每月電子零件:變壓器

十一月 20, 2013
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十一月登場的主角是變壓器,接下來我們也會張貼其他文章,和大家分享這種電子零件的應用方式。以下的內容節錄自查爾斯‧普萊特(Charles Platt)的《電子零件百科全書:第一冊》(暫譯,原書名為:Encyclopedia of Electronic Components: Volume 1):

功能

變壓器的功能在於轉換電壓,從輸入端引入交流電之後,可以輸出各種不同的電壓值。


變壓器的尺寸不一,從麥克風這類音響設備裡小小的聲波阻抗匹配零件,到國家級電力公司重達數噸的超級怪獸都有可能。基本上,只要所需電壓與城市配送的電壓值不同,電器都會用到都會需要內建變壓器。

圖中後面的的變壓器再連接125V交流電時,可以輸出36V的交流電,電流是0.8安培;而前面的那個是Radio Shack的小型變壓器,在300毫安培時供應12V的交流電,在沒有其他負載的情況下,電壓其實可以到16V。

變壓器的電路圖示如下:

圖左和圖右線圈繪製風格不同,但是功能沒有差異。上圖:內含磁芯(可被磁化)的變壓器。下圖:空心變壓器(這種變壓器較為少見,因為效率比較差)。習慣上,變壓器的輸入端會在左側,通過主線圈,再由右邊的次線圈輸出。通常,主線圈與次線圈的圈數不同,如果主線圈圈比次線圈多,表示輸出電壓值減少;如果主線圈圈數比次線圈少,則表示輸出電壓值增高。

運作原理

以下是變壓器構造示意圖:

輸入:主線圈圈數/輸出:次線圈圈數

如果主線圈(以橘色表示)周圍的電流產生改變,會造成中心鋼板的磁通量改變,這個磁通量的的改變則會進一步使次線圈(以綠色表示)附近產生電流,這也就是變壓器輸出的電流(在實際的情況裡,漆包線纏繞的圈數要以萬計,而且有不同各種不同的組裝方式)。

這個過程稱為「交互感應」(mutual induction),如果次線圈附近產生附載,就會從主線圈導引電流過來,即使這兩個線圈之間沒有電路連結會產生電流。

在理想的狀態下,不考慮能量散失,主線圈與次線圈的圈數就決定了輸出電壓會大於、等於或小於輸入電壓,如果Vp和Vs分別代表主線圈與次線圈的電壓,而Np與Ns分別代表主線圈與次線圈的圈數,那麼他們的關係可以用下面的公式表示:

Vp / Vs = Np / Ns

記憶的規則很簡單,圈數越少,電壓值越低;反之,圈數越多,電壓值越高。

如果輸出電壓大於輸入電壓,則稱為升壓變壓器;而如果輸出電壓小於輸入電壓,則稱為降壓變壓器。

磁芯

許多人認為磁芯是鐵製品,但事實上,它的材質是高滲透性矽鋼,而為了減少渦電流造成的能量損失,磁芯通常是層壓而成的,也就是將一層一層的鋼板用亮光漆或類似的絕緣材料隔開,這樣一來,渦電流就會被侷限在每一層鋼板的厚度之內。

因為直流電會造成磁芯的磁飽和現象,所以,變壓器必須接受交流電或者電壓脈衝。變壓器的幾何與線圈設計就是為了在額定頻率範圍、電壓與電流達到最佳效果,如果偏離這些額定範圍太遠,會造成變壓器毀壞。


各種類型

以下是一些常見的變壓器介紹:

電源變壓器

常見的形式是用螺絲拴在底座上、裝在外殼中、或者在盒子裡安裝一個電子零件,上有焊接點或接頭,可以將變壓器連接電源線,另一頭連到電路板上。

插入式變壓器

這種變壓器通常有一層塑膠外殼,可以直接插進牆上的插座裡,外型就像是一般的交流電變壓器,但是,它可以將輸入的交流電轉換成直流電輸出。

隔離變壓器

也稱為一比一變壓器,這種變壓器的主線圈與次線圈圈數比正好是一比一,也就是說,輸出電壓值和輸入電壓值會一模一樣。如果把電子儀器插進隔離變壓器裡,等於是將電子儀器與交流電接地系統隔離,這使得電子儀器運轉時風險降低,因為儀器本身與地表有可忽略的微小電位差,如果同時觸碰接地的物體與裡面的火線,就不會產生任何電流通過身體。

自耦變壓器

這種變壓器的特色在於只需要用到輸出電壓的線圈,交互感應發生於不同層線圈之間,使得輸入與輸出間產生共同連結,和雙線圈變壓器不同,雙線圈變壓器的設計是讓輸出電流與輸入電流互相隔離。自耦變壓器常用於音頻線路的阻抗匹配,通常,輸出的電壓與輸入電壓相差很小。

音頻變壓器

當訊號在不同阻抗的電路之間轉換時,可能會減弱或受到干擾(阻抗的單位是歐姆,但這與直流電的電阻單位並不相同,原因是阻抗與電抗和電容有關,所以會隨著頻率改變)。

如果某一裝置的輸入阻抗值很小,就會嘗試從來源吸收電流,如果來源的輸出阻抗值很高,電壓就會因此大幅下降。因此,通常一個裝置的輸入阻抗值至少應該達到驅動裝置輸出阻抗值的十倍。被動元件(電阻器和/或電容器和/或線圈)可以用來調整阻抗值,但是在某些情況當中,小型變壓器會是更好的選擇。

分裂線圈變壓器

這種變壓器的主線圈與次線圈彼此相鄰,目的在於將電容耦合的程度減到最低。

嵌入式變壓器

面積可能小於0.2平方吋,通常用來調整阻抗值、耦合電線與濾除雜訊等等。

數值

在選擇電源變壓器的時候,應該優先考量功率程載能力,這項能力指標可以用電壓與電流的乘積(Volts x Amps、以VA表示),注意,VA與瓦特(watt)是不同的概念,瓦特用在直流電路當中,可以即時測量;而在交流電路中,電壓與電流不斷的在震盪,因此,VA表示的是電路的視在功率(apparent power),要把電抗納入考量。

VA與瓦特的關係隨著不同的儀器而有差異,但是,在最糟的情況下,可以用以下公式來表示:

W = 0.65 VA (近似值)

也就是說,從變壓器上得到的平均電能通常應該要大於VA值得三分之二才對。

變壓器說明書通常會標示輸入電壓值、輸出電壓值和零件權重,這些概念應該都不需要多做解釋。值得一提的是,變壓器的耦合則必須考量輸入與輸出的阻抗值。

[原文]

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