4.4 电源变压器

常见变压器有电源变压器、低频变压器、中频变压器、高频变压器。

电源变压器的工作情况与其他频变压器有很大区别。主要是传输电压高、电流大、工作频率单一，常用于传输电功率，且使用普遍，本节先介绍电源变压器的设计制作。

4.4.1 电源变压器的设计

总的来说，设计一个电源变压器，首先要考虑应用场合并确定总功率，然后根据需要设计功率分配，再决定选用硅钢片的型号，计算绕组匝数和导线直径，使制作的变压器满足应用要求。电源变压器设计步骤和计算方法如下。

1.确定变压器负载功率

如图4-13所示是一台音响用电源变压器，各项技术指标已用粗字标出，要求输出两组功率不同电源，供36W音响电路和3.8W指示灯使用。那么这个变压器的总负载功率为

P2=36W+3.8W=39.8W

2.分配变压器的功率结构

知道负载功率，就给设计变压器提出了功率分配与结构安排的问题。采用图4-13所示的设计方案，以两个相同次级绕组Ⅱ和Ⅲ为音响电路输送36W电功率，以一个独立次级绕组Ⅳ为指示灯提供3.8W电功率。绕组Ⅱ与绕组Ⅲ各分担送出18W电功率，即

PⅡ=18W PⅢ=18W PⅣ=3.8W

3.分配绕组的电流

由于每个次级绕组的功率、电压、电流都符合 P=UI。根据已知条件，就可算出次级绕组Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的输出电流分别为IⅡ=1A，IⅢ=1A，IⅣ=0.6A。

4.确定变压器的总输出功率

上面分配每个次级绕组的功率为 PⅡ=18W，PⅢ=18W，PⅣ=3.8W。那么这个电源变压器的总输出功率为P2=PⅡ+PⅢ+PⅣ=18+18+3.8=39.8（W）

5.确定变压器的输入功率

变压器传输电能总存在一定损耗，为弥补这种损耗，设计时输入功率应比输出功率大，大多少，常用效率公式来计算，即

式中，P1为输入总功率，P2为输出总功率，单位均为W；η为效率，可查表4-2确定。

上面已算出 P2=39.8W，则 η 取80%，便可计算出输入总功率为 P1=49.8W。同时也可计算出初级绕组的输入电流为I）。

6.计算变压器铁芯的面积

前面讲过，变压器中铁芯起导磁作用，能增强线圈电感，增大次级绕组感应电压，提高变压器效率，不可缺少。更重要的是，铁芯决定着电源变压器的功率，铁芯越大，功率越大。铁芯的大小，是指变压器绕组中的铁芯截面积，为舌宽a与叠厚b的乘积，即a×b，如图4-14所示。在设计制作变压器时，并不是已有铁芯，而是要根据变压器功率计算出需要的铁芯截面积，计算公式为

式中，S为铁芯截面积，单位为cm2；KS为铁芯截面积计算系数。

系数 KS与铁芯质量有关，铁芯质量又主要体现在磁通密度 B（磁感应强度）上。普通铁片的磁通密度为0.5～0.7T，硅钢片的磁通密度为0.7～0.8T，优质硅钢片的磁通密度为0.9～1.5T，冷轧硅钢片的磁通密度为1.2～1.6T。选用不同磁通密度的材料做铁芯，则系数 KS值将不同，两者的对应关系见表4-3。

设如图4-13所示变压器选用磁通密度 B 为0.9T的优质硅钢片，查表4-3可知 KS为1.25，那么。

7.由铁芯面积初选硅钢片型号

硅钢片常是进行序列化、规格化生产，有规定的舌宽、叠厚及型号。当选择某一型号的硅钢片后，将叠出固定的铁芯截面积。它不一定与上面计算的截面积相等，多数只为接近，因此只算是初步选择硅钢片。实际选择硅钢片时，常是根据计算的截面积（8.82cm2）在表4-4中查出相接近的铁芯截面积（9cm2），再查出与此值（9cm2）对应的硅钢片型号，为GEIB-22。这就是初选硅钢片的型号。

8.计算绕组的每伏匝数

变压器的每伏匝数可用如下公式求出，即

式中，N0为每伏匝数；KP为每伏匝数的计算系数，它与铁芯磁通密度有关，可从表4-5中查取；S为铁芯截面积，单位为cm2。

图4-13中变压器选用优质硅钢片，B=0.9T。查表4-5可知 KP=50，求出变压器的每伏匝数为N0=5.67（圈/V）。

9.计算各绕组的具体匝数

（1）计算初级绕组匝数的公式为

NⅠ=UⅠN0

式中，NⅠ为初级绕组匝数；UⅠ为初级绕组电压，单位为V；N0为变压器绕组的每伏匝数。

（2）计算次级绕组匝数时，考虑到导线电阻压降，次级绕组的匝数应增加5～10%，即

Nn=UnN0（1+5%）

式中，Nn为次级第n个绕组的匝数；Un为次级第n个绕组的电压，单位为V；N0为变压器绕组的每伏匝数。

根据上面公式，可算出图4-13中变压器各绕组的匝数（取整数）为

NⅠ=UⅠN0=220×5.67≈1247（圈）

NⅡ=UⅡN0(1+5%)=18×5.67(1+5%)≈107（圈）

NⅢ=UⅢN0(1+5%)=18×5.67(1+5%)≈107（圈）

NⅣ=UⅣN0(1+5%)=6.3×5.67(1+5%)≈38（圈）

10.计算各绕组导线直径

计算每个绕组所用导线直径的公式为

式中，dn为第 n 个绕组选用导线的直径，单位为mm；I 为各绕组导通的电流值，单位为A；KZ为导线直径的计算系数，与导线的载流密度有关，可根据表4-6中载流密度选用对应的 KZ值。一般连续工作的小功率（100W以下）变压器，载流密度常取2.5A/mm2，对应的KZ值取0.715；音频变压器载流密度可取4.5A/mm2，对应的KZ值取0.533。

由上述公式就可算出图4-13中变压器各绕组导线直径为

dⅠ=KZ=0.715×0.48≈0.343（mm）

dⅡ=KZ=0.715×1≈0.72（mm）

dⅢ=KZI=0.715×1≈0.72（mm）

dⅣ=KZ=0.715×0.775≈0.554（mm）

算出各绕组导线的直径后，选取与计算值接近的导线规格，可取 dⅠ=0.35mm（因标准漆包线中没有0.343mm的规格，故选接近值0.35mm），dⅡ=dⅢ=0.72mm，dⅣ=0.55mm。

11.计算所有绕组的总截面积

变压器所有绕组的总截面积，可根各绕组的直径和匝数来计算，计算公式为

式中，dⅠ、dⅡ、dⅢ、dⅣ、……、dn分别为变压器第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、……、n 个绕组的导线直径，单位为mm；NⅠ、NⅡ、NⅢ、NⅣ、……、Nn分别为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、……、n 个绕组的匝数；SZ为全部绕组的总截面积，单位为mm2。

根据以上公式，便可算出绕制图4-13中变压器全部绕组线圈的总截面积为

12.计算初选硅钢片的窗口面积

初选硅钢片的窗口面积，可结合图4-14根据初选硅钢片的规格尺寸来计算，其计算公式为

SC=h×c

式中，SC是窗口面积，单位为mm2；h为窗口高度，单位为mm；c为窗口宽度，单位为mm。

由 于 初选GEIB-22型 硅 钢片 的 规 格为 h=39mm，c=14mm，则 SC=h×c=39×14=5.46cm2。

13.选用绝缘纸的厚度

制作变压器时，绕组之间要隔绝缘纸。制作高质量变压器时，同一绕组的每层线圈之间都要隔绝缘纸。一般应用绝缘纸的原则是：用φ 0.06～0.14mm①漆包线绕制变压器时，所用绝缘纸的厚度为0.025mm；用φ 0.15～0.25mm漆包线绕制变压器时，所用绝缘纸的厚度为0.05mm；用φ 0.27～0.69mm漆包线绕制变压器时，所用绝缘纸的厚度为0.1mm。

14.选定硅钢片型号

制作变压器选定硅钢片型号，主要考虑以下因素：①变压器的所有绕组都要绕在骨架上，装入铁芯的窗口内，这些线圈与骨架便要占窗口面积；②不管绕制哪种电源变压器，都要用到隔绝缘纸，绝缘纸也要占窗口面积。这样，就需要全面考虑硅钢片的窗口能不能容纳下全部线圈、骨架及绝缘纸，如果初选的GEIB-22型硅钢片的窗口面积过小，就容纳不下，也就不能采用GEIB-22型硅钢片，需要重新设计。因此在完成以上各设计计算步骤之后，不能盲目地急于制作，还应对所有线圈的总截面积和铁芯窗口面积等主要技术数据仔细核算一次，然后根据下面原则选定硅钢片型号，以免返工。

对于每层线圈之间都隔绝缘纸的变压器，若线圈总截面积只占窗口面积的50%，就能装下全部线圈、骨架和绝缘纸，则可以使用GEIB-22型硅钢片。

对于仅在绕组之间隔绝缘纸的变压器，若线圈总截面积只占窗口面积的90%，一般来说窗口能够装下所有线圈、骨架和绝缘纸，可以使用初选的GEIB-22型硅钢片。

比较上面算出的SZ=4.8cm2与SC=5.46cm2可知，全部线圈的总截面积约占硅钢片窗口面积的88%。如果只在绕组之间隔绝缘纸，则初选硅钢片的窗口能够装下所有线圈、骨架和绝缘纸，便可以确定选用GEIB-22型硅钢片。

4.4.2 电源变压器的制作

经过设计和计算，已选定了制作变压器的材料及其规格，下面再介绍制作工艺。

1.骨架的制作

市场销售的成品骨架不一定符合需要，可以自己设计制作，很简单。常用的骨架有挡板式和无挡板式两种，如图4-15（b）、（c）所示。

先做骨架的方木模具，如图4-15（a）所示。使宽a等于硅钢片舌宽，厚 b 等于硅钢片叠厚，高 h 等于铁芯高度，可参看图4-14所示。根据GEIB-22型硅钢片的规格尺寸，a=22mm，b=44mm，h=39mm。再沿方木轴心线钻一个穿心眼，以便能装到绕线机上。

将1～1.5mm厚的绝缘纸板，裁成宽为39mm的长条，在方木上包围一层，并重叠50～200mm。把重叠处纸板各裁除半层，然后用胶水粘在一起，脱模后就成为如图4-15（b）所示的无挡板式骨架。也可采用1～1.5mm厚环氧胶木板或酚醛胶木板。对于小型电源变压器，还可用0.1mm厚青壳绝缘纸做骨架。

要制成有挡板的骨架，可在无挡板骨架两端头增加挡板，用胶水粘牢固即可，如图4-15（c）所示。一般市售骨架，多为有挡板形式，以塑料为原料制成。

2.线包的绕制

变压器线圈，常是用电动式普通绕线机或简易绕线机绕制，这里仅介绍用简易绕线机绕制，如图4-16（a）所示。先将木模连同骨架装到绕线机上，用螺母夹紧。绕制变压器线包是按图4-13中绕组Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的顺序进行。用φ 0.35mm（dⅠ）漆包线在骨架上一圈挨一圈地绕1247（NⅠ）圈成为绕组Ⅰ，在绕组外包一层0.12mm厚的绝缘纸。用φ 0.72mm漆包线绕两个107圈，成为绕组Ⅱ、绕组Ⅲ。用φ 0.55mm漆包线绕38圈，成为绕组Ⅳ。每个绕组外都用0.1mm厚的绝缘纸包一层。如果绕组间的绝缘电压小于500V，可用2～3层牛皮纸或用0.12mm厚的青壳纸；如果绕组间的绝缘电压大于500V，可用黄蜡布、聚脂薄膜、青壳纸等绝缘材料。

3.引脚与线头的处理

变压器每个绕组首尾端必须严格认真连接。由于骨架自制，引脚也必须自制。常用0.1～0.2mm铜片制成周边光滑的条状，面积一般为25mm×3mm，如图4-16（b）所示。再刮除绕组首端2～3cm的绝缘漆层，将导线首端缠在引脚上焊锡，用牛皮纸按如图4-16（b）所示将引脚连同导线首端包绕两层，以保证绕制绕组时引脚与导线有可靠的绝缘。

最后将引脚固定在骨架挡板边缘的适当位置，可参看图4-16（a）和图4-5（a）所示。在制作的变压器上一共有4个线圈绕组、8个线头及7个引脚。

4.变压器的组装

线包绕制完成，接着就是将硅钢片插入骨架。在向骨架内插入硅钢片时，通常是将骨架水平放置，以方便操作，如图4-16（c）所示。插入硅钢片时，各种变压器都采用对插的方式，通常以2～3片为一组，从下往上每插一组“E”形硅钢片，都应拼装一组“I”形硅钢片，并且第一组从外向内插，则第二组应从内向外插，这样每组间的“E”、“I”接口便交错开来，以便于夹住“I”形硅钢片，如图4-16（c）所示。在插到最后的几片时，由于硅钢片较紧，继续插入就有一些难度，在这种情况下，可不必遵守2～3片为一组的规定，将最后所剩的几片加插到其他某组硅钢片中，这样插入就会容易一些。

5.变压器质量的检验

一个电源变压器制作完成后，为了保证其各项性能符合指标要求，要进行以下检验。

（1）检查变压器外观。看变压器外表是否有擦伤，线圈是否有碰破碰断；线头位置是否正确，线头与引脚是否焊接牢固；插入的硅钢片是否与线包短路。

（2）检查线包的绝缘。检测绕组与绕组之间、绕组与铁芯之间、线圈与线圈之间的绝缘情况。绕组间的绝缘通常用电阻表来检测，可将万能表调到R×10k挡，然后测量每两个绕组间的电阻值，若每次测量的电阻值都大于10MΩ，就表明绝缘性能良好；若电阻值远小于10MΩ，则表明绝缘性能较差，应用时有可能漏电；若测得电阻值近似为0，则表明某两组绕组之间存在短路，必须拆卸变压器进行重新绕制。绕组与铁芯之间的绝缘检查，也可用万用表的R×10k挡测量，方法是用一只表笔接触铁芯，用另一只表笔逐一接触所有绕组线头，若电阻值都为无穷大，表明绕组与铁芯间绝缘很好；否则，就存在着漏电或短路现象。线圈之间的绝缘检测，因绕组的电阻值通常较小，用电阻表检测不易发现。

（3）检测空载电压。将变压器初级Ⅰ接入220V电源，把万能表调到交流50V挡，用表笔分别测量绕组Ⅱ、Ⅲ两端输出电压是不是18V（绕组Ⅱ、Ⅲ串联输出电压是不是36V），绕组Ⅳ两端输出电压是不是6.3V，如果是，说明设计、计算与制作过程均正确。一般来讲，变压器次级输出电压的误差不应大于±5%。具有中心抽头的绕组，两组输出电压的不对称值应小于2%。

（4）检查变压器的温度。普通小功率电源变压器在应用中，允许温度升高到40～50℃，若使用较好的绝缘材料，则允许温度高达60℃。变压器的温度可用下述方法进行检验。在变压器次级加上额定负载，在初级接上220V额定电压，如果工作1小时后，铁芯及绕组不发热，就说明变压器良好；如果温度升高很快，甚至烫手，则说明变压器存在内部短路，应拆卸重新绕制。另外，还可在空载的情况下，用一个15～25W的白炽灯泡串联在电源变压器初级，然后接入220V电源半小时以上，如果铁芯和绕组不发热，就说明变压器良好；否则，就存在初级绕组匝数不足、绕组内部短路或硅钢片质量低劣等情况。

6.浸漆及烘干

一个高质量电源变压器，在经过设计、计算、组装及检验合格之后，都要进行浸漆处理。其方法是把变压器放入绝缘漆中浸泡几个小时，取出后再在漆桶上方吊半小时。待变压器表层绝缘漆凝固之后，移入烘箱内进行烘干。烘箱可自制，找一个容积为100cm3的耐高温容器，内部点亮一个100W的白炽灯，便形成了一个烘区，将变压器移入就可进行烘烤，为了减少烘箱中的热量散发，可在容器上面盖一个盖子，这样就可加快变压器的烘干。

绝缘漆可用一般家具漆或三聚氰胺醇酸绝缘漆，后者具有渗透性较好、附着力强和耐电弧等特点，干固后的漆膜坚硬、表面平整光滑。浸漆的目的是防潮湿侵蚀。

4.4.3 自耦变压器与调压器

上面介绍了小功率电源变压器，下面介绍特殊的电源变压器——自耦变压器与调压器。

1.自耦变压器的结构

普通电源变压器初级绕组与次级绕组是互相独立的，初级绕组用于产生磁通，把电转化为磁，次级绕组用于产生感应电势，把磁转化为电。如果把初、次级绕组合在一起，由一个绕组同时起初、次级绕组的作用，则这种变压器称为自耦变压器，如图4-17所示，其图形符号如图4-3（f）所示。

自耦变压器的结构与普通变压器相似，也是由铁芯和绕组构成，不过它没有独立的次级绕组，而是在初级绕组上抽出一个头来，使初级绕组中的一部分线圈同时担当次级绕组。由图4-17可以看出，初级绕组的匝数为N1，次级绕组的匝数只是应用了初级绕组中的一部分，为N2。

2.自耦变压器的输电原理

自耦变压器的输电原理与普通变压器的输电原理相同，这里仅简单介绍。当给初级绕组 N1通入交流电压 U1后，将在铁芯中产生变化磁通 Φ，于是次级绕组 N2便产生感应电压。如果测量次级电压，其值就为U2，如图4-17所示。这表明自耦变压器同样具有变压作用。自耦变压器中电压、电流的计算方法与普通变压器相同。

3.自耦变压器的降压、升压原理

自耦变压器既可用于降压，也可用于升压。用于降压时，初级绕组的匝数N1比次级绕组的匝数N2多，如图4-18（a）所示，此时的输入电压U1比输出电压U2高；用于升压时，初级绕组匝数N1比次级绕组匝数N2少，如图4-18（b）所示，这时输入电压U1比输出电压U2低。

4.电源调压器的调压原理

自耦变压器还可制成为抽头可调的结构，这样，输出电压便可以调整，常称为自耦调压器，结构原理如图4-19（a）所示。它是在圆环铁芯上缠绕漆包线作为自耦变压器的初级绕组，然后输入220V电源。它的次级绕组匝数则可通过旋转机构调整，也就能在初级绕组的任意一点上取得次级绕组，同时取得次级电压。

具体在图4-19（a）中来讲，当转动旋钮、臂杆带动导电石墨块以调整轴为圆心在初级绕组上改变位置滑动时，由于石墨块运动轨迹上线圈外表的漆层被打磨掉，石墨块与线圈有良好的电接触，于是便从石墨块与任意一根电源输入线间取得次级输出电压。这样在旋转手柄旋钮时，输出电压就能在0～220V间调节，因此也简称为电源调压器。电源调压器在工厂里应用较为广泛。如图4-19（b）所示是电源调压器的图形符号。