变压器工作原理

当今世界的大多数电子设备或电路都有不同的变压器应用。因此，理解变压器的定义、应用、工作机制以及它们在不同模拟电路中的端到端结构非常重要。

什么是变压器？

变压器是一种静态设备，用于升高和降低电压水平，它通过在变化的磁场中将电流传输到导线上来工作。

然而，当我们更深入地了解变压器并将其与电能联系起来时，我们可以将变压器定义为一种静态设备，它会改变不同模拟电路中的电压供给。变压器是一种广泛用于交流电（交流电）供给的**循环和传导**的电压调节器。

变压器的基本概念**最早由迈克尔·法拉第于 1831 年发现**，后来这一想法得到了许多其他有才华的科学研究者的支持和发展。

然而，引入变压器概念的通用动机是为了在高电压下产生的电流与其在低电压下消耗之间的平衡。

变压器应用

变压器的应用如下：

1. 变压器通过导线将电流能量流长距离传输。
2. 变压器在我们日常的应用中被使用，这些应用需要不同电压的供给。**例如，收音机、电视等**。
3. 变压器被广泛用作几乎所有电器中的电压控制器。

变压器工作原理

变压器的工作机制源于**法拉第互感定律或电磁感应**的概念，该概念发生在由共同磁通量连接的两个电路之间。在深入研究变压器工作原理之前，让我们先了解一下**电磁感应机制**。

电磁感应机制

当电流通过电线圈时，它会在其表面周围产生磁场或磁通量。任何材料的磁通量或磁场被定义为在电材料之间传输磁力的临时介质。

我们在日常生活中经常不自觉地遇到这些力，例如一些铁磁材料（铁、钴或镍）在永磁体存在时充当临时磁铁，它们会吸引或排斥其他磁铁或导电材料。

然而，磁场强度与导线中的电流流强成正比（高度依赖）。因此，人们可以轻松地管理、反转、开启或关闭，或改变由电流产生的磁场的强度。

磁场可以被看作是形成闭合路径的磁通线。您可以参考下图可视化载有电流的导线周围形成的磁场（磁力线）的图示。

互感概念并非止步于此。还有关于电的另一个有趣事实。每当穿过线圈的磁场发生变化时，它都会在导线中产生电流。

因此，它允许我们通过在导线或线圈（其中电流也在变化）中通电来产生变化的磁通量。

互感与变压器

1. 基本变压器由两个电学上不连接且相互感应的线圈组成，但这两个绕组线圈在磁学上是连接的。**第一个通过来自电源的电流的线圈称为初级绕组**，**提供所需输出电流的第二个线圈称为次级绕组**。变压器的工作原理可参考下图。
   
2. 在上图中，您可以看到两个线圈，即初级绕组（第一个导线线圈）和次级绕组（第二个导线线圈），它们彼此相邻放置。现在，**如果将变化的电流通入第一个线圈，由于电磁感应现象，第二个导线线圈中会自动感应出电流**。这是因为第一个线圈中的交流电会产生交流磁通，这是两个绕组之间互感所必需的，它会在第二个线圈中感应出电流。
3. 所有变压器都以相同的现象工作。如果第一个线圈导通正弦波交流电，那么第二个导线线圈中也会产生相同频率的正弦波交流电。感应电流的强度也取决于两根导线之间的距离。
4. 整个装置被置于软铁棒（称为**铁芯**）内，以便更有效地将电能从初级绕组线圈传输到次级绕组线圈。
5. 如果次级绕组线圈的匝数与初级绕组线圈的匝数相同，则次级线圈中感应的电流大小将与初级线圈相当。但如果次级线圈的匝数与初级线圈相比减少或增加，则在次级线圈中产生的电流和电压的范围可能比初级线圈的电流和电压更大或更小。
6. 需要注意的一个重要事项是，变压器仅在交流电（频繁反向或电）下工作，因为电磁感应需要在两个线圈之间发生变化的磁通量。因此，我们可以得出结论，变压器不能与直流电（DC）一起工作，因为直流电是在同一方向通过导线的恒定电流。

降压变压器

如果初级绕组的匝数多于次级绕组，则次级线圈的电压小于初级线圈的电压。这个过程称为**降压变压器**。

升压变压器

通过变换上述过程可以开发出升压变压器，它将较低的电压升高到较高的电压。在升压变压器中，次级绕组的匝数比初级绕组多。因此，它的次级电压更高，次级电流更短。

变压器结构

此处，

• **VP** 代表 **初级电压**
• **VS** 代表 **次级电压**
• **NP** 代表 **初级绕组匝数**
• **Ns** 代表 **次级绕组匝数**
• **Φ(phi)** 代表 **磁链**
• **T** 代表 **完成一个周期的时间周期**。

变压器的基本结构由两个电线圈绕组和一个叠片式钢芯组成，这两个线圈绕组具有互感。两个线圈（初级绕组和次级绕组）彼此以及与叠片式铁芯绝缘。

变压器装置还需要一些合适的容器来容纳构造好的铁芯和绕组，以及一种可以轻松绝缘铁芯和电线圈的方式。

每个变压器包含的主要部件如下：

1. 铁芯

在所有变压器中，铁芯充当绕组的支撑。它由变压器钢片叠压而成，旨在提供一个稳定的磁路，气隙极小，并降低变压器损耗。

铁芯的构成由诸如有效电压、电流、功率等因素决定。铁芯的直径与铜损耗成正比（依赖），与铁损耗成反比（反比依赖）。

2. 绕组

绕组是指缠绕在铁芯上的一组铜线。变压器中使用铜线是因为：

• **铜的导电性强**：有助于降低变压器的损耗。因为变压器的电导率增加，所以电流的电阻减小。
• **铜的延展性强**：这种性质说明金属是否可以拉成非常细的导线。

基本上，每个变压器都有两种绕组，即**初级绕组和次级绕组**，如下所述：

• **初级绕组**：提供电源电流的绕组匝数。
• **次级绕组**：感应出电磁电流并产生输出的绕组。

这两个绕组通过绝缘涂层材料相互绝缘。

3. 绝缘剂

绝缘是变压器的一个重要过程，因为它有助于绝缘绕组，防止短路，从而促进电磁感应。绝缘介质影响变压器的强度和稳定性。

变压器中使用的各种绝缘剂如下：

• 绝缘油
• 绝缘带
• 绝缘纸
• 木质层压板