變壓器简介

變壓器在輸配電系統中扮演著電力轉換與聯絡的工作，例如發電廠在輸配電時需要以高電壓方式傳輸（345KV、161KV以及69KV等），接近用戶端又逐次降壓至110V，這些程序都必需藉由變壓器來達成；日常所使用的很多電器用品，其內部也都有變壓器，或配置外接式變壓器，將110V的交流電源轉換為適當的電壓值，即可再經由整流濾波線路而得到低電壓的直流工作電源；有些產品已改採用交換式電源(switch power)取代傳統線圈型變壓器，該類變壓器具備高效率、無磁漏、低雜訊之優點，逐漸應用在如電腦等設備上。本文將針對一般小型傳統線圈型變壓器做基本原理介紹，並說明使用與選購相關常見問題。
1. 電壓器原理
線圈型變壓器於1885年由匈牙利Ganz公司首度生產，至今已超過一世紀，長時間以來已經廣為運用且有諸多改良，設計出不同的型態，但是其原理仍然是一致的。此變壓器利用電能與磁能轉換感應的原理，將兩組線圈繞製在共同的「鐵心(core)」上，如圖1所示，連接電源端的稱為「一次線圈」或「主線圈(primary coil)」，連接負載端的稱為「二次線圈」或「副線圈(secondary coil)」。
當一次線圈接上交流電源，於該線圈通過的電流會在鐵心中產生磁通量變化，另一端的二次線圈會因為感應的電動勢(emf)，而產生另一個相同頻率的交流電。式(1)「法拉第定律(Faraday’s Law)」說明感應電動勢與磁通量以及線圈匝數的關係，其中ε為感應電動勢，N為線圈匝數，Φ為磁通量。在理想情況下，線圈每一匝的磁通量BBΦ皆相同，因此dtdBΦ亦為相同，故感應電壓與線圈匝數成正比（式(2)），若二次側線圈數(N2)大於一次側線圈數(N1)，則該變壓器為「升壓變壓器(stet-up transformer)」，反之若則為「降壓變壓器(step-down transformer)」。

鐵心的選用
鐵心的設計也有不同的形式，鐵心材料的基本訴求就是，必須具備較大的「導磁性(relative permeability, Km)」，亦即較低的磁阻，常見的鐵心材料有經過熱處理退火的軟鐵(soft iron)以及矽鋼片等。這些材料通常都具有比空氣高出近萬倍的導磁能力，比起其他材質能夠產生更多的磁力線，舉例來說，假若一個空心線圈能產生一條磁力線，則表示同樣的線圈在矽鋼片上能產生約一萬條磁力線。
鐵心的結構依外觀可分類為「外鐵式」與「內鐵式」，如圖2所示，圖3、4說明目前常見的鐵心形式，其中圖3(d)為「EI型鐵心」，雖然EI型鐵心磁漏較高、效率低，但是經濟方便容易製造，是目前最普遍的鐵心形式。圖3(e)為「C型鐵心(cut core)」，圖4右者是由C型鐵心改良而來的「R-core鐵心」，其鐵心橫斷面為類似圓形，以方便繞製線圈，且圓形的截面，可避免一般方型鐵心截面磁力線容易集中於四個直角端而造成磁力線分布不均，可能造成的磁力局部飽和的問題。圖3(a)、3(b)、與3(c)為「環形鐵心(toroidal core)」，採用環形鐵心的變壓器為目前電器特性最良好的變壓器，效率高、磁漏低且暫態反應快，但製作程序較繁瑣，成本也較高。