基础电子学系列24 – 变压器的类型

在上一篇文章中，我们了解了变压器的基本概念。变压器只是一对磁耦合的电感器，以实现它们之间的电磁感应。在变压器的帮助下，可以毫无困难地以低成本升高或降低交流电压。升高或降低直流电压需要复杂且昂贵的电路。这就是为什么即使大多数电子设备使用直流电运行，交流电也用于配电。电子设备将交流电源转换为直流电源以实现其功能。

变形金刚有各种形状、尺寸和结构。变压器可按铁芯材料、几何形状和结构、电压等级和用途进行分类。

核心分类如下：

• 叠层铁芯

• 铁氧体磁芯

• 铁粉芯

• 空芯

几何分类如下：

• 公用事业

• 电磁铁芯

• 环形磁芯

• 锅芯

电压等级分类如下：

• 升压

• 降压

• 隔离

使用分类如下：

• 功率

• 测量

• 分配

• 脉冲

• 声音的

• 中频

• 射频

变压器磁芯
在任何变压器的构造中，制造商都试图在两个电感器之间实现最大的磁耦合。通过使用铁磁材料或铁粉作为核心，可以将磁耦合增加许多倍。一对绕在铁磁芯上的电感与空心变压器相比具有更好的耦合系数。然而，铁磁芯的使用有其自身的局限性。由于磁滞和涡流，铁磁芯有一些能量损失，并且还受到载流能力的限制。除了这些限制之外，磁芯材料的选择也限制了变压器的频率范围。根据所用铁芯的种类，变压器分类如下

叠层铁芯变压器——这些变压器使用硅钢作为核心材料。硅钢又称变压器铁或简称铁。硅钢层压成层，以避免由于涡流和滞后现象造成的损失。涡流是在磁化时在磁性材料中流动的环流。涡流导致磁芯以热量的形式损失能量。滞后是磁芯在接受波动磁通量方面缓慢的趋势。由于磁滞和涡流损耗，这些变压器仅适用于 60 Hz 频率和音频范围内的其他低频。随着频率增加到几千赫兹以上，核心的内部损耗增加到超出可行的限制。

铁氧体磁芯– 铁氧体磁芯具有高磁导率并且需要较少的线圈匝数。然而，在几兆赫兹以上的频率下，由于涡流和滞后现象，此类磁芯开始显示出显着的能量损失。这就是为什么这些变压器适用于音频以上高达几兆赫兹的频率。

铁粉芯——与铁氧体磁芯相比，铁粉还具有高磁导率和较低的磁滞和涡流损耗。随着频率的增加，对高磁导率的需求降低。使用粉末铁芯的变压器适用于高达 100 MHz 的极高频率。由于在 100 MHz 以上的极高频率下不需要高磁导率，空心变压器因其能效而更适合。

空心变压器– 在空芯变压器中，初级和次级线圈都缠绕在抗磁材料上。这种变压器中的磁耦合通过空气发生。在这种变压器中，不仅两个线圈的电感都很低，而且互感也很低，因此线圈之间的磁耦合很小。这些变压器不会因滞后或涡流而损失能量，并且还能够调节大电流。这种变压器适用于能源效率是首要考虑因素的高压应用，例如配电变压器。这些也适用于 100 兆赫兹以上的超高射频应用。在高频下，所需电感值较低，可采用空心电感轻松实现，

需要注意的是，以下符号表示空心变压器：

具有磁芯的变压器用在线圈符号之间加两条平行线的符号表示如下：

变压器的几何形状和构造
变压器也可以按其形状和几何形状分类。变压器的形状取决于其结构中使用的电感类型及其磁芯的形状。任何变压器本质上都是一对缠绕在同一磁芯上的电感器。分类如下：

实用变压器– 公用变压器是以叠片铁为芯材的电力变压器。这些铁芯变压器有E、L、U、I等多种铁芯形状，体积大、重量重。这些变压器中最常用的铁芯形状是 E 铁芯或 EI 铁芯，因为叠片铁芯具有字母“E”的形状，在“E”的开口端放置一根杆以完成构造。线圈通过壳法或芯法缠绕在铁芯上。在 shell 方法中，两个线圈都缠绕在“E”的中间横杆上。这确保了线圈之间的最大磁耦合，但是以高线圈间电容为代价。壳法也限制了变压器的载流能力。在核心方法中，一个线圈缠绕在“E”的顶部杆上，另一个缠绕在底部。线圈之间的磁耦合仅由于通过磁芯的磁通量而发生。磁芯方式在很大程度上降低了线圈间的电容，使其可以处理高电压。带外壳或铁芯绕组的 EI 铁芯公用变压器最常用作 60 Hz 变压器和其他音频变压器。

电磁线圈变压器– 电磁线圈变压器通常用作射频电路的环形天线。这些变压器在圆柱形磁芯（铁氧体或铁粉）上具有初级和次级绕组。线圈要么相互缠绕，要么分开。在此类变压器中，初级捕获无线电信号，次级为无线电电路的第一放大器级提供阻抗匹配。这种变压器在便携式无线电通信设备中非常普遍。

电磁线圈变压器与环形线圈。（图片：利茨学院）

环形磁芯变压器– 环形磁芯变压器在环形磁芯上有初级和次级绕组，线圈可以相互缠绕或分开。环形磁芯是射频电路中螺线管磁芯的更好替代品。它们包含铁芯内的磁通量，因此只要线圈绝缘，这些变压器就可以直接安装而无需任何额外的屏蔽。除了没有电磁干扰外，环形磁芯还提供更高的每圈电感。由于磁通量仍包含在铁芯内，因此环形铁芯变压器在线圈之间具有更好的磁耦合。

罐式铁芯变压器– 罐式铁芯变压器的初级和次级绕组在其中一半上，彼此重叠或相邻。罐形磁芯提供尽可能高的电感，并具有明显的自屏蔽优势。罐形铁芯变压器的主要缺点之一是线圈到线圈的电容。由于线圈到线圈的电容和两个线圈异常高的电感，罐形铁芯变压器只适用于低频。在高频下，所需的电感值较低，容抗需要从根本上最小化。

变压器电压电
平 变压器最常见的应用是调节交流电压。变压器可以升压、降压或保持完整的交流电压电平。这是最简单但最重要的变压器分类。它们如下：

升压变压器——在升压变压器中，次级的匝数比初级的多。由于初级与次级的匝数比小于 1，施加在初级上的电压在次级中升压到更高的电压。因此，这是以次级绕组处的较低电流水平为代价的。升压变压器用于需要将较低交流电压转换为较高电压的稳定器和逆变器中。这些也用于电网中，以在配电前提高交流电压水平。

升压变压器的电压电平架构，其中次级的匝数多于初级。（图片来源：top-ee.com）

降压变压器——在降压变压器中，初级的匝数比次级的多。由于初级与次级绕组的匝数比大于 1，因此次级电压低于初级电压。降压变压器通常用于电子应用中。电子电路通常需要 5V、6V、9V、12V、18V 或 24V 才能运行。降压变压器通常用于整流器之前的电源电路中，将 120V 或 240V 交流电源降压到所需的低电压水平。在配电中，降压变压器用于降低高压，为电线杆供电。这确保了配电的能效和成本效益。

降压变压器的电压架构，其中初级匝数多于次级匝数。（图片来源：top-ee.com）

隔离变压器– 隔离变压器的初级和次级匝数相同。由于初级与次级的匝数比正好为 1，因此两个绕组上的电压电平保持相同。这些变压器用于在电子电路之间提供电气隔离或消除从一个电路到另一个电路的噪声传输。隔离变压器需要具有高电感耦合和最小电容耦合。这就是为什么这些变压器被设计成在缠绕在高磁性和自屏蔽磁芯上的独立线圈上具有最少的匝数。

隔离变压器还用于连接平衡和不平衡电路。平衡电路是那些可以通过端口以任一方式连接的电路。不平衡电路是那些需要通过端口以特定方式连接的电路。通过将平衡侧的中心抽头接地，可以通过隔离变压器连接平衡和不平衡负载。如果平衡和不平衡负载具有相同的阻抗，则隔离变压器的匝数比应为1。如果平衡和不平衡负载具有不同的阻抗比，则匝数比应与阻抗比的平方相匹配。隔离变压器还用于耦合射频****和接收器中的放大器级。

在下一篇文章中，我们将继续按用途对变压器进行分类。根据用途，变压器广泛属于电气或电子领域。在电气领域，变压器通常按其各自的应用进行分类。在电子领域，根据变压器运行的信号频率对其进行分类是简单明了的。