阻容感基础10：电感器分类（4）-变压器

说在开头：关于引力波（1）

爱因斯坦在捣鼓相对论的时候，就隐约感觉到有引力波的存在，他认为：在这个宇宙中没有什么信号传播的速度能超越光速，那么引力传播也不可能超越光速，必定需要时间，那么显然就会以波的形式向外扩散，这就是引力波。

爱因斯坦后来到了普林斯顿，此时已是年过半百，他想找一位助手来帮忙搞研究，选中了一位小伙子：罗森。他们一起搞了：爱因斯坦-罗森桥（即虫洞），EPR佯谬（跟波尔的嘴战，量子理论相关），以及引力波论文。他们研究引力波时，发现引力定律和电磁学的库伦定律优点相像，按照爱因斯坦的想法就仿照电磁场（麦克斯韦方程组）的处理方式构建引力场，但是广义相对论场方程很复杂，处理起来非常麻烦，只有在很弱时才可以认为近似的线性，这就叫做“弱场近似”；爱因斯坦把引力场做了类似的处理，仿照电磁方程的推导方式，来推导波动的解。但是两个人在计算时出来一个老大难的问题：还是那个横躺的8（∞），这货也称为奇点；怎么变换坐标都没法消除。所以他们这篇论文的题目就叫《引力波存在吗？》，他俩认为引力波可能是不存在的。

写完文章罗森就跑去了苏联的基辅大学（现在大名鼎鼎的乌克兰首都）任教，爱因斯坦就把论文投稿给了美国当时顶尖刊物《物理评论》，美国人审稿都要求背对背审稿，连爱因斯坦都不能幸免，杂志的主编就给爱因斯坦找了个审稿人，这个审稿人挑出若干毛病，写了一大堆审稿意见，《物理评论》主编就转给了爱因斯坦，爱因斯坦心里不爽，看到审稿意见就回信表示撤稿，不发了，转手投递到了一个名气较小的刊物《富兰克林研究所学报》上，人家一看来了一尊大菩萨，马上表示同意刊登。这时爱因斯坦来了一个新助手叫英菲尔德，跟着他搞引力波的研究，他之前看了爱因斯坦和罗森合作的引力波论文，当时比较疑惑：引力波应该是存在的啊，现在碰到的问题是可以解决的。但他不敢怀疑老头子，还是接受了爱因斯坦的意见。

后来英菲尔德认识了罗伯逊教授，聊到了引力波的问题，结果罗伯逊教授居然侃侃而谈，清晰明了的把问题一一点破，并干净利落的把问题解决了。英菲尔德一听，马上告诉了爱因斯坦，此时爱因斯坦已理清了脑子，态度立马大反转：引力波是存在的。现在的问题是要把论文给改了，可是先前的文章已经交给了费城的《富兰克林研究所学报》，如果印出来这张老脸往哪搁，结果幸好还没开印，爱因斯坦赶紧打补丁，把论文名字改为《关于引力波》，后边还加了一句鸣谢：感谢罗伯逊教授提供了有益的帮助。罗森看到发出来的文章一脸懵逼，怎么结论大翻盘了呢。罗森还是不认账，一直不承认引力波的存在。

当年给爱因斯坦审稿的人到底是谁呢？后来逐一排查，发现当年给爱因斯坦审稿的就是罗伯逊，他并没有对外透露。当然《物理评论》主编也没有告诉罗伯逊论文稿子是爱因斯坦和罗森写的。凑巧的是罗伯逊和爱因斯坦是同事，后来还成了好朋友，当年爱因斯坦收到审稿意见后满脑子不爽，根本没去看，不然早就可以发现自己的问题了，何至于罗伯逊拐弯抹角的去提醒他。（参考自:吴京平-无中生有的世界）

八，变压器

如我在前面电感特性原理中所说，我长久以来对变压器都感到非常地困惑：凭什么两个毫无电气连接关系的线圈能够传递能量？

当然我们通过前面对电感器相关特性的学习知道了：通过线圈将电场能量转化为磁场能量储存在磁芯中，对于如下图变压器来说通过原边或是副边来释放磁场能量并无任何差别。所以在开关电源设计中，原边输入的能量，其能量消耗反而取决于副边负载。

变压器就其本质来说也是一种电感器，利用电磁互感应来变换电路中交流电压、电流和阻抗特性的器件。变压器的原理是：当初级线圈中通有交流电流时，铁芯（或磁芯）中便产生交流磁通，使次级线圈中感应出电压。

——根据电磁感应原理，如下图所示，当变压器输入交流电压Vin时，其原边感应电压Vin = -N1* dΦ/dt，副边感应电压为Vout = -N2*dΦ/dt；由于原边和副边线圈共用1个磁芯（不考虑漏磁），其通过原边和副边的磁通量变化相同，所以Vout = -N2*(-Vin/N1) = Vin*N2/N1，可得Vout/Vin = N2/N1 = n（匝数比）。所以对于理想变压器原理：其绕组匝数比不同最终导致的是各绕组之间的电压比不同，与绕组是否流过电流无关；Pin = Pout，Vin * Iin = Vout * Iout，所以：Iout/Iin = Vin/Vout = N1/N2。

变压器的结构：由铁芯（或磁芯）和线圈组成，线圈有两个或两个以上的绕组，其中接电源的绕组叫初级线圈（原边），其余的绕组叫次级线圈（副边）。变压器的能量转换并非100%，就算是副边空载也一样存在损耗，称之为空载损耗；如下图所示，该损耗并非原边/副边的漏感所导致，正如电感特性概念所述，电感是储能元件，即使是漏感也不会消耗电能；之所以有损耗，主要是磁芯损耗（磁滞损耗和涡流损耗）以及极少铜导线上电阻的绕组损耗。

——铁芯使用硅钢片，硅钢片中的硅使得磁芯的电阻率增加，减少铁芯涡流损耗。

1，变压器分类

按冷却方式分类：干式（自冷）变压器、油浸（自冷）变压器、氟化物（蒸发冷却）变压器。

按防潮方式分类：开放式变压器、灌封式变压器、密封式变压器。

按铁芯或线圈结构分类：芯式变压器、壳式变压器、环型变压器、金属箔变压器。

——壳式变压器铁芯包围住线圈，形成一个外壳；而芯式变压器铁芯大部分在线圈之中，只有一部分在线圈外作为磁回路。

按电源相数分类：单相变压器、三相变压器、多相变压器。

按用途分类：电源变压器、调压变压器、音频变压器、中频变压器、高频变压器、脉冲变压器。

2，变压器结构

变压器主要由：磁芯，骨架，漆包线，胶带，套管，铜皮，绝缘油等构成，如下图所示。

1. 磁芯材料的选择依据：1，工作频率范围；2，饱和磁密度（磁感应强度）大小；3，磁芯的损耗。如下图所示；

2. 磁芯形状的选择依据：1，功率密度要求；2，成品高度的限制；3，绕阻的多少；4，漆包线的引出形式。如下图所示；

3. 变压器绕线，主要关注绕线方式以及漆包线的选择，关于铜线直径选择标准后续在“开关电源”章详细介绍。如下图所示；

3，变压器参数

1. 额定功率：在规定频率和电压下，变压器长期工作而不超过规定温升的最大输出功率；

1, 额定功率包含部分无功功率，单位为VA，一般在数百VA以下；

2, 额定功率与磁芯体积、绕组导线直径等有关：同样情况下，磁芯体积越大，导线越粗，额定功率也越大。

2. 工作频率：是变压器传输不同频率信号能力的重要参数，变压器磁芯/铁芯损耗与频率关系很大，故应根据使用频率来设计和使用，这种频率称工作频率。

—— 加在变压器上的电压频率若在其频率范围以外时，可能出现工作时温度过高或不能正常工作等现象。

3. 额定电压：在变压器线圈上所允许施加的最大电压；

—— 变压器长期、可靠、稳定运行所能承受的最大工作电压。

4. 额定电流：变压器在额定容量下，长期可靠、稳定运行所允许通过的最大电流。

5. 电压比（K）：指变压器初级电压和次级电压的比值：空载电压比和负载电压比；

——理想变压器的电压比跟空载或负载无关，但是实际绕组铜线的损耗（压降）、磁芯损耗以及漏感在空载和负载条件下不同，造成了空载电压比和负载电压比的差别。

6. 效率：指在额定负载的情况下，副边功率P2与原边功率P1比值的百分比：η =P1/P2；一般变压器的额定功率愈大，效率就愈高。

7. 漏电感：变压器原边绕组中电流产生的磁力线不可能全部都通过副边绕组，而不通过副边绕组的磁力线就叫漏磁通；由于漏磁通而产生的电感，称为漏感。如下图所示；

8. 空载电流：变压器次级开路时，原边仍有一定的电流，这部分电流称为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯/磁芯损耗引起）组成。对于50Hz电源变压器而言，空载电流基本上等于磁化电流；

9. 空载损耗：指变压器副边开路时，在原边测得功率损耗；主要损耗是铁芯/磁芯损耗，其次是空载电流在原边绕组铜阻上产生的损耗（绕组损耗），这部分损耗很小，可以忽略不计。如下图所示；

——铁芯/磁芯损耗由磁滞损耗和涡流损耗组成；磁滞损耗与导磁材料的磁化曲线面积成正比，与磁通密度的平方成正比；而涡流损耗与磁通密度、导磁材料厚度以及频率的平方成正比；降低空载损耗就要降低磁通密度（B），其结果导致导磁材料的重量增加；或者采用高导磁，低损耗的导磁材料，或者采用厚度更薄的导磁材料。 

10. 绝缘电阻：表示变压器各线圈之间、各线圈与铁芯之间的绝缘性能好坏的参数。

1, 绝缘电阻的高低与所使用的绝缘材料的性能、温度高低和潮湿程度有关；

2, 如果电源变压器的绝缘电阻太低，就可能出现一次绕组与二次绕组间的短路，造成电气设备的损坏，外壳带电的危险。

——对于电源变压器，绝缘电阻应在1OMΩ以上。

九，网络变压器

网络变压器又称为网络隔离变压器，由于以太网是常用对外通信接口，网络变压器的使用也是非常的多，同时其种类也非常多。我们本章做一个简单的原理介绍，网络变压器主要有三个作用：

1. 传输数据：把PHY送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并通过电磁场的转换耦合到不同电平的连接网线的另外一端；

——有两部分功能：1，滤除杂波；2，不同电平之间的转换（AC耦合）；

2. 隔离：对网线连接的不同网络设备不同电平进行隔离，防止不同电压（不同参考地或浮地）通过网线传输损坏设备；

3. 浪涌防护：对设备起到一定的共模浪涌防护作用。

网络变压器的内部结构也有很多种类，如下示意图为其中一种100M网络变压器；主要由三个部分所组成：CMC，Transfomer，AUTO Transformer。

1. CMC（Common mode Choke，共模扼流圈）：是一个闭合磁环上对称绕制方向相反、匝数相同的线圈；理想情况下对差分对信号线之间的共模干扰具有抑制作用，而对差分对之间存在的差模信号无抑制作用；

2. Transformer：用于隔离两台设备的直流偏置电平，这是变压器的主要功能部分电路，其变压器匝数比为1:1；

3. Auto-Transformer（自耦变压器）：自耦合变压器对差模信号形成高阻抗，对共模信号无阻抗，按照以上的接线方式接入线路中，可以有效地进行信号传输，继而进一步减少及抑制了电磁干扰。

——这是变压器有共模浪涌防护能力的原因，一般情况下变压器自身的共模防护能力，可以满足“室内”应用场景浪涌防护的标准。

写在最后

元器件专题之阻容感器件，很快就要接近尾声，电感部分是理解的重点和难点。限于个人目前能力所限，肯定会有不少理解错误的、论述不全面的、逻辑表达不清楚等等的情况；况且，阻容感技术知识是何其多啊，我所能分享的，知识原理基础中的一小部分而已。我所希望的是阻容感这些知识内容，能给大家带来一些思考或启发。

我们大多只是抄demo板，抄前人设计甚至道听途说的一些设计注意点呢？似乎只要保持原先设计不变，就能够保证产品的可靠吗？这，在我看来显然是不能够的。硬件设计是科学，而并非玄学，是要能够扒拉出来：1,2,3……的理由来的，只要我们理解了设计背后的基础知识，所有的设计也必将水到渠成。

本章部分相关内容和图片参考自： “硬件十万个为什么”论坛相关文章。下一章《电感器应用》。

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