基礎(chǔ)電子學(xué)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(duì)磁耦合的電感器，以實(shí)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(fù)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(yùn)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(shí)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(jí)和用途進(jìn)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(jí)分類如下：

• 升壓

• 降壓

• 隔離

使用分類如下：

• 功率

• 測(cè)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(gè)電感器之間實(shí)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(duì)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(jiǎn)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(shí)在磁性材料中流動(dòng)的環(huán)流。渦流導(dǎo)致磁芯以熱量的形式損失能量。滯后是磁芯在接受波動(dòng)磁通量方面緩慢的趨勢(shì)。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(dǎo)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(dá)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(dǎo)率和較低的磁滯和渦流損耗。隨著頻率的增加，對(duì)高磁導(dǎo)率的需求降低。使用粉末鐵芯的變壓器適用于高達(dá) 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(dǎo)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(jí)和次級(jí)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(gè)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(huì)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(shí)現(xiàn)，

需要注意的是，以下符號(hào)表示空心變壓器：

具有磁芯的變壓器用在線圈符號(hào)之間加兩條平行線的符號(hào)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(duì)纏繞在同一磁芯上的電感器。分類如下：

實(shí)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?yàn)榀B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(gè)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(jià)。殼法也限制了變壓器的載流能力。在核心方法中，一個(gè)線圈纏繞在“E”的頂部桿上，另一個(gè)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(jí)和次級(jí)繞組。線圈要么相互纏繞，要么分開。在此類變壓器中，初級(jí)捕獲無線電信號(hào)，次級(jí)為無線電電路的第一放大器級(jí)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(xué)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(jí)和次級(jí)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(jí)和次級(jí)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(shì)。罐形鐵芯變壓器的主要缺點(diǎn)之一是線圈到線圈的電容。由于線圈到線圈的電容和兩個(gè)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(jiǎn)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(jí)的匝數(shù)比初級(jí)的多。由于初級(jí)與次級(jí)的匝數(shù)比小于 1，施加在初級(jí)上的電壓在次級(jí)中升壓到更高的電壓。因此，這是以次級(jí)繞組處的較低電流水平為代價(jià)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(jí)的匝數(shù)多于初級(jí)。（圖片來源：top-ee.com）

降壓變壓器——在降壓變壓器中，初級(jí)的匝數(shù)比次級(jí)的多。由于初級(jí)與次級(jí)繞組的匝數(shù)比大于 1，因此次級(jí)電壓低于初級(jí)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(yùn)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(jí)匝數(shù)多于次級(jí)匝數(shù)。（圖片來源：top-ee.com）

隔離變壓器– 隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)匝數(shù)相同。由于初級(jí)與次級(jí)的匝數(shù)比正好為 1，因此兩個(gè)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(gè)電路到另一個(gè)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(jì)成在纏繞在高磁性和自屏蔽磁芯上的獨(dú)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(fù)載。如果平衡和不平衡負(fù)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(fù)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(jí)。

在下一篇文章中，我們將繼續(xù)按用途對(duì)變壓器進(jìn)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(jìn)行分類。在電子領(lǐng)域，根據(jù)變壓器運(yùn)行的信號(hào)頻率對(duì)其進(jìn)行分類是簡(jiǎn)單明了的。