變壓器的分類及形狀構造

攻城獅華哥

變壓器只是一對電感器，它們磁耦合以實現它們之間的電磁感應。借助變壓器，交流電壓可以以較低的成本逐步升高或降低，而無任何麻煩。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電子設備使用DC進行操作，也使用AC來分配電力。電子設備將交流電源轉換為直流以發揮功能。

變壓器具有各種形狀，大小和構造。可以按鐵心材料，幾何形狀和結構，電壓水平和用途對變壓器進行分類。

• 芯構造分類：疊片鐵芯、鐵氧體磁芯、鐵粉芯、空芯
  

• 外形結構分類：螺線管芯、環形磁芯、鍋芯
  

• 電壓等級分類：升壓、降壓、隔離
  

• 用途分類：電力變壓器、調壓器、電抗器、互感器、專用變壓器
  

一、變壓器芯

　　在制造任何變壓器時，制造商都試圖在兩個電感器之間實現最大的磁耦合。通過使用鐵磁材料或鐵粉作為磁芯，可以將磁耦合提高很多倍。與空心變壓器相比，纏繞在鐵磁芯上的一對電感器具有更好的耦合系數。但是，鐵磁芯的使用有其自身的局限性。鐵磁芯由于磁滯和渦流而具有一些能量損耗，并且還受到載流能力的限制。除了這些限制之外，鐵心材料的選擇還限制了變壓器的頻率范圍。根據使用的鐵芯類型，將變壓器分類如下

　　疊層鐵變壓器：這些變壓器以硅鋼為芯材。硅鋼也稱為變壓器鐵或簡稱為鐵。硅鋼被層壓成層，以避免由于渦流和磁滯而造成的損失。渦電流是在磁化時在磁性材料中流動的圓形電流。渦流導致磁芯以熱量形式損失能量。磁滯是磁芯接受波動的磁通量的趨勢。由于磁滯和渦流的損耗，這些變壓器僅適用于音頻范圍內的60 Hz頻率和其他低頻。當頻率增加到幾千赫茲以上時，鐵心的內部損耗會增加到超過可行的極限。

　　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。但是，在幾兆赫茲以上的頻率下，由于渦流和磁滯，這種磁芯開始顯示出明顯的能量損耗。這就是為什么這些變壓器適用于音頻頻率高達幾兆赫茲的頻率。

　　鐵粉芯：與鐵氧體芯相比，鐵粉還具有較高的磁導率和較低的損耗，這歸因于磁滯和渦流。隨著頻率增加，對高磁導率的需求降低。使用鐵粉芯的變壓器適用于高達100 MHz的極高頻率。由于不需要在高于100 MHz的極高頻率下實現高磁導率，因此空心變壓器因其能效更高而更為合適。

　　空芯變壓器：在空心變壓器中，初級線圈和次級線圈都纏繞在抗磁性材料上。這種變壓器中的磁耦合通過空氣發生。在這樣的變壓器中，不僅兩個線圈的電感都低，而且互感也非常低，因此線圈之間的磁耦合非常小。這些變壓器不會因磁滯或渦流而損失能量，并且還能夠調節大電流。這種變壓器適用于能源效率是首要問題的高壓應用，例如配電變壓器。這些也適用于100兆赫以上的超高RF應用。在高射頻下，所需的電感值很低，這可以通過空心電感輕松實現。

二、變壓器的形狀和構造

　　變壓器也可以通過其形狀和幾何形狀進行分類。變壓器的形狀取決于其構造中使用的電感器的類型及其鐵心的形狀。任何變壓器本質上都是纏繞在同一磁芯上的一對電感器。分類如下：

　　實用變壓器：公用事業變壓器是使用層壓鐵皮作為芯材的電力變壓器。這些鐵芯變壓器具有各種鐵芯形狀，例如E、L、U、I等，并且體積大而笨重。這些變壓器中最常用的鐵心形狀是E磁芯或EI磁芯，因為疊片鐵芯的形狀為字母“E”并在“E”的開口端放置了一根棒以完成結構。線圈通過殼方法或芯方法纏繞在芯上。在殼式方法中，兩個線圈都彼此頂部纏繞在“E”的中間條上。這確保了線圈之間的最大磁耦合，但以高的線圈到線圈電容為代價。殼法也限制了變壓器的載流能力。在磁芯方法中，一個線圈纏繞在“E”的頂部條上，另一線圈纏繞在底部上。線圈之間的磁耦合僅由于穿過鐵芯的磁通量而發生。磁芯方法在很大程度上減小了線圈到線圈的電容，并使其有可能處理高電壓。具有EI芯且具有殼或芯繞組的公用事業變壓器最常用作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回路天線。這些變壓器在圓柱芯（鐵氧體或鐵粉）上具有初級和次級繞組。線圈彼此纏繞或分開纏繞。在這樣的變壓器中，初級繞組捕獲無線電信號，而次級繞組則為無線電電路的第一放大器級提供阻抗匹配。這樣的變壓器在便攜式無線電通信設備中已經非常普遍。

　　環形鐵芯變壓器：環形鐵芯變壓器的初級和次級繞組都纏繞在環形鐵芯上，線圈可能彼此纏繞或分開纏繞。環形磁芯是射頻電路中螺線管磁芯的更好替代方案。它們將磁通包含在鐵芯內，因此，只要線圈已絕緣，這些變壓器就可以直接安裝而無需任何其他屏蔽。除了沒有電磁干擾，環形磁芯每圈線圈還提供更高的電感。由于磁通量仍然包含在鐵芯內，因此環形鐵芯變壓器在線圈之間具有更好的磁耦合。

　　罐式磁芯變壓器：罐式磁芯變壓器的主繞組和副繞組彼此疊置或彼此相鄰。鍋芯可提供最高的電感，并具有自屏蔽的明顯優勢。鍋芯變壓器的主要缺點之一是線圈到線圈的電容。由于線圈與線圈之間的電容以及兩個線圈的電感異常高，因此鍋形鐵芯變壓器僅適用于低頻。在高頻下，所需的電感值很低，并且電容電抗必須基本減小。

三、變壓器電壓水平變壓器

　　最常見的應用是調節交流電壓。變壓器可以升壓，降壓或保持完整的交流電壓水平。這是最簡單但最重要的變壓器分類。

　　升壓變壓器：在升壓變壓器中，次級線圈的匝數比初級線圈高。當初級與次級的匝數比小于1時，施加到初級的電壓將升至次級中的較高電壓。因此，這是以次級繞組上較低電流水平為代價的。升壓變壓器用于穩定器和逆變器，其中需要將較低的交流電壓轉換為較高的電壓。它們還用于電網中，以在分配之前提高交流電壓水平。

　　降壓變壓器：在降壓變壓器中，初級線圈匝數高于次級線圈。當初級與次級繞組的匝數比大于1時，次級電壓會低于初級電壓。降壓變壓器通常用于電子應用中。電子電路通常需要5V、6V、9V、12V、18V或24V進行操作。降壓變壓器通常在電源電路中使用，先于整流器將120V或240V交流電源降壓至所需的低壓水平。在配電中，使用降壓變壓器來降低高壓，以向兩極供電。這確保了配電的能量效率和成本效益。

　　隔離變壓器：隔離變壓器的初級和次級匝數相同。由于初級與次級的匝數之比正好為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。這就是為什么將這些變壓器設計為在纏繞在高磁性和自屏蔽鐵芯上的獨立線圈上具有最少匝數的原因。

　　隔離變壓器還用于連接平衡和不平衡電路。平衡電路是指可以跨端口任意方式連接的電路。不平衡電路是指需要以特定方式跨端口連接的電路。平衡和不平衡負載可以通過將平衡中心的中心抽頭接地而通過隔離變壓器連接。如果平衡負載和不平衡負載具有相同的阻抗，則隔離變壓器的匝數比應為1。如果平衡負載和不平衡負載具有不同的阻抗比，則匝數比應與阻抗比的平方相匹配。

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