Jak zbudowane są transformatory separacyjne?

Transformatory separacyjne zapewniają bezpieczną pracę urządzeń i instalacji dzięki separacji galwanicznej między obwodami. Odłączenie strony wtórnej od sieci ogranicza ryzyko porażenia, tłumi przenoszenie zakłóceń oraz zmniejsza skutki przepięć. Z tego względu właściwy dobór i wykonanie transformatorów separacyjnych jest istotne zarówno dla projektantów systemów zasilania, jak i osób odpowiedzialnych za utrzymanie ruchu oraz bezpieczeństwo elektryczne. Poniżej wyjaśniamy, jak są zbudowane, jak działają i na co zwracać uwagę przy ocenie ich parametrów.

Przeczytaj również: Największe wyzwania stojące współcześnie przed polskimi producentami stali

Jak zbudowany jest transformator separacyjny

Transformator separacyjny powstaje na bazie zamkniętego rdzenia ferromagnetycznego, na którym umieszcza się dwa uzwojenia: pierwotne i wtórne. Kluczowe jest to, że są one całkowicie izolowane dielektrycznie od siebie. Taka budowa uniemożliwia przepływ prądu stałego między stronami oraz redukuje ryzyko zwarcia między obwodami podłączonymi do wejścia i wyjścia.

Przeczytaj również: Jakie prace budowlane lepiej powierzyć specjalistom?

Rdzeń zwykle wykonuje się z krzemowej blachy transformatorowej, co ogranicza straty związane z prądami wirowymi i histerezą. Stosuje się układy E-I lub rdzenie toroidalne, które dodatkowo zmniejszają rozproszenie pola i poprawiają sprawność.

Przeczytaj również: Gdzie znajdują zastosowanie pasma świetlne przemysłowe i jakie są ich zalety?

Uzwojenia nawijane są z miedzianego drutu emaliowanego, a izolacja wykorzystuje papier elektroizolacyjny, lakiery, żywice lub olej. W wielu konstrukcjach między uzwojeniami umieszcza się ekran elektrostatyczny, najczęściej miedzianą folię połączoną z przewodem ochronnym PE. Taki ekran skutecznie ogranicza przenoszenie zakłóceń pojemnościowych. Równie ważne są odpowiednio dobrane prześwity i drogi upływu, które zapewniają wysoką wytrzymałość dielektryczną.

Całość zamyka obudowa z tworzywa lub metalu. Wersje do pracy w instalacjach stałych mają zwykle uziemienie oraz dobrany stopień ochrony IP, co zwiększa bezpieczeństwo eksploatacji. W zastosowaniach wymagających niskiego hałasu akustycznego stosuje się impregnację próżniową, która dodatkowo usztywnia uzwojenia i redukuje drgania.

Jak działa transformator separacyjny

Podstawą działania jest indukcja elektromagnetyczna. Prąd przemienny w uzwojeniu pierwotnym wytwarza zmienne pole magnetyczne w rdzeniu, które indukuje napięcie w uzwojeniu wtórnym zgodnie z prawem Faradaya. Ponieważ między stroną wejściową a wyjściową nie ma połączenia elektrycznego, transformator odcina prąd stały, ogranicza skutki zwarć po stronie sieci i zmniejsza ryzyko porażenia w obwodzie wtórnym.

Stosunek napięć zależy od liczby zwojów: U₂/U₁ = N₂/N₁. W praktyce wykorzystuje się zarówno przełożenie 1:1 dla samej separacji, jak i konfiguracje obniżające napięcie, np. 230 V na 24 V, które ułatwiają tworzenie obwodów SELV i PELV.

W połączeniu z ekranem elektrostatycznym transformator skutecznie tłumi zakłócenia EMI przenoszone drogą pojemnościową. Dzięki temu poprawia się odporność i kompatybilność elektromagnetyczna zasilanych urządzeń.

Najważniejsze parametry i wytrzymałość

Wytrzymałość izolacji to kluczowy aspekt projektowy. Typowe wartości napięcia probierczego mieszczą się w zakresie 4 do 10 kV, a w aplikacjach specjalnych wymaga się większych odstępów izolacyjnych oraz wzmocnionej izolacji, na przykład dla urządzeń medycznych zgodnych z IEC 60601 i wymaganiami MOPP.

Moc znamionowa obejmuje szeroki zakres: od około 1 VA, używanych między innymi w urządzeniach audio, do rozwiązań przemysłowych rzędu kilku do kilkunastu kVA. Często spotyka się konfiguracje 230 V na 24 V oraz 230 V na 230 V z przełożeniem 1:1. Przy doborze mocy warto uwzględnić zapas na prądy rozruchowe oraz charakter obciążenia.

Sprawność transformatorów sieciowych na rdzeniach krzemowych zwykle wynosi około 95 do 98 procent przy 50 Hz. Straty w rdzeniu i miedzi zależą od rozmiaru, materiału i jakości wykonania. Zastosowanie rdzeni amorficznych i nanokrystalicznych może obniżyć straty jałowe oraz podnieść gęstość mocy, jednak wzrost sprawności dotyczy najczęściej ułamków do kilku punktów procentowych, szczególnie w mniejszych mocach.

Zabezpieczenia i eksploatacja obejmują bezpieczniki topikowe, wyłączniki termiczne i elementy PTC, które chronią przed przeciążeniem oraz przegrzaniem. Istotne są również klasa izolacji termicznej uzwojeń, na przykład B, F lub H, oraz dopuszczalny prąd upływu. W zastosowaniach medycznych wymagania są szczególnie restrykcyjne i ściśle opisane normami.

Warto zwrócić uwagę na zgodność z PN-EN 61558 dotyczącą transformatorów zasilających i bezpieczeństwa oraz na wymagania LVD i EMC. Prawidłowe uziemienie obudowy i ekranu między uzwojeniami znacząco wpływa na bezpieczeństwo i poziom zakłóceń.

Nowe materiały i kierunki rozwoju

Rozwój koncentruje się na materiałach rdzeniowych o niskich stratach i technikach ograniczających hałas oraz wibracje. Rdzenie amorficzne i nanokrystaliczne redukują straty jałowe oraz masę, co ułatwia miniaturyzację. Coraz częściej stosuje się również impregnację próżniową i precyzyjne układy chłodzenia, które wydłużają żywotność urządzeń.

W zasilaczach impulsowych rolę separacji pełni transformator wysokoczęstotliwościowy, który współpracuje z układami SMPS. Takie rozwiązania pozwalają znacząco ograniczyć gabaryty całego zasilacza, a sprawność układu zwykle przekracza 95 procent przy odpowiednim projekcie. Należy jednak pamiętać, że wymagania bezpieczeństwa i testy izolacji muszą być spełnione niezależnie od częstotliwości pracy.

W zastosowaniach medycznych stosuje się ponadto transformatory do systemów IT z izolacją i monitorowaniem rezystancji izolacji, co dodatkowo podnosi poziom ochrony pacjenta i personelu.

Podsumowanie: co decyduje o jakości

Transformator separacyjny tworzą przede wszystkim rdzeń ferromagnetyczny, izolowane uzwojenia, skuteczny system izolacji z zachowaniem prześwitów i dróg upływu oraz solidna obudowa z uziemieniem. Dopełnieniem są ekran elektrostatyczny, właściwe zabezpieczenia termiczne i bezpiecznikowe oraz zgodność z odpowiednimi normami.

Staranny dobór materiałów i technologii skutkuje wyższą sprawnością, dłuższą żywotnością i lepszą kompatybilnością elektromagnetyczną. Dzięki temu transformatory separacyjne sprawdzają się w precyzyjnych aplikacjach laboratoryjnych, w aparaturze medycznej oraz w przemysłowych systemach zasilania, gdzie wymagana jest niezawodna ochrona galwaniczna i stabilne parametry pracy.