變壓器原理

當(dāng)我們把導(dǎo)線插入220V電源插座，就會發(fā)生短路現(xiàn)象，可是插入變壓器就不會，區(qū)別就在于變壓器原邊的線圈導(dǎo)線是繞在鐵芯上的，難道僅僅因為多了個鐵芯，導(dǎo)線就失去短路作用了嗎？是的，導(dǎo)線插入鐵芯后就變成了電感線圈，根據(jù)楞次定律：感應(yīng)電流的磁場總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，（注意：“阻礙”不是“相反”，原磁通量增大時方向相反，原磁通量減小時方向相同；“阻礙”也不是阻止，電路中的磁通量還是變化的。）變壓器原邊將產(chǎn)生一個大小相等，方向相反的反向電動勢抵消輸入的220V電壓，導(dǎo)線中僅有微弱的勵磁電流流過（維持磁場需要有一個電流），所以，導(dǎo)線失去了短路作用。

如果真是這樣，那么在鐵釘上繞幾圈漆包線，再把導(dǎo)線插入220V電源插座，是不是就不會短路了？肯定會短路的。原因就是鐵芯磁飽和了，無法產(chǎn)生反向電動勢抵消輸入電壓，此時，導(dǎo)線還是相當(dāng)于短路線。拆開變壓器，可以看到，線圈匝數(shù)很多，額定功率越大的變壓器，鐵芯體積越大，其中的原因就是為了讓變壓器工作在變壓器狀態(tài)，而不是進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

也就是說，我們實(shí)際中使用的變壓器都是非理想的，有可能進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而失去變壓器功能。我們設(shè)計變壓器的目的就是保證在額定電壓，額定功率下，變壓器正常工作。如果真的存在理想變壓器就不需要我們設(shè)計了。

變壓器設(shè)計

除了滿足正常工作的要求外，變壓器設(shè)計還要滿足：體積、重量、溫度、成本等要求，所以，實(shí)際變壓器的設(shè)計可不是一件容易的事情。書本上的理論分析全都是用的理想變壓器，書上說變壓器可以實(shí)現(xiàn)變壓、阻抗匹配、隔離等等功能，但是隱含前提是變壓器工作在變壓器狀態(tài)，如果飽和了，那就沒有這些功能了。

一個實(shí)際變壓器還存在導(dǎo)線電阻、漏感、分布電容、分布電感、溫升（銅損、鐵損）等等問題，根據(jù)不同的變壓器類型，有些參數(shù)不能忽略。

制作變壓器我們需要知道以下信息：

1、磁芯規(guī)格（磁芯形狀、磁芯大小、磁芯材料）

2、匝數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格（原副邊匝數(shù)、導(dǎo)線直徑）

3、損耗與溫升

4、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)：多股線或扁平線

5、繞組結(jié)構(gòu)：多層或分段饒制

6、端空設(shè)計：按絕緣電位設(shè)計端空

磁芯規(guī)格其實(shí)就是要確定橫截面積和工作點(diǎn)。一般功率決定橫截面積大小，功率越大，橫截面積越大。有經(jīng)驗公式可以快速根據(jù)功率確定橫截面積，也可以直接查表。

磁芯材料確定后，根據(jù)其特性曲線，我們要選擇合適的工作點(diǎn)B0。B0太大會導(dǎo)致磁飽和，太小又會使得體積龐大、重量沉、功耗大、成本高。

當(dāng)電源頻率、工作點(diǎn)B0、橫截面積都確定后，就可以計算出每伏匝數(shù)，用輸入電壓除以每伏匝數(shù)就可以得到原邊匝數(shù)。進(jìn)而可以求得副邊匝數(shù)。

導(dǎo)線直徑取決于電流密度，而電流密度又取決于電壓調(diào)整率或溫升，受二者共同約束，哪個約束條件算出來的J值小，就選擇哪個J值。J值小肯定不會有溫升/電壓調(diào)整率問題，但也不是越小越好，J小的話，導(dǎo)線直徑太粗，銅重量大、體積大、成本高，有時線包厚度可能超過鐵芯窗口尺寸，根本無法繞制。

電流密度J和溫升有什么關(guān)系呢？很多初學(xué)者可能想到去查書，其實(shí)，變壓器設(shè)計是一項實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，理論派這時已經(jīng)玩不轉(zhuǎn)了，此時需要大量實(shí)踐經(jīng)驗。也有人可能會抱怨資料不足，這不是問題，沒有資料可以做實(shí)驗得到。就象沒有DIP器件封裝數(shù)據(jù)，你完全可以直接用尺子量出引腳間距來。不知道程序出錯原因，完全可以通過調(diào)試找到。

溫升和銅損鐵損有關(guān)，和散熱條件有關(guān)，帶散熱片的溫度就低，散熱片上有風(fēng)扇的溫度更低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快的肯定溫度又要降低了。此外，還和外部環(huán)境溫度有關(guān)，在南極零下50度，溫升就不是問題，在赤道沙漠里，溫升可能導(dǎo)致鐵芯磁特性曲線飄移，進(jìn)而磁飽和，失去變壓器功能?？傊疀Q定溫升的因素很復(fù)雜：管芯到封裝的熱阻、接觸面積、接觸面光滑度、導(dǎo)熱硅脂、散熱器材料體積、表面積、鰭形、涂層材料、顏色、空氣密度、流速等共同決定溫升。

因此，電流密度J和溫升的關(guān)系只能憑經(jīng)驗確定了。一般通過經(jīng)驗公式確定。所謂經(jīng)驗公式是指：通過一系列結(jié)果可重復(fù)的實(shí)驗，得到數(shù)據(jù)曲線，使用數(shù)值分析方法多項式擬合，得到經(jīng)驗公式。此公式在我們的經(jīng)驗范圍內(nèi)正確，可以準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)果，可以重復(fù)驗證。注意：經(jīng)驗公式存在局限性，如果預(yù)測結(jié)果不對，就需要再次修正經(jīng)驗公式，增加我們的經(jīng)驗。由此可知，經(jīng)驗越多，越不容易出錯，想要設(shè)計好變壓器需要積累大量經(jīng)驗。

畢竟，變壓器是一種商品，我們沒有必要每次都從頭設(shè)計，那樣太浪費(fèi)時間。此時，利用表格、EXECL電子表格、經(jīng)驗值可以大大加快設(shè)計速度。

比如：可以規(guī)定電流密度J選2.5A/平方毫米，內(nèi)繞組J適當(dāng)降低，外繞組J適當(dāng)提高，散熱好的甚至可以達(dá)到10A/平方毫米，這樣就不用詳細(xì)計算了。

變壓器類型

電源（工頻）變壓器

最常見的變壓器，輸入220VAC 50HZ，輸出各種直流電壓。

因為頻率低，基本不考慮分布參數(shù)，可以亂繞。

隔離變壓器

變比一般為1：1，主要目的是隔離。因為市電零線接大地，人碰到熱底板上的零線相對還算安全，一旦碰到火線，就會和大地形成回路，導(dǎo)致觸電。經(jīng)過變壓器隔離后，人單獨(dú)碰到任何一根線都不會觸電，兩根線對地浮空，都不會和大地形成回路，電壓只存在于兩根線之間，所以安全。

音頻變壓器

輸入變壓器

級間變壓器

輸出變壓器

線間變壓器

匹配變壓器

調(diào)幅變壓器

電子管/晶體管收音機(jī)/音響中，需要在各級放大電路之間增加變壓器進(jìn)行阻抗匹配和諧振，使得后級獲得最大輸出功率。收音機(jī)里的變壓器俗稱中周。

音頻變壓器中的頻率較高，不能忽略分布參數(shù)，而且，要把晶體管輸入輸出電阻折算到變壓器中。一般先抽象出一個等效電路，再簡化，然后根據(jù)分布參數(shù)約束條件獲得等效電路各參數(shù)值。有了這些信息，就可以計算出功率，進(jìn)而得到橫截面積，線圈匝數(shù)，導(dǎo)線直徑等等變壓器繞制參數(shù)。這樣我們就可以得到滿足分布參數(shù)要求，能夠工作在變壓器狀態(tài)（不飽和），具有正確阻抗變換功能的變壓器了。

為什么三極管集電極接在中周的中間點(diǎn)？

這種部分接入的主要目的是減小三極管輸出電阻rce對諧振阻抗及Q值的影響。

設(shè)中周的中間點(diǎn)到直流電源點(diǎn)的圈數(shù)為n1，中周初級線圈總?cè)?shù)為n2，變比n=n2/n1，當(dāng)rce并連到n1線圈時，折算到n2線圈將是rce的n方倍，使諧振阻抗及Q值只有少量下降，保證了足夠的電壓放大倍數(shù)和選擇性指標(biāo)。

早期的電子管收音機(jī)中，由于電子管的輸出阻抗極大，根本不用考慮這個問題，所以在電子管電路中就不存在“接中周中間點(diǎn)”的接法。

大部分人做過收音機(jī)，但是很少人自己設(shè)計繞制中周和輸入輸出變壓器，現(xiàn)在學(xué)習(xí)了音頻變壓器設(shè)計，你就可以自己繞了，再不用擔(dān)心買不到合適的中周變壓器了，哈哈。注意：音頻變壓器對工藝要求較高，不太容易成功。另外，玩膽機(jī)（電子管）音響的朋友更是需要自己繞變壓器了，盡管電子管和晶體管有點(diǎn)差別，但是學(xué)習(xí)了以上內(nèi)容，自制變壓器就不是難事了。

脈沖變壓器

我們在8019網(wǎng)卡芯片中就用到了脈沖變壓器，起隔離作用，變比1：1。想不想知道這種變壓器是怎么設(shè)計的呢？想不想自己繞一個呢？

其實(shí)脈沖變壓器也是變壓器的一種，只不過脈沖波含有大量頻率分量，不能忽略分布參數(shù)影響，繞制工藝要求高，一般也要先抽象出一個等效電路，再簡化，然后根據(jù)分布參數(shù)約束條件獲得等效電路各參數(shù)值。與音頻變壓器不同的是，其約束條件參數(shù)不一樣。脈沖波形參數(shù)約束條件有：峰值脈沖幅度、脈沖持續(xù)時間、脈沖上升時間、脈沖下降時間、頂降、脈沖頂峰、過沖、反擺、回擺、恢復(fù)時間。根據(jù)這些信息，就可以計算出功率，進(jìn)而得到橫截面積，線圈匝數(shù)，導(dǎo)線直徑等等變壓器繞制參數(shù)。這樣我們就可以得到滿足分布參數(shù)要求，滿足脈沖波形參數(shù)約束條件要求，能夠工作在變壓器狀態(tài)（不飽和），能夠正確傳遞脈沖能量（脈沖波形變化符合要求）的變壓器了。

開關(guān)電源變壓器

特種變壓器

穩(wěn)壓變壓器

霓虹燈變壓器

微波爐變壓器

機(jī)場助行航燈光用變壓器

超隔離變壓器

傳輸線變壓器

鐵芯電感器

電源濾波扼流圈

交流扼流圈

電感線圈

鎮(zhèn)流器

超聲換能器用匹配電感

鐵氧體磁芯電感

工頻變壓器設(shè)計，用于電子管音響，

工頻變壓器是最簡單的變壓器，基本不用考慮分布電感、分布電容、信號源內(nèi)阻、等效電路各種指標(biāo)等復(fù)雜因素，直接按標(biāo)準(zhǔn)化步驟操作即可，所以用工頻變壓器來進(jìn)行變壓器設(shè)計入門是最好不過了。簡單說就是根據(jù)功率選擇鐵心，然后計算匝數(shù)，再看能否繞下。不同的人設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)不同，可能和下面計算有偏差，但是本質(zhì)思想都是一樣的。有時算到后面需要重新再來，其實(shí)相當(dāng)于一個迭代設(shè)計過程，反復(fù)設(shè)計直至滿足要求為止。

理論計算完成后還需要實(shí)際測試效果進(jìn)行驗證，因為鐵心參數(shù)，制作工藝可能和我們假設(shè)的不一樣，所以設(shè)計完成后基本都需要再根據(jù)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

要求：

高壓輸出：260V，150ma ；

燈絲1：5V，3A；

燈絲2：6.3v，3A 中心處抽頭；

初、次級間應(yīng)加有屏蔽層。

根據(jù)要求鐵芯型號采用“GEIB一35”。

計算如下：

（1）計算變壓器功率容量（輸入視在功率）：

P ＝（1.4×高壓交流電壓×電流＋燈絲1電壓×電流＋燈絲2電壓×電流）/ 效率

＝（1.4×260×0.15＋5×3＋6.3×3）/ 0.9

＝（54.6＋15＋18.9）/ 0.9

＝ 98.33VA

（2）計算原邊電流

I1＝1.05×P / 220＝0.469A

（3）按照選定的電流密度（由計劃的連續(xù)時間決定），選取漆包線直徑。

如按照3A/mm2計算：D＝0.65×√I （0.65×電流的開方）

并規(guī)整為產(chǎn)品規(guī)格里有的線徑（可查資料）：

選定：

原邊直徑D1＝0.45mm

高壓繞組直徑D2＝0.25mm

燈絲繞組直徑D3＝D4＝1.12mm

（4） 鐵心截面面積

S0＝1.25√（P）＝1.25×√98＝12.5CM2

（5）鐵心疊厚：

根據(jù)他的要求鐵芯型號采用“GEIB一35”，

查到：舌寬＝35MM＝3.5CM

則：疊厚＝12.5 / 3.5 ＝3.6CM

一般地（疊厚/舌寬）在1－2之間是比較合適的。

（6）鐵心有效截面積：

S1＝舌寬×疊厚 / 1.1 ＝ 11.454 CM2

（7）計算每伏匝數(shù)

計算式：每伏匝數(shù)n＝（45000）/（B×S1）

其中

B＝10000－12000（中等質(zhì)量硅鋼片，如原先上海無線電27廠產(chǎn)品鐵心）

或15000（Z11等高質(zhì)量硅硅片）

或8000（電動機(jī)用硅鋼片）。

S1：鐵心有效截面積，等于（舌寬×疊厚）/1.1

假定是中等質(zhì)量鐵心，并且保守點(diǎn)，取B＝10000

則：

n＝450000 / B×S1

= 450000 /（10000×11.454）

＝3.93 （T / V ）

（8）計算每組匝數(shù)

原邊圈數(shù)：N1＝220n＝220×3.93×0.95＝822（T）

副邊高壓：N2＝260×1.05×n＝1073（T）－－這是一半，還要再×2＝2146T。

燈絲1（5V）： N3＝5×1.05×n＝21（T）

燈絲2（6.3V）：N3＝6.3×1.05×n ＝26（T）

（10）計算每層可繞圈數(shù)（窗口高度兩端要留下3MM）：

查得該鐵心窗口高度h＝61.5mm，

查表得知：選用的漆包線帶漆皮最大外徑

D1Max＝0.51mm

D2Max＝0.30mm

D3Max＝1.23mm

D4Max＝1.23mm

按照 每層可繞：N ＝（h－0.5－2×3）/（K×DMax）計算

（分子的含義是：由h＝61.5mm＝＝》可繞線寬度為61.5－0.5－2×3＝55mm）

（分母是排線系數(shù)K×最大外徑DMax，對于初學(xué)者，小于0.3的線K＝1.20，0.3－0.8的線K＝1.15，大于0.8的線K=1.10。。如您已經(jīng)有較好的繞線經(jīng)驗，K可以＝105～102）

代入上述數(shù)據(jù)得到：

原邊每層可繞：94圈

高壓每層可繞：154圈

燈絲每層可繞：39圈（最后有討論）。

（也可以直接查“每厘米可繞圈數(shù)表”得到）

（11）各繞組的層數(shù)

前面已經(jīng)算出各組圈數(shù)則，則各繞組的層數(shù)：

原邊＝822/ 94＝8.74，取9層

高壓＝2146/154＝13.94，取14層

燈絲1：1層，

燈絲2：1層。

（12）絕緣設(shè)計

骨架，用1MM厚紅鋼紙，外加0.15MM覆膜青殼紙1層＋0.08MM電纜紙1層；

原邊繞組墊紙用0.08MM電纜紙；

副邊高壓繞組墊紙用0.05MM電纜紙；

組間絕緣用0.08MM電纜紙1層＋0.15MM覆膜青殼紙2層＋0.08MM電纜紙1層；

（繞組外絕緣同組間絕緣）

（13）計算線包（壓實(shí)的）厚度：

＝（1＋0.15+0.08） （骨架及內(nèi)層絕緣）

＋（9×0.51＋8×0.08） （原邊繞組）

＋（0.08×2＋0.15×2） （組間絕緣1）

＋（隔離層，如可能用0.05銅箔，如無，就用與高壓繞組同直徑的線繞一層代）

＋（0.08×2＋0.15×2） （組間絕緣2）

＋（14×0.30＋13×0.05）（高壓繞組）

＋（0.08×2＋0.15×2） （組間絕緣3）

＋（1.23） （燈絲1）

＋（0.08×2＋0.15×2） （組間絕緣4）

＋（1.23） （燈絲2）

＋（0.08×2＋0.15×2） （線包外間絕緣）

＝1.23＋5.23＋0.46＋0.30＋0.46＋4.85＋0.46＋1.23＋0.46＋1.23＋0.46

＝16.37mm

（14）檢驗“蓬松系數(shù)”

蓬松系數(shù)＝鐵片窗口寬度 / 線包（壓實(shí)的）厚度

“蓬松系數(shù)”一般可以在1.2－1.3間，蓬松系數(shù)小者要注意繞的十分緊才行，蓬松系數(shù)過大說明選的鐵心規(guī)格大了，要重選重算。對于經(jīng)驗不多的初學(xué)者，不妨以1.3－1.35進(jìn)行檢驗。不然可能繞完了發(fā)現(xiàn)裝不進(jìn)鐵片。

檢驗：

蓬松系數(shù)＝22 / 16.37 ＝ 1.34

很合適的呀。

（15）修正方案：：

燈絲繞組可以選用0.8nn直徑漆包線2根并繞（0.80線最大外徑0.89，每層可繞54圈，6.3V繞組26×2，剛好可以繞下）。這樣導(dǎo)線可以分布開來不至于只有半邊，繞出來的線包就比較平整。還可以減小繞組厚度。

這時，

計算線包（壓實(shí)的）厚度：

＝1.23＋5.23＋0.46＋0.30＋0.46＋4.85＋0.46＋0.89＋0.46＋0.89＋0.46

＝15.69mm

蓬松系數(shù)＝22 / 15.69 ＝1.41

這就非常之寬松了，說明選的鐵心規(guī)格大了，利用手頭現(xiàn)有鐵心當(dāng)然可以。保證可以成功。

計算完畢。