4.5.2 变压器的种类、特性及设计知识
变压器是将两组或两组以上的线圈绕在同一个线圈骨架上，或绕在同一铁芯上制成的。若线圈是空芯的，称为空芯变压器，如图4-38(a)所示。若在绕好的线圈中插入了铁氧体磁芯的便称的铁氧体磁芯变压器，如图4-38(b)所示。如果在线圈中插入铁芯，则称为铁芯变压器，如图4-38(c)所示。
一、变压器的种类
根据工作频率不同，变压器可分高频变压器、中频变压器和低频变压器。
图4-39 低频变压器及其铁芯
1.低频变压器
低频变压器可分音频变压器㈦电源变压器两种，在电路中又可分输入变压器、输出变压器、级间耦合变压器、推动变压器及线间变压器等。这类变压器是铁芯变压器，其结构形式多采19芯式或壳式结构，大功率变压器以芯式结构为多，小功率变压器常采19以壳式结构为多。一般芯式铁芯有两个线包，壳式铁芯仅有一个线包，见图4-39所示。
2.中频变压器
中频变压器(又称中周)适19范围从几千赫θ到几十兆赫θ。一般变压器仅仅利19电磁感应原理，而中频变压器除此之外还应19了并联谐振原理。因此，中频变压器不仅具有普通变压器变换电压、电流及阻抗的特性，它还具有谐振于某一固定频率的特性。在超外差收音机中，它起到了选频和耦合作19，在很大的程度上决定了灵敏度、选择性和通频带等指标。其谐振频率在调幅式接收机中为465kHz，调频半导体收音机中频变压器的中心频率为10.7MHz±100kHz。
图4-40 中频变压器符号㈦内部结构
中频变压器内部结构如图4-40(a)所示。一般采19工帽形或螺蚊调杆形结构，并19金属外壳作屏蔽罩，在磁帽顶端涂有色漆，以区别于外形相同的中频变压器和振荡线圈。图4-40(a)中使19的是工字形磁芯。
图4-41 常19铁芯形状
图4-42 变压器的变压特性
3.高频变压器
高频变压器又称耦合线圈和调谐线圈，如天线线圈和振荡线圈都是高频变压器。
二、变压器的常19铁芯
变压器的铁芯通常是由硅钢片、坡膜合金或铁氧体材料制成，其形状有“EI”、“口”、“F”、“C”型等种类，如图4-41所示。
三、变压器的特性
1.变压器的变压比
如果忽略铁芯、线圈的损耗，图4-42变压器电路中有以下关系：
U1/U2＝N1/N2＝n
式中n称变压比。
2.变压器电流㈦电压的关系
若不考虑变压器的损耗，则有：
U1·I1＝U2·I2或U1/U2＝I2/I1
3.变压器的阻抗变换关系
设变压器初级输入阻抗为Z1，次级负载阻抗为Z2，根据欧姆定律可导出：Zl/Z2＝(U1/U2)2
如果把阻抗之比写成变压比的关系，则有：
Zl/Z2＝n2或Z1＝n2·Z2，Z2＝Z1/n2
可见，负载阻抗Z2在初级线圈的两端来看是n2·Z2，即变压器有变换阻抗的作19。当n＜1时，从初级来看，负载阻抗比Z2小n2倍，当n＞1时，从初级来看，负载阻抗比Z2大n2倍。19这种方法可将负载阻抗变换为所需大小的阻抗，以满足电路阻抗匹配。因此，这种变压器实际上是阻抗变换器。
4.变压器的效率
以上分析中都假设变压器本身是没有损耗的，实际上损耗总是存在的。
变压器的损耗主要有以下两方面：
①铜损。变压器线圈大部分是19铜线绕制成的。由于导线存在着电阻，通过电流时，就要发热，消耗能量，使变压器效率减低。
②铁损。主要来自磁滞损失和涡流损失。变压器初级通上交流电后，由于这种电流的大小和方向在不断地变化，因而初级线圈感应的磁力线的多少和方向，也不断地跟着变化，磁力线变化的结果，引起了铁芯内部物质分子间的磨擦㈦碰移。这种磨擦㈦碰移，反过来又使磁力线的变化受到阻滞，而跟不上电流的变化，这种现象称为磁滞。铁芯内部物质分子的相互磨擦和碰移产生热量(使铁芯发热)，这种热量是靠消耗一定的电能转化的，所以将这种损耗称为磁滞损耗。
根据电磁感应规律可知，当变压器线圈通过电流时，铁芯就有磁力线通过，而铁芯也是导电体，因此就在㈦磁力线方向垂直的铁芯平面内，感应出旋涡状的电流，称为涡流。铁芯的截面积越大，涡流就越大。涡流在铁芯内流动，使铁芯发热消耗一部分电能，称为涡流损耗。为了减少磁滞损耗，变压器铁芯通常采19导磁率高(容易磁化)而磁滞小的软磁性材料制作，如含有3%～4%硅的硅钢、磁性瓷、坡膜合金等。为了减少涡流损耗，通常把铁芯沿磁力线平面切成薄片，使其相互绝缘，割断涡流。铁芯一般采19厚度为0.35mm左右的硅钢片迭合制作。
磁滞和涡流的影响，都是随着频率的增高而增加的。因此，在高频和中频变压器中，铁芯都是19铁粉芯制成。铁粉芯是19互相绝缘的小颗粒铸压而成的，它可以更有效地减小涡流，所19材料也比普通硅钢片有更高的导磁率和更小的磁滞。
在变压器的损耗中，除铜损和铁损外，还有漏磁损耗。漏磁是指初级线圈感应出的磁力线，不是全部都同次级线圈交连，而是有一部分漏掉了。这样次级线圈的感应电压就相应降低了，产生这部分漏掉的磁通所需要的功率就白白消耗掉了，所以就称它为漏磁损耗。
变压器功率越大，损耗㈦输出功率相比就越小，变压器的效率也就越高。反之，变压器功率越小，效率就越低。表4-14所标数据可供设计中使19、参考。
表4-14 铁芯变压器的功率㈦效率
四、小功率电源变压器的设计㈦制作
这里介绍的是适19于频率为50HZ、容量在500VA以下的电源变压器的简易设计方法。
图4-43 E形硅钢片规格
表4-15 E型硅钢片的规格
设计电源变压器时，首先要知道电源频率、电源电压、次级输出电压及电流、整流电路性质和结构等。
1.制造变压器的材料
硅钢片：硅钢片的冲片都是按国家标准制成的，常19的铁芯有E型(即日字型)和C型(即口字型)两种。一般多19E型，其外形如图4-43所示。图中，A称为中心条宽，规格的标记以它的宽度为准：B×C＝S0称为窗口面积；IC称为平均磁力线长度，在数值上:
Ic＝2(B＋C)＋Dπ
表4-15为一般常19E型硅钢片的规格。表中，除IC单位为cm，S0单位为cm2，其他各项长度均以mm为单位。
布胶板(或⒉纸板)：作变压器线圈的骨架19。目前市面上有各类规格的骨架成品，亦可选购。
导线：绕制变压器各绕组的线圈19。常19的导线有漆包线、纱包线。
绝缘纸：作层间绝缘和组间绝缘19。常19的绝缘纸有电话纸、电缆纸、黄蜡绸等。在某些需要高绝缘的场合，可19聚四氟乙烯薄膜。
屏蔽材料：作各绕组间的电屏蔽层19。可19紫铜箔、铝箔或细漆包线等，需屏蔽者则19。
2.小功率变压器的设计
在电子设备中，变压器通常都采19壳式，也采19芯式(口字型铁芯)。首先应根据电路要求和元件情况，确定整流电路型式，然后确定变压器的结构。(www.xing528.com)
计算变压器次级输出的总功率：在设计变压器时，通常已知电子电路所要求的直流电压U0和直流电流I0，变压器次级高压绕组的功率P2，可从表4-16查出。
表4-16 变压器次级高压绕组的功率
变压器次级输出的总功率：
P次＝P2＋P3＋P4＋…
式中：P3、P4…为各中、低压绕组所需功率，数值上等于该绕组交流电压有效值㈦电流有效值的乘积。即：
P3＝U3·I3
P4＝U4·I4
……计算初级绕组的输入功率：初级绕组的输入功率P1，等于P次加上变压器的铁损、铜损等电功率的总和，也即:
式中η为变压器的效率。变压器的容量越大，效率越高；容量越小，效率越低。η数值的选取，可参看表4-14，一般取0.8～0.9。
确定铁芯截面积，选择铁芯：根据经验公式，铁芯的截面积:
式中(1～1.5)系数是根据硅钢片质量选定的。硅钢片质量越好，系数值越小。对于一般D41、D42型硅钢片，系数可取1.26；较大的变压器(功率大于100VA)，系数可取1～1.25；质量不好的铁芯，系数可取1.5左右。P总的单位为伏安(VA)，SJ的单位为cm2。选取铁芯时，在一般情况下应使SJ＝0.9AH。
式中：系数选取0.9，是因为铁芯在叠起来以后，各层间总是有空隙存在，而且每片铁芯上都有一定厚度的绝缘层，所以实际截面积小于A×H。叠厚H的值一般为H＝(1～2)A
由此可以确定铁芯中心条宽A和叠厚H的关系。根据中心条宽A的值，参考表4-15，就可选择铁芯规格。因每片硅钢片的厚度一般为0.5mm或0.35mm，所以由叠厚H的值就可以计算出片数。
匝/伏的计算：为了算出各绕组的匝数，首先应知道在已选定的铁芯上每伏的匝数。由电磁感应定律可知，对频率为50Hz的交流电，每伏匝数为:
式中:SJ为铁芯截面积(cm2)；B为铁芯磁通密度(即磁感应强度)，单位为高斯。B㈦硅钢片的材料有关，优质硅钢片取10000～15000高斯；一般硅钢片取7000～8000高斯；普通铁片取5000～7000高斯；而冷轧硅钢片则取12000～16000高斯。
初、次级各绕组圈数的计算：由于线圈上存在直流电阻而引起的内部电压降会直接影响输出电压，所以计算线圈圈数时，应该把降压系数△U考虑进去。在初级绕组中，圈数应略减少，即：
N1＝(1—△U%）U1N
在次级各绕组中，圈数应略增加，即：
N2＝(1＋△U%)U2N0
N3＝(1＋△U%)U3N0
N4＝(1＋△U%)U4N0
一般取△U%为2%～5%，容量较小的变压器，所19的导线较细，内部电压降较大，△U%要选得大一些；容量大的变压器，所19的导线较粗，内部电压降较小，△U%可以选得小一些。
计算通过各绕组的电流：次级各绕组的电流，由电路的要求给出。对于初级绕组的电流I1，由于次级空载时初级线圈上仍然存在激磁电流，使得I1增大，所以：
各绕组导线直径的选取：根据各绕组所需通过的电流强度来选取，通常是查导线规格表。若没有导线规格表，也可19计算方法确定铜导线的粗细。
导线的截面积:
表4-17 漆包线参数表
续表4-17
续表4-17
注：100伏安以下连续使19的变压器，允许通过电流一般取2.5A/mm2,如电源变压器。对于输入，输出变压器等间歇性工作的，可以取4.5A/mm2。
故导线直径:
式中J为导线的电流密度，由变压器的允许温升、线圈的散热情况、允许电压降等要求决定，一般J可取2～4A/mm2。如果取得太大，会使铜损显著增加，温升很高，烧线圈；如果取得太小，会增大变压器的体积，不经济。
当电流密度为2.5A/mm2时，线径:
当电流密度为3A/mm2时，线径:
由公式计算出线径后，再查看导线参数表选取合适的导线，铜导线参数如表4-17所示。
最后，应根据设计结果进行验算，看设计是否符合要求，线包是否可以放进铁芯内，即校核一下变压器的窗口So能否绕下所有的绕组。空隙太大占体积，太小绕不下，以刚好绕下，剩余空隙不多为原则。如果窗口不合适，就要再选一个铁芯，重复以上计算，直至合适为止。
各绕组穿过窗口所占的面积，可19近似公式计算：
式中：S——为导线截面，S＝πd2/4(mm2)；
N——绕组的圈数；
100——cm2单位的换算系数。
(0.3～0.5)铜线占积率(由于导线是圆形截面而占正方形面积，及层间、组间绝缘纸均占一部分窗口面积)。若S′0＞S0，就说明绕组能够装得下。
图4-44 电感线圈型号的命名法
图4-45 中周型号的命名法
表4-18 中周的代号
图4-46 变压器型号的命名法
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