变压器工作原理详解 | 简单指南

预计阅读时间 14 分钟

几乎每台电子设备上都直接焊接着许多较小的设备 PCB 板.我们现在讨论的是变压器，一个简单而又重要的部件。它的主要功能是调节电流的电压。它可以提高低电压或降低高电压。这种功能对于我们的电网和电子设备的安全有效运行至关重要。

虽然很多人都知道 变压器 但他们并不熟悉它的工作原理。这个看似不起眼的小盒子的工作原理是一个基本的物理学原理。它没有任何活动部件。相反，它利用磁场在电路之间传递能量。

变压器包含哪些内容？

我们必须先了解变压器的构造，才能理解它是如何工作的。基本变压器只有几个基本部件。它的设计简单明了，但功能强大。让我们来看看它的基本组成原理图。

可以考虑使用长方形或正方形的圆环。这个圆环是一个坚固的部件，是设备的底座。想象一下，这个圆环由两个不同的线圈环绕。一边是一个线圈，另一边是另一个线圈。这就是变压器的基本结构。

这些组成部分的细目如下：

铁芯 磁芯就是磁环本身。它通常由铁磁性物质（如铁）组成。由于铁在传导磁场方面非常有效，因此被广泛使用。磁芯的职责是将磁场从一个线圈引导到下一个线圈。因此，该程序非常有效。因此，第二个线圈几乎能接收到第一个线圈产生的所有磁能。

第一个线圈称为初级线圈。它的一侧环绕着铁芯。这个线圈是变压器的输入端。初级线圈接收来自电源的电力。由于铜是一种优良的电导体，因此电线几乎总是由铜制成。我们将了解为什么导线绕在铁芯上的次数如此重要。

第二个线圈称为次级绕组。它在另一侧环绕铁芯。变压器的输出就是这个线圈。经过改良的电能离开次级线圈，输送到电路或设备。铜也用于制造这种导线。线圈的另一个关键因素是缠绕的圈数。它决定了最终的输出电压。

这三个元件共同改变电压。从物理上讲，初级绕组和次级绕组之间没有连接。在电气上，它们是不同的。只有通过磁芯的磁场才能在它们之间移动能量。另一个重要方面是这种分离，它提供了电气隔离。

核心原理：电磁感应的工作原理

变压器的整个运行过程都基于一个强大的物理原理： 电磁感应.这个想法是迈克尔-法拉第在 19 世纪 30 年代发现的。它是电学史上最重要的发现之一。

那么，什么是电磁感应呢？

简单地说，就是变化的磁场能在导线中产生电流。如果你有一圈导线，将磁铁靠近它，导线上就会出现电压。此外，如果磁铁保持不动，但它产生的磁场变强或变弱，导线上也会出现电压。

这里的关键词是 改变.恒定不变的磁场没有任何作用。磁场必须在运动或强度在变化。这种变化推动导线中的电子并产生电压。这就是变压器的神奇之处。它利用一个线圈中的电流来产生一个不断变化的磁场。然后，这个变化的磁场在第二个线圈中产生新的电流。

这一原理将磁和电联系在一起。一个可以产生另一个，但前提是必须发生变化。变压器就是为了很好地完成这一过程而设计的。它使用交流电（AC）来产生必要的变化磁场。让我们通过一步步的工作过程来了解这一切是如何实现的。

变压器的逐步工作原理

既然我们已经知道了变压器的部件和主要原理，那么就可以逐步了解变压器是如何工作的。这个过程是一连串平滑而连续的事件。

交流电输入

当电源连接到初级绕组时，过程就开始了。该电源必须提供 交流电.这是变压器工作的最重要条件。

交流电是一种电流不断改变方向的电。电流从一个方向流过，然后逆转，从另一个方向流过，每秒来回多次。在美国，标准频率是 60 赫兹，这意味着每秒钟改变方向 60 次。交流电这种不断变化的特性就是关键所在。

创造不断变化的磁场

当交流电流经初级绕组时，会在导线周围产生磁场。由于电流一直在变化，它所产生的磁场也一直在变化。

• 当一个方向上的电流达到峰值时，磁场最强。
• 电流越小，磁场越弱。
• 当电流方向逆转时，磁场也会翻转极性（南北极切换）。

因此，初级绕组的作用就像电磁铁，但它的磁场并不稳定。它是一个脉动的、不断翻转的磁场。这种不断变化的磁场就是变压器中的能量载体。

铁芯指引战场

初级绕组产生的变化磁场向外扩展。铁芯位于磁场的正中间。正如我们之前所说，铁芯非常善于传导磁场。它能捕捉几乎所有的磁场，并将其集中起来。

然后，磁芯引导磁场沿其路径变化。它将磁场从初级绕组引向次级绕组。这就是磁芯的唯一作用：作为磁场的桥梁。如果没有一个好的磁芯，大部分磁能都会飘散到空气中，从而丧失殆尽。磁芯可确保将最大能量输送到次级绕组。

二次绕组中的感应电压

变化的磁场在铁芯的引导下，现在流经次级绕组的中心。请记住电磁感应原理：变化的磁场会在附近的导线线圈中产生电压。

这正是这里发生的情况。脉动、翻转的磁场穿过次级线圈的导线。这种移动磁力推动次级线圈内的电子，导致它们移动。这种电子运动就是电流。因此，一个新的交流电压就产生了，或者说 诱发，跨二次绕组。

新电压的频率与一次电压相同（例如 60 赫兹）。但其电压水平可能不同。输出电压完全取决于次级绕组与初级绕组相比的匝数。

整个过程中，初级线圈和次级线圈之间没有任何物理连接。能量通过磁场无形地传递。这就是变压器的全部工作原理。它是电与磁的四步舞。

升压与降压：转数比的重要性

我们说过，变压器可以改变电压。但它是如何控制电压升高或降低的呢？答案简单明了。它取决于 匝数比.匝数比是次级绕组的绕线数与初级绕组的绕线数之比。

降压变压器

降压变压器用于降低电压。为此 二次绕组的导线匝数比一次绕组少.

例如 试想一下，初级绕组有 1 000 匝导线，而次级绕组只有 100 匝。这是 10 比 1 的匝数比。如果将 120 伏交流电加到初级线圈上，次级线圈只能产生 12 伏交流电。

这种情况极为常见。您的手机或笔记本电脑充电器就是一个很好的例子。在那个塑料外壳里，有一个小小的 PCB 板上面有一个降压变压器。它将墙上插座的 120 伏电压降到为设备电池充电所需的低电压。

在电压下降的同时，可用电流可以上升。如果忽略微小的能量损耗，变压器两侧的功率（电压 × 电流）是相同的。因此，如果电压除以 10，电流也可以乘以 10。

基本公式是

在哪里？

• VS 是次级绕组上的电压。
• VP 是初级绕组上的电压。
• NS 是次级绕组的匝数。
• NP 是初级绕组的匝数。

升压变压器

升压变压器用于提高电压。为此，需要 二次绕组的匝数比一次绕组多.

• 例如 假设初级绕组有 100 匝，次级绕组有 2000 匝。这是 1 比 20 的匝数比。如果将 120 伏交流电加到初级线圈上，次级线圈将产生 2,400 伏交流电。

升压变压器对电网至关重要。发电厂以相对较低的电压发电。为了通过输电线路将电能长距离输送，需要将电压升高到非常高的水平（如数十万伏）。这样可以减少电线中的能量损耗。然后，在电力进入您的社区之前，一系列降压变压器会将电压降回家庭使用的安全水平。

在升压变压器中，当电压升高时，可用电流会以相同的比率下降。这同样是因为功率必须保持恒定。

变压器的常见应用

由于变压器可以轻松改变电压，因此在许多不同的地方都有应用。以下是一些最常见的应用：

• 电网： 正如我们所提到的，它们对于将电力从发电厂传输到家庭至关重要。它们将电压升高，以便远距离传输，然后将电压分多级降压，以便在社区和住宅中安全使用。
• 设备充电器： 几乎所有插入墙壁为电池充电的设备都使用降压变压器。这包括电话、笔记本电脑、电动工具等。
• 电路板上的功率调节 在电脑或音响等复杂的电子设备中，不同的芯片和元件需要不同的电压才能工作。小型变压器通常直接安装在电子元件上。 PCB 板 以获取单个输入电压，并产生为整个电路供电所需的多个较低电压。
• 音频设备： 特殊变压器用于 音频放大器 和扬声器。它们的工作是匹配音频电路不同部分之间的阻抗（一种电阻）。这能确保最佳音质和功率传输。
• 隔离变压器： 有时，主要目的不是改变电压，而是为了安全起见将一个电路与另一个电路隔离。隔离变压器的匝数比为 1:1。输出电压与输入电压相同。但由于初级和次级之间没有物理连接，因此可以保护用户免受电源的冲击。这种变压器通常用于医疗设备和电子测试。

为什么变压器只能用于交流电，而不能用于直流电？

这是一个非常常见的问题，也是检查您是否了解工作原理的好方法。变压器绝对不能使用直流电（DC）。

为什么？

让我们回到电磁感应的核心原理。只有当磁场是 改变.

• 交流电（AC）： 电流始终在变化，因此会产生一个不断变化的磁场。不断变化的磁场会在次级中产生感应电压。这个过程是连续的。
• DC（直流电）： 电流只朝一个方向以恒定的水平流动。当您首次将直流电源连接到初级绕组时，电流会从零变为全值。在这个非常短暂的瞬间，磁场正在变化（增长），因此您可能会在次级看到一个微小的电压脉冲。但在此之后，直流电流是稳定的。稳定的电流会产生稳定恒定的磁场。恒定的磁场对次级绕组没有任何影响，因为它没有变化。没有变化意味着没有感应。因此，不会产生输出电压。

如果将变压器初级连接到直流电源的时间过长，就会造成危险。初级绕组只是一个电阻很低的长线圈。在交流电源下，这个线圈会产生一种叫做感抗的东西，从而限制电流。而直流电没有电抗，只有铜线的低电阻。这将导致非常大的电流流过，从而使电线过热并毁坏变压器。

现实世界中的变压器和能量损耗

我们所描述的是完美或 "理想 "变压器的过程。在理想变压器中，100% 的能量从初级传输到次级。但在现实世界中，没有一个过程是完全有效的。实际变压器会损失少量能量，这些能量通常以热量的形式释放出来。

造成这种能量损失的主要原因有几个：

• 铜损耗（或 I²R 损耗）： 初级和次级绕组中的铜线具有一定的电阻。电流流经电阻时，部分电能会转化为热能。这就像烤面包机中的元件发热一样。较粗的电线电阻较小，可以减少这种损耗。
• 涡流损耗： 除了在次级绕组中产生电流外，变化的磁场还会在铁芯内部产生微小的环形电流。我们称之为涡流。它们不会产生任何作用。它们只是在铁芯内循环并产生热量。为了减少这种情况，变压器铁芯并不是由一整块铁块构成的。相反，它们由许多薄铁层（称为层压）组成，中间有一层薄薄的绝缘层。这种设计通过扰乱涡流路径，大大降低了能量损耗。
• 磁滞损耗： 每当交流电逆转方向时，铁芯中的磁场也必须逆转极性。铁芯内的磁畴来回翻转需要少量能量。这些能量会在铁芯内以热量的形式散失。这有时被称为磁摩擦。使用特殊类型的铁（如硅钢）作为铁芯可以帮助减少这种损失。

即使存在这些损耗，现代变压器的效率也非常高。大型电力变压器的效率可达 99% 以上，这意味着很少有能量以热量形式浪费掉。

结论

变压器是结构简单但影响深远的设备的完美典范。它的工作原理是基于法拉第电磁感应定律的直接应用。

一切都始于初级线圈中的交流电。这就产生了一个同样是交变的磁场。然后，铁芯起到导向作用，将不断变化的磁场导入次级线圈。这个移动磁场会在次级线圈中感应出新的交流电。新电流的电压由两个线圈之间简单的匝数比决定。

通过增加或减少次级绕组的匝数，变压器可以升压或降压。正是这种简单的功能使我们的全球电网成为可能。它可以实现远距离高效输电，并使我们的家庭和设备能够安全使用电力。没有变压器，就没有我们所熟知的电力世界。它是现代技术的基本组成部分，通过无形的电和磁的力量默默地发挥着作用。

常见问题