胆机电源变压器

近些年来，开关电源的性能和输出功率都在不断的提高，大块地吞食工频电源变压器的地盘。

但是胆机电源变压器也并没有被淘汰，也在发展更新。

由于它的某些突出的优势，还能也必将占有一席之地。

在胆机中，大量使用的是中小功率的单相电源变压器，音响爱好者大多会设计这类电源变压器，也有着缠变压器的经历。

许多人对自己的电源变压器的性能了解得不多，对电源变压器和开关电源的一些常见现象即明白又糊涂。

为此，我稍微深刻叙述变压器的原理和理论。

以下观点仅是我个人的认识，不当之处敬请指出。

至于名词术语可参阅有关书籍，某一些其他书籍能见到的内容，我并没有重复论述。

一、胆机电源变压器的工作原理
在变压器工作过程中，当次级的负载电流变化时，这个电流将在初级产生变化的反射电流，初级的工作电流（也包括满载电流）由此随之变化，二者磁场进行抵消，但是抵消后剩余的磁场值仍对应为（等于）空载电流，即空载电流值是不变的。

或者说磁感应强度最大值在变压器工作过程中是定值，又可以说铁心中磁感应强度变化范围不随负载电流变化而有所改变。

磁感应强度的瞬时值是初级空载交流电流的瞬时值的函数，感生电压是和磁通量的变化率成正比。

如果在线圈内加入铁心，磁通量就大大增加，这是放铁芯的原因。

所加铁心的导磁率越大磁通量也就越增大，于是可以用少得多的匝数实现同一数值的空载电流，铁芯对节省匝数的贡献是大而又大的。

铁芯随之又带来了本身的缺欠。

对具体变压器的铁芯，它的磁通量有一个不可突破的值，理由如下：空载交流电流的瞬时值变大时，铁心的磁感应强度（也叫磁通密度）也随之变大，但是变大到一定数值后磁感应强度就不再增大——饱和了。

就是说磁感应强度应该有一个不可越过的值，总安匝数所激发的最大磁通量因而被限定。

这由铁芯的性质决定，随铁芯的不同而不同。

因为磁通量等于磁感应强度与截面积的乘积，要想加大磁通量并使铁心的磁感应强度最大值不越过饱和值，那么只有加大铁心的截面积了。

为了不饱和，结论是一个具体的铁芯的初级安匝数必须小于一定值，这里的“安”指空载的以“安培”为单位的电流。

对于次级已经接有负载的所通过初级的交流电流是初级的实际电流，实际电流的平方是次级在初级的反射电流和空载电流的平方和。

对于坐标图中的磁滞回线，实际电流不是产生磁滞回线的自变量，只有空载电流才是产生自变量。

变压器在工作中必须使铁芯的磁感应强度不饱和，还有一个减小磁感应强度的办法——增加磁路的平均长度。

根据公式，B=μNI/ L。

B为磁感应强度（磁滞回线的应变量）；μ为铁心的磁导率，是个变量，其随铁心的差异或NI/ L的变化而变，是形成磁滞回线特殊形状的原因。

自变量（磁场强度）为NI/ L，其物理意义为单位磁路长度的安匝数。

其中 N 为匝数；I 为电流； L为磁路的平均长度；当L变大，就是选用磁路较长的铁芯，导致NI/ L变小，磁感应强度B变小，就能远离饱和。

如果有两个同一材料同样
输出功率的变压器铁芯，一个磁路较长，横截面积较小；另一个磁路较短，横截面积较大。

二者相比，这种磁路较长的铁芯的缺点是磁阻大，磁通量小，每伏匝数稍多。

顺便多说一句，在NI/ L为定值的情况下，磁感应强度不随横截面积的改变而变化，也为定值；换一种说法，即横截面积大的和横截面积小的两个铁芯磁感应强度为同一个值。

二、胆机电源变压器的设计
需要说明的是：严格地说，由于材质或尺寸规格的不同，两个貌似相同的铁芯它们的输出功率和每伏匝数是有一些差别的。

以下为特性不清楚的铁芯的近似计算，但是这种计算一般对各种不同铁芯大多适用。

1、抓准了所设计的电源变压器的每伏匝数，就掌握了电源变压器的设计精髓。

EI铁芯的电源变压器的每伏匝数=（40～50）/ 铁芯截面积，截面积以平方厘米为单位，以下均如此。

因为现在新式变压器矽钢片导磁率都比较高，分子数可选为45；优质铁芯的分子数可选为40、42、43；稍差的铁芯上述分子数可选为48、50。

如何才能确定所设计的电源变压器每伏匝数是合理的数值呢？可以这样做，根据每伏匝数算出初级匝数，缠好初级线包，把初级线包装入铁心（一片都不能少），敲实铁心，夹紧铁心。

接入220伏交流电，用万用表测出空载交流电流值。

如果此值为此电源变压器设计功率满载电流值的7%或8%左右即为合理的数值。

根据所测电流值，如偏差较大，可增减初级匝数并重新计算每伏匝数。

此比值选低些，如选为4%，给人的印象是铁损小，好像好些，一般的变压器都是这样做的。

但是对于胆机的电源变压器来说，随之而来的缺点是匝数多，铁心窗口面积紧张,不利散热，费铜，内阻大。

该比值不可超过20%，比值大些，随来的优点是匝数少，窗口面积宽松,有利散热，省铜，内阻小。

但是还有明显的缺点——漏磁大，加大了胆机的噪声，当然这可以通过加强变压器屏蔽得以解决。

另外，这样做扩大了磁感应强度变化范围，铁损大（铁损所占分量极小），此时磁场强度的正弦波的峰顶部可能进入了磁饱和区。

阅读下面内容可知，空满载电流比值为20%的仍是可用的变压器。

现成的变压器也应该测量空载交流电流值，以了解其电气性能。

一个变压器如所测空载电流值很大，可推测内部存在匝间短路之可能。

说明一下，空载交流电流值为此满载电流值的7%或8%左右，这样的电源变压器用在胆机功放比较适合。

但是如果该变压器没有经过浸漆处理，工作时它的矽钢片会发出讨厌的嗡嗡声，因为这个比值还是稍稍大了一点，所以必须浸漆或刷漆。

变压器的初级空载交流电流值，可用数字万用表，指针万用表测量。

大多指针万用表没有交流电流档，可在初级串联一个50欧或100欧的小电阻（该阻值如果大了，需用其他的公式计算），用万用表的交流电压档测量小电阻的交流电压值，即可换出算出交流电流值。

有时调换正负表笔测得的交流电流值不一样，这时应取二值平均值。

交流电流值不一样的原因是因为通过小电阻交流电流为非纯正弦波，电网的50Hz交流
电混进了奇次谐波，且万用表内部有整流电路的缘故。

现在变压器的矽钢片的磁饱和强度都比较高，空满载电流比值为7%、8%的变压器的磁场能工作在较好的磁性区域，为此不必担心。

我曾经测试一个老式五灯电源变压器的磁滞回线，空载电流小，空满载电流比值较小。

外观其铁心质量稍差，测试后分析它的磁滞回线得出结论，虽然其空载电流较小，但铁心质量稍差，磁场强度的正弦波还是进入了磁饱和区，磁饱和强度的正弦波的峰顶部肯定受到压缩，变成矮胖的形状，工作电流正弦波的中部变窄，事实证明其却能正常工作。

2、由变压器的视在输入功率确定铁心的截面积。

满载时的初级交流电流乘以初级电压，称为变压器的视在输入功率（习惯称为变压器的功率），一般以此为出发点算出铁心的截面积。

下面举例说明另一个问题，某电源变压器为220伏安，其满载时的初级交流电流值为1安，空载交流电流值为0.2安，二者比值为20%，人们认为其铁损是44瓦（实际误差较大），误认为次级反射到初级的电流最大不应超过0.8安。

其实，空载电流、反射电流、满载电流三者不是代数和关系，而是平方和关系。

即空载电流的平方+反射电流的平方=满载电流的平方。

次级反射到初级的最大电流应为0.96（1的平方减去0.2的平方）的平方根，约0.98安。

我对几个变压器进行了实测，未满载时三者基本是平方和关系，满载时误差大些，大概是未计算的铜铁损的因素的影响。

设计电源变压器的前提是，铁心的磁感应强度的最大值不越过饱和值。

胆机的电源变压器大都小于500瓦，它的作用是把输入的220伏的电网电压变换出所需的几种电压，这一点通过不同的匝数比来实现。

无论20瓦的，还是500瓦的电源变压器的磁感应强度的最大值取值都差不多。

先定铁芯，后定初级匝数。

初级匝数由每伏匝数决定，如果初级匝数选定了，电感量就一定了，初级空载交流电流值也一定了，磁感应强度的变化范围也被固定了。

那么，不同功率的电源变压器应如何选择铁心呢？对于这一点，应根据初级的额定电压、电流的具体情况，对铜材和铁材选用比例进行折中，这种折中是科学的计算和多次试验测试的结果。

许多书介绍了一个电源变压器铁心截面积的计算公式，S=k （S为截面积；N为变压器的功率；k为系数,约1.1～1.3）。

公式容易使人产生一种执着的看法，以为这是一种固定不变的关系。

不知道同一功率电源变压器铁心截面积可以有不同的折中结果，该公式只为EI铁心电源变压器的经验总结，注意该公式没有考虑磁路长度的影响。

可以得出结论：同样截面积的二个铁心，厚度较大的铁心窗口面积小（磁路长度短），输入功率要小一些；厚度较小的铁心输入功率要大一些。