变压器设计原理深度分析

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。

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。

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。

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。

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。

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。

开关电源变压器

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

铁芯电感器

电源滤波扼流圈

交流扼流圈

电感线圈

镇流器

超声换能器用匹配电感

铁氧体磁芯电感

工频变压器设计，用于电子管音响，

工频变压器是最简单的变压器，基本不用考虑分布电感、分布电容、信号源内阻、等效电路各种指标等复杂因素，直接按标准化步骤操作即可，所以用工频变压器来进行变压器设计入门是最好不过了。简单说就是根据功率选择铁心，然后计算匝数，再看能否绕下。不同的人设计标准不同，可能和下面计算有偏差，但是本质思想都是一样的。有时算到后面需要重新再来，其实相当于一个迭代设计过程，反复设计直至满足要求为止。

理论计算完成后还需要实际测试效果进行验证，因为铁心参数，制作工艺可能和我们假设的不一样，所以设计完成后基本都需要再根据实测结果进行调整。

要求：

高压输出：260V，150ma ；

灯丝1：5V，3A；

灯丝2：6.3v，3A 中心处抽头；

初、次级间应加有屏蔽层。

根据要求铁芯型号采用“GEIB一35”。

计算如下：

（1）计算变压器功率容量（输入视在功率）：

P ＝（1.4×高压交流电压×电流＋灯丝1电压×电流＋灯丝2电压×电流）/ 效率

＝（1.4×260×0.15＋5×3＋6.3×3）/ 0.9

＝（54.6＋15＋18.9）/ 0.9

＝ 98.33VA

（2）计算原边电流

I1＝1.05×P / 220＝0.469A

（3）按照选定的电流密度（由计划的连续时间决定），选取漆包线直径。

如按照3A/mm2计算：D＝0.65×√I （0.65×电流的开方）

并规整为产品规格里有的线径（可查资料）：

选定：

原边直径D1＝0.45mm

高压绕组直径D2＝0.25mm

灯丝绕组直径D3＝D4＝1.12mm

（4） 铁心截面面积

S0＝1.25√（P）＝1.25×√98＝12.5CM2

（5）铁心叠厚：

根据他的要求铁芯型号采用“GEIB一35”，

查到：舌宽＝35MM＝3.5CM

则：叠厚＝12.5 / 3.5 ＝3.6CM

一般地（叠厚/舌宽）在1－2之间是比较合适的。

（6）铁心有效截面积：

S1＝舌宽×叠厚 / 1.1 ＝ 11.454 CM2

（7）计算每伏匝数

计算式：每伏匝数n＝（45000）/（B×S1）

其中

B＝10000－12000（中等质量硅钢片，如原先上海无线电27厂产品铁心）

或15000（Z11等高质量硅硅片）

或8000（电动机用硅钢片）。

S1：铁心有效截面积，等于（舌宽×叠厚）/1.1

假定是中等质量铁心，并且保守点，取B＝10000

则：

n＝450000 / B×S1

= 450000 /（10000×11.454）

＝3.93 （T / V ）

（8）计算每组匝数

原边圈数：N1＝220n＝220×3.93×0.95＝822（T）

副边高压：N2＝260×1.05×n＝1073（T）－－这是一半，还要再×2＝2146T。

灯丝1（5V）： N3＝5×1.05×n＝21（T）

灯丝2（6.3V）：N3＝6.3×1.05×n ＝26（T）

（10）计算每层可绕圈数（窗口高度两端要留下3MM）：

查得该铁心窗口高度h＝61.5mm，

查表得知：选用的漆包线带漆皮最大外径

D1Max＝0.51mm

D2Max＝0.30mm

D3Max＝1.23mm

D4Max＝1.23mm

按照 每层可绕：N ＝（h－0.5－2×3）/（K×DMax）计算

（分子的含义是：由h＝61.5mm＝＝》可绕线宽度为61.5－0.5－2×3＝55mm）

（分母是排线系数K×最大外径DMax，对于初学者，小于0.3的线K＝1.20，0.3－0.8的线K＝1.15，大于0.8的线K=1.10。。如您已经有较好的绕线经验，K可以＝105～102）

代入上述数据得到：

原边每层可绕：94圈

高压每层可绕：154圈

灯丝每层可绕：39圈（最后有讨论）。

（也可以直接查“每厘米可绕圈数表”得到）

（11）各绕组的层数

前面已经算出各组圈数则，则各绕组的层数：

原边＝822/ 94＝8.74，取9层

高压＝2146/154＝13.94，取14层

灯丝1：1层，

灯丝2：1层。

（12）绝缘设计

骨架，用1MM厚红钢纸，外加0.15MM覆膜青壳纸1层＋0.08MM电缆纸1层；

原边绕组垫纸用0.08MM电缆纸；

副边高压绕组垫纸用0.05MM电缆纸；

组间绝缘用0.08MM电缆纸1层＋0.15MM覆膜青壳纸2层＋0.08MM电缆纸1层；

（绕组外绝缘同组间绝缘）

（13）计算线包（压实的）厚度：

＝（1＋0.15+0.08） （骨架及内层绝缘）

＋（9×0.51＋8×0.08） （原边绕组）

＋（0.08×2＋0.15×2） （组间绝缘1）

＋（隔离层，如可能用0.05铜箔，如无，就用与高压绕组同直径的线绕一层代）

＋（0.08×2＋0.15×2） （组间绝缘2）

＋（14×0.30＋13×0.05）（高压绕组）

＋（0.08×2＋0.15×2） （组间绝缘3）

＋（1.23） （灯丝1）

＋（0.08×2＋0.15×2） （组间绝缘4）

＋（1.23） （灯丝2）

＋（0.08×2＋0.15×2） （线包外间绝缘）

＝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）检验“蓬松系数”

蓬松系数＝铁片窗口宽度 / 线包（压实的）厚度

“蓬松系数”一般可以在1.2－1.3间，蓬松系数小者要注意绕的十分紧才行，蓬松系数过大说明选的铁心规格大了，要重选重算。对于经验不多的初学者，不妨以1.3－1.35进行检验。不然可能绕完了发现装不进铁片。

检验：

蓬松系数＝22 / 16.37 ＝ 1.34

很合适的呀。

（15）修正方案：：

灯丝绕组可以选用0.8nn直径漆包线2根并绕（0.80线最大外径0.89，每层可绕54圈，6.3V绕组26×2，刚好可以绕下）。这样导线可以分布开来不至于只有半边，绕出来的线包就比较平整。还可以减小绕组厚度。

这时，

计算线包（压实的）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

蓬松系数＝22 / 15.69 ＝1.41

这就非常之宽松了，说明选的铁心规格大了，利用手头现有铁心当然可以。保证可以成功。

计算完毕。