Elektrische Isolation mit Transformatoren: SPICE-Analyse & praktische Anwendungen

SPICE-Analyse der elektrischen Isolation

Transformatoren ermöglichen nicht nur Spannungs- und Stromumwandlung in AC- und DC-Schaltungen, sondern liefern auch eine kritische Eigenschaft: elektrische Isolation. Diese Fähigkeit erlaubt es, zwei Schaltungen magnetisch zu koppeln, ohne direkte Leiterverbindungen, was empfindliche Komponenten schützt und die Sicherheit erhöht.

Um diesen Effekt zu veranschaulichen, führen wir eine SPICE-Simulation durch, die eine hohe Gleichspannung auf der Sekundärseite aufprägt, während beide Schaltungen geerdet sind:

Transformator isoliert 10 Vac an V1 von 250 VDC an 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-Spannungen bezogen auf Masse (Knoten 0): (1) 0.0000 (2) 0.0000 (3) 250.0000 (4) 250.0000 (5) 250.0000
AC-Spannungen: freq v(2) i(v1) 6.000E+01 1.000E+01 9.975E-05 Primärwicklung
freq v(3,5) i(vi1) 6.000E+01 9.962E-01 9.962E-04 Sekundärwicklung

SPICE zeigt, dass die 250 VDC auf dem Sekundärkreis bezogen auf Masse vorhanden sind, der Primärkreis jedoch an den Knoten 1 und 2 null DC-Spannung registriert. Die AC-Transformation bleibt unverändert, was bestätigt, dass der Transformator die Gleichtaktspannung effektiv von der Primärseite fernhält.

Die auf den Sekundärkreis angewendete Spannung wird oft als Gleichtaktspannung bezeichnet, da sie auf einen gemeinsamen Punkt (Masse) bezogen ist und an mehreren Knoten erscheint. Die Isolation des Transformators verhindert, dass diese Spannung den Primärkreis beeinflusst.

Diese Isolations-Eigenschaft gilt unabhängig davon, ob die Gleichtaktspannung DC oder AC ist, selbst bei anderer Frequenz.

In Anwendungen, die identische Spannungs- und Strompegel auf beiden Seiten erfordern, werden 1:1-Isolationstransformatoren verwendet. Diese Geräte halten Spannung und Strom konstant, während sie elektrische Isolation bieten. Ein typischer Tisch-Isolationstransformator ist unten gezeigt.

Isolationstransformator isoliert Leistung vom Netz.

• Transformatoren ermöglichen Leistungsübertragung zwischen Schaltungen ohne direkte Leiter, bieten elektrische Isolation.
• Isolationstransformatoren sind speziell dafür ausgelegt, diese Isolation ohne Änderung von Spannungs- oder Stromverhältnissen zu bieten.

• Hochspannungs-, Niederspannungs- und Isolationstransformatoren Arbeitsblatt