变压器设计心得

一、变压器原理当我们把导线插入220V电源插座，就会发生短路现象，可是插入变压器就不会，区别就在于变压器原边的线圈导线是绕在铁芯上的，难道仅仅因为多了个铁芯，导线就失去短路作用了吗？是的，导线插入铁芯后就变成了电感线圈，根据楞次定律：感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，（注意：“阻碍”不是“相反”，原磁通量增大时方向相反，原磁通量减小时方向一样；“阻碍”也不是阻止，电路中的磁通量还是变化的。）变压器原边将产生一个大小相等，方向相反的反向电动势抵消输入的220V电压，导线中仅有微弱的励磁电流流过（维持磁场需要有一个电流），所以，导线失去了短路作用。如果真是这样，那么在铁钉上绕几圈漆包线，再把导线插入220V电源插座，是不是就不会短路了？肯定会短路的。原因就是铁芯磁饱和了，无法产生反向电动势抵消输入电压，此时，导线还是相当于短路线。拆开变压器，可以看到，线圈匝数很多，额定功率越大的变压器，铁芯体积越大，其中的原因就是为了让变压器工作在变压器状态，而不是进入磁饱和状态。也就是说，我们实际中使用的变压器都是非理想的，有可能进入磁饱和状态，从而失去变压器功能。我们设计变压器的目的就是保证在额定电压，额定功率下，变压器正常工作。如果真的存在理想变压器就不需要我们设计了。二、变压器设计除了满足正常工作的要求外，变压器设计还要满足：体积、重量、温度、本钱等要求，所以，实际变压器的设计可不是一件容易的事情。书本上的理论分析全都是用的理想变压器，书上说变压器可以实现变压、阻抗匹配、隔离等等功能，但是隐含前提是变压器工作在变压器状态，如果饱和了，那就没有这些功能了。一个实际变压器还存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升（铜损、铁损）等等问题，根据不同的变压器类型，有些参数不能忽略。制作变压器我们需要知道以下信息：1、 磁芯规格（磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料）2、 匝数与导线规格（原副边匝数、导线直径）3、 损耗与温升4、 导线构造：多股线或扁平线5、 绕组构造：多层或分段饶制6、 端空设计：按绝缘电位设计端空磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点。一般功率决定横截面积大小，功率越大，横截面积越大。有经历公式可以快速根据功率确定横截面积，也可以直接查表。磁芯材料确定后，根据其特性曲线，我们要选择适宜的工作点B0oB0太大会导致磁饱和，太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、本钱高。当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后，就可以计算出每伏匝数，用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数。进而可以求得副边匝数。导线直径取决于电流密度，而电流密度又取决于电压调整率或温升，受二者共同约束，哪个约束条件算出来的J值小，就选择哪个J值。J值小肯定不会有温升/电压调整率问题，但也不是越小越好，J小的话，导线直径太粗，铜重量大、体积大、本钱高，有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸，根本无法绕制。电流密度J和温升有什么关系呢？很多初学者可能想到去查书，其实，变压器设计是一项实践性很强的工作，理论派这时已经玩不转了，此时需要大量实践经历。也有人可能会抱怨资料缺乏，这不是问题，没有资料可以做实验得到。就象没有DIP器件封装数据，你完全可以直接用尺子量出引脚间距来。不知道程序出错原因，完全可以通过调试找到。温升和铜损铁损有关，和散热条件有关，带散热片的温度就低，散热片上有风扇的温度更低，风扇转速快的肯定温度又要降低了。此外，还和外部环境温度有关，在南极零下50度，温升就不是问题，在赤道沙漠里，温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移，进而磁饱和，失去变压器功能。总之决定温升的因素很复杂：管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、外表积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升。因此，电流密度J和温升的关系只能凭经历确定了。一般通过经历公式确定。所谓经历公式是指：通过一系列结果可重复的实验，得到数据曲线，使用数值分析方法多项式拟合，得到经历公式。此公式在我们的经历围正确，可以准确预测结果，可以重复验证。注意：经历公式存在局限性，如果预测结果不对，就需要再次修正经历公式，增加我们的经历。由此可知，经历越多，越不容易出错，想要设计好变压器需要积累大量经历。毕竟，变压器是一种商品，我们没有必要每次都从头设计，那样太浪费时间。此时，利用表格、EXECL电子表格、经历值可以大大加快设计速度。比方：可以规定电流密度J选2.5A/平方毫米，绕组J适当降低，外绕组J适当提高，散热好的甚至可以到达10A/平方毫米，这样就不用详细计算了。三、变压器类型电源（工频）变压器最常见的变压器，输入220VAC50HZ，输出各种直流电压。因为频率低，根本不考虑分布参数，可以乱绕。隔离变压器变比一般为1：1，主要目的是隔离。因为市电零线接，人碰到热底板上的零线相对还算平安，一旦碰到火线，就会和形成回路，导致触电。经过变压器隔离后，人单独碰到任何一根线都不会触电，两根线对地浮空，都不会和形成回路，电压只存在于两根线之间，所以平安。音频变压器输入变压器级间变压器输出变压器线间变压器匹配变压器调幅变压器电子管/晶体管收音机/音响中，需要在各级放大电路之间增加变压器进展阻抗匹配和谐振，使得后级获得最大输出功率。收音机里的变压器俗称中周。音频变压器中的频率较高，不能忽略分布参数，而且，要把晶体管输入输出电阻折算到变压器中。一般先抽象出一个等效电路，再简化，然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。有了这些信息，就可以计算出功率，进而得到横截面积，线圈匝数，导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求，能够工作在变压器状态（不饱和），具有正确阻抗变换功能的变压器了。为什么三极管集电极接在中周的中间点？这种局部接入的主要目的是减小三极管输出电阻rce对谐振阻抗及Q值的影响。设中周的中间点到直流电源点的圈数为n1，中周初级线圈总圈数为n2,变比n=n2/n1，当rce并连到n1线圈时，折算到n2线圈将是rce的n方倍，使谐振阻抗及Q值只有少量下降，保证了足够的电压放大倍数和选择性指标。早期的电子管收音机中，由于电子管的输出阻抗极大，根本不用考虑这个问题，所以在电子管电路中就不存在“接中周中间点”的接法。大局部人做过收音机，但是很少人自己设计绕制中周和输入输出变压器，现在学习了音频变压器设计，你就可以自己绕了，再不用担忧买不到适宜的中周变压器了，哈哈。注意：音频变压器对工艺要求较高，不太容易成功。另外，玩胆机（电子管）音响的朋友更是需要自己绕变压器了，尽管电子管和晶体管有点差异，但是学习了以上容，自制变压器就不是难事了。脉冲变压器我们在8019网卡芯片中就用到了脉冲变压器，起隔离作用，变比1:1。想不想知道这种变压器是怎么设计的呢？想不想自己绕一个呢？其实脉冲变压器也是变压器的一种，只不过脉冲波含有大量频率分量，不能忽略分布参数影响，绕制工艺要求高，一般也要先抽象出一个等效电路，再简化，然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。与音频变压器不同的是，其约束条件参数不一样。脉冲波形参数约束条件有：峰值脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲上升时间、脉冲下降时间、顶降、脉冲顶峰、过冲、反摆、回摆、恢复时间。根据这些信息，就可以计算出功率，进而得到横截面积，线圈匝数，导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求，满足脉冲波形参数约束条件要求，能够工作在变压器状态（不饱和），能够正确传递脉冲能量（脉冲波形变化符合要求）的变压器了。开关电源变压器特种变压器稳压变压器霓虹灯变压器微波炉变压器机场助行航灯光用变压器超隔离变压器传输线变压器铁芯电感器电源滤波扼流圈交流扼流圈电感线圈镇流器超声换能器用匹配电感铁氧体磁芯电感四、工频变压器设计，用于电子管音响工频变压器是最简单的变压器，根本不用考虑分布电感、分布电容、信号源阻、等效电路各种指标等复杂因素，直接按标准化步骤操作即可，所以用工频变压器来进展变压器设计入门是最好不过了。简单说就是根据功率选择铁心，然后计算匝数，再看能否绕下。不同的人设计标准不同，可能和下面计算有偏差，但是本质思想都是一样的。有时算到后面需要重新再来，其实相当于一个迭代设计过程，反复设计直至满足要求为止。理论计算完成后还需要实际测试效果进展验证，因为铁心参数，制作工艺可能和我们假设的不一样，所以设计完成后根本都需要再根据实测结果进展调整。要求：高压输出：260V，150ma；灯丝1：5V，3A；灯丝2：6.3v，3A中心处抽头；初、次级间应加有屏蔽层。根据要求铁芯型号采用“GEIB—35”。计算如下：〔1〕计算变压器功率容量〔输入视在功率〕：P=〔1.4X高压交流电压X电流+灯丝1电压X电流+灯丝2电压X电流〕/效率=〔1.4X260X0.15+5X3+6.3X3〕/0.9=〔54.6+15+18.9〕/0.9=98.33VA〔2〕计算原边电流I1=1.05XP/220=0.469A〔3〕按照选定的电流密度〔由方案的连续时间决定〕，选取漆包线直径。如按照3A/mm2计算：D=0.65X/I〔0.65X电流的开方〕并规整为产品规格里有的线径〔可查资料〕：选定：原边直径D1=0.45mm高压绕组直径D2=0.25mm灯丝绕组直径D3=D4=1.12mm(4〕铁心截面面积S0=1.25/〔P〕=1.25X/98=12.5CM2〔5〕铁心叠厚：根据他的要求铁芯型号采用“GEIB—35”,查到：舌宽=35MM=3.5CM那么：叠厚=12.5/3.5=3.6CM一般地〔叠厚/舌宽〕在1—2之间是比拟适宜的。〔6〕铁心有效截面积：S1=舌宽X叠厚/1.1=11.454CM2〔7〕计算每伏匝数计算式：每伏匝数n=〔45000〕/〔BXS1〕其中B=10000—12000〔中等质量硅钢片，如原先无线电27厂产品铁心〕或15000〔Z11等高质量硅硅片〕或8000〔电动机用硅钢片〕。S1：铁心有效截面积，等于〔舌宽X叠厚〕/1.1假定是中等质量铁心，并且保守点，取B=10000那么：n=450000/BXS1=450000/〔10000X11.454〕=3.93(T/V)〔8〕计算每组匝数原边圈数：N1=220n=220X3.93X0.95=822〔T〕副边高压：N2=260X1.05Xn=1073〔T〕——这是一半，还要再X2=2146T。灯丝1〔5V〕：N3=5X1.05Xn=21〔T〕灯丝2〔6.3V〕：N3=6.3X1.05Xn=26〔T〕〔10〕计算每层可绕圈数〔窗口高度两端要留下3MM〕：查得该铁心窗口高度h=61.5mm，查表得知：选用的漆包线带漆皮最大外径D1Max=0.51mmD2Max=0.30mmD3Max=1.23mmD4Max=1.23mm按照每层可绕：N=〔h—0.5—2X3〕/〔KXDMax〕计算〔分子的含义是：由h=61.5mm==?可绕线宽度为61.5—0.5—2X3=55mm〕〔分母是排线系数KX最大外径DMax，对于初学者，小于0.3的线K=1.20,0.3—0.8的线K=1.15，大于0.8的线K=1.10。。如您已经有较好的绕线经历，K可以=105〜102〕代入上述数据得到：原边每层可绕：94圈高压每层可绕：154圈灯丝每层可绕：39圈〔最后有讨论〕。〔也可以直接查“每厘米可绕圈数表”得到〕〔11〕各绕组的层数前面已经算出各组圈数那么，那么各绕组的层数：原边=822/94=8.74，取9层高压=2146/154=13.94，取14层灯丝1：1层，灯丝2：1层。〔12〕绝缘设计骨架，用1MM厚红钢纸，外加0.15MM覆膜青壳纸1层+0.08MM电缆纸1层；原边绕组垫纸用0.08MM电缆纸；副边高压绕组垫纸用0.05MM电缆纸；组间绝缘用0.08MM电缆纸1层+0.15MM覆膜青壳纸2层+0.08MM电缆纸1层；〔绕组外绝缘同组间绝缘〕

〔13〕计算线包〔压实的〕厚度:〔1+0.15+0.08〕〔骨架及层绝缘〕〔9X0.51+8X0.08〕〔原边绕组〕〔0.08X2+0.15X2〕〔组间绝缘1〕〔隔离层，如可能用0.05铜箔，如无，就用与高压绕组同直径的线绕一层代〕〔0.08X2+0.15X2〕〔组间绝缘2〕〔0.08X2+0.15X2〕〔组间绝缘2〕〔14X0.30+13X0.05〕〔高压绕组〕〔0.08X2+0.15X2〕〔组间绝缘3〕〔1.23〕〔灯丝1〕〔0.08X2+0.15X2〔0.08X2+0.15X2〕〔组间绝缘4〕〔1.23〕〔灯丝2〕〔0.08X2+0.15X2〔0.08X2+0.15X2〕〔线包外间绝缘〕=1.23+5.23+0.46+0.30+0.46+4.85+0.46+1.23+0.46+1.23+0.4616.37mm〔14〕检验“蓬松系数”蓬松系数=铁片窗口宽度/线包〔压实的〕厚度“蓬松系数”一般可以在1.2—1.3间，蓬松系数小者要注意绕的十分紧才行，蓬松系数过大说明选的铁心规格大了，要重选重算。对于经历不多的初学者，不妨以1.3—1.35进展检验。不然可能绕完了发现装不进铁片。检验：蓬松系数=22/16.