ADALM2000實驗：變壓器

目標(biāo)

本次實驗旨在研究各種配置下的變壓器特性。

背景知識

交流變壓器

變壓器只適用于交流電(AC)。例如，變壓器會通過將電壓降低到更合適的電平來降低120V壁式功率，對于大多數(shù)消費電子產(chǎn)品，降至僅幾伏；對于其他低功耗應(yīng)用，通常降至12V。變壓器還可以升高電壓以實現(xiàn)長距離傳輸，并降低電壓以實現(xiàn)安全配電。如果沒有變壓器，配電網(wǎng)絡(luò)中已經(jīng)很嚴(yán)重的電力浪費將大到驚人。也可以將直流（DC）電壓升壓或降壓，但這些技術(shù)比交流變壓器更復(fù)雜，而且在操作過程中涉及到將直流電壓轉(zhuǎn)換為某種形式的交流信號。此外，這樣的轉(zhuǎn)換通常效率低下且/或成本高昂。交流電的優(yōu)點在于能夠驅(qū)動交流電機，尤其在大功率應(yīng)用中，交流電機通常比直流電機更為優(yōu)越。盡管變壓器在電源應(yīng)用中隨處可見，但是它們在音頻和射頻頻率的許多其他通信相關(guān)信號路徑中也發(fā)揮著不可或缺的作用。

變壓器鐵芯具有高磁導(dǎo)率，也就是說，由于原子偶極子的方向，這種材料比在自由空間更容易形成磁場。在圖1中，鐵芯由疊片軟鐵制成，但在較高頻率下，鐵氧體更常見。因此磁場集中在線圈內(nèi)部，幾乎沒有磁場線離開鐵芯。

圖1 簡單的變壓器

在某些條件或場景下，變壓器初級線圈中的磁通量?大致等于次級線圈中的磁通量。根據(jù)法拉第定律，無論是在初級線圈中還是次級線圈中，每一匝的電動勢(EMF)都是磁通量相對于時間的導(dǎo)數(shù)的負(fù)數(shù)，即-d?/dt。如果忽略變壓器中的繞組電阻和其他損耗，端電壓將等于EMF。對于Np匝的初級線圈，方程為：

對于N_s匝的次級線圈，方程為：

將這兩個方程相除得出變壓器方程：

其中r為匝數(shù)比。

電流是什么情況呢？同樣，忽略變壓器中的損耗，如果初級和次級線圈中的電壓和電流具有相似的相位關(guān)系，那么根據(jù)能量守恒定律，穩(wěn)態(tài)下的方程如下：

輸入功率=輸出功率，

因此：

有得必有失。對于升壓變壓器，如果增加電壓，則電流會（至少）按相同的系數(shù)或匝數(shù)比減少。請注意，在圖1中，線圈匝數(shù)越多，線越細(xì)，因為與匝數(shù)更少的線圈相比，其在設(shè)計上承載的電流更小。

阻抗匹配

在與通信相關(guān)的應(yīng)用中，變壓器常用于電路各部分之間的阻抗匹配。如圖所示，變壓器能夠?qū)⒊跫墏?cè)具有一定電壓幅度的交流信號轉(zhuǎn)換為次級側(cè)的不同電壓幅度。初級側(cè)的總輸入功率和次級側(cè)的總輸出功率相同（不考慮內(nèi)部損耗）。電壓較低的一側(cè)處于較低的阻抗（因為其線圈的匝數(shù)較少），電壓較高的一側(cè)處于較高的阻抗（因為其線圈的匝數(shù)較多）。

這種阻抗匹配的一個示例是電視巴倫（balun，balanced-unbalanced（平衡-不平衡）的縮寫）變壓器。這種變壓器將天線發(fā)送的平衡信號（通過300Ω雙引線）轉(zhuǎn)換為不平衡信號（75Ω同軸電纜，例如RG-6）。為了使天線的300Ω源電阻(R_S)與75Ω同軸負(fù)載電阻(R_L)相匹配，需要使用4:1的阻抗比?？梢允褂迷褦?shù)比為2:1的匹配變壓器來實現(xiàn)此目的。本示例中變壓器匝數(shù)比的計算公式為：

頻率范圍

變壓器可用頻率范圍的下限一般由相關(guān)電路的阻抗水平和變壓器繞組的電感設(shè)定。假設(shè)以常見的50?標(biāo)準(zhǔn)為起點，根據(jù)制造商數(shù)據(jù)手冊中公布的繞組電感，便可計算頻率下限。變壓器可用頻率范圍的上限一般由寄生繞組間電容和自諧振設(shè)定。通常，數(shù)據(jù)手冊將提供有關(guān)元件可用頻率范圍的信息。一般的規(guī)則是，在選擇電抗分量（例如電感）時，通常選擇至少比電阻分量大四倍的值（在本例中為50Ω源電阻）。這個做法通常會考慮最低目標(biāo)頻率。

用于計算多繞組變壓器的電氣特性的公式

制造商數(shù)據(jù)手冊列出了器件的某些電氣特性。對我們來說，首要的也許是繞組電感。對于功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用，還會指定直流電阻(DCR)、最大rms電流(I_rms)和飽和電流(I_sat)。

繞組串聯(lián)：

如需較高電感，可將多個繞組(W_N)串聯(lián)。電感提高時，儲能和I_rms保持不變，但DCR提高，I_sat降低。

注意：僅當(dāng)繞組之間的耦合系數(shù)恰好為（或非常接近）1時，該W_N²系數(shù)才有效。更一般的公式是L_T=L₁+L₂+2M

其中，Inductance_table、DCR_table、I_sattable和I_rmstable來自制造商的數(shù)據(jù)手冊。

繞組并聯(lián)：

若要提高電流額定值，可將多個繞組(W_N)并聯(lián)。DCR降低，電流額定值提高，電感保持不變。

材料

■   ADALM2000主動學(xué)習(xí)模塊

■   無焊試驗板和跳線套件

■   一臺HPH1-1400L 6繞組變壓器

■   一臺HPH1-0190L 6繞組變壓器

■   兩個100 Ω電阻

說明

在無焊試驗板上構(gòu)建圖2所示的電路。需要使用此設(shè)置來測量初級/次級匝數(shù)比為1:1的三種不同配置下，兩個變壓器型號各自的頻率響應(yīng)。兩個紅色箭頭表示在初級和次級使用同一個線圈的配置中連接源電阻和負(fù)載電阻的位置。藍(lán)色箭頭對應(yīng)的是在初級和次級使用兩個串聯(lián)線圈的配置。綠色箭頭對應(yīng)的是在初級和次級使用三個串聯(lián)線圈的配置。

圖2 變壓器測試電路

圖3 變壓器測試電路試驗板連接

硬件設(shè)置

打開網(wǎng)絡(luò)分析儀工具，設(shè)置掃描起始頻率為10 kHz，停止頻率為10 MHz。最大增益應(yīng)設(shè)置為1×。將振幅設(shè)置為1 V，偏置設(shè)置為0 V。使用波特圖顯示，將可顯示的最大幅度設(shè)置為10 dB，顯示范圍設(shè)置為80 dB。將可顯示的最大相位設(shè)置為180°，顯示范圍設(shè)置為360°。在示波器通道下，點擊“使用通道1”，將其作為參考通道。將步數(shù)設(shè)為200。

程序步驟

對部件套件中兩個變壓器的每個1:1繞組配置運行單次掃描。您應(yīng)該會看到，幅度和相位與頻率的關(guān)系曲線和仿真結(jié)果非常相似。將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB^?進行深入分析。

圖4 Scopy圖中串聯(lián)配置的三個線圈

硬件設(shè)置

升壓和降壓配置

連接到變壓器以實現(xiàn)1:2升壓配置（紅色箭頭）和2:1降壓配置，如圖5所示。

圖5 升壓（紅色）和降壓（藍(lán)色）連接

使用阻抗匹配公式計算兩種情況下R_L的適當(dāng)值。

程序步驟

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀工具重復(fù)相同的頻率掃描。請務(wù)必將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到.csv文件，以便采用Excel或MATLAB進行深入分析。將測得的低頻滾降點與圖2中在1:1配置下測得的低頻滾降點進行比較。

圖6 升壓試驗板連接

圖7 升壓Scopy圖

問題：

在變壓器環(huán)境中，阻抗匹配的目的是什么，它是如何實現(xiàn)的？

您可以在學(xué)子專區(qū)論壇上找到答案。

作者簡介

Antoniu Miclaus現(xiàn)為ADI公司的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，從事ADI教學(xué)項目工作，同時為Circuits from the Lab?、QA自動化和流程管理開發(fā)嵌入式軟件。他于2017年2月在羅馬尼亞克盧日-納波卡加盟ADI公司。他目前擁有貝碧思鮑耶大學(xué)軟件工程碩士學(xué)位，并擁有克盧日-納波卡科技大學(xué)電子與電信工程學(xué)士學(xué)位。