Гальваническая развязка трансформаторами: анализ в SPICE и практические применения

SPICE-анализ гальванической развязки

Трансформаторы не только обеспечивают преобразование напряжения и тока в цепях переменного и постоянного тока, но и дают критически важную функцию — гальваническую развязку. Это позволяет магнитно связать две цепи без прямых проводных соединений, защищая чувствительные компоненты и повышая безопасность.

Для иллюстрации этого эффекта проведём SPICE-моделирование, накладывающее высокое постоянное напряжение на вторичную сторону при заземлении обеих цепей:

Трансформатор развязывает 10 В переменного тока от V1 и 250 В постоянного тока от V2.

v1 1 0 ac 10 sin
rbogus1 1 2 1e-12
v2 5 0 dc 250
l1 2 0 10000
l2 3 5 100
k l1 l2 0.999
vi1 3 4 ac 0
rload 4 5 1k
.ac lin 1 60 60
.print ac v(2,0) i(v1)
.print ac v(3,5) i(vi1)
.end

DC voltages referenced to ground (node 0):
(1) 0.0000 (2) 0.0000 (3) 250.0000 (4) 250.0000 (5) 250.0000
AC voltages:
freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Primary winding
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Secondary winding

SPICE показывает, что 250 В постоянного тока присутствуют на вторичной цепи относительно земли, тогда как первичная цепь регистрирует нулевое постоянное напряжение на узлах 1 и 2. Преобразование переменного тока остаётся неизменным, подтверждая, что трансформатор эффективно блокирует вводное напряжение от первичной стороны.

Напряжение, приложенное к вторичной стороне, часто называют вводным (common-mode), потому что оно отсчитывается от общей точки (земли) и появляется на нескольких узлах. Гальваническая развязка трансформатора предотвращает влияние этого напряжения на первичную цепь.

Это свойство сохраняется независимо от того, является ли вводное напряжение постоянным или переменным, даже на другой частоте.

В приложениях, требующих одинаковых уровней напряжения и тока по обе стороны, используются развязочные трансформаторы 1:1. Эти устройства сохраняют те же напряжение и ток, предоставляя гальваническую развязку. Типичный настольный развязочный трансформатор показан ниже.

Развязочный трансформатор изолирует питание от сети.

• Трансформаторы обеспечивают передачу мощности между цепями без прямых проводников, предлагая гальваническую развязку.
• Развязочные трансформаторы специально предназначены для этой развязки без изменения соотношений напряжения или тока.

• Step‑up, Step‑down, and Isolation Transformers Worksheet