隔離變壓器的作用是讓交流電壓到達操作設備及其電路（負載），同時(shí)防止電流流經(jīng)用戶(hù)并回到零線(xiàn)。之所以不會(huì )發(fā)生這種情況，是因為隔離變壓器沒(méi)有從零線(xiàn)到接地的導線(xiàn)，所以電流不會(huì )流過(guò)用戶(hù)。隔離變壓器甚至可以使用 1:1 的匝比，讓其輸入和輸出有相同的電壓。此外，還有一些裝置可以將二次側電壓降壓，這通?？梢院?jiǎn)化電路電源軌的轉換、整流和調節。

 

電流才會(huì )殺人

 

人們通常會(huì )將觸電風(fēng)險與較高的電壓聯(lián)系起來(lái)。這是一種有效的關(guān)聯(lián)，但只是間接的。無(wú)論是達到致死級別還是低于致死級別，引起觸電的原因都是因為電流流過(guò)身體。而電流又是因為電壓推動(dòng)（迫使）才進(jìn)入并通過(guò)人體的。這個(gè)關(guān)系可以通過(guò)“電勢”(EMF) 一詞來(lái)明確，早年電壓非常常用（有些情況下仍然如此）。

 

牢記兩個(gè)電路基本原理很重要：

●電壓不是在單個(gè)點(diǎn)上定義的，而是在兩個(gè)具體點(diǎn)之間定義和測量的。比電壓更貼切的名字是“電勢差”。

●電勢差導致電流的流動(dòng)。電流的大小取決于兩點(diǎn)之間的電阻，可用歐姆定律來(lái)確定。電勢差越大，電流就越大，帶來(lái)的風(fēng)險就越大。

 

那么沒(méi)有交流線(xiàn)路連接的電池供電型設備的風(fēng)險如何呢？即使是高電壓電池，也不會(huì )造成電擊危險（除非用戶(hù)用一只手抓住一個(gè)電池一端，另一只手抓住另一端）。如果外殼連接到其中一個(gè)電池端子，從而連接到用戶(hù)，那么仍然沒(méi)有從用戶(hù)回到另一個(gè)電池端子的電流路徑。

 

還有一些線(xiàn)路供電的電動(dòng)工具沒(méi)有安全接地，卻不沒(méi)有使用隔離變壓器：這怎么可能呢？直到幾十年前，鉆頭等建筑工具都用金屬外殼。如果有內部故障，就會(huì )讓外殼“帶電”，那么電流路徑就可能流過(guò)用戶(hù)。為了防止這種情況的發(fā)生，人們會(huì )將金屬外殼與設備的交流電線(xiàn)的接地端子相連。然而，這始終是一個(gè)危險的解決方案，因為在許多實(shí)際情況下，由于電線(xiàn)、插座有問(wèn)題，或者在不接地的插座上使用了“假的”三線(xiàn)轉兩線(xiàn)適配器，電線(xiàn)的接地線(xiàn)就不會(huì )真正連接到地面接地。

 

目前廣泛采用的解決方案是“雙絕緣”設計。工具的內部電路照舊絕緣，外殼也不導電，沒(méi)有裸露的導電部分。這樣一來(lái)，即使出現內部故障和外殼短路，或者鉆頭撞到墻上的帶電交流線(xiàn)，用戶(hù)也能得到保護，不受電流影響。雙絕緣工具符合美國國家電氣規范 (NEC) 的標準，并且因為不依賴(lài)三線(xiàn)插頭中經(jīng)常出現的接地連接而成為首選。事實(shí)上，雙絕緣工具和儀器只有一個(gè)兩線(xiàn)插頭用于火線(xiàn)和零線(xiàn)連接。

 

即使是小電流也有風(fēng)險

 

一個(gè)顯而易見(jiàn)的問(wèn)題是：對人體安全造成危險或者致命的最大電流水平是多少？這個(gè)問(wèn)題有多個(gè)答案，要看電流作用于人體那個(gè)部位和對人體有什么不利的影響。

 

標準線(xiàn)路電壓（110/230 伏；50 或 60 赫茲 (Hz)）穿過(guò)胸部，即使是幾分之一秒，電流低至 30 毫安 (mA)，也可能誘發(fā)心室顫動(dòng)。請注意，在 500 mA 左右時(shí)，直流電的危險等級要高得多，但本文只討論交流電及其隔離。如果電流路徑直接通過(guò)心臟，如通過(guò)心導管或其他類(lèi)型的電極，即便是低得多的小于 1 mA（交流或直流）的電流也會(huì )引起心顫。

 

以下是一些標準閾值，在描述通過(guò)皮膚接觸而流過(guò)身體的電流時(shí)經(jīng)常被引用：

●1 mA：幾乎無(wú)法察覺(jué)

●16 mA：一個(gè)普通體型的人能夠進(jìn)行抓握和“松手”的最大電流

●20 mA：呼吸肌麻痹

●100 mA：心室顫動(dòng)閾值

●2 安培 (A)：心臟停跳和內臟損傷

 

電流水平也是電流路徑的函數，也就是說(shuō)與身體接觸的兩個(gè)點(diǎn)在哪里，比如跨越或穿過(guò)胸部，從手臂向下到腳，或者穿過(guò)頭部。

 

最高安全限值是嚴格的

 

電流的大小是皮膚電阻和身體質(zhì)量的函數。美國國家職業(yè)安全與健康研究所 (NIOSH) 提供的指南指出：“在干燥的條件下，人體提供的電阻可能高達 10 萬(wàn)歐姆 (Ω)。潮濕或破損的皮膚可能會(huì )使人體的電阻下降至 1000Ω。同時(shí)高壓電能迅速破壞人體皮膚，使人體的電阻下降到 500Ω。”歐姆定律 (I = V/R) 量化了其余的電流情況。

 

當然，安全邊際的審慎性要求最大允許電流遠遠低于所引用的數字。這是一個(gè)復雜的問(wèn)題，涉及一系列相互重疊的標準，其中許多標準現在已經(jīng)獲得國際“統一”。這些標準涵蓋了允許的泄漏電流、介電強度、爬電和間隙尺寸等因素。

 

醫療設備額定隔離變壓器與標準交流電源變壓器有什么區別？畢竟它們都是利用磁芯上的初級繞組和次級繞組來(lái)實(shí)現 1:1 或其它轉換比的。不同的是，傳統變壓器不必、也不需要滿(mǎn)足所有上述監管要求，嚴格程度要低很多。

 

沒(méi)有一個(gè)單一的數字可以分配給每個(gè)參數，因為它們的最大值是許多因素的函數。它們還根據整體設計是使用單重還是雙重保護手段 (MOP)，以及該 MOP 是患者保護手段 (MOPP) 還是操作者保護手段 (MOOP) 來(lái)界定。

 

在眾多相關(guān)標準中，包括：

●IEC 60950-1:2001，“信息技術(shù)設備 — 安全 - 第 1 部分：一般要求”

●IEC 60601-1-11:2015，“醫療電氣設備 — 第 1-11 部分：基本安全和基本性能的一般要求 — 附屬標準：家庭保健環(huán)境中使用的醫療電氣設備和醫療電氣系統的要求”

●ISO 14971:2019，“醫療設備 — 風(fēng)險管理在醫療設備中的應用”

 

對這些標準及其許多條款和測試條件的描述，遠非本文討論之列。然而，有兩個(gè)項目開(kāi)發(fā)策略將有助于加快設計者開(kāi)發(fā)出符合醫療隔離法規要求的系統。

●與元器件廠(chǎng)家合作時(shí)，廠(chǎng)家應可靠地證明其具有專(zhuān)業(yè)技術(shù)和能力，能夠理解、實(shí)施并滿(mǎn)足這些要求以及定義這些要求的許多標準。設計人員不應該試圖自己去弄清楚這一切，因為這會(huì )非常耗費時(shí)間。

●作為構件策略的一部分，應盡可能使用符合相關(guān)標準的單個(gè)組件（如變壓器）。不太吸引人的選擇是，使用不符合標準的組件進(jìn)行設計，然后在它們周?chē)砑尤魏涡枰臇|西以符合標準，這種方式通常復雜而昂貴。

 

這些標準對隔離變壓器的性能提出了多方面的要求，最終會(huì )影響到整個(gè)產(chǎn)品，比如：

●絕緣等級和高電位（耐壓）測試，用于表征繞組內和繞組間的絕緣完整性和擊穿電壓；通常在幾千伏的范圍內。

●可避免高壓飛弧的爬電距離（兩個(gè)導電部分之間最短的表面距離）和間隙（兩個(gè)導電部分之間通過(guò)空氣的最短距離）；這些距離被指定為變壓器額定電壓的函數。

●漏電電流，是指當電壓施加到變壓器上時(shí)，從繞組到鐵芯以及從繞組到繞組的漏電電流；一般必須在 30 微安 (µA) 以下。

●由級內和級間電容引起的泄漏電流，這是變壓器設計、鐵芯和繞組的函數，也必須在 30μA 或更小的范圍內（圖 2）。

●可燃性等級，需符合如（但不限于）UL 94V-0，要在垂直燃燒試驗中評價(jià)燃燒試樣反復施放火焰和滴水后的燃燒和余火時(shí)間。

 

 

符合標準的測試是按照標準規定的詳細條件進(jìn)行的，通常是在變壓器在高電壓和高溫度下分別承受電壓力和熱壓力的同時(shí)或之后進(jìn)行，以評估最壞情況下和最壞情況出現后的性能。

 

現有的隔離變壓器功能各異

 

要想更好地了解隔離變壓器是如何解決系統設計人員各種需求的，一個(gè)很好的方法就是具體查看一些實(shí)例型號。這里我們將重點(diǎn)介紹了 Bel Signal Transformer 的四種具有代表性的單元，它們具有不同的特性和功能，都是為了提供隔離，滿(mǎn)足法規要求，以及方便與裝配和生產(chǎn)需求相整合。

 

1：M4L-1-3 是 Signal Transformer More-4-Less 系列中的一款 300 伏安 (VA)、機箱安裝單元，額定介電強度為 4 千伏 (kV)（圖 3）。

 

 

M4L-1-3 的多抽頭初級側能夠處理 105、115 和 125 VAC (50/60 Hz) 輸入電壓，同時(shí)在次級側提供 115VAC 輸出電壓（圖 4）。其設計在輸入和輸出繞組之間具有 12 mm 的爬電距離，漏電電流低于 30 µA。物理連接考慮因素包括 IP20 型“防觸摸”端子（手指和大于 12mm 的物體接觸不到），帶有用于硬接線(xiàn)的螺絲/捆綁夾，以及 3/16" 和 1/4" 快速連接。

 

 

2：One-4-All 系列中的 14A-30-512 是 30 VA、通孔安裝單元，額定電介質(zhì)耐壓 4 kV（圖 5）。

 

 

14A-30-512 采用 115/230 伏輸入，并提供與 +5 伏直流或 ±12 伏直流/±15 伏直流輸出相匹配的交流輸出，具體取決于其接線(xiàn)方式（圖 6）。

 

 

3：A41-25-512 是 All-4-One 系列中的一款 25 VA、機箱安裝式裝置，具有 5VDC 和 ±12VDC/±15VDC 穩壓電源的雙互補輸出（圖 7）。它符合所有相關(guān)的國際安全認證，由于采用雙初級側繞組，因此初級側工作電壓可為 115/230 伏交流電壓。它采用焊片/快速連接型端子，其泄漏電流符合 UL 60601-1、IEC/EN 60601-1 要求。

 

 

4：HPI 系列中的 HPI-35 是一個(gè) 3500 VA 單元，額定介電強度 4 kV，漏電電流在 50 微安以下；配有 IP20 型端子（圖 8）。

 

 

HPI-35的多抽頭、分體式初級和次級繞組能夠承受 100 伏、115 伏、215 伏和 230 伏 (50/60 Hz) 的輸入電壓，并提供 115 或 230 伏的輸出電壓（圖 9）。

 

 

結語(yǔ)

 

在使用醫療設備時(shí)，保護操作者和患者免受因為偶爾的系統失效和故障以及相關(guān)的電擊（通常是致命的）而造成傷害是至關(guān)重要的。如本文所述，隔離變壓器提供了這種保護。它們適用于交流線(xiàn)路輸入電壓，可用 1:1 匝比實(shí)現相同的輸出電壓，也可通過(guò)二次降壓繞組實(shí)現兩位數和一位數的輸出電壓。其獨特的設計和制造工藝使之能夠滿(mǎn)足許多嚴格的安全監管要求，如額定介電電壓、漏電電流、間隙和爬電以及可燃性等。使用這些隔離變壓器，設計人員可以快速讓其最終產(chǎn)品獲得監管認可并推向市場(chǎng)。

（來(lái)源：Digi-Key，作者：Bill Schweber）