變壓器是最難以捉摸的電子元件。我必須在高中學(xué)習(xí)，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)需要考慮許多功能。此外，變壓器通常是我在學(xué)校學(xué)到的繼電阻器和電容器之后的第三個(gè)組件。今天，我們將剝離所有不必要的細(xì)節(jié)，只關(guān)注設(shè)計(jì)時(shí)所需的實(shí)用內(nèi)容。

在本教程中，我將涵蓋以下主題

什么是變壓器

變壓器的關(guān)鍵參數(shù)

變壓器應(yīng)用

檢查未知變壓器

自行設(shè)計(jì)變壓器。

1.什么是變壓器：

變壓器是一種無(wú)源電子設(shè)備，其中兩個(gè)導(dǎo)體繞組通過(guò)一個(gè)公共磁芯電分離并磁耦合。芯材差異很大。在高頻下，空氣芯占主導(dǎo)地位，在低頻下，層壓鋼芯占主導(dǎo)地位。兩個(gè)繞組決定了它是升壓變壓器還是降壓變壓器。當(dāng)初級(jí)繞組的匝數(shù)多于次級(jí)繞組時(shí)，穿過(guò)次級(jí)繞組的磁力線(xiàn)更少，感應(yīng)到次級(jí)繞組上的電壓也更少。邏輯相反，初級(jí)相對(duì)于次級(jí)的匝數(shù)較小，意味著變壓器將提高輸出端的電壓。

還有第三種類(lèi)型，其中變壓器的兩側(cè)匝數(shù)相等 - 隔離變壓器。當(dāng)您想將電源接地與電路接地分開(kāi)時(shí)，您將使用它作為安全措施。正如我之前提到的，變壓器是一種無(wú)源器件，這意味著無(wú)論你是升壓還是降壓，輸入側(cè)的功耗總是高于輸出。

例如，如果您在初級(jí)端有 10V/1A，在次級(jí)端有 5V，則次級(jí)側(cè)的電流永遠(yuǎn)不會(huì)高于 2A，實(shí)際上由于損耗，電流總是會(huì)更小，我們將在后面討論。關(guān)于頻率，有幾種變壓器類(lèi)型。它們通常被歸類(lèi)為

線(xiàn)路變壓器 – 使用電源頻率（50Hz，60Hz）工作，通常非常笨重

音頻變壓器 – 在可聽(tīng)頻譜 （20Hz-20kHz） 中工作

射頻變壓器 – 通常被歸類(lèi)為在高于 20kHz 的頻率下工作。

2.KEY變壓器參數(shù)：

頻率范圍 – 您需要確定的變壓器的第一件事是它將在什么頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。線(xiàn)路變壓器通常工作在 50Hz 或 60Hz。音頻變壓器在可聽(tīng)范圍內(nèi)工作，射頻變壓器在可聽(tīng)范圍內(nèi)工作。

最大功率 – 接下來(lái)，您需要確定需要多少功率。1W、10W、100W等該參數(shù)通常非常重要，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)變壓器時(shí)，它將在計(jì)算中顯示為常數(shù)。

損失–該參數(shù)在較高功率下變得很重要，因?yàn)閾p耗以熱量和振動(dòng)的形式消散。這將導(dǎo)致繞組隔離隨著時(shí)間的推移而失去強(qiáng)度，并可能導(dǎo)致變壓器內(nèi)部短路，這是變壓器的災(zāi)難性故障模式。有幾種類(lèi)型的損失，其中一些很容易理解，有些 - 有點(diǎn)難。

讓我們從簡(jiǎn)單的開(kāi)始。第一種損耗是有源電阻損耗，由導(dǎo)體不可避免的歐姆電阻引起，繞組由導(dǎo)體組成。從歐姆定律中可以看出，任何壓降乘以電流等于給定的功率量。這里的情況也是如此，隨著時(shí)間的推移，這種功耗會(huì)導(dǎo)致電線(xiàn)的漆包線(xiàn)啁啾聲并導(dǎo)致短路。這也是變壓器功率損耗的最大因素。

接下來(lái)，您有滯后損失。我將首先從一個(gè)例子開(kāi)始。眾所周知，永磁體具有永久的北極和南極。這些既不會(huì)隨著時(shí)間的推移失去力量，也不會(huì)改變位置。要使材料在某個(gè)位置磁化，您需要允許一些初始電流進(jìn)入其中。要使給定的材料消磁并反轉(zhuǎn)極性，您必須首先中和它現(xiàn)在的極性，然后將其帶到另一個(gè)極端。所以，你可以看到，使材料消磁比磁化材料需要更多的努力。在變壓器中，使用軟磁鐵，其中這種殘余磁化被降至最低，但并非完全排除。功率損耗來(lái)自在反轉(zhuǎn)EMF方向之前將殘余磁化拉低至零所需的額外力。

另一種損耗類(lèi)型是渦流損耗。由于磁芯材料是導(dǎo)電的，并且繞組周?chē)幸粋€(gè)緊密的閉環(huán)，因此很容易將其視為一圈短路繞組，其中發(fā)生閉合電流環(huán)路。由于所有常規(guī)導(dǎo)體都具有給定的電阻，因此會(huì)發(fā)生電壓降，并且功率將根據(jù)歐姆定律P=V x I耗散。為了盡量減少這種損耗，工程師使用裝飾有絕緣樹(shù)脂的薄層壓鋼板將板材彼此電絕緣。這樣，每張紙的橫截面被降低，并且每張紙中感應(yīng)的電流更少。

3. 變壓器應(yīng)用：

變壓器是現(xiàn)代技術(shù)不可分割的一部分。變壓器可以將電源降壓到可行的電壓范圍，或升壓為高端設(shè)備供電。用于CRT屏幕，電子管放大器，以匹配電子管的高阻抗與揚(yáng)聲器的低阻抗。它幾乎從來(lái)沒(méi)有可行的解決方法。你需要它，僅此而已！大多數(shù)時(shí)候，您無(wú)法在其上找到變壓器參數(shù)。由工程師來(lái)計(jì)算參數(shù)。讓我們舉例說(shuō)明如何找到這種變壓器的一些參數(shù)。

4. 檢查未知變壓器：

首先，您需要進(jìn)行目視檢查。檢查它的大小，它的核心類(lèi)型，查找它以前在設(shè)備的哪個(gè)部分，以了解它的類(lèi)型。還要檢查電線(xiàn)。它們的厚度會(huì)讓你很好地猜測(cè)哪個(gè)是主要的，哪個(gè)是次要的。低電壓、大電流繞組通常使用較粗的導(dǎo)線(xiàn)，反之亦然。

接下來(lái)，在檢查變壓器時(shí)找到更安全的電壓范圍。使用已知的降壓變壓器，您知道輸出電壓。在我們的示例中，我們將使用 10V 變壓器。我們將它連接到未知變壓器的高壓側(cè)。記住我說(shuō)的，關(guān)于找出高壓/低壓。較不粗的電線(xiàn)是高壓側(cè)。好的，所以在連接它之后，我們?cè)谖粗儔浩魃蠝y(cè)量次級(jí)。

假設(shè)我們測(cè)量大約 1V。這意味著變壓器將電壓降壓了10倍。由此您可以確定繞組比。這是關(guān)于次級(jí)繞組中相對(duì)于初級(jí)繞組有多少個(gè)繞組的度量。在這種情況下，我們的比率為 1：10。這意味著，如果在初級(jí)端施加 220V，則會(huì)在次級(jí)上獲得 22V。接下來(lái)，如果要將其用作電子管放大器的音頻變壓器，則需要確定負(fù)載對(duì)變壓器初級(jí)的反射阻抗。它等于匝數(shù)比乘以負(fù)載的平方。假設(shè)我們有一個(gè) 8 歐姆的揚(yáng)聲器。然后阻抗將為 10 ^ 2 x 8= 800ohm。變壓器的初級(jí)側(cè)將看到 800 歐姆的負(fù)載，而次級(jí)側(cè)將看到 8 歐姆的負(fù)載。

這是變壓器的用途之一，以匹配不匹配電路的阻抗。高阻抗電子管放大器，如果沒(méi)有這樣的變壓器，將無(wú)法有效地提供負(fù)載電流。戴維寧最大電流傳遞定理證明了這一點(diǎn)，該定理指出，為了最有效地利用外部電源的功率，在有限電阻下，負(fù)載必須具有與電源相同的電阻，從其輸出端子來(lái)看。

5. 設(shè)計(jì)自己的變壓器：

好的，伙計(jì)們，這是真正的交易。每個(gè)工程師都曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)自己需要定制設(shè)計(jì)的變壓器。每個(gè)工程師在設(shè)計(jì)時(shí)都有不同的策略。這是我多年來(lái)所信任的，到目前為止沒(méi)有悔意。

您的設(shè)計(jì)首先要找出變壓器次級(jí)需要多少功率。這是由公式 P2=I2 給出的。V2.在我們的示例中，我們假設(shè)它是 50W。

在知道了二次額定功率之后，我們需要根據(jù)變壓器的預(yù)期效率找出一次額定功率。通常，低功率變壓器效率更低，對(duì)于高達(dá)10W的變壓器，可以假設(shè)效率為80%。從10W到50W左右，可以假設(shè)效率從80%到90%，超過(guò)50W，效率保持在90%左右（高效的環(huán)形磁芯除外，我們今天不會(huì)介紹）。

接下來(lái)，將效率百分比轉(zhuǎn)換為比率。只需將其除以一百即可。初級(jí)設(shè)備所需的功率由公式 P1= P2 / Eff 給出（其中 Eff 是效率比）。對(duì)于50W的變壓器和0.9的假設(shè)比率，可以假設(shè)主額定功率為55W（P1 = 50 / 0.9）剩余的5W將作為熱損失消散。

接下來(lái)，您需要找到所需的磁芯橫截面積，這是所需額定功率所需的。這是由非常簡(jiǎn)單的公式 S= √P1 給出的。在我們的示例中，核心區(qū)域需要為 S = √55 = 7.41cm^2。始終留一點(diǎn)額外的空間，對(duì)于芯材，由于堆疊層壓時(shí)的氣隙和芯的整體缺陷，有效橫截面總是比您測(cè)量的要低。因此，對(duì)于我們的示例，讓我們使用橫截面為 8cm^2 的磁芯。

現(xiàn)在，讓我們使用到目前為止所得到的，并計(jì)算核心的匝數(shù)。到目前為止，您應(yīng)該知道變壓器將使用什么電壓，包括初級(jí)和次級(jí)。假設(shè)初級(jí)電壓為 V1=220V，次級(jí)電壓為 V2=25V。給出所需匝數(shù)的公式如下 W1 = 40 x V1 / S 和 W2 = 44 x V2 / S。這為我們示例的主要提供了 1100 圈，為次級(jí)提供了 138 圈。

幾乎在那里，現(xiàn)在您只需要計(jì)算繞組的線(xiàn)規(guī)。我是歐洲人，所以我將使用mm作為電線(xiàn)尺寸，而不是AWG。公式非常簡(jiǎn)單 d = 0.02x√I（mA），其中電流以 mA 為單位。現(xiàn)在您需要計(jì)算繞組將處理的電流。

對(duì)于初級(jí)，I= 55W / 220V= 0.25A或250mA。對(duì)于次級(jí)，電流為I = 50 / 25 = 2A或2000mA?，F(xiàn)在您可以在公式中將這些數(shù)字相加，我們得到 d = 0.02 x √250 = 0.32mm 對(duì)于初級(jí)和 d=0.02 x √2000=0.89mm。

四舍五入到更高的可能大小總是好的。例如，初級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線(xiàn)尺寸為0.4mm，次級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化導(dǎo)線(xiàn)尺寸為1mm