變壓器（Transformer）是一種用於電能轉換的電器設備，它可以把一種電壓、電流的交流電能轉換成相同頻率的另一種電壓、電流的交流電能。變壓器幾乎在所有的電子產品中直接或間接都會使用到，是當今電子產品中使用最普遍也是最重要的部件之一。

變壓器的主要功能有：電壓變換、阻抗變換、隔離、穩壓（磁飽和變壓器）等。根據不同的使用場合（用途）變壓器的技術參數、安全性能和生產工藝都會有所不同的要求。由於變壓器依據不同的功能和用途，種類很多。本文將就最常用的低頻（非電力）電源變壓器的結構、一般電性能參數和生產工藝進行簡單介紹。

一、 變壓器的工作原理

圖1 - 變壓器的構造和電路符號

變壓器主要由閉合鐵芯（絕緣矽鋼片疊合而成）、原線圈（初級線圈n1）和副線圈（次級線圈n2）構成。圖1顯示瞭變壓器的基本構造。從圖中可以看出，原副線圈之間隻有磁的聯系，而沒有直接的電聯系。變壓器原副線圈中由於交變電流而發生的互相感應現象，稱為互感現象。互感現象是變壓器工作的基礎。

圖2 – 變壓器的工作原理

當變壓器的原線圈接入交變電源u1後，原線圈n1流過交流電流i1, 並在閉合鐵芯中形成交變的磁通Φ，閉合鐵芯中的交變磁通Φ在原副線圈中分別產生感應電動勢e1和e2, 並在副線圈中形成交流的電壓u2, 完成磁能到電能的轉換。如圖2所示。

根據電磁感應定律，列出電動勢的瞬時方程式如下：

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（式一）

從以上可以總結出變壓器的工作原理：

（一）互感現象：互感現象是變壓器工作的基礎，從式1可以看出，隻有交變的磁通才能產生互感現象，而直流無法產生交變的磁通，所以變壓器隻能用於交流的電壓變換。

（二）能量轉換：變壓器的能量傳遞是“電能à磁場能à電能”的過程。

對於理想的變壓器（不考慮變壓器的鐵損和銅損時），變壓器還符合以下特性：

（1）理想變壓器的輸入功率等於輸出功率，即:

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（式二）

（2）理想變壓器的原副邊線圈匝數與原副邊電壓成正比，與它們的電流成反比，即：

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（式三）

從式3可以得出以下結論：

（a）當N1>N2時，則u1>u2，是降壓型變壓器。反之當N1<N2時，則u1<u2, 是升壓型變壓器。

（b）隻要改變原副邊線圈的匝數比，就能改變電壓的大小。

（c）改變電壓的同時，也會改變電流的大小。

註：公式3隻適用於隻有1個原副線圈的變壓器。

二、變壓器的基本結構

電源變壓器的種類很多，根據變壓器的鐵芯的形狀結構有多種分類，一般常見的有EI型變壓器、環型變壓器、R型變壓器、C型變壓器以及它們的變異衍生類型等。無論何種類型的變壓器，構成它們的部件基本相同，主要包含鐵芯、繞組（線圈）、絕緣結構和其它附件。

2.1 EI型變壓器

EI型變壓器因鐵芯由E型和I型鐵芯組成閉合鐵芯，如圖3。

圖3 – EI 型變壓器

（1） EI鐵芯：

EI型鐵芯一般都由冷軋鋼帶沖壓而成，常用的有“取向高含矽量”和“無取向中高含矽量”兩種類型，EI型鐵芯俗稱又叫矽鋼片。根據鐵損和磁通密度等參數又可以分成不同的牌號等級，不同國傢（公司）有不同的牌號和等級命名方法，如日本新日鐵老式的Z系列取向和H系列無取向系列。取向鋼片一般厚度為0.35 mm，而無取向鋼片厚度一般為0.5 mm, 也有少量0.35mm。同一牌號的無取向鋼片在實際中又有黑片（退火片）和白片之分。通常就性能來說，取向鋼片優於無取向鋼片，薄片優於厚片，退火片優於白片。

EI型鐵芯在裝配上一般有兩種方式，一種為EI交替式，即EI矽鋼片交替對插，優點是矽鋼片之間不需要特別的固定裝置，一般電源用變壓器用該方式居多。另一種是EI片分置式，即E片和I片各一邊, 由於兩邊完全分開，因此需要特別的固定方式，如焊接或者L支架螺絲固定。優點是可以根據要求方便的在EI片之間設置氣隙，該方式一般隻在特殊場合中應用，比如功放中的音頻輸出變壓器。

（2）線圈繞組：

線圈繞組是構成變壓器的主要組成部分。線圈一般是漆包線，通常用漆包線繞制在變壓器骨架上。對於單輸入和輸出的線圈，如無特別要求，不需要識別相位。但對於多輸入或輸出的線圈，需要註意線圈的相位關系。

（3）絕緣結構：

EI型變壓器通常由骨架和護套構成基本的絕緣結構，有耐溫和阻燃要求。EI變壓器骨架材質一般有PP、PBT、尼龍和電木等。骨架根據線圈繞組的固定和分配方式有單坑（工字）、雙坑（王字）、多坑及帶護套的單坑等多種結構。實際應用中應選擇合適的結構以滿足不同的安全和性能要求。

（4） 其它附件：

其它附件包含絕緣膠帶、引線、絕緣油和凡立水等。

2.2 環型變壓器

環型變壓器的鐵芯形狀是圓環形，由鋼帶由內而外圈繞而成，如圖4。

圖4 – 環型變壓器

圖4中左圖是成品環型變壓器，右圖是變壓器的鐵芯。環型變壓器的鐵芯同EI型變壓器的鐵芯材質基本相同，主要是由取向冷軋鋼帶圈繞而成。厚度一般不超過0.35 mm，更加優質的變壓器鐵芯厚度更是在0.27 mm以下。較好的環型變壓器鐵芯都是由整條鋼帶圈繞而成，而質量較差的鐵芯可能由多段鋼帶拼接繞制而成。

環型變壓器一般沒有EI型變壓器的骨架，主副線圈之間以及線圈與鐵芯之間用絕緣膠帶進行隔離，以滿足相應的安全要求。由於鐵芯是由鋼帶圈繞而成，在內外側邊緣上應做防護處理，以避免損傷漆包線的絕緣層而導致功能和安全失效。

2.3 R型變壓器

R型變壓器的鐵芯形狀是呈形型，截面也呈圓形，如圖5

圖5 – R形變壓器

圖5中左圖成品的R型變壓器，右圖為R型鐵芯和隔離骨架。R型變壓器的鐵芯由高牌號的取向冷軋鋼帶無切割繞制並退火而成，R型變壓器鐵芯截面是圓形。R形變壓器有2組圓形骨架，主副線圈繞組分別繞制在兩個骨架上。相比環型變壓器，R型變壓器由於鐵芯和骨架形狀，線圈之間間隙很小（環形變壓器外圈半徑比內圈大，所以外圈存在間隙），能夠實現緊密繞制，且線圈的長度更短。因此R型變壓器比環型變壓器有更小的漏磁、空載勵磁電流、損耗和發熱。由於有骨架，並且原副線圈邊分開繞制，因此R型變壓器相比環形變壓器有更好的電氣絕緣性能。因此R型變壓器主要用在相當高要求的場合，如高檔音響和精密儀器。

三、變壓器的性能參數

3.1 損耗和效率

實際中的變壓器不是理想狀態，存在一定的損耗，主要包含鐵損和銅損兩部分。

（1）鐵損PFe：當變壓器的原邊繞組通過交流電源後，鐵芯在交變磁通下產生的磁滯損耗和渦流損耗，該部分損耗產生於鐵芯中並以發熱的形式消耗有功功率，故稱為變壓器的鐵損。鐵損取決於變壓器的磁通，而磁通主要取決於線圈上的電壓和頻率，與負載電流無關，因此鐵損是恒定損耗。變壓器在空載狀態下，原邊線圈的電流很小，線圈損耗可以忽略不計，故變壓器的空載損耗即為變壓器的鐵損。

（2）銅損PCu：變壓器的線圈存在電阻，當電流流過時在線圈上產生的損耗即為銅損，由於大部分線圈材質都是銅，故又稱銅損。銅損與負載電流和溫度等相關，因此銅損是可變損耗。可用簡易方法大致確認變壓器的銅損：將副邊線圈短路，然後在原邊線圈從0 V開始逐步升高電壓（額定頻率），直到原邊線圈的輸入電流達到額定電流Ir，由於滿載時的鐵損較小，可忽略不計，故認為此時的輸入功率即為變壓器的銅損。

（3）效率η：由於變壓器存在著鐵損與銅損，所以它的輸出功率永遠小於輸入功率，為此我們引入瞭一個效率的參數來對此進行描述，η=輸出功率/輸入功率。

3.2發熱性能

由於變壓器存在鐵損和銅損，這些損耗以發熱的形式表現出來，所以變壓器在工作時會發出熱量。變壓器的發熱要求與材料工藝、設計目標、應用場合和安全標準等相關。低頻電源變壓器的發熱驗證主要有電耦法和電阻法。電耦法適用於熱電耦容易固定的場合。而電阻法適用於線圈阻值較大的場合。對於大多數場合，兩種測試方法都是適用的。式 4是電阻法的計算公式。

（式4）

式中：

3.3線圈直流電阻

線圈直流電阻的直接影響變壓器的關鍵電氣性能，影響直流電阻的因素有漆包線的線徑、材質、線圈的長度（松緊度、平整度和匝數）。測量線圈直流電阻時，變壓器應當在穩定的溫度環境下放置足夠長的時間，以保證變壓器內部溫度的平衡。對於匝數少，線徑粗和阻值小的線圈，應充分考慮測試系統（如儀表線材和接觸電阻）的影響，必要時可使用毫歐表或電橋進行測量，以確保測試結果的準確度。

3.4 絕緣性能

絕緣性能對電源變壓器和高電壓應用場合的變壓器至關重要，影響絕緣性能的因素很多，如變壓器的絕緣結構、繞組分佈、絕緣材料性能以及生產工藝等。副邊線圈輸出的負載如果是可觸摸的，通常應不低於3kV甚至更高（安全標準不同，要求會有差異）。同時應註意測試時是否有引發明顯的電弧現象，如果有，電弧是否為絕緣結構的損壞或缺陷引起，應加以分析並盡可能改善。

3.5 其它性能

電源變壓器除瞭溫升和效率外，實際應用中可能還有其它一些重要參數，如空載功率、負載調整率、漏磁、噪音和對應的安全法規要求。

文：yunzheng xu