基礎(chǔ)電子學系列24 – 變壓器的類型

在上一篇文章中，我們了解了變壓器的基本概念。變壓器只是一對磁耦合的電感器，以實現(xiàn)它們之間的電磁感應(yīng)。在變壓器的幫助下，可以毫無困難地以低成本升高或降低交流電壓。升高或降低直流電壓需要復雜且昂貴的電路。這就是為什么即使大多數(shù)電子設(shè)備使用直流電運行，交流電也用于配電。電子設(shè)備將交流電源轉(zhuǎn)換為直流電源以實現(xiàn)其功能。

變形金剛有各種形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)。變壓器可按鐵芯材料、幾何形狀和結(jié)構(gòu)、電壓等級和用途進行分類。

核心分類如下：

• 疊層鐵芯

• 鐵氧體磁芯

• 鐵粉芯

• 空芯

幾何分類如下：

• 公用事業(yè)

• 電磁鐵芯

• 環(huán)形磁芯

• 鍋芯

電壓等級分類如下：

• 升壓

• 降壓

• 隔離

使用分類如下：

• 功率

• 測量

• 分配

• 脈沖

• 聲音的

• 中頻

• 射頻

變壓器磁芯
在任何變壓器的構(gòu)造中，制造商都試圖在兩個電感器之間實現(xiàn)最大的磁耦合。通過使用鐵磁材料或鐵粉作為核心，可以將磁耦合增加許多倍。一對繞在鐵磁芯上的電感與空心變壓器相比具有更好的耦合系數(shù)。然而，鐵磁芯的使用有其自身的局限性。由于磁滯和渦流，鐵磁芯有一些能量損失，并且還受到載流能力的限制。除了這些限制之外，磁芯材料的選擇也限制了變壓器的頻率范圍。根據(jù)所用鐵芯的種類，變壓器分類如下

疊層鐵芯變壓器——這些變壓器使用硅鋼作為核心材料。硅鋼又稱變壓器鐵或簡稱鐵。硅鋼層壓成層，以避免由于渦流和滯后現(xiàn)象造成的損失。渦流是在磁化時在磁性材料中流動的環(huán)流。渦流導致磁芯以熱量的形式損失能量。滯后是磁芯在接受波動磁通量方面緩慢的趨勢。由于磁滯和渦流損耗，這些變壓器僅適用于 60 Hz 頻率和音頻范圍內(nèi)的其他低頻。隨著頻率增加到幾千赫茲以上，核心的內(nèi)部損耗增加到超出可行的限制。

鐵氧體磁芯– 鐵氧體磁芯具有高磁導率并且需要較少的線圈匝數(shù)。然而，在幾兆赫茲以上的頻率下，由于渦流和滯后現(xiàn)象，此類磁芯開始顯示出顯著的能量損失。這就是為什么這些變壓器適用于音頻以上高達幾兆赫茲的頻率。

鐵粉芯——與鐵氧體磁芯相比，鐵粉還具有高磁導率和較低的磁滯和渦流損耗。隨著頻率的增加，對高磁導率的需求降低。使用粉末鐵芯的變壓器適用于高達 100 MHz 的極高頻率。由于在 100 MHz 以上的極高頻率下不需要高磁導率，空心變壓器因其能效而更適合。

空心變壓器– 在空芯變壓器中，初級和次級線圈都纏繞在抗磁材料上。這種變壓器中的磁耦合通過空氣發(fā)生。在這種變壓器中，不僅兩個線圈的電感都很低，而且互感也很低，因此線圈之間的磁耦合很小。這些變壓器不會因滯后或渦流而損失能量，并且還能夠調(diào)節(jié)大電流。這種變壓器適用于能源效率是首要考慮因素的高壓應(yīng)用，例如配電變壓器。這些也適用于 100 兆赫茲以上的超高射頻應(yīng)用。在高頻下，所需電感值較低，可采用空心電感輕松實現(xiàn)，

需要注意的是，以下符號表示空心變壓器：

具有磁芯的變壓器用在線圈符號之間加兩條平行線的符號表示如下：

變壓器的幾何形狀和構(gòu)造
變壓器也可以按其形狀和幾何形狀分類。變壓器的形狀取決于其結(jié)構(gòu)中使用的電感類型及其磁芯的形狀。任何變壓器本質(zhì)上都是一對纏繞在同一磁芯上的電感器。分類如下：

實用變壓器– 公用變壓器是以疊片鐵為芯材的電力變壓器。這些鐵芯變壓器有E、L、U、I等多種鐵芯形狀，體積大、重量重。這些變壓器中最常用的鐵芯形狀是 E 鐵芯或 EI 鐵芯，因為疊片鐵芯具有字母“E”的形狀，在“E”的開口端放置一根桿以完成構(gòu)造。線圈通過殼法或芯法纏繞在鐵芯上。在 shell 方法中，兩個線圈都纏繞在“E”的中間橫桿上。這確保了線圈之間的最大磁耦合，但是以高線圈間電容為代價。殼法也限制了變壓器的載流能力。在核心方法中，一個線圈纏繞在“E”的頂部桿上，另一個纏繞在底部。線圈之間的磁耦合僅由于通過磁芯的磁通量而發(fā)生。磁芯方式在很大程度上降低了線圈間的電容，使其可以處理高電壓。帶外殼或鐵芯繞組的 EI 鐵芯公用變壓器最常用作 60 Hz 變壓器和其他音頻變壓器。

電磁線圈變壓器– 電磁線圈變壓器通常用作射頻電路的環(huán)形天線。這些變壓器在圓柱形磁芯（鐵氧體或鐵粉）上具有初級和次級繞組。線圈要么相互纏繞，要么分開。在此類變壓器中，初級捕獲無線電信號，次級為無線電電路的第一放大器級提供阻抗匹配。這種變壓器在便攜式無線電通信設(shè)備中非常普遍。

電磁線圈變壓器與環(huán)形線圈。（圖片：利茨學院）

環(huán)形磁芯變壓器– 環(huán)形磁芯變壓器在環(huán)形磁芯上有初級和次級繞組，線圈可以相互纏繞或分開。環(huán)形磁芯是射頻電路中螺線管磁芯的更好替代品。它們包含鐵芯內(nèi)的磁通量，因此只要線圈絕緣，這些變壓器就可以直接安裝而無需任何額外的屏蔽。除了沒有電磁干擾外，環(huán)形磁芯還提供更高的每圈電感。由于磁通量仍包含在鐵芯內(nèi)，因此環(huán)形鐵芯變壓器在線圈之間具有更好的磁耦合。

罐式鐵芯變壓器– 罐式鐵芯變壓器的初級和次級繞組在其中一半上，彼此重疊或相鄰。罐形磁芯提供盡可能高的電感，并具有明顯的自屏蔽優(yōu)勢。罐形鐵芯變壓器的主要缺點之一是線圈到線圈的電容。由于線圈到線圈的電容和兩個線圈異常高的電感，罐形鐵芯變壓器只適用于低頻。在高頻下，所需的電感值較低，容抗需要從根本上最小化。

變壓器電壓電
平 變壓器最常見的應(yīng)用是調(diào)節(jié)交流電壓。變壓器可以升壓、降壓或保持完整的交流電壓電平。這是最簡單但最重要的變壓器分類。它們?nèi)缦拢?/span>

升壓變壓器——在升壓變壓器中，次級的匝數(shù)比初級的多。由于初級與次級的匝數(shù)比小于 1，施加在初級上的電壓在次級中升壓到更高的電壓。因此，這是以次級繞組處的較低電流水平為代價的。升壓變壓器用于需要將較低交流電壓轉(zhuǎn)換為較高電壓的穩(wěn)定器和逆變器中。這些也用于電網(wǎng)中，以在配電前提高交流電壓水平。

升壓變壓器的電壓電平架構(gòu)，其中次級的匝數(shù)多于初級。（圖片來源：top-ee.com）

降壓變壓器——在降壓變壓器中，初級的匝數(shù)比次級的多。由于初級與次級繞組的匝數(shù)比大于 1，因此次級電壓低于初級電壓。降壓變壓器通常用于電子應(yīng)用中。電子電路通常需要 5V、6V、9V、12V、18V 或 24V 才能運行。降壓變壓器通常用于整流器之前的電源電路中，將 120V 或 240V 交流電源降壓到所需的低電壓水平。在配電中，降壓變壓器用于降低高壓，為電線桿供電。這確保了配電的能效和成本效益。

降壓變壓器的電壓架構(gòu)，其中初級匝數(shù)多于次級匝數(shù)。（圖片來源：top-ee.com）

隔離變壓器– 隔離變壓器的初級和次級匝數(shù)相同。由于初級與次級的匝數(shù)比正好為 1，因此兩個繞組上的電壓電平保持相同。這些變壓器用于在電子電路之間提供電氣隔離或消除從一個電路到另一個電路的噪聲傳輸。隔離變壓器需要具有高電感耦合和最小電容耦合。這就是為什么這些變壓器被設(shè)計成在纏繞在高磁性和自屏蔽磁芯上的獨立線圈上具有最少的匝數(shù)。

隔離變壓器還用于連接平衡和不平衡電路。平衡電路是那些可以通過端口以任一方式連接的電路。不平衡電路是那些需要通過端口以特定方式連接的電路。通過將平衡側(cè)的中心抽頭接地，可以通過隔離變壓器連接平衡和不平衡負載。如果平衡和不平衡負載具有相同的阻抗，則隔離變壓器的匝數(shù)比應(yīng)為1。如果平衡和不平衡負載具有不同的阻抗比，則匝數(shù)比應(yīng)與阻抗比的平方相匹配。隔離變壓器還用于耦合射頻****和接收器中的放大器級。

在下一篇文章中，我們將繼續(xù)按用途對變壓器進行分類。根據(jù)用途，變壓器廣泛屬于電氣或電子領(lǐng)域。在電氣領(lǐng)域，變壓器通常按其各自的應(yīng)用進行分類。在電子領(lǐng)域，根據(jù)變壓器運行的信號頻率對其進行分類是簡單明了的。