5.2　变压器

5.2.1　外形与符号

变压器可以改变交流电压或交流电流的大小。变压器如图5-15所示。

5.2.2　结构原理

1.结构

两组相距很近、又相互绝缘的线圈就构成了变压器。变压器的结构如图5-16所示，从图中可以看出，变压器主要是由绕组和铁芯组成。绕组通常是由漆包线（在表面涂有绝缘层的导线）或纱包线绕制而成，与输入信号连接的绕组称为一次绕组（或称为初级线圈），输出信号的绕组称为二次绕组（或称为次级线圈）。

2.工作原理

变压器是利用电-磁和磁-电转换原理工作的。下面以图5-17所示电路来说明变压器的工作原理。

当交流电压U1送到变压器的一次绕组L1两端时（L1的匝数为N1），有交流电流I1流过L1，L1马上产生磁场，磁场的磁感线沿着导磁良好的铁芯穿过二次绕组L2（其匝数为N2），有磁感线穿过L2，L2上马上产生感应电动势，此时L2相当一个电源，由于L2与电阻R连接成闭合电路，L2就有交流电流I2输出并流过电阻R，R两端的电压为U2。

变压器的一次绕组进行电-磁转换，而二次绕组进行磁-电转换。

5.2.3　变压器“变压”和“变流”说明

变压器可以改变交流电压大小，也可以改变交流电流大小。

1.改变交流电压

变压器既可以升高交流电压，也能降低交流电压。在忽略电能损耗的情况下，变压器一次电压U1、二次电压U2与一次绕组匝数N1、二次绕组匝数N2的关系为

式中，n称作匝数比或电压比。由上面的式子可知：

① 当二次绕组匝数N2多于一次绕组的匝数N1时，二次电压U2就会高于一次电压U1。即时，变压器可以提升交流电压，故电压比n＜1的变压器称为升压变压器。

② 当二次绕组匝数N2少于一次绕组的匝数N1时，变压器能降低交流电压，故n＞1的变压器称为降压变压器。

③ 当二次绕组匝数N2与一次绕组的匝数N1相等时，变压器不会改变交流电压的大小，即一次电压U1与二次电压U2相等。这种变压器虽然不能改变电压大小，但能对一次、二次电路进行电气隔离，故n=1的变压器常用作隔离变压器。

2.改变交流电流

变压器不但能改变交流电压的大小，还能改变交流电流的大小。由于变压器对电能损耗很少，可忽略不计，故变压器的输入功率P1与输出功率P2相等，即

从上面公式可知，变压器的一次、二次电压与一、二次电流成反比。若提升了二次电压，就会使二次电流减小；降低二次电压，二次电流会增大。

综上所述，对于变压器来说，匝数越多的线圈两端电压越高，流过的电流也越小。例如，某个电源变压器上标注“输入电压220V，输出电压6V”，那么该变压器的一、二次绕组匝数比n=220/6=110/3≈37，当将该变压器接在电路中时，二次绕组流出的电流是一次绕组流入电流的37倍。

5.2.4　变压器阻抗变换功能说明

1.阻抗变换原理

根据最大功率传输定理可知：负载要从信号源获得最大功率的条件是负载的电阻（阻抗）与信号源的内阻相等。负载的电阻与信号源的内阻相等又称两者阻抗匹配。但很多电路的负载阻抗与信号源的内阻并不相等，这种情况下可采用变压器进行阻抗变换，同样可实现最大功率传输。下面以图5-18所示电路为例来说明变压器的阻抗变换原理。

在图5-18（a）中，要负载从信号源中获得最大功率，需让负载的阻抗Z与信号源内阻R0相等，即Z=R0。这里的负载可以是一个元件，也可以是一个电路，它的阻抗可以用表示。现假设负载是图5-18（b）虚线框内由变压器和电阻组成的电路，该负载的阻抗变压器的匝数比为n，电阻的阻抗为ZL，根据变压器改变电压的规律可得到下式，即

从上式可以看出，变压器与电阻组成电路的总阻抗Z是电阻阻抗ZL的n2倍，即Z=n2ZL。如果让总阻抗Z等于信号源的内阻R0，变压器和电阻组成的电路就能从信号源获得最大功率。又因为变压器不消耗功率，所以功率全传送给真正负载（电阻），达到功率最大程度传送目的。由此可以看出：通过变压器的阻抗变换作用，真正负载的阻抗不须与信号源内阻相等，同样能实现功率最大传输。

2.变压器阻抗变换的应用举例

如图5-19所示，音频信号源内阻R0=72Ω，而扬声器的阻抗ZL=8Ω，如果将两者按图5-19（a）的方法直接连接起来，扬声器将无法获得最大功率。这时可使用变压器进行阻抗变换来让扬声器获得最大功率，如图5-19（b）所示。至于选择匝数比n为多少的变压器，可用R0=n2ZL计算，结果可得到n=3。也就是说，只要在音频信号源和扬声器之间接一个匝数比n=3的变压器，扬声器就可以从音频信号源获得最大功率的音频信号，从而发出最大的声音。

5.2.5　特殊绕组变压器

前面介绍的变压器一、二次绕组分别只有一组绕组，实际应用中经常会遇到其他一些形式绕组的变压器。

1.多绕组变压器

多绕组变压器的一、二次绕组由多个绕组组成，图5-20（a）是一种典型的多个绕组的变压器，如果将L1作为一次绕组，那么L2、L3、L4都是二次绕组，L1绕组上的电压与其他绕组的电压关系都满足

例如，N1=1000、N2=200、N3=50、N4=10，当U1=220V时，U2、U3、U4电压分别是44V、11V和2.2V。

对于多绕组变压器，各绕组的电流不能按来计算，而遵循P1=P2+P3+P4，即U1I1=U2I2+ U3I3+U4I4，当某个二次绕组接的负载电阻很小时，该绕组流出的电流会很大，其输出功率就增大，其他二次绕组输出电流就会减小，功率也相应减小。

2.多抽头变压器

多抽头变压器的一、二次绕组由两个绕组构成，除了本身具有四个引出线外，还在绕组内部接出抽头，将一个绕组分成多个绕组。图5-20（b）是一种多抽头变压器。从图中可以看出，多抽头变压器由抽头分出的各绕组之间电气上是连通的，并且两个绕组之间公用一个引出线，而多绕组变压器各个绕组之间电气上是隔离的。如果将输入电压加到匝数为N1的绕组两端，该绕组称为一次绕组，其他绕组就都是二次绕组，各绕组之间的电压关系都满足

3.单绕组变压器

单绕组变压器又称自耦变压器，它只有一个绕组，通过在绕组中引出抽头而产生一、二次绕组。单绕组变压器如图5-20（c）所示。如果将输入电压U1加到整个绕组上，那么整个绕组就为一次绕组，其匝数为（N1+N2），匝数为N2的绕组为二次绕组，U1、U2电压关系满足

5.2.6　变压器种类

变压器种类较多，可以根据铁芯、用途及工作频率等进行分类。

1.按铁芯种类分类

变压器按铁芯种类不同，可分为空心变压器、磁芯变压器和铁芯变压器，它们的电路符号如图5-21所示。

空心变压器是指一、二次绕组没有绕制支架的变压器。磁芯变压器是指一、二次绕组绕在磁芯（如铁氧体材料）上构成的变压器。铁芯变压器是指一、二次绕组绕在铁芯（如硅钢片）构成的变压器。

2.按用途分类

变压器按用途不同，可分为电源变压器、音频变压器、脉冲变压器、恒压变压器、自耦变压器和隔离变压器等。

3.按工作频率分类

变压器按工作频率不同，可分为低频变压器、中频变压器和高频变压器。

（1）低频变压器

低频变压器是指用在低频电路中的变压器。低频变压器铁芯一般采用硅钢片，常见的铁芯形状有E形、C形和环形，如图5-22所示。

E形铁芯优点是成本低，缺点是磁路中的气隙较大，效率较低，工作时电噪声较大。C形铁芯是由两块形状相同的C形铁芯组合而成，与E形铁芯相比，其磁路中气隙较小，性能有所提高。环形铁芯由冷轧硅钢带卷绕而成，磁路中无气隙，漏磁极小，工作时电噪声较小。

常见的低频变压器有电源变压器和音频变压器，如图5-23所示。

电源变压器的功能是提升或降低电源电压。其中降低电压的降压变压器最为常见，一些手机充电器、小型录音机的外置电源内部都采用降压电源变压器，这种变压器一次绕组匝数多，接220V交流电压，而二次绕组匝数少，输出较低的交流电压。在一些优质的功放机中，常采用环形电源变压器。

音频变压器用在音频信号电路中起阻抗变换作用，可让前级电路的音频信号能最大限度传送到后级电路。

（2）中频变压器

中频变压器是指用在中频电路中的变压器。无线电设备采用的中频变压器又称中周，中周是将一、二次绕组绕在尼龙支架（内部装有磁芯）上，并用金属屏蔽罩封装起来而构成的。中周的外形、结构与电路图形符号如图5-24所示。

中周常用在收音机和电视机等无线电设备中，主要用来选频（即从众多频率的信号中选出需要频率的信号），调节磁芯在绕组中的位置可以改变一、二次绕组的电感量，就能选取不同频率的信号。

（3）高频变压器

高频变压器是指用在高频电路中的变压器。高频变压器一般采用磁芯或空心，其中采用磁芯的更为多见，最常见的高频变压器就是收音机的磁性天线，其外形和电路图形符号如图5-25所示。

磁性天线的一、二次绕组都绕在磁棒上，一次绕组匝数很多，二次绕组匝数很少。磁性天线的功能是从空间接收无线电波，当无线电波穿过磁棒时，一次绕组上会感应出无线电波信号电压，该电压再感应到二次绕组上，二次绕组上的信号电压送到电路进行处理。磁性天线的磁棒越长，截面积越大，接收下来的无线电波信号也越强。

5.2.7　主要参数

变压器的主要参数有电压比、额定功率、频率特性和效率等。

（1）电压比

变压器的电压比是指一次绕组电压U1与二次绕组电压U2之比，它等于一次绕组匝数N1与二次绕组N2的匝数比，即

降压变压器的电压比n＞1，升压变压器的电压比n＜1，隔离变压器的电压比n=1。

（2）额定功率

额定功率是指在规定工作频率和电压下，变压器能长期正常工作时的输出功率。变压器的额定功率与铁芯截面积、漆包线的线径等有关，变压器的铁芯截面积越大、漆包线线径越粗，其输出功率就越大。

一般只有电源变压器才有额定功率参数，其他变压器由于工作电压低、电流小，通常不考虑额定功率。

（3）频率特性

频率特性是指变压器有一定的工作频率范围。不同工作频率范围的变压器，一般不能互换使用，如不能用低频变压器代替高频变压器。当变压器在其频率范围外工作时，会出现温度升高或不能正常工作等现象。

（4）效率

效率是指在变压器接额定负载时，输出功率P2与输入功率P1的比值。变压器效率可用下面的公式计算：

η值越大，表明变压器损耗越小，效率就越高。变压器的效率值一般在60%～100%之间。

5.2.8　用指针万用表检测变压器

在检测变压器时，通常要测量各绕组的电阻、绕组间的绝缘电阻、绕组与铁芯之间的绝缘电阻。下面以图5-26所示的电源变压器为例来说明变压器的检测方法。（注：该变压器输入电压为220V、输出电压为3V-0V-3V、额定功率为3VA。）

变压器的检测步骤如下：

第一步：测量各绕组的电阻。

万用表拨至×100Ω挡，红、黑表笔分别接变压器的1、2端，测量一次绕组的电阻，如图5-27（a）所示，然后在刻度盘上读出阻值大小。图中显示的是一次绕组的正常阻值，为1.7kΩ。

若测得的阻值为∞，说明一次绕组开路。

若测得的阻值为0，说明一次绕组短路。

若测得的阻值偏小，则可能是一次绕组匝间出现短路。

然后万用表拨至×1Ω挡，用同样的方法测量变压器的3、4端和4、5端的电阻，正常约几Ω。

一般来说，变压器的额定功率越大，一次绕组的电阻越小，变压器的输出电压越高，其二次绕组电阻越大（因匝数多）。

第二步：测量绕组间绝缘电阻。

万用表拨至×10kΩ挡，红、黑表笔分别接变压器一、二次绕组的一端，如图5-27（b）所示，然后在刻度盘上读出阻值大小。图中显示的阻值为无穷大，说明一、二次绕组间绝缘良好。

若测得的阻值小于无穷大，说明一、二次绕组间存在短路或漏电。

第三步：测量绕组与铁芯间的绝缘电阻。

万用表拨至×10kΩ挡，红表笔接变压器铁芯或金属外壳，黑表笔接一次绕组的一端，如图5-27（c）所示，然后在刻度盘上读出阻值大小。图中显示的是阻值为无穷大，说明绕组与铁芯间绝缘良好。

若测得的阻值小于无穷大，说明一次绕组与铁芯间存在短路或漏电。

再用同样的方法测量二次绕组与铁芯间的绝缘电阻。

对于电源变压器，一般还要按图5-27（d）所示方法测量其空载二次电压。先给变压器的一次绕组接220V交流电压，然后用万用表的10V交流挡测量二次绕组某两端的电压，测出的电压值应与变压器标称二次绕组电压相同或相近，允许有5%～10%的误差。若二次绕组所有接线端间的电压都偏高，则一次绕组局部有短路；若二次绕组某两端电压偏低，则该两端间的绕组有短路。

5.2.9　用数字万用表检测变压器

用数字万用表检测变压器如图5-28所示，测量内容有变压器一、二次绕组的电阻，一、二次绕组间的绝缘电阻，绕组与金属外壳间的绝缘电阻和二次绕组的输出电压。

5.2.10　变压器的选用

1.电源变压器的选用

选用电源变压器时，输入、输出电压要符合电路的需要，额定功率应大于电路所需的功率。如图5-29所示，该电路需要6V交流电压供电，最大输入电流为0.4A。为了满足该电路的要求，可选用输入电压为220V、输出电压为6V、功率为3VA（3VA＞6V×0.4A）的电源变压器。

对于一般电源电路，可选用E形铁芯的电源变压器；若是高保真音频功率放大器的电源电路，则应选用C形或环形铁芯的变压器。对于输出电压、输出功率相同且都是铁芯材料的电源变压器，通常可以直接互换。

2.其他类型的变压器

虽然变压器基本工作原理相同，但由于铁芯材料、绕组形式和引脚排列等不同，造成变压器种类繁多。在设计制作电路时，选用变压器时要根据电路的需要，从结构、电压比、频率特性、工作电压和额定功率等方面考虑。在检修电路中，最好用同型号的变压器替换已损坏的变压器，若无法找到同型号变压器，尽量找到参数相近变压器进行替换。

5.2.11　变压器的型号命名方法

国产变压器的型号命名由以下三部分组成。

第一部分：用字母表示变压器的主称。

第二部分：用数字表示变压器的额定功率。

第三部分：用数字表示序号。

变压器的型号命名及含义如表5-2所示。

例如DB-60-2表示60VA电源变压器。