-
Diese Erfindung bezieht sich auf den Entwurf von Leistungstransformatoren für einen erleichterten
Aufbau von isolierten Stromversorgungen, welche sehr niedrige Leck-Wechselströme zwischen den
primären und sekundären Seiten aufweisen.
-
Dabei ist beabsichtigt, dass sich der Begriff Leistungstransformator auf einen Transformator bezieht, der
zur Übertragung von Strom in einem Stromversorgungskreis verwendet wird. Dieser arbeitet
insbesondere mit Primär- und Sekundärspannungen auf seinen Wicklungen, die normalerweise größer als 1 Volt
sind. Diese Feststellung dient zur Unterscheidung dieser Anmeldung von solchen Stromtransformatoren,
die zu Messzwecken verwendet werden und für ein Betreiben mit sehr niedrigen Wicklungsspannungen
ausgelegt sind. Stromversorgungen werden in zahlreichen Anwendungen verwendet und betreffen
üblicherweise die Wandlung einer Spannung von einem Eingangspegel wie z. B. Netzspannung oder einer
Gleichspannung wie beispielsweise üblicherweise in Motorfahrzeugen vorhandenen 12 Volt auf einen
zum Betreiben der Schaltkreise oder der mit Strom zu versorgenden Ausrüstung notwendigen
Ausgangspegel.
-
Somit weist ein Leistungstransformator gemäß der Erfindung normalerweise Primär- und
Sekundärwicklungen mit einer verschiedenen Anzahl an Windungen auf, um für ein Herauf oder
Herabtransformieren der Spannung zu sorgen. In vielen Fällen ist es aus Sicherheitsgründen oder mit der Messung in
Zusammenhang stehenden Gründen notwendig, den Ausgang einer Stromversorgung elektrisch von dem
Eingang zu isolieren, wobei diese Typen einen Transformator beteiligen, der allgemein als der
Leistungstransformator bezeichnet wird, um sowohl die notwendige Spannungs- und Stromwandlung wie die
Isolation bereitzustellen. In einigen Fällen ist eine Mehrzahl an Ausgängen erforderlich, wobei jeder
Ausgang von dem anderen isoliert wird, und die Erfindung kann einfach auf diesen Anwendungsbereich
ausgedehnt werden.
-
Eine hohe Isolation und ein sehr niedriger Leckstrom ist öfters in solchen Stromversorgungen notwendig,
die zum Betreiben von empfindlichen Messgeräten oder sicherheitsrelevanten Ausrüstungen wie z. B. für
die Überwachung von Patienten verwendet werden.
-
Die meisten Transformatoren und isolierten Stromversorgungen verfügen über einen Leckstrom, der
durch die Kapazitanz zwischen den primären und sekundären Seiten fließt und von den an den Primär-
und Sekundärwicklungen vorliegenden Wechselspannungen getrieben werden. Für gut konstruierte kleine
Netzfrequenztransformatoren (< 10 Watt) liegt dieser typischerweise im Bereich von 0,1 bis 100
Mikroampere. Für Anwendungen vom Schalttyp, in denen höhere Frequenzen verwendet werden, beträgt dieser
Leckstrom öfters mehrere Milliampere an der Schaltfrequenz und seiner Harmonischen. Derartig hohe
Leckstrompegel können empfindliche Messungen beeinträchtigen und in einigen Fällen ein
Sicherheitsrisiko ausmachen.
-
Durch einen sorgfältigen Aufbau des Transformators und insbesondere durch die Verwendung von
elektrostatischen Abschirmungen um die Wicklungen herum ist eine Minimierung des Leckstroms
möglich, wie dem Fachmann wohlbekannt ist. Allerdings ist es mit einer konventionellen
Transformatorbauweise schwierig und kostspielig, nahezu perfekte (vollständig umschließende) Abschirmungen zu
bewerkstelligen. Weiterhin besteht aus Gründen der Platzbeschränkung und Effizienzüberlegung die
Tendenz einer Abschirmungsabtrennung durch eine dünne Isolationslage, was zu einer recht hohen
Kapazitanz zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen führt.
-
Dies stellt dort des öfteren ein Nachteil dar, wo der Transformator zur Stromzufuhr für Messschaltkreise
verwendet wird, da die Kapazitanz zwischen jeder Abschirmung ebenfalls einen Leckstromweg mit
niedriger Impedanz für jegliche Spannungen bereitstellt, die aus externen Verbindungen auf die
Abschirmungen induziert werden.
-
Ein häufig beschrittener Weg zur Minimierung dieser Probleme stellt die Verwendung von zwei in Reihe
geschalteten Transformatoren dar, wie im Schema der Fig. 2 gezeigt. Dies ermöglicht das Betreiben des
Transformators an der sekundären Seite mit einer niedrigeren Spannung als dies der Fall wäre, wenn die
primäre Seite vom herunter transformierenden Typ wäre. Allerdings liegt mit diesem normalen Aufbau
eine ziemlich hohe Kapazitanz zwischen der Kopplungs- und der Sekundärwicklung vor, und in
Abhängigkeit vom Windungsverhältnis ist auf der Kopplungswicklung eine Spannung vorhanden. Diese
induzierte Spannung ist weiterhin elektrostatisch mit den Wicklungen und Abschirmungen gekoppelt und
bewirkt daher selbst den Fluss von Leckströmen. Durch die Reduzierung auf eine einzige Windung liegt
in der Kopplungswicklung zwar eine minimale, nicht Null betragende Spannung vor, aber in Folge
fließen hohe Ströme, die möglicherweise zu übermäßigen Streumagnetfeldern und Verlusten aufgrund
von Leistungsverlusten in der Kopplungswicklung führen.
-
Es ist ein Leistungstransformator bekannt, vgl. die kanadische Patentschrift Nr. 982 667, der mindestens
zwei unabhängige Kraftlinienwege aufweist, die von Magnetkernen mit relativ hoher Permeabilität
bereitgestellt sind, wobei jeder Kern jeweils von einer oder mehreren Wicklungen umgeben ist, und
wobei mindestens eine Kopplungswicklung eine oder mehrere Windungen aufweist, die einen
geschlossenen Kreis ausbilden, welcher mindestens zwei der Kraftlinienwege umschließt. Bei dieser Konstruktion
ist die Kopplungswicklung von variabler Impedanz und beabsichtigt eine Variation der
Ausgangsspannung des Transformators zu bewerkstelligen. Darüber hinaus sind weitere Transformatorformen bekannt,
die eine derartige Kopplungswicklung aufweisen, aber diese sind entweder keine
Leistungstransformatoren oder sie sind nicht für Anwendungen konzipiert, in denen ein elektrostatisches Abschirmen von
primären Interesse ist.
-
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer praktischen und
kostengünstigen Anordnung für den Aufbau von Leistungstransformatoren und somit für Stromversorgungen,
die sehr geringe Pegel an von den Wicklungsspannungen induziertem Leckstrom aufweisen.
-
Dementsprechend stellt die Erfindung einen Leistungstransformator der oben erwähnten Art dar, der
dadurch gekennzeichnet ist, dass jeder Kern zusammen mit der ihm zugeordneten Wicklung bzw.
Wicklungen von einer elektrostatischen Abschirmung umschlossen ist, die wiederum von der bzw. jeder
Kopplungswicklung umschlossen ist, welche den jeweiligen Kraftlinienweg umschließt.
-
Somit kann jeder Kern mit einer ihn nahezu vollkommen umschließenden Lage aus leitendem oder leicht
widerstandbehaftetem Material getrennt abgeschirmt werden. Für diesen Zweck weist das leicht
widerstandbehaftete Material von z. B. 0,1 bis 500 Ohm pro Quadrat den Vorteil auf, dass es die Verluste nicht
signifikant erhöht, wenn es einen sogenannten "Windungsschluss" ausbildet, während hochleitende
Materialen wie z. B. Metallfolien über einen Spalt oder eine isolierte Überlappung verfügen müssen,
welche die Abschirmeffizienz im allgemeinen verringert. Die separat umwickelten und abgeschirmten
Kerne sind magnetisch gekoppelt, um durch die Kopplungswicklung die Transformatorwirkung
bereitzustellen. Diese Anordnung ermöglicht es, dass nahezu ideale elektrostatische Abschirmungen jede
Wicklung umschließen, und dass die Wicklungen mit einem weit größerem Abstand voneinander getrennt
werden können, als wenn sie beide auf einem ähnlich bemessenen Kern vorlägen. Unter Verwendung
dieses Transformatoraufbaus ist die Reduktion der Leckströme in Netzfrequenz-Transformatoren (50 Hz -
60 Hz) auf wenige Picoampere und in Transformatoren, die in bei 3 kHz oder mehr betriebenen
Schaltversorgungen verwendet werden, auf wenige Nanoampere möglich.
-
Die Erfindung wird in den beiliegenden Zeichnungen beispielshalber illustriert, wobei:
-
Fig. 1 eine Querschnittszeichnung eines Leistungstransformators gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung ist;
-
Fig. 2 eine schematische Darstellung von zwei konventionellen abgeschirmten
Leistungstransformatoren ist, die in Reihe verbunden sind;
-
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Anordnung gemäß der Erfindung ist;
-
Fig. 4 eine schematische Darstellung von drei konventionellen Leistungstransformatoren ist, die in
Reihe verbunden sind, und
-
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Anordnung gemäß der Erfindung.
-
Bezugnehmend auf Fig. 3 ist diagrammartig eine Anordnung gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung dargestellt. Die Darstellung ähnelt dem Schema aus Fig. 2, aber unterscheidet sich darin, dass die
Kopplungswicklung aus einer einzigen oder aus mehreren Leitungswindung(en) bzw. Leitungsweg(en)
besteht, welche sich um zwei oder mehrere getrennte Magnetkerne schließen, wie symbolisch dargestellt.
Da diese. Wicklung beide Magnetkerne umschließt und ein Kurzschluss darstellt, d. h. ihr Beginn ist
elektrisch mit ihrem Ende verbunden, tendiert sie dazu, das Magnetfeld in dem Sekundärkern zu einem
Ausgleichen des Magnetfelds in dem Primärkern zu drängen, so dass der Nichtlaststrom in der
Kopplungswicklung minimiert wird. Befindet sich somit eine Primärwicklung um einen Kern und wird sie mit
einer umschließenden elektrostatischen Abschirmung abgedeckt sowie von einer Spannung getrieben, die
das Vorliegen eines magnetischen Wechselfeldes in diesem Kern bewirkt, wird die Kopplungswicklung
ein Gegenfeld in dem Sekundärkern bewirken, das eine Spannung in der Sekundärwicklung induziert. Die
Kopplungswicklung ist geschlossen und umschließt die Vektorsumme des sich dem Wert Null
annähernden Flusses in den beiden Kernen, und somit wird unabhängig von der Anzahl an Windungen keine
resultierende Spannung induziert, was bedeutet, dass nur minimale Ströme in den Primär- oder
Sekundärabschirmungen oder -wicklungen aufgrund von Spannungen fließen, die in der Kopplungswicklung
induziert sind, welche durch die Kapazitanz zwischen der Kopplungswicklung und jeder der
Abschirmungen elektrostatisch gekoppelt ist.
-
Da die Funktion der Kopplungswicklung in der Aufrechterhaltung eines insgesamt Null betragenden
Magnetfelds in sich selbst besteht, vollzieht sich dies unabhängig von der Anzahl an Windungen. Die
Transformatorfunktion erfolgt daher zwischen der Primär- und Sekundärwicklung auf eine für
konventio
nelle Transformatoren normale Weise. Somit ist das Windungsverhältnis einfach das Verhältnis der
Anzahl an Windungen der Primärwicklung zu der Anzahl an Windungen der Sekundärwicklung
unabhängig von der Anzahl in der Kopplungswicklung.
-
In der Fig. 1 der Zeichnungen ist ein Querschnitt dargestellt, der einen praktischen Aufbau eines
Leistungstraasformators zeigt, der diese Konstruktionsprinzipien umsetzt. Er verwendet zwei unabhängige
ringförmiige Kerne 7, 8 des in der Transformatorherstellung allgemein verwendeten Typs. Jeder Kern ist
von einer oder mehreren Wicklungen 1, 4 in einer vom Fachmann auf dem Gebiet der
Transformatortechnik cder Induktorherstellung wohlbekannte Weise umgeben, und jeder Kern ist darüber hinaus von
einer leitenden oder widerstandbehafteten elektrostatischen Abschirmung umschlossen. Im folgenden
wird der Kern 7 als der die Primärwicklungen 1 und eine Abschirmung 2 tragende Primärkern und der
Kern 8 als der die Sekundärwicklungen 4 und eine Abschirmung 5 tragende Sekundärkern bezeichnet.
Die Aufgabe der Konstruktion besteht in der Bereitstellung einer nahezu normalen Transformatorfunktion
zwischen den Primäranschlüssen 9 und den Sekundäranschlüssen 12 mit einer minimalen
elektrostatischen Kopplung der Primär- und Sekundärspannungen zwischen sich selbst oder der Primärspannung zu
der Sekundärabschirmung 5 oder der Sekundärspannung zu der Primärabschirmung 2. Eine Isolierung 3
wird auf die Oberseite der Wicklungen 1, 4 und leitende Abschirmungen 2,5 werden auf die Oberseite der
Isolierung 3 angebracht. Jede Abschirmung kann wie zuvor beschrieben in dem Bereich von 0,1 bis 500
Ohm pro Quadrat widerstandbehaftet sein oder ein Material mit sehr niedrigem spezifischen Widerstand
wie z. B. Kupfer aufweisen, jedoch muss sie dann um ihre Peripherie herum unterbrochen sein und idealer
Weise mit der dazwischen liegenden Isolierung überlappen, so dass sie keine kurzgeschlossene Windung
bildet. Ein Beispiel einer widerstandbehafteten Abschirmung kann ein Material wie z. B. ein leitender
Anstrich sein, das einen ausreichend hohen Widerstand aufweist, um eine vernachlässigbare Last an dem
Transformator zu sein, wenn er den Kern unter Bildung einer kurzgeschlossenen Windung um den
einzelnen Kern umschließt, aber der Widerstand muss auch hinreichend niedrig sein, um als effektive
elektrostatische Abschirmung dienen zu können. Ein Anschluss 10,11 wird für jede Abschirmung
vorgesehen und kann wie gezeigt für eine Verbindung mit einem externen Stromkreis herausgeführt werden
oder er kann intern mit einer Stelle auf einer Wicklung verbunden sein. Normalerweise wird eine weitere
Lage aus Isolierung 3 zum Schutz der Abschirmungen 2, 5 über diesen vorgesehen.
-
Die zwei umwickelten abgeschirmten Kerne werden dann wie in der Fio. 1 dargestellt, übereinander
gestapelt, wobei die Isolierung 3 zwischen ihnen liegt. Diese kann ziemlich dick ausfallen, um die
Kapazitanz zwischen den Abschirmungen der zwei Kerne zu minimieren. Dann wird eine
Kopplungswicklung 6 um die zwei aufeinander gestapelten Kerne gewunden, so als ob sie, wie in der Fig. 1 gezeigt,
ein einziger Kern wären, und das Ende der Kopplungswicklung wird unabhängig von der Anzahl an
Windungen mit ihrem Anfang verbunden. Der Strom in der Kopplungswicklung ist umgekehrt
proportional zu der Anzahl an Windungen und daher sollte ihr spezifischer Widerstand hinsichtlich einer
Minimierung der Verluste ausgewählt sein, die von dieser Stromverlustleistung in dem Widerstand der
Kopplungswicklung bewirkt werden.
-
Zur Minimierung der auf der Oberseite jeder Abschirmung erforderlichen Isolierungsmenge kann die
Kopplungswicklung vom Typ sein, der eine Isolationsbeschichtung oder einen Isolierschlauch aufweist
und vorzugsweise besteht sie aus einem Werkstoff mit einer sehr hohen Durchschlagsspannung und
niedriger Dielektrizitätskonstante wie z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE oder "Teflon") oder Polyethylen.
-
Es versteht sich, dass viele andere Variationen im Grundentwurf einschließlich eine Platzierung der
Kerne Seite an Seite und die Verwendung von anderen (nicht ringförmigen) Kernformen wie z. B. "E",
"C", "EFD", "ETD", "U" und anderer Kerne, bei welchen der Grundentwurf der Abschirmung und
Kopplung; möglich ist, möglich sind. Ebenfalls können die Kraftlinienwege von einem Kern eines
speziellen Typs "E", der als "planarer" Kern bekannt ist, bereitgestellt werden, und es können ebene
Wicklungen wie z. B. Leiterbahnen auf einer gedruckten Leiter- oder Metallplatte für die Primär-, Sekundär- oder
Kopplungswicklungen verwendet werden. Auch die elektrostatischen Abschirmungen können aus einem
geeigneten widerstandbehafteten synthetischen Kunststoffmaterial ausgebildet sein.
-
In einigen Fällen kann es nützlich sein, eine Mehrzahl an Kopplungswicklungen zu verwenden.
-
Ebenso kann die Verwendung eines Zwischenkerns nützlich sein, indem der Primärkern an den
Zwischenkern mit einer Kopplungswicklung und der Sekundärkern an den Zwischenkern mit einer weiteren
Kopplungswicklung gekoppelt wird. Dann wird die Herstellung von Verbindungen zu den
Kopplungswicklungen sinnvoll, damit diese zusätzlich zu den oben genannten elektrostatischen Abschirmungen für
ein elektrostatisches Abschirmen verwendet werden können. In dieser besonderen Ausführungsform mit
drei Kernen kann durch die Verwendung von einer oder der beiden Kopplungswicklungen als
Abschirmungen eine Vereinfachung bzw. ein Weglassen der oben angeführten elektrostatischen Abschirmungen
möglich werden, während der elektrostatische Kopplungsstrom nach wie vor sehr niedrig gehalten wird.
Fig. 5 stellt das Schema einer derartigen die Erfindung verwendende Anordnung dar, während Fig. 4 eine
Anordnung mit geringerem Wert zeigt, die auf bekannte Weise einen zusätzlichen Transformator
verwendet. Die letztgenannte Anordnung weist eine höhere Spannung auf, die in den Zwischenwicklungen
für eine ähnliche Anzahl an Windungen induziert wird, was somit zu einem zusätzlichen elektrostatisch
gekoppelten Stromfluss zwischen der Primär- und Sekundärwicklung führt.