DE2832715A1

DE2832715A1 - Aktiver isolationstransformator

Info

Publication number: DE2832715A1
Application number: DE19782832715
Authority: DE
Inventors: Jan-Erik Dr Sigdell
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-26
Filing date: 1978-07-26
Publication date: 1980-02-07

Description

Aktiver Isolationstransformator
V.a. bei medizinischen Apparaten werden oft hohe Anforderungen an galvanischer Abtrennung vom elektrischen Stromnetz gestellt, v.a.
um das Auftreten von Leckströmen möglichst zu verringern. Deshalb werden oft Isolationstransformatoren eingesetzt. Hierbei sind aber immer noch Möglichkeiten für kapazitive Leckströme vorhanden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Ergänzung eines Isolationstransformators mit einem aktiven Prinzip für den automatischen Ausgleich von Leckströmen. Da der Isolationstransformator an sich ein passiver Yomponent ist, kann die Gesamtanordnung nach der Erfindung als aktiver Isolationstransformator bezeichnet werden.
In Abb. 1 ist eine typische Anordnung von einem Isolationstransformator mit geerdeter Abschirmung gezeichnet. Die Primärseite (1) ist an das Netz angeschlossen, die Sekundärseite (2) speist das Gerät und ist von einer geerdeten Abschirmung (3} umgeben oder jedenfalls gegenüber der Primärseite abgedeckt. Somit werden Kriechströme von der Primärseite (1) an der Abschirmung (3) abgefangen, ohne an das Gerät zu gelangen. Allerdings können Kriechströme vom Gerät selbst durch kapazitive Kopplung ebenfalls durch die Abschirmung (3) abfliessen. Ist das Gerät nun auch andersweitig, direkt oder indirekt (z.B. ebenfalls kapazitiv) mit Erde verbunden, kann eine kapazitiv gekoppelte Erdschleife entstehen. Diese kann schon bei sehr geringen Stromstärken gefährlich werden, wenn das medizinische Gerät z.B. mit dem Kreislaufsystem des Patienten verbunden ist, so dass Knechströme u.U. einen Weg durch das Herz des Patienten finden können.
Ein erster Schritt zum Ausgleich von Leckströmen von der Sekundärseite (2) zur Abschirmung (3) in Abb. 1 ist, erfindungsgemäss, die Abschirmung als sog. 'aktive Abschirmung" ("hot shield" oder "getriebene Abschirmung") zu betreiben, wie in Abb. 2 dargestellt. Hier ist ein Verstärker (4) mit dem Verstärkungsfaktor 1 und sehr hohem Eingangsimpedanz angeschlossen. Dieses Prinzip der aktiven Abschirmung ist an sich für andere Anwendungen schon bekannt und bedarf keiner weiteren'Erläuterung.
Hierdurch ist allerdings das Problem noch nicht vollständig gelöst, da erstens die Spannung längs der Sekundärwicklung des Transformators variiert und zweitens Leckströme über den Verstärker nach Erde noch abfliessen können. Deshalb wird, als nächster Schritt, eine zweite Abschirmung (5) eingeführt, nach Abb. 3. Ein äquivalentes Schema für diese Anordnung ist in Abb. 4 dargestellt.
Der Verstärker hält hier die Spannung an der primärseitigen Abschirmung (3) am gleichen Wert, wie sie an der sekundärseitigen Abschirmung (5) vorliegt. Daher niesst kein Strom zwischen den Abschirmungen. Da die sekundärseitige Abschirmung (5) am hoch-impediven Verstärkereingang liegt, ist dem Abfllessen eines Leciistromes von der Sekundärseite her ein sehr hohes TTindernis gesetzt. Ieckströme von der Primärseite werden an der primärseitigen Abschirmung (3) abgefangen und über den (niederohmigen) Verstärkerausgang abgeleitet, wobei die Spannung so erzwungen wird, dass eben kein Ieckstrom an die sekundärseitige Abschirmung weiterfliessen kann (durch die unvermeidliche Streukapazität C in Abb. 4).
Der Verstärker muss hierbei von der Primärseite her gespeist werden, da sonst (bei sekundärseitiger Speisung) ein zusätzlicher Weg für Leckströme über die Speisung entstände. Der Verstärker muss u.U. hohe Ausgangsspannungen abgeben können, aber Cleichstromkopplung ist nicht notwendig. Deshalb hmn eine Transformatorkopplung nach Abb. 5 vorteilhaft sein. Hier ist der Verstärker (6) ein Operationsverstärker, der auf bekannte Weise mit dem Ausgangstransformator (7) eine Anordnung mit Cesamtverstärkung 1 bildet. Der Verstärker ist über ein Speisegerät (8) von der Primärseite (1) her gespeist.
Es kann hier vorteilhaft sein, evtl. durch z.P. an das Netz angeschlossene andere Maschinen induzierte Spannungsspitzen durch eine dritte Abschirmung (9) abzufangen, ehe sie an das oben beschriebene aktive Abschirmsystem gelangen. Ein solcher Schirm ist in Abb. 6 eingezeichnet, wobei der Verstärker wie in Abb. 5, oder auf andere Weise, zu realisieren ist. Diese zusätzliche Abschirmung (9) muss also, falls verwendet, zwischen Primärseite und dem getriebenen Schirm" (3) liegen.
Je nach Gerät, ka#m es auch vorteilhaft sein, die sekundärseitige Abschirmung (5) mit dem Chassie dieses Gerätes zu verbinden.
So weit wurde ein Prinzip beschrieben, das auf einen Einheits -Spannungsverstärker baut (Verstärker mit Spannungen als Ein- und Ausgangsgrössen und mit der Spannungsverstärkung 1). Es soll nun auch ein alternatives Prinzip beschrieben werden, das auf einen Einheits - Stromverstärker baut. Unter dem Begriff Stromverstärker verstehen wir hier einen Verstärker, bei dem sowohl die Eingangsgrösse wie auch die Ausgangsgrösse ein Strom ist und unter Einheits-Stromverstärker, dass die Stromverstärkung dabei 1 ist. Ein solcher Verstärker liefert also stets einen Ausgangsstrom, der dem Eingang strom gleich ist (aber von einer anderen Quelle bezogen ist, worauf hier die Isolation u.a. beruht.
Dieses weitere Prinzip ist in Abb. 7 dargestellt. Der Einheits -Stromverstärker (10) ist hier von einem primärseitigen Speisegerät (8) gespeist und treibt eine Abschirmung (3). Der Eingang zum Verstärker ist mit einer weiteren Abschirmung (11) verbunden, der primärseitig vor der "getriebenen" Abschirmung (3) liegt. Die sekundärseitige Abschirmung (5) hat hier hauptsächlich die Aufgabe, eine über die Sekundärseite gleichbleibende Spannung an die Primärseite hin zu zeigen, und nicht eine örtlich unterschiedliche Spannung, wie es an der Sekundärwicklung der Fall ist. Diese Abschirmung (5) kann mit dem Chassie (12) des Gerätes verbunden werden.
Der Verstärker (10) erzwingt hier einen Strom an die getriebene Abschirmung (3), der gleich gross ist, wie der Strom, der von der Abschirmung (11) in den Verstärkereingang fliesst. Dieser Eingangs~ strom kann nur vom "getriebenen Schirm" (3) kommen, da die Abschirmung (11) am Verstärkereingang Uber diesen auf Erdpotential liegt (der Stromverstärker hat Eingangsimpedanz Null), wie die primärseitige Abschirmung (9). Somit kann kein Strom zwischen dem "getriebenen Schirm" (3) und der sekundärseitigen Abschirmung (5) fliessen, was zur Folge haben muss, dass der "getriebene Schirm" (3) stets die gleiche Spannung hat, wie die sekundärseitige Abschirmung (5).
Mit diesem Prinzip ist die sekundärseitige Abschirmung (5) vollständig von der Primärseite sowie von diesseitiger Erdung abgetrennt (im Prinzip nach Abb. 3 - 6 besteht eine Verbindung über den Verstärkereingang, der allerdings sehr hochimpediv sein soll). Damit ist deshalb die vollständigste Art der Isolation erreicht.
Soweit hier (bei beiden Prinzipien) über eine evtl. Verbindung der sekundärseitigen Abschirmung mit dem Gerätechassie gesprochen ist, kommt als Alternative bei gewissen Geräten auch eine Verbindung mit einem anderen relevanten elektrischen Referenzpunkt (z.B. Messreferenz) in Frage.

Claims

Patentans#r#che aktiver Isolationstransformator, d a d u r c h g e k e n n -e i c h n e t , dass er aus einem passiven Isolationstransformator besteht, der zwei Abschirmungen hat - sekundär bzw.

primärseitig (5 bzw. 3) - die so miteinander Uber einen Spannungs - Verstärker (4) mit Verstärkungsfaktor 1 verbunden sind; dass die sekundärseitige Abschirmung (5) am Eingang und die primärseitige Abschirmung (3) am Ausgang des Verstärkers (4) angeschlossen ist.
2. Aktiver Isolationstransformator nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine weitere, geerdete Abschirmung (9) zwischen Primärwicklung des Isolationstransformators und der mit dem Verstärkerausgang verbundenen Abschirmung (3) eingeführt ist.
3. Aktiver Isolationstransformator nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verstärker (4) von der Primärseite her gespeist wird (8).
4. Aktiver Isolationstransformator nach einem der AnsprUche 1 - 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verstärker (4) aus einem Operationsverstärker (6) mit Auzgangstransformator (7) besteht, wobei dieser Transformator eine RUckkopplung an den Verstärkereingang aufweist um eine Gesamtverstärkung von 1 zu erzeugen.
5. Aktiver Isolationstransformator nach einem der AnsprUche 1 - 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die sekundärseitige Abschirmung (5) mit dem Chassie des sekundärseitig angeschlossenen Gerätes verbunden ist, oder sonst mit einem elektrischen Referenzpunkt in diesem Gerät.
6. Aktiver Isolationstransformator, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , dass er aus einem (passiven) Isolationstransformator besteht der zwischen Primär- und Sekundärseite (1,2) vier Abschirmungen hat, wobei von der Primärseite her gerechnet die erste (9) geerdet ist, die zweite (11) mit dem Eingang eines Stromverstärkers (10) mit Verstar#kungsk#r 1 verbunden ist, die dritte (3) mit dem Ausgang dieses Verstärkers verbunden ist und die vierte (12) keine weitere Verbindung aufweist.
7. Aktiver Isolationstransformator nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verstärker (1O) von der Primärseite her gespeist wird (8).
8. Aktiver Isolationstransformator nach Anspruch 6 oder 7 , d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die der Sekundärseite am nächsten liegende Abschirmung mit dem Chassie des sekundärseitig angeschlossenen Gerätes verbunden ist, oder sonst mit einem elektrischen Referenzpunkt in diesem Gerät.