基础电子学系列23 – 变压器实用指南

在前面的文章中，我们了解了电阻、电容和电感。在讨论电感器时，我们已经谈到了互感，它是两个电感器之间磁耦合的结果。如果在电路中使用两个电感器作为“电感器”，则通常不需要两个电感器之间的互感或任何磁耦合。然而，两个电感器之间的磁耦合可能很有用。变压器就是这样一种电气和电子设备，其中利用了电感器之间的磁耦合。

电磁感应

如果两根导线彼此靠近放置，并且其中一根载有波动电流，则另一根导线中也会感应出电流。如果不是电线，两个线圈有一个共同的轴，感应电流要高得多。由于它们之间的磁耦合，电流在其中一个中的波动电流通过时从一根导线或线圈感应到另一根。这种现象称为电磁感应。如果导线或线圈承载交流电流，则在另一根导线或线圈中感应出具有相同频率和相同波形的交流电流。与直线相比，线圈或电感器中的电磁感应更为突出。不仅一个线圈可以从另一个线圈感应出电流，而且交流电流也可以通过改变其他线圈的匝数来增加或减少。

变压器只是一对受伤的电感器，因此它们之间具有最大的磁耦合。变压器用于升高或降低交流电压/电流。由于电磁感应只发生在波动或交流电中，因此变压器也用于电子电路的直流隔离，其中变压器只允许交流电压通过一个电路传递到另一个电路。变压器还用于不同电路或带有负载的电路之间的阻抗匹配。这些也用于耦合平衡和不平衡电路、负载和反馈系统。

流过源电流的线圈或电感称为初级绕组，或简称为初级。感应电流的线圈或电感器称为次级绕组，或简称为次级。升压变压器的次级电压高于其初级电压。降压变压器的次级电压低于其初级电压。与理想变压器一样，电力应该守恒（根据能量守恒定律），在升压变压器中，次级电流低于初级电流，而在降压变压器中，次级电流高于初级电流。

耦合系数

与线圈中的总磁通量相比，链接到另一个线圈的总磁通量的数量称为耦合系数。定义为两个线圈（电感器）之间共有的磁通线数与一个线圈内的磁通线数之比。耦合系数用字母“K”表示。它的值可以在 0 和 1 之间的任何值。如果两个线圈完全磁耦合，它们的耦合系数将为 1。如果两个线圈完全相互屏蔽，它们的耦合系数将为 0。因此，耦合系数是一种量化两个线圈之间磁耦合的方法。在理想的变压器中，初级线圈和次级线圈之间的耦合系数应该为1。也就是说，它们应该是完美的磁耦合。

匝数比

变压器的匝数比是初级匝数与次级匝数之比。该比率在确定次级绕组中来自初级的感应电压和电流方面起着重要作用。下式给出了匝数比：

匝数比 = N P /N s
其中，
N P = 初级线圈的匝数
N S = 次级线圈的匝数

电压比

变压器的电压比是次级线圈感应的电压与初级线圈的电压之比。下式给出了次级线圈中的感应电压：

V S = N S dΦ M /dt
其中，
V S = 次级线圈中感应的电压
N S = 次级线圈中的匝数
Φ M = 次级线圈中感应的磁通量
dΦ M /dt = 磁变化率次级线圈中的磁通量

下式给出了次级线圈中感应的磁通量：
Φ M = ∫(V P /N P ).dt
其中，
V P = 初级线圈的电压
N P = 初级线圈的匝数

如果我们假设初级和次级线圈之间存在完美的磁耦合，那么耦合系数将为1。那么，对次级线圈中的磁通量方程进行微分，我们得到以下方程：

dΦ M /dt = d(∫(V P /N P ).dt)/dt
= V P /N P

代入上式，我们得到：
V S = N S * V P /N P

因此，
V S /V P = N S /N P

如您所见，次级线圈中的感应电压相对于初级线圈中的电压与变压器的匝数比直接相关。如果次级线圈的匝数比初级线圈多，则次级电压将比初级电压大相同的比率。这样的变压器将提高交流电压。如果次级线圈的匝数比初级线圈少，则次级电压将比初级电压低相同的比率。这样的变压器将降低交流电压。

因此，只需确保两个电感之间的完美磁耦合，只需将初级和次级线圈绕成预定的匝数比，即可精确地升高或降低交流电压。

电流比

由于变压器的电压比与其匝数比有关，因此电流比也可以用匝数比来确定。如果我们假设它是由耦合系数为 1 的理想电感磁耦合组成的理想变压器，则变压器应该没有内部损耗。那么根据能量守恒定律，次级线圈感应的功率应该等于提供给初级的功率。

P S = P P
其中，
P S = 次级线圈中感应的电功率
P P = 提供给初级线圈的电功率，由于完美的磁耦合而原样传输到次级线圈

因此，
I S V S = I P V P
I S / I P = V P /V S I S /I P = N P /N S

其中，
I S = 次级线圈中的电流
I P = 初级线圈中的电流

我们可以看到，理想变压器的电流比等于它的匝数比，而它的电压比等于它的匝数比的倒数。请记住，这些方程式是在变压器的初级和次级线圈是理想电感的条件下推导出来的，即它们没有任何操作损耗，并且初级和次级线圈之间存在完美的磁耦合。在这种情况下，当没有负载电路连接到次级线圈时，变压器必须像理想电感器一样工作，并且初级线圈中的电流应与初级电压异相 90 度。

变压器的效率系数

变压器的效率系数定义为次级线圈中感应的电功率与提供给初级线圈的电功率的百分比，如您在以下等式中所见：

效率系数 = (P S /P P )*100

在理想变压器中，效率因数应为 100%，或者次级线圈中感应的功率应等于提供给初级线圈的功率。在这种情况下，提供给初级线圈的电力必须原样传送到次级线圈而没有任何操作损耗。这只有在初级和次级之间存在完美的磁耦合时才有可能，并且初级和次级线圈都是理想电感器，即它们具有纯电感阻抗。

实际上，由于电感磁芯中的滞后和涡流，电感线圈中存在电阻损耗和操作损耗。此外，不可能使线圈之间的耦合系数正好为 1。这就是次级线圈中感应的功率始终小于提供给初级线圈的功率的原因。因此，效率系数始终低于 100%。电源变压器的效率系数在 80% 到 90% 之间。大多数其他变压器的效率比要小得多。即使在次级连接纯无功负载，变压器也会因线圈中的电阻损耗而产生运行损耗。实际上，设计高效变压器既不可行也不经济。仍然，

阻抗传输比

阻抗是电路或元件对交流电的有效电阻，结合了欧姆电阻和电抗。变压器的阻抗传输比定义为初级线圈的阻抗与次级线圈的阻抗之比。当变压器用于耦合交流电路时，这是一个重要因素。它由以下等式给出：

阻抗传输比 = Z P /Z S
= (V P /I P )/(V S /I S )
= (V P /V S )*(I S /I P )
= (N P /N S ) 2

如果次级线圈的负载阻抗增加或减少，则初级线圈的阻抗也与匝数比的平方成比例增加或减少，反之亦然。因此，用一个给定匝数比的变压器耦合两个交流电路，就可以使两个电路的阻抗匹配。假设一个电路需要特定的负载阻抗才能正常运行，但由于运行损耗，其实际阻抗可能与电源不同。然后，可以使用合适匝数比的变压器来耦合电源和电路以匹配它们的实际阻抗。这称为阻抗匹配。

变压器中的相位关系

次级线圈中的电压与初级线圈中的电压同相或异相 180 度，具体取决于次级线圈绕组的方向或次级线圈绕组在电路中的参考方式。如果次级线圈的缠绕方向和参考值使得其中电流的流动方向与初级线圈的电流方向相反，则初级电压和次级电压同相，即它们没有任何相位差.

例如，如果电流在初级线圈中以顺时针方向流动，而次级线圈的缠绕和参考使得感应电流以逆时针方向在次级线圈中流动，则初级和次级电压将处于 -阶段。类似地，如果电流在初级线圈中以逆时针方向流动并且次级线圈被缠绕和参考以使得感应电流以顺时针方向在次级线圈中流动，则初级和次级电压也将同相。

如果次级线圈的缠绕和参考使得初级和次级中的电流沿相同方向流动，则初级和次级电压将异相 180 度。例如，如果次级线圈的缠绕和参考使得初级和次级线圈中的电流沿顺时针或逆时针方向流动，则初级和次级电压将异相 180 度。应该注意的是，次级线圈中的电流和电压之间的相位差将保持原样，因为它与初级线圈中的电流和电压之间的相位差一样。

电抗

如果通过变压器连接的两个交流电路没有电抗（它们是纯电阻），则很容易通过选择合适的匝数比来匹配它们的阻抗。然而，当电路具有一些电抗时，阻抗成为信号频率的函数，并且两个电路不能完全阻抗匹配。因此，只要通过变压器耦合具有一定电抗的交流电路，消除它们的电抗就很重要。由于感抗和容抗彼此相反，因此在将电路连接到变压器之前，可以通过在其串联中连接合适的电容器来抵消电路的感抗。

类似地，如果电路具有容抗，可以在将其连接到变压器之前通过在其串联中连接一个合适的电感来抵消它。在低频电路中可以容忍一些少量的电抗。然而，在高频无线电电路中，阻抗匹配应该近乎完美。通过在两侧使用电抗抵消网络并使用可调阻抗匹配，可以实现近乎完美的阻抗匹配。

中心抽头变压器

任何变压器本质上都是至少有四个端子的双端口设备。然而，大多数商用变压器都有中心抽头。中心抽头是绕组两端之间的电气连接。这些可以在初级和次级绕组中的一个或两个上。中心抽头将绕组的匝数除以积分因子，并允许在最大输出电压的细分中获得电压。例如，如果一个中心抽头将次级绕组分成两半，则可以在一端和绕组的中心抽头之间提取一半的输出电压。如果中心抽头用作接地，则可以在中心抽头和绕组的其他端之间引出对称电压。类似地，也可以通过在初级绕组提供中心抽头来分压电源电压。

变压器的非理想电气特性

与任何其他电气和电子元件一样，变压器也不完美。变压器具有多种非理想特性。一些最关键的非理想特性如下：

漏磁通：初级线圈和次级线圈之间从来没有完美的耦合。实际上不可能达到可能恰好为 1 的耦合系数。两个绕组不共有的磁通称为漏磁通。由于漏磁通，在初级线圈中发生自感应，并且在初级线圈上感应出一些与电源电压相反的感应电压。

漏抗：两个绕组中都有少量漏电感。该电感会在两个线圈上产生一些电抗，称为漏电抗。漏电抗充当串联到变压器线圈的不需要的电感。由于这些漏电感，两个线圈上都有一些电压降。电压降随着通过变压器线圈的电流增加而增加，并且在次级消耗更多功率。

线圈电阻：线圈有一定的电阻，作为变压器的内阻。这些内部电阻出现在两个线圈上，并作为变压器线圈的串联电阻。由于内部电阻，两个线圈上都存在次级电压降。

杂散电容：由于线圈匝数的电压水平略有不同，变压器线圈上会出现杂散电容。这些电容出现在两个线圈上，并被建模为与线圈并联的电容器。在低频时，杂散电容没有任何显着影响，但在高频时，此电容会与漏感产生共振。这改变了谐振频率附近变压器的预期行为。

互电容：两个变压器线圈之间也存在一些电容。这被建模为连接在变压器线圈之间的互电容。线圈与磁芯、线圈与屏蔽层以及线圈与底盘之间也存在一些互电容。

磁芯损耗：由于变压器磁芯中的涡流和磁滞，存在内部（功率）损耗。为了最大限度地减少这些损失，通常将铁芯层压成薄片，这样就可以避免圆形涡流。

可以用降压变压器升压吗？

初级和次级线圈的匝数比使变压器升压或降压。那么，我们是否可以不使用降压变压器通过仅反转连接来升压交流电压，反之亦然。这似乎很明显，但这是不可行的。变压器的次级绕组设计成低阻抗。这样做是为了最大限度地提高变压器的效率并最大限度地减少运行损耗。如果将次级绕组接反作为初级绕组，则会有很大的浪涌电流流过，这可能会永久损坏变压器或引起短路。

其次，两个绕组都有各自的额定电压。尝试将降压变压器用作升压变压器或将降压变压器用作升压变压器时，将危险地超过另一个绕组的额定电压。这甚至会导致变压器燃烧或爆炸。

因此，在使用变压器时，必须注意以下问题——

• 始终使用初级绕组作为初级，次级绕组作为次级。由于两个线圈的不同阻抗额定值，将升压变压器用作降压变压器或将升压变压器反向连接是不可行的。

• 切勿超过变压器线圈的额定电压。任何过高的电压都会对线圈或变压器铁芯造成永久性损坏。变压器甚至会在任一侧施加过高电压时燃烧或爆炸。

• 变压器线圈上不应有明显的直流电流。这会导致短路或永久损坏或烧毁变压器。

• 变压器应始终以指定频率运行。在较低频率下运行变压器会在初级中引起浪涌电流。这会导致线圈或磁芯燃烧或可能导致短路。以低于指定频率的频率运行变压器与将直流电流施加到变压器的初级线圈具有相似的效果。

在下一篇文章中，我们将讨论不同类型的变压器。变压器根据铁芯的形状和设计及其应用进行分类。在下一篇文章中，我们还将讨论变压器中使用的不同类型的磁芯。