CN101471174A - 一种隔离变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隔离变压器，包括变压器的原边、副边、用于在导通状态和断开状态之间切换的开关电路、电压检测与控制电路，所述原边包括电压输入端和连接在电压输入端两端子之间的至少两个绕组，所述副边包括电压输出端和连接在电压输出端两端子之间的至少一个绕组，所述电压检测与控制电路用于检测输入电压或输入电压相关量，其控制端耦合到开关电路，用于当输入电压或输入电压相关量符合第一电压供电***时，控制所述原边至少两个绕组之间通过串联方式连接以增加绕组的线圈匝数，所述第一电压供电***为供电电压大于设定阈值的供电***。本发明的隔离变压器的能使设备自动适应多种不同的电压***，体积、重量小和成本低。

Description

一种隔离变压器

【技术领域】

本发明涉及变压器设备，具体涉及一种具有输入电压自适应性的隔离变压器。

【背景技术】

在很多设备中，为防止漏电流，一般需要采用的隔离变压器。例如，在超声诊断***等医疗设备中，常需要配置打印机、VCR等外设来辅助医生进行诊断，所以也需要防漏电流设计，通常采用1∶1的隔离变压器来防止漏电流。考虑到产品在全球范围内的通用性，隔离变压器的设计需要兼顾到115V/230Vac两种电压***。对采用了隔离变压器，且在全球范围销售的医疗设备，主要采用以下两种方法来适应本地的输入电压。

第一种方式，如图1所示，变压器采用保守设计，具有较多的匝数和较大的绕线有效面积。对115/230Vac两种不同输入电压的场合，变压器不做任何调整，直接使用。采用图1方式的绕组固定架构，由于需要同时兼顾到高电压(可高达264Vac)和大电流(对应最低输入电压下的满载电流)，变压器的体积、重量将会很大，增加成本的同时，也由于其笨重性而难以安装，影响设备的工艺和机械性能。

第二种方式，如图2所示，为在图1所示的变压器基础上改进型的隔离变压器，变压器原边和副边各包括两个绕组，通过机械开关等方式，手动改变绕组的连接关系，来适应115V/230Vac的不同场合。采用图2方式结合机械开关的架构，需要事先知道电网的电压，然后再进行手工操作，容错性低。手工操作的方式需要将电压选择开关引到机身，或选择将电压选择安装在机器内部，前者增加了结构的复杂性，后者更替和维护不便。且由于实际设备中的限制，多数场合需要对整机拆卸后才能切换，操作不便。

【发明内容】

本发明的主要目的就是提供一种结构简单、易于操作的隔离变压器，它能够自动适应多种不同的电压***。

为实现上述目的，本发明提供一种隔离变压器，包括变压器的原边、副边、用于在导通状态和断开状态之间切换的开关电路、电压检测与控制电路，所述原边包括电压输入端和连接在电压输入端两端子之间的至少两个绕组，所述副边包括电压输出端和连接在电压输出端两端子之间的至少一个绕组，所述电压检测与控制电路用于检测输入电压或输入电压相关量，其控制端耦合到开关电路，用于当输入电压或输入电压相关量符合第一电压供电***时，控制所述原边至少两个绕组之间通过串联方式连接以增加绕组的线圈匝数，所述第一电压供电***为供电电压大于设定阈值的供电***。

在一种实施例中，所述原边优选包括相同的第一绕组和第二绕组，所述开关电路包括第一开关、第二开关和第三开关；所述第一绕组的第一端耦合到电压输入第一端，所述第二绕组的第二端耦合到电压输入第二端，所述第一开关连接在电压输入第一端和第二绕组的第一端之间，所述第二开关连接在第一绕组的第二端和电压输入第二端之间，所述第三开关连接在第一绕组的第二端和第二绕组的第一端之间，所述第一绕组的第一端和所述第二绕组的第一端为同名端；所述电压检测与控制电路用于在检测的电压符合第一电压供电***时，控制所述第一开关和第二开关处于断开状态且所述第三开关处于导通状态，在检测的电压符合第二电压供电***时，控制所述第一开关和第二开关处于导通状态且所述第三开关处于断开状态，所述第二电压供电***为供电电压小于或等于设定阈值的供电***。

所述副边优选包括相同的第三绕组和第四绕组，所述开关电路包括第四开关、第五开关和第六开关；所述第三绕组的第一端耦合到电压输出第一端，所述第四绕组的第二端耦合到电压输出第二端，所述第四开关连接在第三绕组的第二端和第四绕组的第一端之间，所述第五开关连接在第三绕组的第二端和电压输出第二端之间，所述第六开关连接在电压输出第一端和第四绕组的第一端之间，所述第三绕组的第一端和所述第四绕组的第一端为同名端；所述电压检测与控制电路用于在检测的电压符合第一电压供电***时，控制所述第四开关处于导通状态且所述第五开关和第六开关处于断开状态，在检测的电压符合第二电压供电***时，控制所述第四开关处于断开状态且所述第五开关和第六开关处于导通状态。

本发明的有益效果是：

本发明通过电压检测与控制电路来检测输入电压或可表征输入电压大小的输入电压相关量，并根据检测结果对开关电路进行控制，使原边绕组连接方式改变，即绕组连接方式根据输入电压自动切换，从而使变压器原边绕组的配置与变压器输入电压的大小相适应。因此，本发明能够克服现有技术的缺陷，在设备使用的过程中，能自动适应多种不同的、且电压差别较大的供电***。本发明与现有技术中第一种方式相比，不需要使用具有很多匝数和较大绕线有效面积的绕组，因而减小了变压器的体积和重量。本发明与现有技术中第二种方式相比，不需要手动操作，本发明可根据输入电压进行自动切换，并使各个绕组都得到了充分的利用，有利于减少线圈匝数，从而减少变压器的体积和重量，由此也使得隔离变压器的安装与使用简单，且便于操作、高效率、小体积及低成本。并且本实施例因开关电路的控制，变压器在待机时处于隔断状态，只有隔离变压器中的电压检测和控制电路维持着必要的采样和控制工作，所以，相比于现有变压器在待机状态下绕组对能量的损耗，本实施例可降低待机功耗，能够有效节能。

在改进的方案中，原边为相同的两个绕组，可根据输入电压的不同采用串联或并联的方式，同时兼顾了高电压和大电流，并且能够在满负载的情况下提供足够的功率。

在进一步改进的方案中，原、副边各有相同的两个绕组，不管切换到哪种方式，本实施例中的绕组都参与了变压转换，没有闲置绕组，从而充分利用了各个绕组，在保证兼顾各种电压供电***的基础上有效减小了变压器的体积和成本。

【附图说明】

图1为现有的一种隔离变压器的电路图；

图2为现有的另一种隔离变压器的电路图；

图3为本发明实施例一的隔离变压器的电路图；

图4为本发明实施例二的隔离变压器的电路图；

图5为本发明实施例三的隔离变压器的电路图；

图6为本发明实施例四的隔离变压器的电路图。

【具体实施方式】

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

本发明的隔离变压器包括变压器的原边和副边、电压检测与控制电路，以及在电压检测与控制电路的控制下在导通状态和断开状态之间切换的开关电路。

变压器的原边是指变压器和电源相连的线圈，变压器的副边是指与负载相连的线圈。本发明中，变压器的原边包括电压输入端和连接在电压输入端两端子之间的至少两个绕组，副边包括电压输出端和连接在电压输出端两端子之间的至少一个绕组。

所述电压检测与控制电路用于检测输入电压或输入电压相关量，输入电压相关量为输入电压的函数，例如输出电压可以作为输入电压相关量，输出电压与输入电压呈一定的变比关系，对于1：1的隔离变压器，输出电压等于输入电压，对于2：1的隔离变压器，输出电压等于输入电压的1/2。所述电压检测与控制电路根据检测的电压控制开关电路中各个开关的导通或断开，当输入电压或输入电压相关量符合第一电压供电***时，控制所述原边至少两个绕组之间通过串联方式连接以增加绕组的线圈匝数，所述第一电压供电***为供电电压大于设定阈值的供电***。鉴于全球各国家的电压主要包括100V、110V、120V、127V、220V、230V、240V共7种电压，所以在本发明的优选实施例中，所述第一电压供电***是指供电电压为220V-240V的供电***，所述第二电压供电***是指供电电压为100V-127V的供电***，所述设定阈值为127V到220V之间的某个值。第一电压供电***和第二电压供电***也通常被称为230V/115V供电***。

设定阈值可以根据实际经验进行变更，设定阈值更改后，第一电压供电***和第二电压供电***的范围也相应变更，当出现新的供电***时，可根据设定阈值对该供电***进行归类。

实施例一：

请参考图3，隔离变压器的原边包括相同的第一绕组N1和第二绕组N2，副边包括相同的第三绕组N3和第四绕组N4，上述绕组各具有第一端和第二端，各绕组的第一端互为同名端，各绕组的第二端也互为同名端。本实施例中，开关电路采用由继电器组成的电路，包括位于原边的第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，以及位于副边的第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6，各开关对应为继电器。所述电压检测与控制电路的电压检测端耦合到所述原边的电压输入端，用于检测输入电压Vin，其控制端耦合到各开关。

其中，第一绕组N1的第一端耦合到电压输入第一端Vin I，所述第二绕组N2的第二端耦合到电压输入第二端Vin II，所述第一开关K1连接在电压输入第一端Vin I和第二绕组N2的第一端之间，所述第二开关K2连接在第一绕组N1的第二端和电压输入第二端Vin II之间，所述第三开关K3连接在第一绕组N1的第二端和第二绕组N2的第一端之间。所述第三绕组N3的第一端耦合到电压输出第一端Vout I，所述第四绕组N4的第二端耦合到电压输出第二端Vout II，所述第四开关K4连接在第三绕组N3的第二端和第四绕组N4的第一端之间，所述第五开关K5连接在第三绕组N3的第二端和电压输出第二端Vout II之间，所述第六开关K6连接在电压输出第一端Vout I和第四绕组N4的第一端之间。本实施例中，第三开关K3负责实现原边第一绕组N1和第二绕组N2之间的可控制的顺接串联连接，第四开关K4负责实现副边第三绕组N3和第四绕组N4之间的可控制的顺接串联连接，第一开关K1和第二开关K2负责实现原边第一绕组N1和第二绕组N2之间的可控制的并联连接，第五开关K5和第六开关K6负责实现副边第三绕组N3和第四绕组N4之间的可控制的并联连接。

图3所示电路的工作原理如下：

所述电压检测与控制电路在检测的输入电压Vin符合第一电压供电***(即高电压供电***，例如230V供电***)时，控制所述第一开关K1和第二开关K2处于断开状态且所述第三开关K3处于导通状态，并控制所述第四开关K4处于导通状态且所述第五开关K5和第六开关K6处于断开状态，这样原边的第一绕组N1和第二绕组N2串联后连接在电压输入第一端Vin I和电压输入第二端Vin II之间，副边的第三绕组N3和第四绕组N4也串联后连接在电压输出第一端Vout I和电压输出第二端Vout II之间，从而在高输入电压下使原边和副边的有效线圈匝数都增加。

所述电压检测与控制电路在检测的输入电压Vin符合第二电压供电***(即低电压供电***，例如115V供电***)时，控制所述第一开关K1和第二开关K2处于导通状态且所述第三开关K3处于断开状态，并控制所述第四开关K4处于断开状态且所述第五开关K5和第六开关K6处于导通状态，这样原边的第一绕组N1和第二绕组N2并联后连接在电压输入第一端Vin I和电压输入第二端Vin II之间，副边的第三绕组N3和第四绕组N4并联后连接在电压输出第一端Vout I和电压输出第二端Vout II之间，从而在低输入电压下使原边和副边的有效线圈的线径都增加。从而本实施例通过检测电压和自动切换同时兼顾到了高电压(可高达264Vac)和大电流(对应最低输入电压下的满载电流)。

本实施例中，电压检测与控制电路设置在隔离变压器的原边，即变压器的电压输入一端，电压检测与控制电路检测变压器的输入电压值，并根据检测的结果控制继电器各触点的闭合/关断。以本实施例兼用两种常见的电压***即115VAC供电***和230VAC供电***的情形为例。当电压检测与控制电路检测到输入由230VAC变为115V AC供电***时，则控制原边即输入一端的第一开关K1、第二开关K2闭合，第三开关K3断开，且控制副边即输出一端的第四开关K4断开，第五开关K5、第六开关K6闭合。此时，原边的第一绕组N1和第二绕组N2由串联连接切换至并联连接，副边的第三绕组N3和第四绕组N4由串联连接切换至并联连接。由于原边绕组和副边绕组是按照串接时适应230V输入电压，并接时适应115V输入电压的方式选配的，所以，变压器由230V输入电压转入115V输入电压时，原边各绕组和副边各绕组受控由串联连接切换至并联连接，故变压器能够获得在最大输入电流时低的铜损。反之，当电压检测与控制电路检测到输入由115V AC变为230VAC供电***时，则控制原边即输入一端的第一开关K1、第二开关K2断开，第三开关K3闭合，且控制副边即输出一端的第四开关K4闭合，第五开关K5、第六开关K6断开。此时，原边的第一绕组N1和第二绕组N2串联连接，副边的第一绕组N3和第二绕组N4串联连接，此种情形下，变压器能够获得在最高输入电压时低的铁损。可以看到，本发明与现有技术相比具有自适应性，且可自动调整绕组使变压器变换效率在不同供电***下达至较高。不管切换到哪种方式，本实施例中的绕组都参与了变压转换，没有闲置绕组，从而充分利用了各个绕组，在保证兼顾各种电压供电***的基础上有效减小了变压器的体积和成本。

通常，变压器会在待机时仍处于变压状态，存在较大的励磁，而本实施例因开关电路的控制，变压器在待机时处于隔断状态，只有隔离变压器中的电压检测和控制电路维持着必要的采样和控制工作，所以，相比于现有变压器在待机状态下绕组对能量的损耗，本实施例可降低待机功耗，能够有效节能。

实施例二：

请参考图4，与实施例一相比，本实施例的区别在于：开关电路中的一路开关为常闭继电器，从而使隔离变压器一旦接通电源后即可形成通路，在副边具有电压输出，因而电压检测与控制电路可设置在变压器副边，如图4所示，检测副边的输出电压。在图4中，原边的第三开关K3和副边的第四开关K4为常闭继电器，其余的开关为常开继电器。同时，电压检测与控制电路设置在副边，采样所述副边的电压信号，并根据采样到的电压信号和变压器的变压比分析判断出变压器原边的输入电压的大小，以此对各开关的状态进行控制，从而实现原边各绕组之间和副边各绕组之间串并联连接方式的切换。本实施例上电路切换的原理与实施例一完全相同。

由于，第三开关K3和第四开关K4为常闭开关，这样，输入电压时，不需要先操作触点开关，变压器即在默认工作状态下运行，因此，设置在变压器副边即输出一端的电压检测与控制电路的能够采样到副边的电压信号，根据该信号判断出变压器输入电压的大小，并据此控制继电器各触电的吸合断开动作。由于变压器副边属于负载端，可以充分利用负载端的已有电路来实现电压检测与控制电路的部分甚至全部功能，而一般不需要再专门设计这部分电路，因此，进一步精简了电路结构并简化了控制流程。

实施例三：

请参考图5，原边包括相同的第一绕组N1和第二绕组N2，副边包括一个第五绕组N5，开关电路包括位于原边的第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3，电压检测与控制电路位于原边，电压检测与控制电路、第一绕组N1和第二绕组N2、第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3的电路连接关系与实施例一相同。当电压检测与控制电路采样到输入电压为115Vac时，第一开关K1、第二开关K2闭合，第三开关K3断开，而当输入电压为230Vac时，第一开关K1、第二开关K2断开，第三开关K3闭合。这样，在230/115Vac两种供电***下，均可获得相对比较一致的输出电压Vout，具体电压视副边绕组N5的匝数而定。此种方法使输出电压Vout转换成为了窄电压输出，可以简化后级电路设计。

实施例四：

请参考图6，本实施例是对实施例一和实施例三的综合，原边包括相同的第一绕组N1和第二绕组N2，副边包括三个绕组，其中第三绕组N3和第四绕组N4相同，开关电路包括位于原边的第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3以及位于副边的第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6，电压检测与控制电路位于原边，电压检测与控制电路、第一绕组N1和第二绕组N2、第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3、第三绕组N3和第四绕组N4、第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6的电路连接关系与实施例一相同，副边的第五绕组N5为独立绕组。本实施例除可以通过第三绕组N3和第四绕组N41：1输出Vout1外，还可以根据第五绕组N5的匝数获得一窄电压输出Vout2。当N5＝N3时，还可以视具体情况直接采用N3输出Vout2，或根据实际情况并绕后再输出。同理，如果需要更多的输出，或需要对Vout2的输出电压进行调整，可以采用更多的绕组。

以上实施例中，电压检测和控制电路可以设置为一个模块，也可以在物理上相对独立地设置。电压检测与控制电路的实现方式比较灵活，例如可在初级采用整流支路、直接采用初级的STANDBY电路、隔离变压器本身增加一辅助检验绕组等方式配合比较电路实现。

此外，虽然以上实施例以使用115VAC和230VAC供电***为例，但显然不限于115V和230V的情形，例如，通过适当选配绕组，本结构的变压器在90～140V和198～264V的供电范围同样能达到较好的效果。

以上实施例中，原边可以只有一个继电器，第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3分别是这个继电器上的触点，同样副边也可以只有一个继电器，第四开关K4、第五开关K5和第六开关K6分别是这个继电器上的触点。

以上实施例中，开关电路还可以由三极管或场效应管组成，通过设计电路三极管或场效应管电路，使电压检测和控制电路的控制端耦合到三极管的基极或场效应管的栅极，而三极管或场效应管的另外两端作为电流导通端耦合到相应点。

以上实施例中，第一电压供电***还可以是指198～264V供电范围的供电***，所述第二电压供电***是指供电电压为90～140V供电范围的供电***。

以上实施例中，在电压检测和控制电路对检测电压进行判断时，可以将检测电压值与若干设定的电压范围比较，判断该检测电压值落入哪个设定的电压范围，并据此判断输入电压属于第一电压供电***还是第二电压供电***。还可以将检测电压值与一个设定的阈值进行比较，判断该检测电压值是否大于该设定阈值，如果是，则认为输入电压属于第一电压供电***，否则认为输入电压属于第二电压供电***。

以上实施例中，第一绕组N1和第二绕组N2也可以是不相同的绕组，但这种情况下，只能将第一绕组N1和第二绕组N2串联而不能将两者并联。对于输入电压属于230V供电***时，将第一绕组N1和第二绕组N2串联。而对于输入电压属于115V供电***时，第一绕组N1和第二绕组N2中只有一个有效，而另一个处于闲置状态，这种情况因没有增加绕组的线径，会导致降低变压器的输出功率。

作为本发明的另一方面，此隔离变压器可应用于各种不同的用电设备，如医疗领域的医疗电子诊断设备。使用本发明隔离变压器的设备能自动适应不同国家和地区的电网，可在世界电压范围内使用，提高了操作的容错性和产品的通用性，同时简化了工艺，降低了成本。例如，采用上述隔离变压器的超声诊断***，能够适应115V AC和230VAC两种电压的供电***，变压器绕组切换使用十分方便，降低了变压器成本。

本发明通过改变参与电能变换的绕组的匝数，从而可对变压器输入输出变换比值进行灵活的调整，使变压器输出电压适应不同负载的工作需求。本发明不仅使隔离变压器的体积、重量和成本明显降低，也能使设备使用时自动适应多种不同的电压***，在对输入电压采样检测后，控制开关器件的开通/关断状态，根据输入电压自动切换改变隔离变压器的绕组连接方式，使设备可在世界电压范围内使用。相对于现有的隔离变压器，本发明可自动适应不同国家和地区的电网，提高了操作的容错性和产品的通用性，同时简化了工艺，实现了变压器以及使用该变压器的设备的高效率、小体积及低成本。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，这些推演或替换都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种隔离变压器，包括变压器的原边和副边，其特征在于：还包括用于在导通状态和断开状态之间切换的开关电路和电压检测与控制电路，所述原边包括电压输入端和连接在电压输入端两端子之间的至少两个绕组，所述副边包括电压输出端和连接在电压输出端两端子之间的至少一个绕组，所述电压检测与控制电路用于检测输入电压或输入电压相关量，其控制端耦合到开关电路，用于当输入电压或输入电压相关量符合第一电压供电***时，控制所述原边至少两个绕组之间通过串联方式连接以增加绕组的线圈匝数，所述第一电压供电***为供电电压大于设定阈值的供电***。

2.如权利要求1所述的隔离变压器，其特征在于：所述原边包括相同的第一绕组和第二绕组，所述开关电路包括第一开关、第二开关和第三开关；所述第一绕组的第一端耦合到电压输入第一端，所述第二绕组的第二端耦合到电压输入第二端，所述第一开关连接在电压输入第一端和第二绕组的第一端之间，所述第二开关连接在第一绕组的第二端和电压输入第二端之间，所述第三开关连接在第一绕组的第二端和第二绕组的第一端之间，所述第一绕组的第一端和所述第二绕组的第一端为同名端；所述电压检测与控制电路用于在检测的电压符合第一电压供电***时，控制所述第一开关和第二开关处于断开状态且所述第三开关处于导通状态，在检测的电压符合第二电压供电***时，控制所述第一开关和第二开关处于导通状态且所述第三开关处于断开状态，所述第二电压供电***为供电电压小于或等于设定阈值的供电***。

3.如权利要求2所述的隔离变压器，其特征在于：所述副边包括相同的第三绕组和第四绕组，所述开关电路包括第四开关、第五开关和第六开关；所述第三绕组的第一端耦合到电压输出第一端，所述第四绕组的第二端耦合到电压输出第二端，所述第四开关连接在第三绕组的第二端和第四绕组的第一端之间，所述第五开关连接在第三绕组的第二端和电压输出第二端之间，所述第六开关连接在电压输出第一端和第四绕组的第一端之间，所述第三绕组的第一端和所述第四绕组的第一端为同名端；所述电压检测与控制电路用于在检测的电压符合第一电压供电***时，控制所述第四开关处于导通状态且所述第五开关和第六开关处于断开状态，在检测的电压符合第二电压供电***时，控制所述第四开关处于断开状态且所述第五开关和第六开关处于导通状态。

4.如权利要求2所述的隔离变压器，其特征在于：所述第一电压供电***是指供电电压为220V、230V和240V的供电***，所述第二电压供电***是指供电电压为100V、110V、120V和127V的供电***，所述设定阈值为127V到220V之间的某个值。

5.如权利要求2所述的隔离变压器，其特征在于：所述副边包括一个绕组。

6.如权利要求2至5中任一项所述的隔离变压器，其特征在于：所述电压检测与控制电路的电压检测端耦合到所述原边的电压输入端，用于检测输入电压。

7.如权利要求6所述的隔离变压器，其特征在于：所述开关电路为由三极管、场效应管或继电器组成的电路。

8.如权利要求3所述的隔离变压器，其特征在于：所述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关和第六开关为继电器，所述第一开关、第二开关、第五开关和第六开关为常开继电器，所述第三开关和第四开关为常闭继电器，所述电压检测与控制电路的电压检测端耦合到所述副边的电压输出端，用于检测与输入电压相关的输出电压。

9.如权利要求5所述的隔离变压器，其特征在于：所述第一开关、第二开关和第三开关为继电器，所述第一开关和第二开关为常开继电器，所述第三开关为常闭继电器，所述电压检测与控制电路的电压检测端耦合到所述副边的电压输出端，用于检测与输入电压相关的输出电压。

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