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变压器设计心得
Transformer Design

时间:2011-3-3 21:16:28 来源:互联网 作者:不详 编辑: 【关闭


变压器设计心得,Transformer Design

关键字:变压器设计,变压器计算

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变压器原理
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当我们把导线插入220V电源插座,就会发生短路现象,可是插入变压器就不会,区别就在于变压器原边的线圈导线是绕在铁芯上的,难道仅仅因为多了个铁芯,导线就失去短路作用了吗?是的,导线插入铁芯后就变成了电感线圈,根据楞次定律:感应电流的磁场总是要阻碍引起感应电流的磁通量的变化,(注意:“阻碍”不是“相反”,原磁通量增大时方向相反,原磁通量减小时方向相同;“阻碍”也不是阻止,电路中的磁通量还是变化的。)变压器原边将产生一个大小相等,方向相反的反向电动势抵消输入的220V电压,导线中仅有微弱的励磁电流流过(维持磁场需要有一个电流),所以,导线失去了短路作用。

如果真是这样,那么在铁钉上绕几圈漆包线,再把导线插入220V电源插座,是不是就不会短路了?肯定会短路的。原因就是铁芯磁饱和了,无法产生反向电动势抵消输入电压,此时,导线还是相当于短路线。拆开变压器,可以看到,线圈匝数很多,额定功率越大的变压器,铁芯体积越大,其中的原因就是为了让变压器工作在变压器状态,而不是进入磁饱和状态。

也就是说,我们实际中使用的变压器都是非理想的,有可能进入磁饱和状态,从而失去变压器功能。我们设计变压器的目的就是保证在额定电压,额定功率下,变压器正常工作。如果真的存在理想变压器就不需要我们设计了。

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变压器设计
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除了满足正常工作的要求外,变压器设计还要满足:体积、重量、温度、成本等要求,所以,实际变压器的设计可不是一件容易的事情。书本上的理论分析全都是用的理想变压器,书上说变压器可以实现变压、阻抗匹配、隔离等等功能,但是隐含前提是变压器工作在变压器状态,如果饱和了,那就没有这些功能了。

一个实际变压器还存在导线电阻、漏感、分布电容、分布电感、温升(铜损、铁损)等等问题,根据不同的变压器类型,有些参数不能忽略。

制作变压器我们需要知道以下信息:
1、磁芯规格(磁芯形状、磁芯大小、磁芯材料)
2、匝数与导线规格(原副边匝数、导线直径)
3、损耗与温升
4、导线结构:多股线或扁平线
5、绕组结构:多层或分段饶制
6、端空设计:按绝缘电位设计端空

磁芯规格其实就是要确定横截面积和工作点。一般功率决定横截面积大小,功率越大,横截面积越大。有经验公式可以快速根据功率确定横截面积,也可以直接查表。

磁芯材料确定后,根据其特性曲线,我们要选择合适的工作点B0。B0太大会导致磁饱和,太小又会使得体积庞大、重量沉、功耗大、成本高。

当电源频率、工作点B0、横截面积都确定后,就可以计算出每伏匝数,用输入电压除以每伏匝数就可以得到原边匝数。进而可以求得副边匝数。

导线直径取决于电流密度,而电流密度又取决于电压调整率或温升,受二者共同约束,哪个约束条件算出来的J值小,就选择哪个J值。J值小肯定不会有温升/电压调整率问题,但也不是越小越好,J小的话,导线直径太粗,铜重量大、体积大、成本高,有时线包厚度可能超过铁芯窗口尺寸,根本无法绕制。

电流密度J和温升有什么关系呢?很多初学者可能想到去查书,其实,变压器设计是一项实践性很强的工作,理论派这时已经玩不转了,此时需要大量实践经验。也有人可能会抱怨资料不足,这不是问题,没有资料可以做实验得到。就象没有DIP器件封装数据,你完全可以直接用尺子量出引脚间距来。不知道程序出错原因,完全可以通过调试找到。

温升和铜损铁损有关,和散热条件有关,带散热片的温度就低,散热片上有风扇的温度更低,风扇转速快的肯定温度又要降低了。此外,还和外部环境温度有关,在南极零下50度,温升就不是问题,在赤道沙漠里,温升可能导致铁芯磁特性曲线飘移,进而磁饱和,失去变压器功能。总之决定温升的因素很复杂:管芯到封装的热阻、接触面积、接触面光滑度、导热硅脂、散热器材料体积、表面积、鳍形、涂层材料、颜色、空气密度、流速等共同决定温升。

因此,电流密度J和温升的关系只能凭经验确定了。一般通过经验公式确定。所谓经验公式是指:通过一系列结果可重复的实验,得到数据曲线,使用数值分析方法多项式拟合,得到经验公式。此公式在我们的经验范围内正确,可以准确预测结果,可以重复验证。注意:经验公式存在局限性,如果预测结果不对,就需要再次修正经验公式,增加我们的经验。由此可知,经验越多,越不容易出错,想要设计好变压器需要积累大量经验。
毕竟,变压器是一种商品,我们没有必要每次都从头设计,那样太浪费时间。此时,利用表格、EXECL电子表格、经验值可以大大加快设计速度。
比如:可以规定电流密度J选2.5A/平方毫米,内绕组J适当降低,外绕组J适当提高,散热好的甚至可以达到10A/平方毫米,这样就不用详细计算了。

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变压器类型
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电源(工频)变压器
最常见的变压器,输入220VAC 50HZ,输出各种直流电压。
因为频率低,基本不考虑分布参数,可以乱绕。
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隔离变压器
变比一般为1:1,主要目的是隔离。因为市电零线接大地,人碰到热底板上的零线相对还算安全,一旦碰到火线,就会和大地形成回路,导致触电。经过变压器隔离后,人单独碰到任何一根线都不会触电,两根线对地浮空,都不会和大地形成回路,电压只存在于两根线之间,所以安全。
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音频变压器
输入变压器
级间变压器
输出变压器
线间变压器
匹配变压器
调幅变压器

电子管/晶体管收音机/音响中,需要在各级放大电路之间增加变压器进行阻抗匹配和谐振,使得后级获得最大输出功率。收音机里的变压器俗称中周。
音频变压器中的频率较高,不能忽略分布参数,而且,要把晶体管输入输出电阻折算到变压器中。一般先抽象出一个等效电路,再简化,然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。有了这些信息,就可以计算出功率,进而得到横截面积,线圈匝数,导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求,能够工作在变压器状态(不饱和),具有正确阻抗变换功能的变压器了。
为什么三极管集电极接在中周的中间点?
这种部分接入的主要目的是减小三极管输出电阻rce对谐振阻抗及Q值的影响。
设中周的中间点到直流电源点的圈数为n1,中周初级线圈总圈数为n2,变比n=n2/n1,当rce并连到n1线圈时,折算到n2线圈将是rce的n方倍,使谐振阻抗及Q值只有少量下降,保证了足够的电压放大倍数和选择性指标。
早期的电子管收音机中,由于电子管的输出阻抗极大,根本不用考虑这个问题,所以在电子管电路中就不存在“接中周中间点”的接法。
大部分人做过收音机,但是很少人自己设计绕制中周和输入输出变压器,现在学习了音频变压器设计,你就可以自己绕了,再不用担心买不到合适的中周变压器了,哈哈。注意:音频变压器对工艺要求较高,不太容易成功。另外,玩胆机(电子管)音响的朋友更是需要自己绕变压器了,尽管电子管和晶体管有点差别,但是学习了以上内容,自制变压器就不是难事了。
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脉冲变压器
我们在8019网卡芯片中就用到了脉冲变压器,起隔离作用,变比1:1。想不想知道这种变压器是怎么设计的呢?想不想自己绕一个呢?
其实脉冲变压器也是变压器的一种,只不过脉冲波含有大量频率分量,不能忽略分布参数影响,绕制工艺要求高,一般也要先抽象出一个等效电路,再简化,然后根据分布参数约束条件获得等效电路各参数值。与音频变压器不同的是,其约束条件参数不一样。脉冲波形参数约束条件有:峰值脉冲幅度、脉冲持续时间、脉冲上升时间、脉冲下降时间、顶降、脉冲顶峰、过冲、反摆、回摆、恢复时间。根据这些信息,就可以计算出功率,进而得到横截面积,线圈匝数,导线直径等等变压器绕制参数。这样我们就可以得到满足分布参数要求,满足脉冲波形参数约束条件要求,能够工作在变压器状态(不饱和),能够正确传递脉冲能量(脉冲波形变化符合要求)的变压器了。

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开关电源变压器
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特种变压器
稳压变压器
霓虹灯变压器
微波炉变压器
机场助行航灯光用变压器
超隔离变压器
传输线变压器
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铁芯电感器
电源滤波扼流圈
交流扼流圈
电感线圈
镇流器
超声换能器用匹配电感
铁氧体磁芯电感
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工频变压器设计,用于电子管音响,

工频变压器是最简单的变压器,基本不用考虑分布电感、分布电容、信号源内阻、等效电路各种指标等复杂因素,直接按标准化步骤操作即可,所以用工频变压器来进行变压器设计入门是最好不过了。简单说就是根据功率选择铁心,然后计算匝数,再看能否绕下。不同的人设计标准不同,可能和下面计算有偏差,但是本质思想都是一样的。有时算到后面需要重新再来,其实相当于一个迭代设计过程,反复设计直至满足要求为止。
理论计算完成后还需要实际测试效果进行验证,因为铁心参数,制作工艺可能和我们假设的不一样,所以设计完成后基本都需要再根据实测结果进行调整。

要求:
高压输出:260V,150ma ;
灯丝1:5V,3A;
灯丝2:6.3v,3A 中心处抽头;
初、次级间应加有屏蔽层。

根据要求铁芯型号采用“GEIB一35”。

计算如下:
(1)计算变压器功率容量(输入视在功率):
P =(1.4×高压交流电压×电流+灯丝1电压×电流+灯丝2电压×电流)/ 效率
=(1.4×260×0.15+5×3+6.3×3)/ 0.9
=(54.6+15+18.9)/ 0.9
= 98.33VA

(2)计算原边电流
I1=1.05×P / 220=0.469A

(3)按照选定的电流密度(由计划的连续时间决定),选取漆包线直径。
如按照3A/mm2计算:D=0.65×√I (0.65×电流的开方)
并规整为产品规格里有的线径(可查资料):
选定:
原边直径D1=0.45mm
高压绕组直径D2=0.25mm
灯丝绕组直径D3=D4=1.12mm

(4) 铁心截面面积
S0=1.25√(P)=1.25×√98=12.5CM2

(5)铁心叠厚:
根据他的要求铁芯型号采用“GEIB一35”,
查到:舌宽=35MM=3.5CM
则:叠厚=12.5 / 3.5 =3.6CM
一般地(叠厚/舌宽)在1-2之间是比较合适的。

(6)铁心有效截面积:
S1=舌宽×叠厚 / 1.1 = 11.454 CM2

(7)计算每伏匝数
计算式:每伏匝数n=(45000)/(B×S1)
其中
B=10000-12000(中等质量硅钢片,如原先上海无线电27厂产品铁心)
或15000(Z11等高质量硅硅片)
或8000(电动机用硅钢片)。
S1:铁心有效截面积,等于(舌宽×叠厚)/1.1

假定是中等质量铁心,并且保守点,取B=10000
则:
n=450000 / B×S1
= 450000 /(10000×11.454)
=3.93 (T / V )

(8)计算每组匝数
原边圈数:N1=220n=220×3.93×0.95=822(T)
副边高压:N2=260×1.05×n=1073(T)--这是一半,还要再×2=2146T。
灯丝1(5V): N3=5×1.05×n=21(T)
灯丝2(6.3V):N3=6.3×1.05×n =26(T)

(10)计算每层可绕圈数(窗口高度两端要留下3MM):
查得该铁心窗口高度h=61.5mm,
查表得知:选用的漆包线带漆皮最大外径
D1Max=0.51mm
D2Max=0.30mm
D3Max=1.23mm
D4Max=1.23mm
按照 每层可绕:N =(h-0.5-2×3)/(K×DMax)计算
(分子的含义是:由h=61.5mm==》可绕线宽度为61.5-0.5-2×3=55mm)
(分母是排线系数K×最大外径DMax,对于初学者,小于0.3的线K=1.20,0.3-0.8的线K=1.15,大于0.8的线K=1.10。。如您已经有较好的绕线经验,K可以=105~102)
代入上述数据得到:
原边每层可绕:94圈
高压每层可绕:154圈
灯丝每层可绕:39圈(最后有讨论)。
(也可以直接查“每厘米可绕圈数表”得到)

(11)各绕组的层数
前面已经算出各组圈数则,则各绕组的层数:
原边=822/ 94=8.74,取9层
高压=2146/154=13.94,取14层
灯丝1:1层,
灯丝2:1层。

(12)绝缘设计
骨架,用1MM厚红钢纸,外加0.15MM覆膜青壳纸1层+0.08MM电缆纸1层;
原边绕组垫纸用0.08MM电缆纸;
副边高压绕组垫纸用0.05MM电缆纸;
组间绝缘用0.08MM电缆纸1层+0.15MM覆膜青壳纸2层+0.08MM电缆纸1层;
(绕组外绝缘同组间绝缘)

(13)计算线包(压实的)厚度:
=(1+0.15+0.08) (骨架及内层绝缘)
+(9×0.51+8×0.08) (原边绕组)
+(0.08×2+0.15×2) (组间绝缘1)
+(隔离层,如可能用0.05铜箔,如无,就用与高压绕组同直径的线绕一层代)
+(0.08×2+0.15×2) (组间绝缘2)
+(14×0.30+13×0.05)(高压绕组)
+(0.08×2+0.15×2) (组间绝缘3)
+(1.23) (灯丝1)
+(0.08×2+0.15×2) (组间绝缘4)
+(1.23) (灯丝2)
+(0.08×2+0.15×2) (线包外间绝缘)
=1.23+5.23+0.46+0.30+0.46+4.85+0.46+1.23+0.46+1.23+0.46
=16.37mm

(14)检验“蓬松系数”
蓬松系数=铁片窗口宽度 / 线包(压实的)厚度
“蓬松系数”一般可以在1.2-1.3间,蓬松系数小者要注意绕的十分紧才行,蓬松系数过大说明选的铁心规格大了,要重选重算。对于经验不多的初学者,不妨以1.3-1.35进行检验。不然可能绕完了发现装不进铁片。

检验:
蓬松系数=22 / 16.37 = 1.34
很合适的呀。

(15)修正方案::
灯丝绕组可以选用0.8nn直径漆包线2根并绕(0.80线最大外径0.89,每层可绕54圈,6.3V绕组26×2,刚好可以绕下)。这样导线可以分布开来不至于只有半边,绕出来的线包就比较平整。还可以减小绕组厚度。
这时,
计算线包(压实的)厚度:
=1.23+5.23+0.46+0.30+0.46+4.85+0.46+0.89+0.46+0.89+0.46
=15.69mm
蓬松系数=22 / 15.69 =1.41
这就非常之宽松了,说明选的铁心规格大了,利用手头现有铁心当然可以。保证可以成功。

计算完毕。

 


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