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元器件科普|变压器的分类及形状构造

变压器只是一对电感器，它们磁耦合以实现它们之间的电磁感应。借助变压器，交流电压可以以较低的成本逐步升高或降低，而无任何麻烦。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DC进行操作，也使用AC来分配电力。电子设备将交流电源转换为直流以发挥功能。

变压器具有各种形状，大小和构造。可以按铁心材料，几何形状和结构，电压水平和用途对变压器进行分类。

芯构造分类：叠片铁芯、铁氧体磁芯、铁粉芯、空芯
外形结构分类：螺线管芯、环形磁芯、锅芯
电压等级分类：升压、降压、隔离
用途分类：电力变压器、调压器、电抗器、互感器、专用变压器

一、变压器芯

　　在制造任何变压器时，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磁芯，可以将磁耦合提高很多倍。与空心变压器相比，缠绕在铁磁芯上的一对电感器具有更好的耦合系数。但是，铁磁芯的使用有其自身的局限性。铁磁芯由于磁滞和涡流而具有一些能量损耗，并且还受到载流能力的限制。除了这些限制之外，铁心材料的选择还限制了变压器的频率范围。根据使用的铁芯类型，将变压器分类如下

　　叠层铁变压器：这些变压器以硅钢为芯材。硅钢也称为变压器铁或简称为铁。硅钢被层压成层，以避免由于涡流和磁滞而造成的损失。涡电流是在磁化时在磁性材料中流动的圆形电流。涡流导致磁芯以热量形式损失能量。磁滞是磁芯接受波动的磁通量的趋势。由于磁滞和涡流的损耗，这些变压器仅适用于音频范围内的60 Hz频率和其他低频。当频率增加到几千赫兹以上时，铁心的内部损耗会增加到超过可行的极限。

　　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。但是，在几兆赫兹以上的频率下，由于涡流和磁滞，这种磁芯开始显示出明显的能量损耗。这就是为什么这些变压器适用于音频频率高达几兆赫兹的频率。

　　铁粉芯：与铁氧体芯相比，铁粉还具有较高的磁导率和较低的损耗，这归因于磁滞和涡流。随着频率增加，对高磁导率的需求降低。使用铁粉芯的变压器适用于高达100 MHz的极高频率。由于不需要在高于100 MHz的极高频率下实现高磁导率，因此空心变压器因其能效更高而更为合适。

　　空芯变压器：在空心变压器中，初级线圈和次级线圈都缠绕在抗磁性材料上。这种变压器中的磁耦合通过空气发生。在这样的变压器中，不仅两个线圈的电感都低，而且互感也非常低，因此线圈之间的磁耦合非常小。这些变压器不会因磁滞或涡流而损失能量，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问题的高压应用，例如配电变压器。这些也适用于100兆赫以上的超高RF应用。在高射频下，所需的电感值很低，这可以通过空心电感轻松实现。

二、变压器的形状和构造

　　变压器也可以通过其形状和几何形状进行分类。变压器的形状取决于其构造中使用的电感器的类型及其铁心的形状。任何变压器本质上都是缠绕在同一磁芯上的一对电感器。分类如下：

　　实用变压器：公用事业变压器是使用层压铁皮作为芯材的电力变压器。这些铁芯变压器具有各种铁芯形状，例如E、L、U、I等，并且体积大而笨重。这些变压器中最常用的铁心形状是E磁芯或EI磁芯，因为叠片铁芯的形状为字母“E”并在“E”的开口端放置了一根棒以完成结构。线圈通过壳方法或芯方法缠绕在芯上。在壳式方法中，两个线圈都彼此顶部缠绕在“E”的中间条上。这确保了线圈之间的最大磁耦合，但以高的线圈到线圈电容为代价。壳法也限制了变压器的载流能力。在磁芯方法中，一个线圈缠绕在“E”的顶部条上，另一线圈缠绕在底部上。线圈之间的磁耦合仅由于穿过铁芯的磁通量而发生。磁芯方法在很大程度上减小了线圈到线圈的电容，并使其有可能处理高电压。具有EI芯且具有壳或芯绕组的公用事业变压器最常用作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回路天线。这些变压器在圆柱芯（铁氧体或铁粉）上具有初级和次级绕组。线圈彼此缠绕或分开缠绕。在这样的变压器中，初级绕组捕获无线电信号，而次级绕组则为无线电电路的第一放大器级提供阻抗匹配。这样的变压器在便携式无线电通信设备中已经非常普遍。

　　环形铁芯变压器：环形铁芯变压器的初级和次级绕组都缠绕在环形铁芯上，线圈可能彼此缠绕或分开缠绕。环形磁芯是射频电路中螺线管磁芯的更好替代方案。它们将磁通包含在铁芯内，因此，只要线圈已绝缘，这些变压器就可以直接安装而无需任何其他屏蔽。除了没有电磁干扰，环形磁芯每圈线圈还提供更高的电感。由于磁通量仍然包含在铁芯内，因此环形铁芯变压器在线圈之间具有更好的磁耦合。

　　罐式磁芯变压器：罐式磁芯变压器的主绕组和副绕组彼此叠置或彼此相邻。锅芯可提供最高的电感，并具有自屏蔽的明显优势。锅芯变压器的主要缺点之一是线圈到线圈的电容。由于线圈与线圈之间的电容以及两个线圈的电感异常高，因此锅形铁芯变压器仅适用于低频。在高频下，所需的电感值很低，并且电容电抗必须基本减小。

三、变压器电压水平变压器

　　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水平。这是最简单但最重要的变压器分类。

　　升压变压器：在升压变压器中，次级线圈的匝数比初级线圈高。当初级与次级的匝数比小于1时，施加到初级的电压将升至次级中的较高电压。因此，这是以次级绕组上较低电流水平为代价的。升压变压器用于稳定器和逆变器，其中需要将较低的交流电压转换为较高的电压。它们还用于电网中，以在分配之前提高交流电压水平。

　　降压变压器：在降压变压器中，初级线圈匝数高于次级线圈。当初级与次级绕组的匝数比大于1时，次级电压会低于初级电压。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进行操作。降压变压器通常在电源电路中使用，先于整流器将120V或240V交流电源降压至所需的低压水平。在配电中，使用降压变压器来降低高压，以向两极供电。这确保了配电的能量效率和成本效益。

　　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之比正好为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。这就是为什么将这些变压器设计为在缠绕在高磁性和自屏蔽铁芯上的独立线圈上具有最少匝数的原因。

　　隔离变压器还用于连接平衡和不平衡电路。平衡电路是指可以跨端口任意方式连接的电路。不平衡电路是指需要以特定方式跨端口连接的电路。平衡和不平衡负载可以通过将平衡中心的中心抽头接地而通过隔离变压器连接。如果平衡负载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。如果平衡负载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。