Principes de base, sélection et utilisation des transformateurs d'isolement

Le câblage électrique monophasé traditionnel se compose d'un conducteur de phase, d'un fil neutre et d'un fil de terre. Lorsque plusieurs dispositifs physiquement séparés partagent une ligne électrique commune, des boucles de masse peuvent se créer en raison de dispositifs ayant des potentiels de masse différents. Ces boucles de masse sont particulièrement problématiques dans les dispositifs médicaux et peuvent être gênantes pendant le test des dispositifs. Pour les concepteurs, il est difficile de mesurer les boucles de masse avec des dispositifs qui utilisent des tensions de ligne redressées. Les équipements de test mis à la terre, comme les oscilloscopes, peuvent par inadvertance court-circuiter l'alimentation dans ces dispositifs. En outre, du bruit haute fréquence peut circuler sur les lignes CA, causant des problèmes pour les transducteurs et les instruments sensibles.

Tous ces problèmes peuvent être évités par l'application correcte de transformateurs d'isolement entre l'entrée d'alimentation et le dispositif.

Les transformateurs d'isolement assurent la séparation de la connexion à la terre de la ligne électrique pour éliminer les boucles de masse et la mise à la terre accidentelle des équipements de test. Ils suppriment également le bruit haute fréquence circulant dans la source d'alimentation.

Cet article traite des caractéristiques, des critères de sélection et de l'application des transformateurs d'isolement à l'aide d'exemples de dispositifs de Hammond Manufacturing, Bel/Signal Transformer et Triad Magnetics.

Fonctionnement des transformateurs d'isolement

Les transformateurs d'isolement fournissent une isolation galvanique entre les lignes CA (secteur) et le dispositif alimenté. Cela signifie qu'il n'y a pas de chemin de courant continu entre les deux enroulements. Ils servent trois objectifs principaux :

• Le premier consiste à isoler le secondaire de la terre (masse)
• Le deuxième consiste à fournir un abaissement ou une élévation des tensions de ligne (secteur)
• Le troisième consiste à réduire le bruit de ligne transmis du primaire au secondaire ou inversement

Les transformateurs d'isolement sont d'abord des transformateurs, et ils partagent les caractéristiques communes des transformateurs (Figure 1). Les enroulements primaires et secondaires sont enroulés sur un noyau ferromagnétique commun.

Figure 1 : Schéma d'un transformateur de puissance simple composé d'un enroulement primaire de N_P tours et d'un enroulement secondaire de N_S tours sur un noyau ferromagnétique commun. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Dans la Figure, l'enroulement primaire a N_P tours enroulés autour du noyau et l'enroulement secondaire a N_S tours. La relation entre la tension primaire (V_P) et la tension secondaire (V_S) est indiquée dans l'équation 1 :

Équation 1

S'il y a plus de tours sur le primaire que sur le secondaire, alors la tension sur le secondaire sera inférieure à celle du primaire. Il s'agit d'une configuration de type abaisseur. Si le nombre de tours du primaire est inférieur au nombre de tours du secondaire, la tension du secondaire sera supérieure à celle du primaire, ce qui entraînera une configuration de type élévateur. La plupart des transformateurs d'isolement ont le même nombre de tours primaires et secondaires, de sorte que les tensions primaires et secondaires sont les mêmes.

L'énergie est conservée dans les transformateurs, donc, si nous ignorons les pertes, le produit de V_P et du courant primaire (I_P) sera égal au produit de V_S et du courant secondaire (I_S). Les transformateurs sont répertoriés par le produit de la tension efficace (RMS) du primaire par le courant efficace du primaire. Il s'agit de la « puissance apparente », mesurée en volts-ampères ou VA.

Les points sur le schéma sont des points de mise en phase qui indiquent les directions de courant primaire et secondaire. Le courant entrant du côté du point primaire de l'enroulement entraîne un courant secondaire sortant du côté du point de l'enroulement, comme illustré dans le schéma. Cela est important si les enroulements doivent être placés en série ou en parallèle. Le non-respect du phasage de l'enroulement peut entraîner des erreurs.

L'écran de Faraday est un écran électrostatique qui réduit la capacité entre les enroulements primaire et secondaire et qui est généralement mis à la terre. L'écran réduit l'amplitude du bruit de mode commun et des transitoires dans le transformateur.

Les enroulements primaire et secondaire du transformateur d'isolement sont hautement isolés pour minimiser la conduction directe entre eux. La mesure de l'efficacité de cet isolement est le courant de fuite. La plupart des transformateurs d'isolement sont également testés à l'aide de testeurs haut potentiel ou diélectriques. Ceux-ci appliquent une haute tension sur l'isolement tout en vérifiant la fuite de courant.

La structure physique du transformateur d'isolement peut prendre plusieurs formes, y compris une structure de type enveloppe (Figure 2). Ici, les enroulements primaires et secondaires sont enroulés de manière concentrique avec une couche isolante, et l'écran de Faraday est inséré entre les deux couches.

Figure 2 : Vue en coupe d'un transformateur d'isolement utilisant une construction de type enveloppe où les enroulements primaires et secondaires sont enroulés de manière concentrique avec une couche isolante, et l'écran de Faraday est inséré entre les deux couches. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

L'écran de Faraday peut être mis en œuvre sous forme d'une couche de feuilles ou d'enroulements à espacement étroit, comme illustré. La mise à la terre se fait généralement sur le côté primaire, à une prise de terre. Comme les enroulements primaires et secondaires utilisent déjà du fil émaillé, cette construction est appelée « double isolement ».

Les enroulements peuvent également être placés côte à côte sur le noyau, dans ce que l'on appelle une construction à « bobine divisée », ou être enroulés sur un noyau toroïdal.

Transformateurs d'isolement commerciaux

Les transformateurs d'isolement sont disponibles en versions à cadre ouvert ou fermés dans une structure blindée (Figure 3). Le transformateur d'isolement 171E de Hammond Manufacturing utilise un boîtier blindé. Les blindages des embouts contiennent le champ magnétique du transformateur, et servent également à minimiser l'absorption de champs extérieurs au transformateur. Ce transformateur 1:1 de 500 VA inclut également des connecteurs d'entrée et de sortie mis à la terre à trois fils, queue de cochon et NEMA, ainsi qu'un disjoncteur de surcharge intégré.

Bien que la masse soit câblée au connecteur de sortie secondaire, elle ne sera pas utilisée dans la plupart des applications de transformateur d'isolement. Ce transformateur présente un courant de fuite inférieur à 60 microampères (µA) entre le primaire et le secondaire à sa tension d'entrée nominale.

Figure 3 : Exemple de transformateur d'isolement avec des blindages sur les embouts du transformateur. (Source de l'image : Hammond Manufacturing)

Le DU1/4 de Bel/Signal Transformer est un transformateur d'isolement de 250 VA qui utilise une construction à cadre ouvert avec un double jeu d'enroulements à plusieurs prises. Il y a deux enroulements primaires et deux enroulements secondaires (Figure 4).

Figure 4 : Le DU1/4 de Bel/Signal Transformer est un transformateur d'isolement à cadre ouvert avec un double jeu d'enroulements primaires et secondaires à plusieurs prises. (Source de l'image : Bel/Signal Transformer)

Les enroulements primaires et secondaires sont répertoriés de manière identique à 0 V, 104 V, 110 V et 120 V. Cela permet des connexions en série ou en parallèle sur le primaire ou le secondaire. Par conséquent, un rapport 1:1 nominal peut être maintenu pour des entrées de 110 V ou 220 V. Un transformateur élévateur de 110 V à 220 V ou un transformateur abaisseur de 220 V à 110 V peut également être configuré. En outre, les enroulements à prises multiples permettent des tensions nominales intermédiaires telles que 208 V, 214 V ou 230 V (Figure 5).

Les connexions électriques de ce transformateur se font au moyen de bornes à vis.

Figure 5 : Le double enroulement du DU1/4 permet de nombreuses configurations de câblage, notamment des rapports de tension de 1:1, 2:1, 1:2. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Si le primaire et le secondaire sont chacun câblés en série, le transformateur a un rapport de tension 1:1 pour une entrée de 220 V. Si le primaire et le secondaire sont chacun câblés en parallèle, on obtient un rapport de tension 1:1 pour 110 V avec deux fois le courant disponible par rapport à un seul enroulement. Si les primaires sont placées en série et les secondaires en parallèle, la tension primaire est abaissée par un facteur de deux. Si le secondaire est câblé en série et le primaire en parallèle, on obtient une élévation 2:1.

Isolement médical

Les transformateurs d'isolement destinés aux applications médicales doivent répondre à des exigences plus strictes en matière de courants de fuite. Il existe des spécifications de courant de fuite maximum pour les fuites à la terre ou à la masse, les fuites liées au boîtier et les fuites liées au patient. La fuite à la terre fait référence aux courants de fuite dans le fil de terre d'un dispositif. Les courants de boîtier décrivent les courants qui circulent d'une surface conductrice exposée à la terre via un conducteur autre que le fil de terre. La fuite liée au patient est un courant qui traverse le corps d'un patient jusqu'à la terre en condition de connexion normale au dispositif. La plupart des dispositifs de cette catégorie sont certifiés selon UL/CEI 60601-1.

Le modèle MD-500-U de Triad Magnetics est un transformateur d'isolement de 500 VA répertorié pour les applications médicales (Figure 6). Ce transformateur est certifié par Underwriters Laboratories (UL) selon la spécification UL 60601-2 et a un courant de fuite de 10 µA typique et de moins de 50 µA maximum.

Figure 6 : Le MD-500-U est un transformateur d'isolement de 500 VA répertorié pour les applications médicales. Il présente un courant de fuite de 10 µA (typique) et utilise un transformateur torique pour maintenir un format compact et minimiser les champs parasites. (Source de l'image : Triad Magnetics)

Le MD-500-U utilise un transformateur torique qui minimise les champs parasites et maximise le rendement tout en réduisant le format. Comme la plupart des transformateurs médicaux autonomes, il est logé de manière sécurisée dans un boîtier en acier avec des fusibles intégrés et un commutateur de blocage thermique.

Application de transformateur d'isolement typique

L'application la plus fréquente d'un transformateur d'isolement consiste à isoler un dispositif de la terre de la ligne CA. Pour illustrer pourquoi cela peut être nécessaire, prenons l'exemple de l'alimentation à découpage (SMPS). Une alimentation à découpage sur secteur typique pose plusieurs problèmes de sécurité (Figure 7).

Figure 7 : Schéma d'une alimentation à découpage montrant les zones de circuit référencées à la terre et celles qui ne le sont pas. (Source de l'image : DigiKey Electronics)

Il s'agit d'une alimentation sur secteur utilisant la topologie flyback. Le côté primaire du circuit, représenté en jaune, effectue un redressement des deux alternances de l'entrée de la ligne (secteur) et l'applique aux rails primaires. Cela signifie que les niveaux de tension se produisant entre les rails haute tension et basse tension sont d'environ 170 V pour une ligne de 120 V, et d'environ 340 V pour une ligne de 240 V. Cette tension de ligne redressée est stockée dans le condensateur de stockage primaire, C2.

Notez que les sections primaire et secondaire de l'alimentation sont électriquement isolées par le transformateur de retour, L2, et le coupleur optiquement isolé, Q4. Alors que la section secondaire est connectée à la terre au niveau de la borne de sortie négative (-), la section primaire n'est pas mise à la terre. Cette condition devient problématique lorsque l'on utilise des instruments d'entrée mis à la terre tels que des oscilloscopes pour le dépannage. Le raccordement de la connexion à la terre d'une sonde d'oscilloscope aux composants du côté primaire de l'alimentation peut entraîner un court-circuit avec les dommages qui en découlent pour les composants primaires ainsi que pour l'oscilloscope.

Le rail primaire bas de l'alimentation est connecté au neutre de la ligne CA. Bien que la ligne neutre soit connectée à la terre à l'entrée de service, lorsqu'elle atteint l'entrée de l'alimentation à découpage, elle peut se trouver à plusieurs volts au-dessus de la terre, ce qui en fait un point de connexion dangereux pour la mise à la terre d'une sonde d'oscilloscope.

Le but du transformateur d'isolement est d'isoler électriquement la section primaire de l'alimentation à découpage. Une fois cette section isolée, il est possible de connecter le côté terre d'une sonde à n'importe quel point du circuit primaire. Cela place la référence de terre au point auquel la pince de terre est connectée, éliminant ainsi la possibilité de court-circuiter le primaire.

Cette même capacité d'isolement de la masse rend les transformateurs d'isolement utiles pour diagnostiquer et corriger les boucles de masse lorsque plusieurs dispositifs, chacun avec son propre chemin de retour à la terre, sont connectés ensemble.

Le(s) transformateur(s) permet(tent) d'isoler la masse pour voir quels dispositifs sont à l'origine du courant de fuite à la terre.

Les transformateurs d'isolement réduisent également le bruit haute fréquence transféré soit de la ligne au dispositif connecté, soit du dispositif à la ligne. Cela est dû à l'inductance série du transformateur et à l'écran de Faraday mis à la terre qui réduit le couplage capacitif dans le transformateur.

Conclusion

En isolant les dispositifs connectés à l'enroulement secondaire de la source CA sur le primaire, les transformateurs d'isolement permettent de redéfinir le plan de référence sur les dispositifs secondaires. Ils permettent également de rediriger et de contrôler les courants de fuite. En même temps, ils réduisent la transmission du bruit et des harmoniques haute fréquence. Ils sont extrêmement utiles pour tester les dispositifs liés à l'alimentation.