变压器及其设计指南

变压器是最难以捉摸的电子元件。我必须在高中学习，主要是因为它们在设计时需要考虑许多功能。此外，变压器通常是我在学校学到的继电阻器和电容器之后的第三个组件。今天，我们将剥离所有不必要的细节，只关注设计时所需的实用内容。

在本教程中，我将涵盖以下主题

什么是变压器

变压器的关键参数

变压器应用

检查未知变压器

自行设计变压器。

1.什么是变压器：

变压器是一种无源电子设备，其中两个导体绕组通过一个公共磁芯电分离并磁耦合。芯材差异很大。在高频下，空气芯占主导地位，在低频下，层压钢芯占主导地位。两个绕组决定了它是升压变压器还是降压变压器。当初级绕组的匝数多于次级绕组时，穿过次级绕组的磁力线更少，感应到次级绕组上的电压也更少。逻辑相反，初级相对于次级的匝数较小，意味着变压器将提高输出端的电压。

还有第三种类型，其中变压器的两侧匝数相等 - 隔离变压器。当您想将电源接地与电路接地分开时，您将使用它作为安全措施。正如我之前提到的，变压器是一种无源器件，这意味着无论你是升压还是降压，输入侧的功耗总是高于输出。

例如，如果您在初级端有 10V/1A，在次级端有 5V，则次级侧的电流永远不会高于 2A，实际上由于损耗，电流总是会更小，我们将在后面讨论。关于频率，有几种变压器类型。它们通常被归类为

线路变压器 – 使用电源频率（50Hz，60Hz）工作，通常非常笨重

音频变压器 – 在可听频谱 （20Hz-20kHz） 中工作

射频变压器 – 通常被归类为在高于 20kHz 的频率下工作。

2.KEY变压器参数：

频率范围 – 您需要确定的变压器的第一件事是它将在什么频率范围内运行。线路变压器通常工作在 50Hz 或 60Hz。音频变压器在可听范围内工作，射频变压器在可听范围内工作。

最大功率 – 接下来，您需要确定需要多少功率。1W、10W、100W等该参数通常非常重要，因为在设计变压器时，它将在计算中显示为常数。

损失–该参数在较高功率下变得很重要，因为损耗以热量和振动的形式消散。这将导致绕组隔离随着时间的推移而失去强度，并可能导致变压器内部短路，这是变压器的灾难性故障模式。有几种类型的损失，其中一些很容易理解，有些 - 有点难。

让我们从简单的开始。第一种损耗是有源电阻损耗，由导体不可避免的欧姆电阻引起，绕组由导体组成。从欧姆定律中可以看出，任何压降乘以电流等于给定的功率量。这里的情况也是如此，随着时间的推移，这种功耗会导致电线的漆包线啁啾声并导致短路。这也是变压器功率损耗的最大因素。

接下来，您有滞后损失。我将首先从一个例子开始。众所周知，永磁体具有永久的北极和南极。这些既不会随着时间的推移失去力量，也不会改变位置。要使材料在某个位置磁化，您需要允许一些初始电流进入其中。要使给定的材料消磁并反转极性，您必须首先中和它现在的极性，然后将其带到另一个极端。所以，你可以看到，使材料消磁比磁化材料需要更多的努力。在变压器中，使用软磁铁，其中这种残余磁化被降至最低，但并非完全排除。功率损耗来自在反转EMF方向之前将残余磁化拉低至零所需的额外力。

另一种损耗类型是涡流损耗。由于磁芯材料是导电的，并且绕组周围有一个紧密的闭环，因此很容易将其视为一圈短路绕组，其中发生闭合电流环路。由于所有常规导体都具有给定的电阻，因此会发生电压降，并且功率将根据欧姆定律P=V x I耗散。为了尽量减少这种损耗，工程师使用装饰有绝缘树脂的薄层压钢板将板材彼此电绝缘。这样，每张纸的横截面被降低，并且每张纸中感应的电流更少。

3. 变压器应用：

变压器是现代技术不可分割的一部分。变压器可以将电源降压到可行的电压范围，或升压为高端设备供电。用于CRT屏幕，电子管放大器，以匹配电子管的高阻抗与扬声器的低阻抗。它几乎从来没有可行的解决方法。你需要它，仅此而已！大多数时候，您无法在其上找到变压器参数。由工程师来计算参数。让我们举例说明如何找到这种变压器的一些参数。

4. 检查未知变压器：

首先，您需要进行目视检查。检查它的大小，它的核心类型，查找它以前在设备的哪个部分，以了解它的类型。还要检查电线。它们的厚度会让你很好地猜测哪个是主要的，哪个是次要的。低电压、大电流绕组通常使用较粗的导线，反之亦然。

接下来，在检查变压器时找到更安全的电压范围。使用已知的降压变压器，您知道输出电压。在我们的示例中，我们将使用 10V 变压器。我们将它连接到未知变压器的高压侧。记住我说的，关于找出高压/低压。较不粗的电线是高压侧。好的，所以在连接它之后，我们在未知变压器上测量次级。

假设我们测量大约 1V。这意味着变压器将电压降压了10倍。由此您可以确定绕组比。这是关于次级绕组中相对于初级绕组有多少个绕组的度量。在这种情况下，我们的比率为 1：10。这意味着，如果在初级端施加 220V，则会在次级上获得 22V。接下来，如果要将其用作电子管放大器的音频变压器，则需要确定负载对变压器初级的反射阻抗。它等于匝数比乘以负载的平方。假设我们有一个 8 欧姆的扬声器。然后阻抗将为 10 ^ 2 x 8= 800ohm。变压器的初级侧将看到 800 欧姆的负载，而次级侧将看到 8 欧姆的负载。

这是变压器的用途之一，以匹配不匹配电路的阻抗。高阻抗电子管放大器，如果没有这样的变压器，将无法有效地提供负载电流。戴维宁最大电流传递定理证明了这一点，该定理指出，为了最有效地利用外部电源的功率，在有限电阻下，负载必须具有与电源相同的电阻，从其输出端子来看。

5. 设计自己的变压器：

好的，伙计们，这是真正的交易。每个工程师都曾经发现自己需要定制设计的变压器。每个工程师在设计时都有不同的策略。这是我多年来所信任的，到目前为止没有悔意。

您的设计首先要找出变压器次级需要多少功率。这是由公式 P2=I2 给出的。V2.在我们的示例中，我们假设它是 50W。

在知道了二次额定功率之后，我们需要根据变压器的预期效率找出一次额定功率。通常，低功率变压器效率更低，对于高达10W的变压器，可以假设效率为80%。从10W到50W左右，可以假设效率从80%到90%，超过50W，效率保持在90%左右（高效的环形磁芯除外，我们今天不会介绍）。

接下来，将效率百分比转换为比率。只需将其除以一百即可。初级设备所需的功率由公式 P1= P2 / Eff 给出（其中 Eff 是效率比）。对于50W的变压器和0.9的假设比率，可以假设主额定功率为55W（P1 = 50 / 0.9）剩余的5W将作为热损失消散。

接下来，您需要找到所需的磁芯横截面积，这是所需额定功率所需的。这是由非常简单的公式 S= √P1 给出的。在我们的示例中，核心区域需要为 S = √55 = 7.41cm^2。始终留一点额外的空间，对于芯材，由于堆叠层压时的气隙和芯的整体缺陷，有效横截面总是比您测量的要低。因此，对于我们的示例，让我们使用横截面为 8cm^2 的磁芯。

现在，让我们使用到目前为止所得到的，并计算核心的匝数。到目前为止，您应该知道变压器将使用什么电压，包括初级和次级。假设初级电压为 V1=220V，次级电压为 V2=25V。给出所需匝数的公式如下 W1 = 40 x V1 / S 和 W2 = 44 x V2 / S。这为我们示例的主要提供了 1100 圈，为次级提供了 138 圈。

几乎在那里，现在您只需要计算绕组的线规。我是欧洲人，所以我将使用mm作为电线尺寸，而不是AWG。公式非常简单 d = 0.02x√I（mA），其中电流以 mA 为单位。现在您需要计算绕组将处理的电流。

对于初级，I= 55W / 220V= 0.25A或250mA。对于次级，电流为I = 50 / 25 = 2A或2000mA。现在您可以在公式中将这些数字相加，我们得到 d = 0.02 x √250 = 0.32mm 对于初级和 d=0.02 x √2000=0.89mm。

四舍五入到更高的可能大小总是好的。例如，初级的标准导线尺寸为0.4mm，次级的标准化导线尺寸为1mm