变压器原理图


一、变压器原理

当我们把导线插入220V电源插座,就会发生短路现象,可是插入变压器就不会,区别就在于变压器原边的线圈导线是绕在铁芯上的,难道仅仅因为多了个铁芯,导线就失去短路作用了吗?是的,导线插入铁芯后就变成了电感线圈,根据楞次定律:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,(注意:“阻碍”不是“相反”,原磁通量增大时方向相反,原磁通量减小时方向相同;“阻碍”也不是阻止,电路中的磁通量还是变化的。)变压器原边将产生一个大小相等,方向相反的反向电动势抵消输入的220V电压,导线中仅有微弱的励磁电流流过(维持磁场需要有一个电流),所以,导线失去了短路作用。

如果真是这样,那么在铁钉上绕几圈漆包线,再把导线插入220V电源插座,是不是就不会短路了?肯定会短路的。原因就是铁芯磁饱和了,无法产生反向电动势抵消输入电压,此时,导线还是相当于短路线。拆开变压器,可以看到,线圈匝数很多,额定功率越大的变压器,铁芯体积越大,其中的原因就是为了让变压器工作在变压器状态,而不是进入磁饱和状态。

也就是说,我们实际中使用的变压器都是非理想的,有可能进入磁饱和状态,从而失去变压器功能。我们设计变压器的目的就是保证在额定电压,额定功率下,变压器正常工作。如果真的存在理想变压器就不需要我们设计了。

二、变压器设计

除了满足正常工作的要求外,变压器设计还要满足:体积、重量、温度、成本等要求,所以,实际变压器的设计可不是一件容易的事情。书本上的理论分析全都是用的理想变压器,书上说变压器可以实现变压、阻抗匹配、隔离等等功能,但是隐含前提是变压器工作在变压器状态,如果饱和了,那就没有这些功能了。

一个实际变压器还存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升(铜损、铁损)等等问题,根据不同的变压器类型,有些参数不能忽略。

制作变压器我们需要知道以下信息:
1、磁芯规格(磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料)
2、匝数与导线规格(原副边匝数、导线直径)
3、损耗与温升
4、导线结构:多股线或扁平线
5、绕组结构:多层或分段饶制
6、端空设计:按绝缘电位设计端空

磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点。一般功率决定横截面积大小,功率越大,横截面积越大。有经验公式可以快速根据功率确定横截面积,也可以直接查表。

磁芯材料确定后,根据其特性曲线,我们要选择合适的工作点B0。B0太大会导致磁饱和,太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、成本高。

当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后,就可以计算出每伏匝数,用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数。进而可以求得副边匝数。

导线直径取决于电流密度,而电流密度又取决于电压调整率或温升,受二者共同约束,哪个约束条件算出来的J值小,就选择哪个J值。J值小肯定不会有温升/电压调整率问题,但也不是越小越好,J小的话,导线直径太粗,铜重量大、体积大、成本高,有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸,根本无法绕制。

电流密度J和温升有什么关系呢?很多初学者可能想到去查书,其实,变压器设计是一项实践性很强的工作,理论派这时已经玩不转了,此时需要大量实践经验。也有人可能会抱怨资料不足,这不是问题,没有资料可以做实验得到。就象没有DIP器件封装数据,你完全可以直接用尺子量出引脚间距来。不知道程序出错原因,完全可以通过调试找到。

温升和铜损铁损有关,和散热条件有关,带散热片的温度就低,散热片上有风扇的温度更低,风扇转速快的肯定温度又要降低了。此外,还和外部环境温度有关,在南极零下50度,温升就不是问题,在赤道沙漠里,温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移,进而磁饱和,失去变压器功能。总之决定温升的因素很复杂:管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、表面积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升。

因此,电流密度J和温升的关系只能凭经验确定了。一般通过经验公式确定。所谓经验公式是指:通过一系列结果可重复的实验,得到数据曲线,使用数值分析方法多项式拟合,得到经验公式。此公式在我们的经验范围内正确,可以准确预测结果,可以重复验证。注意:经验公式存在局限性,如果预测结果不对,就需要再次修正经验公式,增加我们的经验。由此可知,经验越多,越不容易出错,想要设计好变压器需要积累大量经验。
毕竟,变压器是一种商品,我们没有必要每次都从头设计,那样太浪费时间。此时,利用表格、EXECL电子表格、经验值可以大大加快设计速度。
比如:可以规定电流密度J选2.5A/平方毫米,内绕组J适当降低,外绕组J适当提高,散热好的甚至可以达到10A/平方毫米,这样就不用详细计算了。

三、变压器类型

电源(工频)变压器
最常见的变压器,输入220VAC 50HZ,输出各种直流电压。
因为频率低,基本不考虑分布参数,可以乱绕。
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隔离变压器
变比一般为1:1,主要目的是隔离。因为市电零线接大地,人碰到热底板上的零线相对还算安全,一旦碰到火线,就会和大地形成回路,导致触电。经过变压器隔离后,人单独碰到任何一根线都不会触电,两根线对地浮空,都不会和大地形成回路,电压只存在于两根线之间,所以安全。
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音频变压器
输入变压器
级间变压器
输出变压器
线间变压器
匹配变压器
调幅变压器

电子管/晶体管收音机/音响中,需要在各级放大电路之间增加变压器进行阻抗匹配和谐振,使得后级获得最大输出功率。收音机里的变压器俗称中周。
音频变压器中的频率较高,不能忽略分布参数,而且,要把晶体管输入输出电阻折算到变压器中。一般先抽象出一个等效电路,再简化,然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。有了这些信息,就可以计算出功率,进而得到横截面积,线圈匝数,导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求,能够工作在变压器状态(不饱和),具有正确阻抗变换功能的变压器了。
为什么三极管集电极接在中周的中间点?
这种部分接入的主要目的是减小三极管输出电阻rce对谐振阻抗及Q值的影响。
设中周的中间点到直流电源点的圈数为n1,中周初级线圈总圈数为n2,变比n=n2/n1,当rce并连到n1线圈时,折算到n2线圈将是rce的n方倍,使谐振阻抗及Q值只有少量下降,保证了足够的电压放大倍数和选择性指标。
早期的电子管收音机中,由于电子管的输出阻抗极大,根本不用考虑这个问题,所以在电子管电路中就不存在“接中周中间点”的接法。
大部分人做过收音机,但是很少人自己设计绕制中周和输入输出变压器,现在学习了音频变压器设计,你就可以自己绕了,再不用担心买不到合适的中周变压器了,哈哈。注意:音频变压器对工艺要求较高,不太容易成功。另外,玩胆机(电子管)音响的朋友更是需要自己绕变压器了,尽管电子管和晶体管有点差别,但是学习了以上内容,自制变压器就不是难事了。
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脉冲变压器
我们在8019网卡芯片中就用到了脉冲变压器,起隔离作用,变比1:1。想不想知道这种变压器是怎么设计的呢?想不想自己绕一个呢?
其实脉冲变压器也是变压器的一种,只不过脉冲波含有大量频率分量,不能忽略分布参数影响,绕制工艺要求高,一般也要先抽象出一个等效电路,再简化,然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。与音频变压器不同的是,其约束条件参数不一样。脉冲波形参数约束条件有:峰值脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲上升时间、脉冲下降时间、顶降、脉冲顶峰、过冲、反摆、回摆、恢复时间。根据这些信息,就可以计算出功率,进而得到横截面积,线圈匝数,导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求,满足脉冲波形参数约束条件要求,能够工作在变压器状态(不饱和),能够正确传递脉冲能量(脉冲波形变化符合要求)的变压器了。

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开关电源变压器
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特种变压器
稳压变压器
霓虹灯变压器
微波炉变压器
机场助行航灯光用变压器
超隔离变压器
传输线变压器
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