變壓器設(shè)計(jì)心得

一、變壓器原理當(dāng)我們把導(dǎo)線插入220V電源插座，就會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，可是插入變壓器就不會(huì)，區(qū)別就在于變壓器原邊的線圈導(dǎo)線是繞在鐵芯上的，難道僅僅因?yàn)槎嗔藗€(gè)鐵芯，導(dǎo)線就失去短路作用了嗎？是的，導(dǎo)線插入鐵芯后就變成了電感線圈，根據(jù)楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，（注意：“阻礙”不是“相反”，原磁通量增大時(shí)方向相反，原磁通量減小時(shí)方向一樣；“阻礙”也不是阻止，電路中的磁通量還是變化的。）變壓器原邊將產(chǎn)生一個(gè)大小相等，方向相反的反向電動(dòng)勢(shì)抵消輸入的220V電壓，導(dǎo)線中僅有微弱的勵(lì)磁電流流過（維持磁場(chǎng)需要有一個(gè)電流），所以，導(dǎo)線失去了短路作用。如果真是這樣，那么在鐵釘上繞幾圈漆包線，再把導(dǎo)線插入220V電源插座，是不是就不會(huì)短路了？肯定會(huì)短路的。原因就是鐵芯磁飽和了，無法產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)抵消輸入電壓，此時(shí)，導(dǎo)線還是相當(dāng)于短路線。拆開變壓器，可以看到，線圈匝數(shù)很多，額定功率越大的變壓器，鐵芯體積越大，其中的原因就是為了讓變壓器工作在變壓器狀態(tài)，而不是進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。也就是說，我們實(shí)際中使用的變壓器都是非理想的，有可能進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而失去變壓器功能。我們?cè)O(shè)計(jì)變壓器的目的就是保證在額定電壓，額定功率下，變壓器正常工作。如果真的存在理想變壓器就不需要我們?cè)O(shè)計(jì)了。二、變壓器設(shè)計(jì)除了滿足正常工作的要求外，變壓器設(shè)計(jì)還要滿足：體積、重量、溫度、本錢等要求，所以，實(shí)際變壓器的設(shè)計(jì)可不是一件容易的事情。書本上的理論分析全都是用的理想變壓器，書上說變壓器可以實(shí)現(xiàn)變壓、阻抗匹配、隔離等等功能，但是隱含前提是變壓器工作在變壓器狀態(tài)，如果飽和了，那就沒有這些功能了。一個(gè)實(shí)際變壓器還存在導(dǎo)線電阻、漏感、分布電容、分布電感、溫升（銅損、鐵損）等等問題，根據(jù)不同的變壓器類型，有些參數(shù)不能忽略。制作變壓器我們需要知道以下信息：1、 磁芯規(guī)格（磁芯形狀、磁芯大小、磁芯材料）2、 匝數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格（原副邊匝數(shù)、導(dǎo)線直徑）3、 損耗與溫升4、 導(dǎo)線構(gòu)造：多股線或扁平線5、 繞組構(gòu)造：多層或分段饒制6、 端空設(shè)計(jì)：按絕緣電位設(shè)計(jì)端空磁芯規(guī)格其實(shí)就是要確定橫截面積和工作點(diǎn)。一般功率決定橫截面積大小，功率越大，橫截面積越大。有經(jīng)歷公式可以快速根據(jù)功率確定橫截面積，也可以直接查表。磁芯材料確定后，根據(jù)其特性曲線，我們要選擇適宜的工作點(diǎn)B0oB0太大會(huì)導(dǎo)致磁飽和，太小又會(huì)使得體積龐大、重量沉、功耗大、本錢高。當(dāng)電源頻率、工作點(diǎn)B0、橫截面積都確定后，就可以計(jì)算出每伏匝數(shù)，用輸入電壓除以每伏匝數(shù)就可以得到原邊匝數(shù)。進(jìn)而可以求得副邊匝數(shù)。導(dǎo)線直徑取決于電流密度，而電流密度又取決于電壓調(diào)整率或溫升，受二者共同約束，哪個(gè)約束條件算出來的J值小，就選擇哪個(gè)J值。J值小肯定不會(huì)有溫升/電壓調(diào)整率問題，但也不是越小越好，J小的話，導(dǎo)線直徑太粗，銅重量大、體積大、本錢高，有時(shí)線包厚度可能超過鐵芯窗口尺寸，根本無法繞制。電流密度J和溫升有什么關(guān)系呢？很多初學(xué)者可能想到去查書，其實(shí)，變壓器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，理論派這時(shí)已經(jīng)玩不轉(zhuǎn)了，此時(shí)需要大量實(shí)踐經(jīng)歷。也有人可能會(huì)抱怨資料缺乏，這不是問題，沒有資料可以做實(shí)驗(yàn)得到。就象沒有DIP器件封裝數(shù)據(jù)，你完全可以直接用尺子量出引腳間距來。不知道程序出錯(cuò)原因，完全可以通過調(diào)試找到。溫升和銅損鐵損有關(guān)，和散熱條件有關(guān)，帶散熱片的溫度就低，散熱片上有風(fēng)扇的溫度更低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快的肯定溫度又要降低了。此外，還和外部環(huán)境溫度有關(guān)，在南極零下50度，溫升就不是問題，在赤道沙漠里，溫升可能導(dǎo)致鐵芯磁特性曲線飄移，進(jìn)而磁飽和，失去變壓器功能。總之決定溫升的因素很復(fù)雜：管芯到封裝的熱阻、接觸面積、接觸面光滑度、導(dǎo)熱硅脂、散熱器材料體積、外表積、鰭形、涂層材料、顏色、空氣密度、流速等共同決定溫升。因此，電流密度J和溫升的關(guān)系只能憑經(jīng)歷確定了。一般通過經(jīng)歷公式確定。所謂經(jīng)歷公式是指：通過一系列結(jié)果可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)曲線，使用數(shù)值分析方法多項(xiàng)式擬合，得到經(jīng)歷公式。此公式在我們的經(jīng)歷圍正確，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)果，可以重復(fù)驗(yàn)證。注意：經(jīng)歷公式存在局限性，如果預(yù)測(cè)結(jié)果不對(duì)，就需要再次修正經(jīng)歷公式，增加我們的經(jīng)歷。由此可知，經(jīng)歷越多，越不容易出錯(cuò)，想要設(shè)計(jì)好變壓器需要積累大量經(jīng)歷。畢竟，變壓器是一種商品，我們沒有必要每次都從頭設(shè)計(jì)，那樣太浪費(fèi)時(shí)間。此時(shí)，利用表格、EXECL電子表格、經(jīng)歷值可以大大加快設(shè)計(jì)速度。比方：可以規(guī)定電流密度J選2.5A/平方毫米，繞組J適當(dāng)降低，外繞組J適當(dāng)提高，散熱好的甚至可以到達(dá)10A/平方毫米，這樣就不用詳細(xì)計(jì)算了。三、變壓器類型電源（工頻）變壓器最常見的變壓器，輸入220VAC50HZ，輸出各種直流電壓。因?yàn)轭l率低，根本不考慮分布參數(shù)，可以亂繞。隔離變壓器變比一般為1：1，主要目的是隔離。因?yàn)槭须娏憔€接，人碰到熱底板上的零線相對(duì)還算平安，一旦碰到火線，就會(huì)和形成回路，導(dǎo)致觸電。經(jīng)過變壓器隔離后，人單獨(dú)碰到任何一根線都不會(huì)觸電，兩根線對(duì)地浮空，都不會(huì)和形成回路，電壓只存在于兩根線之間，所以平安。音頻變壓器輸入變壓器級(jí)間變壓器輸出變壓器線間變壓器匹配變壓器調(diào)幅變壓器電子管/晶體管收音機(jī)/音響中，需要在各級(jí)放大電路之間增加變壓器進(jìn)展阻抗匹配和諧振，使得后級(jí)獲得最大輸出功率。收音機(jī)里的變壓器俗稱中周。音頻變壓器中的頻率較高，不能忽略分布參數(shù)，而且，要把晶體管輸入輸出電阻折算到變壓器中。一般先抽象出一個(gè)等效電路，再簡(jiǎn)化，然后根據(jù)分布參數(shù)約束條件獲得等效電路各參數(shù)值。有了這些信息，就可以計(jì)算出功率，進(jìn)而得到橫截面積，線圈匝數(shù)，導(dǎo)線直徑等等變壓器繞制參數(shù)。這樣我們就可以得到滿足分布參數(shù)要求，能夠工作在變壓器狀態(tài)（不飽和），具有正確阻抗變換功能的變壓器了。為什么三極管集電極接在中周的中間點(diǎn)？這種局部接入的主要目的是減小三極管輸出電阻rce對(duì)諧振阻抗及Q值的影響。設(shè)中周的中間點(diǎn)到直流電源點(diǎn)的圈數(shù)為n1，中周初級(jí)線圈總?cè)?shù)為n2,變比n=n2/n1，當(dāng)rce并連到n1線圈時(shí)，折算到n2線圈將是rce的n方倍，使諧振阻抗及Q值只有少量下降，保證了足夠的電壓放大倍數(shù)和選擇性指標(biāo)。早期的電子管收音機(jī)中，由于電子管的輸出阻抗極大，根本不用考慮這個(gè)問題，所以在電子管電路中就不存在“接中周中間點(diǎn)”的接法。大局部人做過收音機(jī)，但是很少人自己設(shè)計(jì)繞制中周和輸入輸出變壓器，現(xiàn)在學(xué)習(xí)了音頻變壓器設(shè)計(jì)，你就可以自己繞了，再不用擔(dān)憂買不到適宜的中周變壓器了，哈哈。注意：音頻變壓器對(duì)工藝要求較高，不太容易成功。另外，玩膽機(jī)（電子管）音響的朋友更是需要自己繞變壓器了，盡管電子管和晶體管有點(diǎn)差異，但是學(xué)習(xí)了以上容，自制變壓器就不是難事了。脈沖變壓器我們?cè)?019網(wǎng)卡芯片中就用到了脈沖變壓器，起隔離作用，變比1:1。想不想知道這種變壓器是怎么設(shè)計(jì)的呢？想不想自己繞一個(gè)呢？其實(shí)脈沖變壓器也是變壓器的一種，只不過脈沖波含有大量頻率分量，不能忽略分布參數(shù)影響，繞制工藝要求高，一般也要先抽象出一個(gè)等效電路，再簡(jiǎn)化，然后根據(jù)分布參數(shù)約束條件獲得等效電路各參數(shù)值。與音頻變壓器不同的是，其約束條件參數(shù)不一樣。脈沖波形參數(shù)約束條件有：峰值脈沖幅度、脈沖持續(xù)時(shí)間、脈沖上升時(shí)間、脈沖下降時(shí)間、頂降、脈沖頂峰、過沖、反擺、回?cái)[、恢復(fù)時(shí)間。根據(jù)這些信息，就可以計(jì)算出功率，進(jìn)而得到橫截面積，線圈匝數(shù)，導(dǎo)線直徑等等變壓器繞制參數(shù)。這樣我們就可以得到滿足分布參數(shù)要求，滿足脈沖波形參數(shù)約束條件要求，能夠工作在變壓器狀態(tài)（不飽和），能夠正確傳遞脈沖能量（脈沖波形變化符合要求）的變壓器了。開關(guān)電源變壓器特種變壓器穩(wěn)壓變壓器霓虹燈變壓器微波爐變壓器機(jī)場(chǎng)助行航燈光用變壓器超隔離變壓器傳輸線變壓器鐵芯電感器電源濾波扼流圈交流扼流圈電感線圈鎮(zhèn)流器超聲換能器用匹配電感鐵氧體磁芯電感四、工頻變壓器設(shè)計(jì)，用于電子管音響工頻變壓器是最簡(jiǎn)單的變壓器，根本不用考慮分布電感、分布電容、信號(hào)源阻、等效電路各種指標(biāo)等復(fù)雜因素，直接按標(biāo)準(zhǔn)化步驟操作即可，所以用工頻變壓器來進(jìn)展變壓器設(shè)計(jì)入門是最好不過了。簡(jiǎn)單說就是根據(jù)功率選擇鐵心，然后計(jì)算匝數(shù)，再看能否繞下。不同的人設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同，可能和下面計(jì)算有偏差，但是本質(zhì)思想都是一樣的。有時(shí)算到后面需要重新再來，其實(shí)相當(dāng)于一個(gè)迭代設(shè)計(jì)過程，反復(fù)設(shè)計(jì)直至滿足要求為止。理論計(jì)算完成后還需要實(shí)際測(cè)試效果進(jìn)展驗(yàn)證，因?yàn)殍F心參數(shù)，制作工藝可能和我們假設(shè)的不一樣，所以設(shè)計(jì)完成后根本都需要再根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)展調(diào)整。要求：高壓輸出：260V，150ma；燈絲1：5V，3A；燈絲2：6.3v，3A中心處抽頭；初、次級(jí)間應(yīng)加有屏蔽層。根據(jù)要求鐵芯型號(hào)采用“GEIB—35”。計(jì)算如下：〔1〕計(jì)算變壓器功率容量〔輸入視在功率〕：P=〔1.4X高壓交流電壓X電流+燈絲1電壓X電流+燈絲2電壓X電流〕/效率=〔1.4X260X0.15+5X3+6.3X3〕/0.9=〔54.6+15+18.9〕/0.9=98.33VA〔2〕計(jì)算原邊電流I1=1.05XP/220=0.469A〔3〕按照選定的電流密度〔由方案的連續(xù)時(shí)間決定〕，選取漆包線直徑。如按照3A/mm2計(jì)算：D=0.65X/I〔0.65X電流的開方〕并規(guī)整為產(chǎn)品規(guī)格里有的線徑〔可查資料〕：選定：原邊直徑D1=0.45mm高壓繞組直徑D2=0.25mm燈絲繞組直徑D3=D4=1.12mm(4〕鐵心截面面積S0=1.25/〔P〕=1.25X/98=12.5CM2〔5〕鐵心疊厚：根據(jù)他的要求鐵芯型號(hào)采用“GEIB—35”,查到：舌寬=35MM=3.5CM那么：疊厚=12.5/3.5=3.6CM一般地〔疊厚/舌寬〕在1—2之間是比擬適宜的。〔6〕鐵心有效截面積：S1=舌寬X疊厚/1.1=11.454CM2〔7〕計(jì)算每伏匝數(shù)計(jì)算式：每伏匝數(shù)n=〔45000〕/〔BXS1〕其中B=10000—12000〔中等質(zhì)量硅鋼片，如原先無線電27廠產(chǎn)品鐵心〕或15000〔Z11等高質(zhì)量硅硅片〕或8000〔電動(dòng)機(jī)用硅鋼片〕。S1：鐵心有效截面積，等于〔舌寬X疊厚〕/1.1假定是中等質(zhì)量鐵心，并且保守點(diǎn)，取B=10000那么：n=450000/BXS1=450000/〔10000X11.454〕=3.93(T/V)〔8〕計(jì)算每組匝數(shù)原邊圈數(shù)：N1=220n=220X3.93X0.95=822〔T〕副邊高壓：N2=260X1.05Xn=1073〔T〕——這是一半，還要再X2=2146T。燈絲1〔5V〕：N3=5X1.05Xn=21〔T〕燈絲2〔6.3V〕：N3=6.3X1.05Xn=26〔T〕〔10〕計(jì)算每層可繞圈數(shù)〔窗口高度兩端要留下3MM〕：查得該鐵心窗口高度h=61.5mm，查表得知：選用的漆包線帶漆皮最大外徑D1Max=0.51mmD2Max=0.30mmD3Max=1.23mmD4Max=1.23mm按照每層可繞：N=〔h—0.5—2X3〕/〔KXDMax〕計(jì)算〔分子的含義是：由h=61.5mm==?可繞線寬度為61.5—0.5—2X3=55mm〕〔分母是排線系數(shù)KX最大外徑DMax，對(duì)于初學(xué)者，小于0.3的線K=1.20,0.3—0.8的線K=1.15，大于0.8的線K=1.10。。如您已經(jīng)有較好的繞線經(jīng)歷，K可以=105?102〕代入上述數(shù)據(jù)得到：原邊每層可繞：94圈高壓每層可繞：154圈燈絲每層可繞：39圈〔最后有討論〕?！惨部梢灾苯硬椤懊坷迕卓衫@圈數(shù)表”得到〕〔11〕各繞組的層數(shù)前面已經(jīng)算出各組圈數(shù)那么，那么各繞組的層數(shù)：原邊=822/94=8.74，取9層高壓=2146/154=13.94，取14層燈絲1：1層，燈絲2：1層?！?2〕絕緣設(shè)計(jì)骨架，用1MM厚紅鋼紙，外加0.15MM覆膜青殼紙1層+0.08MM電纜紙1層；原邊繞組墊紙用0.08MM電纜紙；副邊高壓繞組墊紙用0.05MM電纜紙；組間絕緣用0.08MM電纜紙1層+0.15MM覆膜青殼紙2層+0.08MM電纜紙1層；〔繞組外絕緣同組間絕緣〕

〔13〕計(jì)算線包〔壓實(shí)的〕厚度:〔1+0.15+0.08〕〔骨架及層絕緣〕〔9X0.51+8X0.08〕〔原邊繞組〕〔0.08X2+0.15X2〕〔組間絕緣1〕〔隔離層，如可能用0.05銅箔，如無，就用與高壓繞組同直徑的線繞一層代〕〔0.08X2+0.15X2〕〔組間絕緣2〕〔0.08X2+0.15X2〕〔組間絕緣2〕〔14X0.30+13X0.05〕〔高壓繞組〕〔0.08X2+0.15X2〕〔組間絕緣3〕〔1.23〕〔燈絲1〕〔0.08X2+0.15X2〔0.08X2+0.15X2〕〔組間絕緣4〕〔1.23〕〔燈絲2〕〔0.08X2+0.15X2〔0.08X2+0.15X2〕〔線包外間絕緣〕=1.23+5.23+0.46+0.30+0.46+4.85+0.46+1.23+0.46+1.23+0.4616.37mm〔14〕檢驗(yàn)“蓬松系數(shù)”蓬松系數(shù)=鐵片窗口寬度/線包〔壓實(shí)的〕厚度“蓬松系數(shù)”一般可以在1.2—1.3間，蓬松系數(shù)小者要注意繞的十分緊才行，蓬松系數(shù)過大說明選的鐵心規(guī)格大了，要重選重算。對(duì)于經(jīng)歷不多的初學(xué)者，不妨以1.3—1.35進(jìn)展檢驗(yàn)。不然可能繞完了發(fā)現(xiàn)裝不進(jìn)鐵片。檢驗(yàn)：蓬松系數(shù)=22/16.