4.1 变压器元件

4.1.1 变压器及其图形符号

1.电感线圈的互感现象

电感线圈除有自感特性外，还具有互感特性，下面结合图4-1所示实验来了解。

按图4-1（a）所示将电池、开关、线圈A连接起来；把万能表红线插头插入100μA插孔内，再用两表笔与B线圈两端头连接，将开关接通一瞬间后很快断开，多次反复进行，就可看到表针左右摆动，表明线圈B中有电流流动。想一想，A线圈与B线圈相互绝缘，电源只是加在线圈A上，为什么线圈B中会产生电流呢？

原来，在开关接通一瞬间，电源便使A线圈从无到有、从小到大产生变化电流。根据“电生磁”原理，线圈A将随之产生从无到有、从弱到强的感应磁场。线圈A的磁场必然穿过线圈B。再根据“磁生电”原理，线圈B又产生感应电动势，并与电流表构成闭合电路，便形成电流使表针摆动。

上述一个线圈电流变化引起另一个线圈产生感应电动势或感应电流的现象，叫做互感现象。互感产生的电动势叫互感电动势。互感现象表明，通入电流和产生感应电动势是发生在两个（或多个）线圈之间，这与自感现象有显著区别。变压器就是利用互感原理设计制造的一种电子元件。

还可继续实验，将万能表调到10V交流电压挡或2.5V直流电压挡，间断地通、断开关时，同样看到表针摆动，进一步证实因互感作用在线圈B上产生了感应电动势（电压）。如果将铁芯取除，这时无论是测量线圈B的感应电流还是电压，表针摆动幅度比有铁芯时小得多。这表明，铁芯有聚集磁场、增强互感的作用。如果用图形符号代替实物，就可将图4-1（a）画为图4-1（b）。

2.各种变压器

变压器的种类很多，如图4-2所示是三种常用变压器的代表，先供读者认识。

3.变压器的图形符号

电源变压器是由两个或两个以上的绕组共一个铁芯构成。变压器的图形符号也就由此而来，如图4-3所示。

实际中，根据应用场合不同，常用到低频变压器、中频变压器和高频变压器。用途的不同决定了这几种变压器的特性有所区别，图形符号也有区别。低频变压器使用铁芯，中频变压器使用磁芯，高频变压器则是空心，如图4-3所示。

电源变压器工作于50Hz、220V的场合，应用了铁芯。其图形符号如图4-3（a）所示。

中频变压器常用在频率为几百千赫至几十兆赫的场合，由于频率较高，若采用铁芯将对中频信号产生极大的铁芯损耗，所以中频变压器采用磁芯。其图形符号如图4-3（b）所示。

高频变压器的图形符号如图4-3（c）所示。

4.1.2 电源变压器的特点

1.从外表认识电源变压器

图4-4（a）所示是一个电源变压器，从外表看，第一印象就认识到变压器是由线圈绕组构成的。继续观察，它有①、②、③、④四个引脚，每个引脚各焊接有一个线头，表明该变压器有4个线头。仔细观察还能发现，①、②线头的线径相同，③、④线头的线径相同，则①、②必定是同一绕组的两个端头，而③、④必定是另一个绕组的两个端头。这表明，这个变压器是由两个线圈构成。实质上，电源变压器就是由两个及两个以上彼此绝缘相互靠近的线圈共用一个铁芯构成的。

2.测量变压器电阻和电压

（1）测量变压器的直流电阻。将万能表调到R×10挡测变压器四个引脚间的电阻值，就发现①～②间电阻值为1200Ω；③～④间电阻值为4Ω。①～③或②～④之间的电阻值为无穷大，这表明变压器中两个线圈绕组是相互绝缘的。

①～②绕组的电阻值较大，表明它的匝数多或使用的导线细。③～④绕组的电阻值较小，说明它的匝数少或使用的导线粗。可用如图4-4（b）所示的结构示意图来表示电源变压器中的①～②绕组与③～④绕组。

（2）测量变压器的交流电压。在①～②绕组的两个引脚上焊接带有插头的导线，并用绝缘胶布包扎好。在保证安全的前提下，将插头插入220V电源插座中。接着把万能表调到50V交流电压挡，用两个表笔分别接触变压器③、④引脚，指针就指示出12V交流电压值。这表明变压器能将一个绕组加入的交流高电压转变为另一个绕组的交流低电压。220V高电压是送入变压器内，常称为变压器的输入电压，而12V低电压是由电源变压器向外送出的，常称为变压器的输出电压。

3.电源变压器结构特点

将电源变压器解剖，便能清楚认识变压器的组成结构，如图4-5所示。

（1）变压器的骨架。图4-5（a）所示是变压器的塑料骨架，上下侧板间构成一个绕线槽，两个绕组都绕在这个槽内。骨架正中制有方形穿心孔，用于插入铁芯。在骨架侧板上，预制有金属引脚，线圈绕组的端头就焊接在相应的引脚上。

骨架的结构还有两槽或更多槽形式，以便将不同绕组绕入不同槽内，加强绕组间的绝缘强度，但侧板过多会占用绕制绕组的空间。

实际中，还有一种骨架两端没有侧板，需将骨架夹在模具中绕制绕组，然后浸绝缘漆烘干定型，线圈绕组就不会松散。这种骨架因没有侧板，能多绕一些线圈，缩小变压器体积。

制造骨架的材料有多种，还可用胶纸板、胶布板、胶木化纤维板、胶木板、环氧胶木板、酚醛胶木板等。常是根据变压器使用场合和环境来选用，主要考虑耐温、耐潮湿及损耗等。如果在高温环境中使用，不宜选用塑料骨架，应该选用环氧胶木板或酚醛胶木板作为骨架。

（2）变压器的线包。能将220V变为12V的小电源变压器多用于录音机中。在实际中，根据需要，可制成多种电压值的变压器。在功率适应的情况下，可制成将220V变为24V的变压器，用于蓄电池充电器中。也可制成将220V变成为6V的变压器，用于收音机中。变压器变压高低，主要取决于变压器中各个绕组的匝数。

解剖变压器，数数两个绕组的匝数，可知绕组①～②的匝数为3300匝，绕组③～④的匝数只有180匝。

在变压器中，与输入电源相连的绕组，叫变压器的初级绕组或原线圈。其他所有绕组统称为次级绕组或副线圈。如果有多个次级绕组，可分别称为次级绕组Ⅰ、次级绕组Ⅱ、次级绕组Ⅲ……变压器所有绕组绕到同一个骨架上后，就成为一个包，称为变压器的线包。该变压器中绕组①～②就是初级绕组，绕组③～④就是次级绕组。

解剖这个电源变压器后，可以了解线包的特点：

① 先拆绕组③～④，后拆绕组①～②。说明制造变压器时，初级绕组①～②先绕在线包内层，次级绕组③～④后绕在线包外层。

② 拆卸时，数过初、次级绕组的匝数就知初级绕组匝数比次级多。

③ 可直观看出，初级绕组的导线较细，次级绕组的导线较粗。测量导线直径可知，初级导线的直径为0.12mm，次级导线的直径为0.47mm。

④ 测初级绕组的电阻是1200Ω，次级绕组的电阻是4Ω。

⑤ 由于骨架是方形，所以初、次级绕组也为方形，如图4-5（b）、（c）所示。

（3）变压器的绝缘材料。由于初级绕组①～②加的220V电压较高，次级绕组③～④送出的12V电压较低，为了保证初、次级绝缘可靠，常在缠绕完变压器初级绕组之后，在其外表包绕一层如图4-5（d）所示的绝缘纸，再在绝缘纸上缠绕次级绕组。绝缘纸一般为牛皮纸、青壳纸、白玻璃纸等。牛皮纸厚度为0.05～0.10mm，青壳纸厚度为0.10～0.12mm，白玻璃纸厚度为0.015～0.02mm。表4-1中列出了一些变压器常用的绝缘纸。

（4）变压器的铁芯。电源变压器铁芯并不是图4-1所示的整块铁，而是由许多如图4-5（e）所示形状的铁片（常称硅钢片）叠成的。每层由一个“I”形部分和一个“E”形部分拼合成。铁片形状除如图4-5（e）所示的“EI”形外，还有“□”型、“F”型和“C”型，如图4-6所示。铁片不是普通的铁材料，而是具有高导磁率的硅钢片材料。电源变压器中采用的硅钢片较薄，厚度为0.35～0.5mm。硅钢片外表覆盖有一层薄绝缘漆，以保证相邻硅钢片之间绝缘。

组装变压器铁芯时，先将一片“E”形铁片从下向上插入骨架孔中，接着将第二片从上向下插入骨架孔中，从第二层起，每插入一个“E”形铁片，就应在“E”形铁片的口端拼入一个“I”形铁片，如此插入第三层、第四层……直到插完为止。最后要求插入的每层硅钢片之间必须贴紧，每层“E”形与“I”形硅钢片必须紧密结合，如图4-5（f）所示。

电源变压器使用薄片铁芯，主要有两方面原因：一方面规范线圈磁场的磁路，限制磁力线散射，避免干扰其他电路；另一方面可减少变压器的涡流损耗，提高变压器效率。

（5）变压器的外壳。铁片插完后，装上如图4-5（g）所示的外壳有两个作用：一是外壳上有两个孔，便于用螺钉固定；二是能屏蔽变压器的感应磁场，以免干扰其他电路。

4.电源变压器的变压原理

电源变压器能将初级绕组的220V交流电压变低，是利用电磁感应中“电能生磁”、“磁能生电”原理，以磁场变化为媒体实现的。简单地讲，就是通过两个绕组间的互感才得以在次级绕组上产生输出电压。为什么次级输出电压比初级输入电压低呢？在初级绕组加入了50Hz、220V交流电后，电源电压与频率就确定了。输出电压的高低主要决定于次、初级绕组的匝数。下面分两种情况深入讨论。

初级绕组的匝数越多，电感越大，对50Hz、220V交流电的感抗越大，必然使初级绕组的交流电流变小，产生的磁场强度减弱。因为互感作用，所以穿过次级绕组的磁场也就较弱，产生的感应电动势就越小，即次级交流电压越低；反之，次级绕组产生的交流电压就越高。

在初级绕组的匝数与线径确定之后，电感量和感抗及通过初级绕组的交流电流与产生的磁场强度就确定了。经互感作用，穿过次级绕组的磁场也确定。这时如果次级线圈的匝数越多，产生的互感电动势就越高，即次级绕组产生的感应电压越高；反之，感应产生的交流电压就越低。

上述分析，其实是第3章知识的应用。由此可见，电源变压器从次级输出电压的高低，完全取决于变压器初、次级绕组匝数的多少。