Wenn das Stromversorgungsnetz nicht vollständig stabil und frei von Rauschen ist und die Möglichkeit von Überspannungsspitzen, Hochfrequenzstörungen oder andauerndem Spannungsmangel bis hin zu häufigen Mikrounterbrechungen vorhersehbar ist, wäre die Installation verschiedener Filter und Schutzsysteme am Eingang eines Systems oder einer Anlage. Abhängig von der Art der vorhersehbaren oder aufgetretenen Störungen zeigt Abbildung 1 eine Reihe von Schutzvorrichtungen, die in Abhängigkeit von der Dauer der Störung und ihrer Amplitude in einem Gerät oder einer Anlage installiert werden müssen. Diese Störungen können durch atmosphärische Entladungen, das Öffnen und Schließen elektrischer Ladungen, schlechte Boden- und Erdverbindungstechniken, das Fehlen einer Erdverbindung, starke Funksender in der Nähe usw. verursacht werden...
Dieser Artikel konzentriert sich auf Trenntransformatoren (TDAs). Die TDAs können in mehreren Anwendungen verwendet werden: in der Hauptversorgung mit elektrischer Energie bei 50 Hz; unter anderem in Ausgangsübertragern in Stromrichtern oder als Teil von Schaltnetzteilen oder Präzisionsinstrumenten. Alle hier erläuterten Konzepte können auf alle Arten von ADD angewendet werden, unabhängig davon, wo sie verfügbar sind. Obwohl TDAs für Signal- oder Stromkreise mehr oder weniger groß sein können, konzentriert sich der Artikel der Einfachheit halber auf 50-Hz-Einphasen-TDAs, die am Leistungseingang der Ausrüstung angeordnet sind. In dieser Umgebung werden wir über Erdung sprechen. In anderen Umgebungen können die gleichen Auswirkungen der Masseverbindung in ADTs angewendet werden, indem die Masseverbindung durch die Verbindung zur internen Masse des Geräts ersetzt wird.
Ein Leistungstransformator ist für den Betrieb mit Wechselspannungen von 50 Hz mit einem Wirkungsgrad von fast 97 % ausgelegt. Offensichtlich ist der Wirkungsgrad dieser Art von Transformatoren bei hochfrequenten Störungen sehr unterschiedlich, da der Frequenzgang nicht gleichmäßig ist. Daher wird die Wellenform eines Störimpulses beeinflusst und verzerrt, wenn er durch den Transformator läuft.
Bei Transformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung magnetisch gekoppelt. Diese Konstruktion hat eine inhärente Isolierung zwischen der Primär- und der Sekundärseite. Daher ist jeder Trafo galvanisch getrennt. Das Design der Transformatoren impliziert eine große Nähe der Primär- und Sekundärseite, und daher treten zwischen diesen Wicklungen parasitäre Kapazitäten auf, die elektromagnetische Interferenzen (EMIs) koppeln können (Abbildung 2). Hier werden wir sehen, wie man diese parasitären Kapazitäten reduziert und somit die Isolation zwischen der Primär- und Sekundärseite der TDAs erhöht, um die Kopplung von EMIs zu reduzieren.
Typische TDAs enthalten mindestens eine Faraday-Abschirmung zwischen den beiden Wicklungen, um die EMIs, die elektrisch (kapazitiv) zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen gekoppelt würden, zur Erde abzuleiten. Der Mechanismus, durch den die elektrische Kopplung von EMIs auftritt, ist auf die parasitäre Kapazität zurückzuführen, die zwischen den Windungen beider Wicklungen in diesem Transformator ohne Faraday-Abschirmung vorhanden ist. Diese gleiche Kapazität begrenzt die maximale Frequenz des Bandpasses des Transformators auf die gleiche Weise, wie die untere Frequenzgrenze durch die gegenseitigen Induktivitäten des Transformators bestimmt wird. Wenn die Frequenz des Erregerstroms zunimmt, neigt die durch die Kapazität zwischen den Wicklungen verursachte Reaktanz, 1 / ωC, dazu, diese Ströme abzulenken, wodurch die Leistung bei hoher Frequenz begrenzt wird.
Die Faraday-Abschirmung steuert alle möglichen Probleme, die der kapazitiven Kopplung von EMIs durch den Transformator zugeschrieben werden könnten. Der Einbau einer Faraday-Abschirmung zwischen den Wicklungen eliminiert die parasitäre Kapazität zwischen ihnen, schafft aber auch zwei neue Kapazitäten zwischen der Abschirmung und jeder der Wicklungen. Diese Kapazitäten lassen hochfrequente Ströme in die Erdungssysteme sowohl der Primär- als auch der Sekundärwicklung fließen (Abbildung 3).
Transformatoren und EMIs
Transformatoren können abgestrahlte und leitungsgebundene EMI in ein System einspeisen. Anstatt auf den Transformatorkern beschränkt zu sein, kann seine Strahlung aufgrund seines magnetischen Streuflusses eine Quelle von EMI sein. Das Magnetfeld um den Transformator ist gerichtet. Dies minimiert EMIs zu anderen Komponenten, wenn sie in Bezug auf benachbarte Komponenten gut positioniert sind. Eine Verbesserung besteht darin, den Transformator in einen Gerätebereich zu verlegen, der weit genug von empfindlichen Komponenten entfernt ist. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Transformator mit reduzierten EMIs durch die Konstruktion zu konstruieren. Dies wird erreicht, indem der Transformator mit einer reduzierten Flussdichte ausgelegt wird, was eine Erhöhung der Windungszahl im Transformator oder eine Vergrößerung der Fläche seines Kerns impliziert. Eine andere Lösung besteht darin, den Transformator mit einer externen Abschirmung aus Kupferfolie außerhalb des Kerns als kurzgeschlossene Windung zu umgeben, um den magnetischen Streufluss zu reduzieren. Abbildung 4 zeigt die beiden Grundtypen von Abschirmungen an einem Transformator.
In extremen Fällen können magnetische Abschirmungen angebracht werden, die aus einem Gehäuse bestehen, das den Transformator umgibt, den Streufluss auffängt und zur Erde leitet. Diese Technik ist normalerweise effektiv, aber auch teuer, da das Gehäuse aus magnetischen Legierungen besteht. Wenn jedoch ein Höchstmaß an EMI-Schutz erforderlich ist, ist der magnetische Einschluss eine gute Wahl. Abbildung 5 zeigt das Konstruktionsdetail eines ADT mit externer Abschirmung und einem Faraday-Schirm. In diesem Beispiel wird dieses Sieb mit einer Wicklung aus Windungen in einer Schicht hergestellt. Es wäre besser, ein Kupfer- oder Aluminiumblech zu verwenden.
Die Isolation eines Transformators wird bei niedrigen Frequenzen durch den Wechselwiderstand der Isolation ( MΩ ) zwischen Primär und Sekundär begrenzt. Diese Isolierung hat Probleme, wenn die Frequenz über 100 kHz erhöht wird, da die Kapazität zwischen der Primär- und der Sekundärseite abnimmt und die EMIs sowohl im MC- als auch im Differentialmodus dämpft. Bei einem typischen ADT beträgt die Streukapazität außerhalb des Bildschirms etwa 5 pF.
Ein Transformator arbeitet am effizientesten bei seiner Auslegungsfrequenz. Da die induktive Reaktanz des Transformators mit der Frequenz zunimmt, werden Oberwellen und Transienten höherer Frequenzen erheblich gedämpft, wenn der Transformator unter Last steht. Dies geschieht, weil sie durch die Induktivität des Transformators abgeleitet werden. Unter Niedriglastbedingungen liefert der Spannungsabfall über seiner induktiven Reaktanz jedoch möglicherweise keine ausreichende Dämpfung. Allerdings lassen sich nicht alle problematischen EMIs dem Hochfrequenzlabel zuordnen. Wenn EMI im Differentialmodus in einer bestimmten Anwendung ein Problem zu sein scheinen, ist daher eine andere Lösung erforderlich, als sich nur auf die TDA-Impedanz zu verlassen. Daher werden Transientenunterdrückung und Filterung zu ADTs hinzugefügt, um EMI-Probleme auf zwei Arten zu lösen (Abbildung 6):
1. Begrenzung potentiell schädlicher Transienten mit hoher Amplitude, mit schnellen Varistoren oder mit TVS. Damit ist es möglich, die Transienten in der Primärwicklung zu unterdrücken.
2. Filtern der Phase der Sekundärseite mit ihrem Neutralleiter, um eine sehr niedrige Impedanz für Hochfrequenzsignale zu erhalten. Damit wird unabhängig von der Belastung des Transformators eine große Dämpfung von EMI im Gegentakt erreicht. Abbildung 7 zeigt die komplementäre Wirkung der Kombination eines Netzfilters zusammengeschaltet mit einem Trenntransformator mit Faraday-Schirmung. Obwohl das Gerät normalerweise bereits einen eigenen Netzwerkfilter enthält, ist der TDA nicht redundant, da er die Wirkung des Filters ergänzt.
Faradays Schirm auf einem Transformator
In einem normalen Leistungstransformator ohne Faraday-Abschirmung passieren EMIs im Gleichtakt die parasitären Kapazitäten zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen und erreichen das Gerät auf unerwünschte Weise (Abbildung 8). Ein TDA mit einer elektrostatischen Abschirmung, die aus einer dünnen Metallfolie (Cu oder Al) besteht, die nicht geschlossen ist und die Primärseite von der Sekundärseite trennt, kann die meisten Gleichtakt-EMIs, die die Primärseite erreichen, kapazitiv kurzschließen und so verhindern, dass sie die Primärseite erreichen Primärausrüstung (Abbildung 9). Somit werden die meisten Fütterungsprobleme durch die Verwendung eines ADD gelöst. Es ist wichtig, die interne Abschirmung nicht kurzzuschließen, z. B. indem Sie eine Windung in den Transformator legen, da dies sonst zu einem Kurzschluss führen würde.
Die in den Abbildungen 2 und 8 elektrisch dargestellten parasitären Kapazitäten können der Weg hochfrequenter EMIs sein, die von der Primärseite zur Sekundärseite gelangen. Seine Impedanz (oder kapazitive Reaktanz) ist:
Daher hat die kapazitive Impedanz Z bei den zwischen den Wicklungen vorhandenen Kapazitätswerten und bei hohen Frequenzen sehr niedrige Werte. Diese parasitären Kapazitäten können reduziert werden, indem zwischen Primär- und Sekundärwicklung ein elektrostatischer oder Faraday-Schirm eingebaut wird. Der Wert der Gesamtkapazität beträgt:
Wenn also die Gesamtkapazität abnimmt, steigt die Z-Kapazität und der Pfad für hochfrequente EMI wird geändert, wodurch ein Großteil davon auf Masse geshuntet wird.
Indem Sie einen Schirm auf den Transformator legen, erhöhen Sie die Dämpfung um mindestens 60 dB (1000-fach). Somit erscheint ein 1000-Volt-Impuls auf der Primärseite auf der Sekundärseite als 1 Volt. Dieser Dämpfungsbereich hängt von den Frequenzen der EMIs ab. Mit guten TDAs können bei Frequenzen um 120 kHz Dämpfungen von 500 dB erreicht werden. Durch Design und Herstellung kann ein guter Transformator 60 bis 120 dB Gleichtakt-EMI-Dämpfung zwischen Frequenzen von 10 Hz bis 1 MHz und 45 dB Gegentakt-EMI-Dämpfung (bei 100 kHz) garantieren.
Es gibt ein weiteres zusätzliches Merkmal von ADTs, das es einfacher machen würde, Gleichtakt-EMI vollständig zu eliminieren. Sicherheitsstandards (in der Niederspannungsverordnung) erfordern, dass einer der sekundären Anschlüsse des TDA mit Masse verbunden ist, um EMI abzuleiten. Diese Konfiguration ist in Abbildung 9 zu sehen. Die Impedanz nahe Null bewirkt, dass keine Gleichtaktspannung in der Last zwischen diesem Anschluss (sekundärer Neutralleiter) und Masse erscheint. Aber Vorsicht! Diese Verbindung ist in medizinischen Geräten nicht zulässig, da sie erdfrei sein müssen, um Leckstromprobleme zu vermeiden, die sich auf Patienten auswirken könnten.
Ein TDA ermöglicht die Wiederherstellung der Erdverbindung in der Nähe des Geräts. Der Neutralleiter der Sekundärseite ist also durch seine Verbindungsstelle fest auf Masse bezogen und nicht durch eine möglicherweise in der Last vorhandene verteilte Kapazität. Der Strom jeder auf der Sekundärseite auftretenden Gleichtakt-EMI wird über den Sekundär-Neutral-Erdungs-Übergang des Transformators mit Masse kurzgeschlossen. Der Kern (falls metallisch) ist ebenfalls geerdet, zusammen mit dem metallischen Gehäuse des Geräts.
Gleichtakt und Gegentakt
Gleichtakttransienten (Transienten von Leitungen zu Erde) sind die problematischsten aller Störungen, die sich auf Leitungen auswirken, da sie in der Lage sind, Stromversorgungsfilter zu umgehen und Kapazitäten leichter zu durchdringen Parasiten aufgrund des Effekts der elektrostatischen Kopplung (Abbildung 2).
Es gibt eine weitere Quelle von EMIs im Differentialmodus (MD) in der Sekundärseite der Transformatoren, und es ist ein "Attribut" der Transformatoren aufgrund der Umwandlung der EMIs in den Gleichtakt (MC): die Störungen in MC in der Primärseite werden in der Sekundärseite in MD in EMIs umgewandelt (Abbildung 10). Die EMIs in MC in den Eingangsleitungen des Transformators erscheinen gleichermaßen in den Eingangsleitungen des Transformators mit einer Phasenverschiebung von 180º. Idealerweise sollten sie abgesagt werden, aber die Realität sieht anders aus. In echten Transformatoren gibt es Unvollkommenheiten, daher treten Diskontinuitäten in den Kapazitäten und im Allgemeinen in den Impedanzen der Wicklungen auf, was sich auf die Geschwindigkeit der EMIs auswirkt, die durch die Primärwicklung wandern, und dies beeinflusst die Verteilung der Ströme in den Wicklungen. Folglich gibt es keine vollständige Aufhebung der Störungen in MC. Der resultierende Strom erzeugt eine Spannungsdifferenz zwischen den Anschlüssen der Sekundärwicklung des Transformators.
Falls Sie Probleme mit hochfrequenten schnellen Transienten und elektrostatischer Entladung (ESD) haben, ist die Abschirmung zwischen den beiden Wicklungen aufgrund des breiten Frequenzspektrums, insbesondere ESD, bei hohen Frequenzen nicht so effektiv. Oberhalb von 30 kHz beginnt die Displaydämpfung abzunehmen. Im Allgemeinen werden Hochfrequenztransformatoren aufgrund ihrer hohen Ineffektivität, die durch die relativ große Induktivität der Verbindung zwischen dem Schirm und der Erde (oder der Erde innerhalb des Geräts) verursacht wird, nicht abgeschirmt.
MD-Transienten in der Primärseite werden hauptsächlich durch magnetische Kopplung auf die Sekundärseite übertragen, und die Faraday-Abschirmung ist nicht so effektiv (Abbildung 11). In realen Transformatoren neigen MC-Spannungen in der Primärseite dazu, MD-Spannungen in der Sekundärseite zu erzeugen, und zwar aufgrund des bereits erwähnten Umwandlungseffekts des Transformators von MC zu MD. Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Spannungen in MD zu eliminieren: die Platzierung von Kondensatoren zwischen der Phasenleitung und dem Neutralleiter auf der Sekundärseite, der die EMIs in MD filtert; und ein zweiter Bildschirm, der diese Konvertierung entfernt.
Transformatoren mit doppelter Abschirmung
Bei niedrigen Frequenzen ist die Lösung eines Schirms gut, aber bei mittleren und hohen Frequenzen ist die Dämpfung der EMIs zwischen Primär und Sekundär, sowohl in MC als auch in MD gleichzeitig, nicht optimal. Da beide Moden gleichzeitig vorhanden sind, muss eine doppelte Faraday-Abschirmung verwendet werden (Abbildung 12).
Ein zweiter Schirm auf der Primärwicklung fungiert als Pfad mit niedriger Impedanz für MC-EMIs, die von einem Schirm zum nächsten wandern, wodurch die MC-zu-MD-Umwandlung, die Transformatoren eigen ist, eliminiert wird. Bei einem ADT mit 2 Schirmen wird der Schirm, der der Primärseite zugewandt ist, mit dem Neutralleiter der Primärseite verbunden, um EMIs auf MD zu unterdrücken. Der der Sekundärseite zugewandte Schirm ist mit der Bezugsmasse verbunden, um EMIs in MC zu unterdrücken. Ein Teil des MC-Stromflusses in der Primärwicklung erscheint in der Sekundärseite durch die Wirkung des Transformators. Beide Displays liefern typischerweise 60–80 dB EMI-Dämpfung in MC von 100 Hz bis 1 MHz.
Triple-Screen-Transformatoren
Wenn die sekundär angeschlossenen Lasten EMIs in MC erzeugen, ist es wünschenswert, ihre Ausbreitung zu anderen Geräten durch ein TDA zu vermeiden. Dieser Pfad kann blockiert werden, indem ein dritter Schirm hinzugefügt wird, der mit einem der Pole der Sekundärwicklung verbunden ist (sekundärer Neutralleiter) (Abbildung 13). Bei einem ADT mit drei Schirmen ist der Mittelschirm geerdet. Die anderen Schirme sind mit dem Neutralleiter der Primär- bzw. Sekundärseite verbunden. Der TDA mit diesem Satz aus drei Abschirmungen bietet typischerweise eine MC-EMI-Dämpfung von 65–80 dB von 100 Hz bis 1 MHz. Die Technik mit drei Abschirmungen reduziert die Kapazität unter 0,009 pF und erhöht die Isolation über 100 MΩ.
MD-Störungen werden normalerweise durch das Schalten großer Lasten oder durch Kondensatoren verursacht, die zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet werden. Mit einem Dreifachschirm werden Störungen in MC und Störungen in MD der Primär- und Sekundärseite gedämpft. Hier wird davon ausgegangen, dass das Schaltnetzteil im Gerät auch sekundär zum Netz EMIs erzeugt und diese gedämpft werden sollen, da ein eigener Filter nicht ausreicht. Der dritte Schirm, der mit dem Neutralleiter der Sekundärseite verbunden ist, dämpft die EMIs in MD, die von der geschalteten Quelle des Geräts erzeugt werden, und verhindert, dass sie das Netzwerk mit ihrer ganzen Intensität erreichen.
ADTs mit drei Displays werden auch als Ultra-Isolationstransformatoren bezeichnet. Sie haben eine geringe Kopplungskapazität und eine hohe Isolation (1.000 MΩ). Diese Ultraisolationstransformatoren werden unter anderem in Rechenzentren, Prozesssteuerung, elektronischen Instrumenten, Telekommunikationssystemen, Operationssälen, Intensivstationen, medizinischen Analysegeräten, Audio-/Videogeräten, Telemetrie, elektronischen Steuersystemen, Computergeräten und Telefonie eingesetzt.
Andere Anwendungen: Instrumentierung
Dank der erreichten größeren Isolierung werden TDAs häufig zum Schutz von Schaltkreisen mit hoher Verstärkung oder zum Verhindern des Auftretens von EMI-Pfade im Erdreich von Instrumenteninstallationen verwendet. Die Abschirmung auf Instrumentenebene ist schwierig und oft unwirksam. Da die meisten im Handel erhältlichen Instrumentierungsgeräte eine einzelne Abschirmung an ihren Leistungstransformatoren haben, sind Entwickler zuversichtlich, dass das Hinzufügen einer sekundären oder primären Abschirmung Erdungsprobleme des Systems beseitigen wird. Dieser Ansatz bringt möglicherweise keinen zusätzlichen Nutzen für das System, es sei denn, die Architektur Ihrer Massen im Instrument ist korrekt. Ein TDA ist kein Ersatz für eine Gesamtabschirmung oder ordnungsgemäße Erdung einzelner Instrumente. Ausgehend von einem guten Design des Systems aus Massen und Abschirmungen in einem Instrumentierungssystem kann ein TDA eine größere Dämpfung von EMIs bieten. Wenn die Masseverbindung nicht gut ist, bringt ein TDA praktisch nichts.
Weitere Anwendungen: Auf Rack-Ebene
Eine effektive Anwendung von TDAs ist der Einbau in Geräteracks. Ein Rack fungiert als externe Abschirmung für interne Instrumente und dient gleichzeitig als „Null-Volt-Referenz“ für Systemsignale. TDAs werden verwendet, um Abschirmströme zu steuern und gegenseitige Kapazitäten zwischen Rack-Instrumentierung und einer unbekannten Masseverbindung zu eliminieren.
Abbildung 14 zeigt eine Anwendung eines TDA auf Rack-Ebene. Der Hauptvorteil, den seine Verwendung mit sich bringt, ist eine verbesserte Kontrolle über die Ströme in den Abschirmungen der Ausrüstung. Jede Potentialdifferenz zwischen Schaltungserde und Rack-Erde führt dazu, dass Ströme in der 3-2-1-3-Schleife fließen, wie in Abbildung 14 dargestellt. Der TDA ermöglicht, dass diese „Masse“-Ströme durch einen Teil der Rack-Abschirmung geleitet werden. ohne den Betrieb empfindlicher Schaltkreise zu beeinträchtigen und diese Ströme von den Referenzleitern der internen Ausrüstung zu isolieren.
Schlussfolgerungen
Ein TDA trägt dazu bei, den Schutz eines Geräts vor Störungen in der Stromversorgung eines Geräts oder den von außen kommenden Signalen zu verbessern. Die TDAs können in mehreren Anwendungen verwendet werden: in der Hauptversorgung mit elektrischer Energie bei 50 Hz; unter anderem in Ausgangsübertragern in Stromrichtern oder als Teil von Schaltnetzteilen oder Präzisionsinstrumenten. Der Frequenzgang eines Transformators ist nicht gleichmäßig.
Bei Transformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung magnetisch gekoppelt. Das Design der Transformatoren impliziert eine große Nähe der Primär- und Sekundärseite, und daher treten zwischen diesen Wicklungen parasitäre Kapazitäten auf, die elektromagnetische Störungen einkoppeln können.
Typische ADTs enthalten mindestens eine Faraday-Abschirmung zwischen den beiden Wicklungen, um die EMIs abzulenken, die zwischen der Primär- und Sekundärwicklung kapazitiv in Richtung Erde koppeln würden. Der Mechanismus, durch den die elektrische Kopplung von EMIs auftritt, ist auf die parasitäre Kapazität zurückzuführen, die zwischen den Windungen beider Wicklungen in diesem Transformator ohne Faraday-Abschirmung vorhanden ist.
Die Faraday-Abschirmung steuert alle möglichen Probleme, die der kapazitiven Kopplung von EMIs durch den Transformator zugeschrieben werden könnten.
REFERENZEN
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• J. Balcells / F. Daura / R. Pallàs / R. Esparza, „Elektromagnetische Interferenzen in elektronischen Systemen“, 1992, Boixareu Editores
• Henry W. Ott, Elektromagnetische Kompatibilitätstechnik, 2009, John Wiley & Sons
• Ralph Morrison, „Erdungs- und Abschirmungstechniken in der Instrumentierung“, Wieley 1986
• Dr. Bruce, C. Gabrielson und Mark J. Reinold, „Unterdrückung von Netzrauschen mit Trenntransformatoren“, Sachs / Freeman Associates
