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PCBA大讲堂电子零件篇:变压器

发布时间 :2018-04-23 16:11 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCBA加工部
深圳宏力捷带领大家探索一种电子零件,从头介绍零件的功能、运作原理到专题应用方式。上期我们介绍了继电器,本期PCBA大讲堂电子零件篇为大家介绍变压器
 
功能
变压器的功能在于转换电压,从输入端引入交流电之后,可以输出各种不同的电压值。
 PCBA大讲堂电子零件篇:变压器
变压器的尺寸不一,从麦克风这类音响设备裡小小的声波阻抗匹配零件,到国家级电力公司重达数吨的超级怪兽都有可能。基本上,只要所需电压与城市配送的电压值不同,电器都会用到都会需要内建变压器。
 
图中后面的的变压器再连接125V交流电时,可以输出36V的交流电,电流是0.8安培;而前面的那个是Radio Shack的小型变压器,在300毫安培时供应12V的交流电,在没有其他负载的情况下,电压其实可以到16V。
 
变压器的电路图示如下:
 PCBA大讲堂电子零件篇:变压器
图左和图右线圈绘制风格不同,但是功能没有差异。上图:内含磁芯(可被磁化)的变压器。下图:空心变压器(这种变压器较为少见,因为效率比较差)。习惯上,变压器的输入端会在左侧,通过主线圈,再由右边的次线圈输出。通常,主线圈与次线圈的圈数不同,如果主线圈圈比次线圈多,表示输出电压值减少;如果主线圈圈数比次线圈少,则表示输出电压值增高。
 
运作原理
以下是变压器构造示意图:
 PCBA大讲堂电子零件篇:变压器
输入:主线圈圈数/输出:次线圈圈数
 
如果主线圈(以橘色表示)周围的电流产生改变,会造成中心钢板的磁通量改变,这个磁通量的的改变则会进一步使次线圈(以绿色表示)附近产生电流,这也就是变压器输出的电流(在实际的情况裡,漆包线缠绕的圈数要以万计,而且有不同各种不同的组装方式)。
 
这个过程称为「交互感应」(mutual induction),如果次线圈附近产生附载,就会从主线圈导引电流过来,即使这两个线圈之间没有电路连结会产生电流。
 
在理想的状态下,不考虑能量散失,主线圈与次线圈的圈数就决定了输出电压会大于、等于或小于输入电压,如果Vp和Vs分别代表主线圈与次线圈的电压,而Np与Ns分别代表主线圈与次线圈的圈数,那么他们的关系可以用下面的公式表示:
Vp / Vs = Np / Ns
 
记忆的规则很简单,圈数越少,电压值越低;反之,圈数越多,电压值越高。
 
如果输出电压大于输入电压,则称为升压变压器;而如果输出电压小于输入电压,则称为降压变压器。
 
磁芯
许多人认为磁芯是铁制品,但事实上,它的材质是高渗透性硅钢,而为了减少涡电流造成的能量损失,磁芯通常是层压而成的,也就是将一层一层的钢板用亮光漆或类似的绝缘材料隔开,这样一来,涡电流就会被侷限在每一层钢板的厚度之内。
 
因为直流电会造成磁芯的磁饱和现象,所以,变压器必须接受交流电或者电压脉衝。变压器的几何与线圈设计就是为了在额定频率范围、电压与电流达到最佳效果,如果偏离这些额定范围太远,会造成变压器毁坏。
 
各种类型
以下是一些常见的变压器介绍:
 
电源变压器
常见的形式是用螺丝拴在底座上、装在外壳中、或者在盒子裡安装一个电子零件,上有焊接点或接头,可以将变压器连接电源线,另一头连到电路板上。
 
插入式变压器
这种变压器通常有一层塑胶外壳,可以直接插进牆上的插座裡,外型就像是一般的交流电变压器,但是,它可以将输入的交流电转换成直流电输出。
 
隔离变压器
也称为一比一变压器,这种变压器的主线圈与次线圈圈数比正好是一比一,也就是说,输出电压值和输入电压值会一模一样。如果把电子仪器插进隔离变压器裡,等于是将电子仪器与交流电接地系统隔离,这使得电子仪器运转时风险降低,因为仪器本身与地表有可忽略的微小电位差,如果同时触碰接地的物体与裡面的火线,就不会产生任何电流通过身体。
 
自藕变压器
这种变压器的特色在于只需要用到输出电压的线圈,交互感应发生于不同层线圈之间,使得输入与输出间产生共同连结,和双线圈变压器不同,双线圈变压器的设计是让输出电流与输入电流互相隔离。自藕变压器常用于音频线路的阻抗匹配,通常,输出的电压与输入电压相差很小。
 PCBA大讲堂电子零件篇:变压器
 
音频变压器
当讯号在不同阻抗的电路之间转换时,可能会减弱或受到干扰(阻抗的单位是欧姆,但这与直流电的电阻单位并不相同,原因是阻抗与电抗和电容有关,所以会随著频率改变)。
 
如果某一装置的输入阻抗值很小,就会尝试从来源吸收电流,如果来源的输出阻抗值很高,电压就会因此大幅下降。因此,通常一个装置的输入阻抗值至少应该达到驱动装置输出阻抗值的十倍。被动元件(电阻器和/或电容器和/或线圈)可以用来调整阻抗值,但是在某些情况当中,小型变压器会是更好的选择。
 
分裂线圈变压器
这种变压器的主线圈与次线圈彼此相邻,目的在于将电容藕合的程度减到最低。
 
嵌入式变压器
面积可能小于0.2平方吋,通常用来调整阻抗值、藕合电线与滤除杂讯等等。
 PCBA大讲堂电子零件篇:变压器
 
数值
在选择电源变压器的时候,应该优先考量功率程载能力,这项能力指标可以用电压与电流的乘积(Volts x Amps、以VA表示),注意,VA与瓦特(watt)是不同的概念,瓦特用在直流电路当中,可以即时测量;而在交流电路中,电压与电流不断的在震盪,因此,VA表示的是电路的视在功率(apparent power),要把电抗纳入考量。
 
VA与瓦特的关系随著不同的仪器而有差异,但是,在最糟的情况下,可以用以下公式来表示:
W = 0.65 VA (近似值)
也就是说,从变压器上得到的平均电能通常应该要大于VA值得三分之二才对。
 
变压器说明书通常会标示输入电压值、输出电压值和零件权重,这些概念应该都不需要多做解释。值得一提的是,变压器的藕合则必须考量输入与输出的阻抗值。


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