變壓器設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

一、變壓器原理

當(dāng)我們把導(dǎo)線插入220V電源插座，就會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，可是插入變壓器就不會(huì)，區(qū)別就在于變壓器原邊的線圈導(dǎo)線是繞在鐵芯上的，難道僅僅因?yàn)槎嗔藗€(gè)鐵芯，導(dǎo)線就失去短路作用了嗎？是的，導(dǎo)線插入鐵芯后就變成了電感線圈，根據(jù)楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總是要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化，(注意：“阻礙”不是“相反”，原磁通量增大時(shí)方向相反，原磁通量減小時(shí)方向相同;“阻礙”也不是阻止，電路中的磁通量還是變化的。)變壓器原邊將產(chǎn)生一個(gè)大小相等，方向相反的反向電動(dòng)勢(shì)抵消輸入的220V電壓，導(dǎo)線中僅有微弱的勵(lì)磁電流流過(維持磁場(chǎng)需要有一個(gè)電流)，所以，導(dǎo)線失去了短路作用。

如果真是這樣，那么在鐵釘上繞幾圈漆包線，再把導(dǎo)線插入220V電源插座，是不是就不會(huì)短路了?肯定會(huì)短路的。原因就是鐵芯磁飽和了，無法產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)抵消輸入電壓，此時(shí)，導(dǎo)線還是相當(dāng)于短路線。拆開變壓器，可以看到，線圈匝數(shù)很多，額定功率越大的變壓器，鐵芯體積越大，其中的原因就是為了讓變壓器工作在變壓器狀態(tài)，而不是進(jìn)入磁飽和狀態(tài)。

也就是說，我們實(shí)際中使用的變壓器都是非理想的，有可能進(jìn)入磁飽和狀態(tài)，從而失去變壓器功能。我們?cè)O(shè)計(jì)變壓器的目的就是保證在額定電壓，額定功率下，變壓器正常工作。如果真的存在理想變壓器就不需要我們?cè)O(shè)計(jì)了。

二、變壓器設(shè)計(jì)

除了滿足正常工作的要求外，變壓器設(shè)計(jì)還要滿足：體積、重量、溫度、成本等要求，所以，實(shí)際變壓器的設(shè)計(jì)可不是一件容易的事情。書本上的理論分析全都是用的理想變壓器，書上說變壓器可以實(shí)現(xiàn)變壓、阻抗匹配、隔離等等功能，但是隱含前提是變壓器工作在變壓器狀態(tài)，如果飽和了，那就沒有這些功能了。

一個(gè)實(shí)際變壓器還存在導(dǎo)線電阻、漏感、分布電容、分布電感、溫升(銅損、鐵損)等等問題，根據(jù)不同的變壓器類型，有些參數(shù)不能忽略。

制作變壓器我們需要知道以下信息：

1、磁芯規(guī)格(磁芯形狀、磁芯大小、磁芯材料)

2、匝數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格(原副邊匝數(shù)、導(dǎo)線直徑)

3、損耗與溫升

4、導(dǎo)線結(jié)構(gòu)：多股線或扁平線

5、繞組結(jié)構(gòu)：多層或分段饒制

6、端空設(shè)計(jì)：按絕緣電位設(shè)計(jì)端空

磁芯規(guī)格其實(shí)就是要確定橫截面積和工作點(diǎn)。一般功率決定橫截面積大小，功率越大，橫截面積越大。有經(jīng)驗(yàn)公式可以快速根據(jù)功率確定橫截面積，也可以直接查表。

磁芯材料確定后，根據(jù)其特性曲線，我們要選擇合適的工作點(diǎn)B0。B0太大會(huì)導(dǎo)致磁飽和，太小又會(huì)使得體積龐大、重量沉、功耗大、成本高。

當(dāng)電源頻率、工作點(diǎn)B0、橫截面積都確定后，就可以計(jì)算出每伏匝數(shù)，用輸入電壓除以每伏匝數(shù)就可以得到原邊匝數(shù)。進(jìn)而可以求得副邊匝數(shù)。

導(dǎo)線直徑取決于電流密度，而電流密度又取決于電壓調(diào)整率或溫升，受二者共同約束，哪個(gè)約束條件算出來的J值小，就選擇哪個(gè)J值。J值小肯定不會(huì)有溫升/電壓調(diào)整率問題，但也不是越小越好，J小的話，導(dǎo)線直徑太粗，銅重量大、體積大、成本高，有時(shí)線包厚度可能超過鐵芯窗口尺寸，根本無法繞制。

電流密度J和溫升有什么關(guān)系呢？很多初學(xué)者可能想到去查書，其實(shí)，變壓器設(shè)計(jì)是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，理論派這時(shí)已經(jīng)玩不轉(zhuǎn)了，此時(shí)需要大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。也有人可能會(huì)抱怨資料不足，這不是問題，沒有資料可以做實(shí)驗(yàn)得到。就象沒有DIP器件封裝數(shù)據(jù)，你完全可以直接用尺子量出引腳間距來。不知道程序出錯(cuò)原因，完全可以通過調(diào)試找到。

溫升和銅損鐵損有關(guān)，和散熱條件有關(guān)，帶散熱片的溫度就低，散熱片上有風(fēng)扇的溫度更低，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速快的肯定溫度又要降低了。此外，還和外部環(huán)境溫度有關(guān)，在南極零下50度，溫升就不是問題，在赤道沙漠里，溫升可能導(dǎo)致鐵芯磁特性曲線飄移，進(jìn)而磁飽和，失去變壓器功能。總之決定溫升的因素很復(fù)雜：管芯到封裝的熱阻、接觸面積、接觸面光滑度、導(dǎo)熱硅脂、散熱器材料體積、表面積、鰭形、涂層材料、顏色、空氣密度、流速等共同決定溫升。

因此，電流密度J和溫升的關(guān)系只能憑經(jīng)驗(yàn)確定了。一般通過經(jīng)驗(yàn)公式確定。所謂經(jīng)驗(yàn)公式是指：通過一系列結(jié)果可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，得到數(shù)據(jù)曲線，使用數(shù)值分析方法多項(xiàng)式擬合，得到經(jīng)驗(yàn)公式。此公式在我們的經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)正確，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)結(jié)果，可以重復(fù)驗(yàn)證。注意：經(jīng)驗(yàn)公式存在局限性，如果預(yù)測(cè)結(jié)果不對(duì)，就需要再次修正經(jīng)驗(yàn)公式，增加我們的經(jīng)驗(yàn)。由此可知，經(jīng)驗(yàn)越多，越不容易出錯(cuò)，想要設(shè)計(jì)好變壓器需要積累大量經(jīng)驗(yàn)。