetico del trasformatore e servono anche a ridurre al minimo il punto di attacco da campi esterni al trasformatore. Questo trasformatore da 500 VA, 1:1, include anche un ponticello flessibile, NEMA, connettori di ingresso e di uscita con messa a terra a tre fili e un interruttore automatico integrato di sovraccarico.

Anche se la terra è collegata al connettore di uscita secondario, non sarà utilizzata nella maggior parte delle applicazioni con trasformatori di isolamento. Questo trasformatore ha meno di 60 µA di corrente di dispersione tra primario e secondario alla sua tensione nominale di ingresso.

Schema del trasformatore di isolamento con scudi schermanti sopra le coperture terminaliFigura 3: Esempio di un trasformatore di isolamento con scudi schermanti sopra le coperture terminali. (Immagine per gentile concessione di Hammond Manufacturing)

DU1/4 di Bel/Signal Transformer è un trasformatore di isolamento da 250 VA che utilizza una costruzione a telaio aperto con un doppio set di avvolgimenti a prese multiple. Presenta due avvolgimenti primari e due secondari (Figura 4).

Immagine del trasformatore di isolamento a telaio aperto DU1/4 di Bel/Signal TransformerFigura 4: DU1/4 di Bel/Signal Transformer è un trasformatore di isolamento a telaio aperto con un doppio set di avvolgimenti primari e secondari con prese. (Immagine per gentile concessione di Bel/Signal Transformer)

Gli avvolgimenti primari e secondari hanno capacità nominali identiche a 0, 104, 110 e 120 V. Questo permette collegamenti in serie o in parallelo sul primario e sul secondario. Pertanto, può essere mantenuto un rapporto 1:1 nominale per ingressi di 110 o 220 V. È anche possibile configurarlo come trasformatore step-up da 110 a 220 V o come step-down da 220 a 110 V. Inoltre, gli avvolgimenti a prese multiple consentono tensioni nominali intermedie di 208, 214 o 230 V (Figura 5).

I collegamenti di alimentazione per questo trasformatore sono realizzati con morsetti a vite.

Schema del doppio avvolgimento del trasformatore DU1/4 di Bel/Signal Transformer che offre numerose possibilità di configurazioni di cablaggioFigura 5: Il doppio avvolgimento del trasformatore DU1/4 offre numerose possibilità di configurazioni di cablaggio, tra cui rapporti di tensione 1:1, 2:1, 1:2. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Se il primario e il secondario sono cablati in serie, il trasformatore ha un rapporto di tensione 1:1 per un ingresso a 220 V. Se invece sono collegati in parallelo, il risultato è un rapporto di tensione 1:1 per 110 V con il doppio della corrente disponibile rispetto a un avvolgimento singolo. Se i primari sono disposti in serie e i secondari in parallelo, la tensione primaria viene ridotta di un fattore due. Se il secondario è cablato in serie e il primario in parallelo, si ottiene uno step-up 2:1.

Isolamento per applicazioni medicali

I trasformatori di isolamento destinati ad applicazioni medicali devono soddisfare requisiti più rigorosi in merito alle correnti di dispersione. Vigono specifiche di corrente di dispersione massima per la dispersione a terra, dell'involucro e del paziente. La dispersione a terra si riferisce alle correnti di dispersione nel cavo di massa di un dispositivo. Le correnti dell'involucro sono le correnti che corrono da una superficie conduttiva esposta a terra attraverso un conduttore diverso da quello di terra. La dispersione del paziente è la corrente che attraversa il paziente verso terra quando è collegato normalmente al dispositivo. La maggior parte dei dispositivi di questa categoria è certificata secondo UL/IEC 60601-1.

MD-500-U di Triad Magnetics è un modello trasformatore di isolamento da 500 VA per applicazioni medicali (Figura 6). È certificato da Underwriters Laboratories (UL) ai sensi della specifica UL 60601-2 e ha una corrente di dispersione tipica di 10 µA e inferiore al massimo di 50 µA.

Immagine del trasformatore di isolamento da 500 VA MD-500-U di Triad MagneticsFigura 6: MD-500-U è un trasformatore di isolamento da 500 VA per applicazioni medicali. Ha una corrente di dispersione di 10 µA (tipica) e utilizza un trasformatore toroidale a fini di compattezza e per ridurre al minimo i campi dispersi. (Immagine per gentile concessione di Triad Magnetics)

MD-500-U utilizza un trasformatore toroidale che riduce al minimo i campi dispersi e massimizza l'efficienza contenendo al minimo le dimensioni. Come la maggior parte dei trasformatori medicali autonomi, è contenuto in un involucro in acciaio con fusibili integrati e un interruttore di soglia termica.

Una tipica applicazione del trasformatore di isolamento

L'applicazione più comune per un trasformatore di isolamento è quella di isolare un dispositivo dalla terra della linea in c.a. Per spiegarne il motivo, si consideri come esempio l'alimentatore a commutazione (SMPS). Un tipico SMPS alimentato in linea solleva diversi problemi legati alla sicurezza (Figura 7).

Schema di un SMPS che mostra le aree del circuito con riferimento di massaFigura 7: Lo schema di un SMPS che mostra le aree del circuito con e senza riferimento di massa. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Questo è un alimentatore di linea che utilizza la topologia flyback. L'onda intera del lato primario del circuito, evidenziato in giallo, rettifica l'ingresso della linea (rete elettrica) e lo applica ai rail primari. Ciò significa che i livelli di tensione tra i rail di tensione alta e bassa sono di circa 170 V per una linea a 120 V e di circa 340 V per una linea a 240 V. Questa tensione di linea rettificata viene immagazzinata nel condensatore primario, C2.

Tenere presente che le sezioni primaria e secondaria dell'alimentazione sono isolate elettricamente dal trasformatore flyback, L2, e dall'accoppiatore a isolamento ottico, Q4. Mentre la sezione secondaria è collegata a terra al terminale di uscita negativo (-), quella primaria è priva di messa a terra. Questa condizione diventa problematica quando, per la risoluzione dei problemi, si impiegano strumenti con ingresso con messa a terra come gli oscilloscopi. Il collegamento a terra della sonda di un oscilloscopio ai componenti sul lato primario dell'alimentazione può provocare un cortocircuito con conseguenti danni ai componenti primari e all'oscilloscopio.

Il rail primario basso dell'alimentazione è collegato al neutro della linea in c.a. Sebbene la linea neutra sia collegata a terra sull'ingresso di servizio, quando raggiunge l'ingresso SMPS potrebbe essere di diversi volt sopra la terra, il che la rende un punto di connessione non sicuro per la messa a terra della sonda di un oscilloscopio.

Lo scopo del trasformatore di isolamento è quello di isolare elettricamente la sezione primaria dell'SMPS. Una volta isolata, è possibile collegare il lato terra di una sonda in qualsiasi punto del circuito primario. Questo pone il riferimento di massa in qualsiasi punto a cui sia collegato il morsetto di terra, eliminando la possibilità di cortocircuitare il primario.

Grazie a questa capacità di isolamento a terra i trasformatori di isolamento sono utili per la diagnosi e la correzione degli anelli di massa quando sono collegati fra loro più dispositivi, ognuno con il proprio percorso di ritorno di massa.

I trasformatori permettono di isolare le masse per vedere quali dispositivi sono la fonte della corrente di dispersione a terra.

I trasformatori di isolamento riducono anche il rumore ad alta frequenza che viene trasferito dalla linea al dispositivo collegato o viceversa. Ciò è dovuto all'induttanza in serie del trasformatore e allo scudo di Faraday a massa che riduce l'accoppiamento capacitivo attraverso il trasformatore.

Conclusione

Isolando i dispositivi collegati al suo avvolgimento secondario dalla sorgente c.a. sul primario, il trasformatore di isolamento permette di ridefinire il piano di riferimento sui dispositivi secondari. Questo consente a sua volta di reindirizzare e controllare le correnti di dispersione. Allo stesso tempo, riduce al minimo la trasmissione delle armoniche ad alta frequenza e del rumore. È estremamente utile per testare i dispositivi nell'ambito dell'alimentazione.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Art Pini

Arthur (Art) Pini è un autore che contribuisce ai contenuti di Digi-Key Electronics. Art ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso il City College di New York e un master in ingegneria elettrotecnica presso la City University di New York. Ha oltre 50 anni di esperienza nell'elettronica e ha lavorato in ruoli chiave di ingegneria e marketing presso Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek e Nicolet Scientific. È interessato nella tecnologia di misurazione e ha una vasta esperienza con oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di forme d'onda arbitrarie, digitalizzatori e contatori.

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