电源变压器的设计

电源变压器的设计

首先要整明白变压器的各项参数、计算公式。说明：这里是针对业余条件下的简化设计，有些内容可能还会与书本上的有些出入，谨供看者参考。以EI型变压器设计为主，环型变压器与其设计方法相同，只是个别参数取值有些变化，具体有说明。其它形式的变压器，由于本人接触较少，这里不谈

1、输入功率（初级功率）、输出功率（次级功率）、额定功率（标称功率）、效率：输出功率=输入功率*变压器效率

额定功率=（输入功率+输出功率）/2

效率取值：小于10W为60%；10-30W为70%；30-80W为80%；80-200W为85%；200-400W 为90%；400-1000W为95%。这个是取值比较保守，因为现在的变压器制作材料比较牛，尤其是环型变压器。所以在实际取值时可适当高一些（但不要越过推荐值的5%）。例：电路要求一个300W输出的变压器，那么这个变压器的输入功率就是330W，如果你拿这个变压器去卖，就要标上功率：315W。当然了，如果你能糊弄出去，标500W 也行。

输出功率是已知值，根据电路要求结合欧姆定律，再加上裕量计算得来

2、计算铁芯及铁芯的选取

先说铁芯硅钢片的选取。铁芯选用的最基本原则就是：导磁率越高越好。现在市面上可以买到的一般都是10000-15000之间的；比较老的旧硅钢片一般为6000-10000之间；有些优质的或进口的可达到18000以上，但它的价格相当高。冷轧硅钢片比热轧的好，价格也要高些。环型变压器硅钢片都是冷轧的，导磁也都在12000以上，大部分在15000左右。选用冷轧还是热轧、选用多少导磁率的硅钢片，都无所谓，只要能搞清楚其准确的导磁率数值就行，这样才能继续下面的计算。

业余条件下，是无法准确测量硅钢片的导磁率的，但是可以凭经验去估计和比较硅钢片的质量。办法就是用眼“看”和用手“掰”：硅钢片（单片）的厚度越薄越好，

一般为0.35mm和0.5mm两种，也少见有低于0.3mm的。冷轧硅钢片的色泽较暗、表面比较粗糙；热轧的色泽较亮、表面较光滑。冷轧的可以用手两、三掰就断，热轧的要N掰才能断。感觉越脆越好。当你看的多了、掰的多了、用的多了，自然就整明白了。如果你实在是无法确定导磁率时，那就用我的经验吧：感觉不啥地或者旧钢片，当它8000；感觉挺好或环型铁芯，当它12000。差不了大格的。

铁芯的“导磁率”这个数值，在整个变压器设计中是最重要的！因为它直接决定了这个变压器的实际输出功率和每伏匝数。每伏匝数取值是否准备，又直接影响到变压器的空载电流（漏电流）和铜线温升。严重者空载都会有明显温升，甚至根本无法使用！虽然铁芯选取时导磁率越高越好，但在计算时，取值原则是：宁低勿高！如果你对商家提供的导磁率数值不是很信任，最好取值时减去2000左右比较保险些。比如你买到的是12000高斯硅钢片，设计时就按10000计算，环型的最低也要按12000计算

铁芯截面积与功率的关系式：铁芯截面积=经验系数*（额定功率的平方根）

也就是这个：（铁芯截面积 / 经验系数）*（铁芯截面积 /经验系数）=额定功率其中功率的单位为：瓦特；面积单位为：平方厘米。

经验系数取值：铁芯导磁率为6000-7000时取2；8000-10000时取 1.6-1.25；12000-15000时取1；这个系数取值越高，变压器的过载能力越强、瞬时功率越高；反之，过载能力和瞬时功率就低；如果取值太低，会使变压器的实际输出功率达不到设计要求的，所以其取值要慎重！宁高勿低。

上面计算出来的为铁芯的净截面积。为了防止铁芯的涡流效应，所以硅钢片都是要经过绝缘处理的（涂漆），所以硅钢片之间就会有“缝儿”，还得算进去一个叠压系数。

铁芯净截面积=叠压系数*实际铁芯截面积

根据硅钢片的厚度和质量，一般取值为0.9-0.95。我的经验就是在计算结果基础上增加5%。

知道了铁芯截面积的要求，就去选择铁芯规格吧。

铁芯截面积=舌宽*叠厚

小功率标准铁芯舌宽有（单位cm）：1\1.2\1.4\1.6\1.9\2.2\2.6\3\3.5\4

标准叠厚：舌宽的1.25倍、1.5倍、1.75倍、2倍

这么多的舌宽和叠厚的组合，总会有一个（或两个）组合与你计算出来的铁芯截面积最接近吧。当然，你也可以选用非标准叠厚，但是要手工制作变压器骨架了。如果出现两个选择，建议选择舌宽大的那个组合，这样可有效避免因设计不准确和绕制工艺不精造成绕组不能入窗的情况。还有就是铁芯有大窗口与小窗口之分，建议选用大窗口，道理与前面的选用大舌宽相同。

现在环型变压器的铁芯规格本人不太清楚，好像没有标准，又好像标准太多。同功率的环型铁芯，高度越高越好、内环越小越好，但其绕制的难度也越大。

3、计算各绕组匝数

先计算每伏匝数：每伏匝数=450000 /(铁芯导磁率*铁芯净截面积)

我说铁芯导磁率重要吧，看看这里又用到了。

初级绕组匝数=每伏匝数*220

各次级绕匝数=每伏匝数*绕组电压*1.05

这个1.05是为了补偿加负载时的电压降，如果在设计之初你已经考虑到这点，已增加了设计电压值，这个1.05的系数就不要再加了！！！

4、计算各绕组线径

要计算线径，首先要确定电流密度。普通干式、无辅助散热的电源变压器的电流密度取值范围为：2-5。推荐取值为2.5。具体应该取多少呢？是可以通过公式精确计算的，但业余条件，很多计算参数无法获得，所以只能凭经验取值。请参照下面：为了说明应该如何取电流密度值，在这里加入一个“最大可持续功率”的概念：就是变压器可连续长时间工作的功率输出值。此时变压器温度很高，但可以恒定，再高些就有烧毁的危险了。它与变压器的散热环境有直接关系。电流密度取值越低，

这个最大持续功率就越接近变压器的额定功率。当电流密度取值为2时，最大持续功率基本等于额定功率。其实严格的设计，这个最大可持续功率就应该是额定功率。还有一个“最大功率可持续时间”（或额定功率可持续时间），当电流密度取2时，最大功率可持续时间理论上为无穷大。它仍然受散热环境的影响。

还有个考虑就是此取值越大，变压器的用线量就会越少，但变压器内阻越大。

一般情况，由于次级输出的低压绕组在变压器的最外层，散热较快，所以在电流密度取值时可以比其它绕组略高一点点。环型变压器由于其绕线层面积较大，所以散热效果相对EI型要好一些，所以电流密度取值可相对大一点。但也要考虑，如果环型铁芯质量较差，铁芯的发热量就会较大，由于铁芯是包在绕组里面的，热量不易散发，这时就要把电流密度取低些了。

举例说明：假设变压器的额定功率为300W，如果电流密度取值为5，那么额定功率不变；最大功率可持续工作时间会很短，也许30分钟，也许只有几分钟；最大可持续功率大约为150W左右，还有可能会更低。如果你的功放要求平均输出150W以下，峰值功率300W，那这个设计就是对的。不过可惜了这个300W的铁芯了。导线外径=1.13*((设计电流/电流密度)的平方根)

其中电流的单位为：安培

导线外径为裸线外径（未算绝缘层），单位为：毫米

漆包线标准线径：

0.07/0.08/0.09/0.1/0.12/0.13/0.14/0.15/0.17/0.18/0.19/0.2/0.21/0.23/0.2 5/0.27/0.29/0.31/0.33/0.35/0.38/0.41/0.44/0.47/0.49/0.51/0.53/0.55/0.57 /0.59/0.62/0.64/0.67/0.69/0.72/0.74/0.77/0.8/0.83/0.86/0.9/1/10.4/1.08/ 1.12/1.16/1.2/1.25/1.3/1.35/1.4/1.45/1.5/1.56/1.62/1.68/1.74/1.81/1.88/ 1.95/2.02/2.1/2.26/2.44

在标准线径中找出与你计算出来的线径要求最接近的，原则：宁粗勿细。如果电流超大，可以选择双线或三线并绕，但要重新计算线径（可不是1个1mm线径=2个