變壓器工作原理說明 | 簡易指南

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幾乎每個電子裝置都有許多較小的裝置直接焊接在一個 PCB 板.我們現在討論的是變壓器，這是一個簡單但卻非常重要的零件。它的主要功能是調整電流的電壓。它可以增加低電壓或降低高電壓。這種能力對於我們的電網和電子設備的安全有效運行至關重要。

雖然許多人都知道什麼是 變壓器 但他們並不熟悉其機制。這個看起來不起眼的盒子的運作是基於一個基本的物理原理。它沒有活動的零件。相反地，它利用磁場在電路間傳輸能量。

變壓器包含什麼？

我們必須先瞭解變壓器的結構，才能理解其運作方式。基本的變壓器只有幾個重要的部分。它的設計簡單直接，但功能卻非常強大。讓我們來看看它的基本組成示意圖。

考慮使用長方形或正方形的環。這個環是一個堅固的物件，可作為裝置的底座。現在想像這個環由兩個不同的線圈包圍。一邊是一個線圈，另一邊是另一個線圈。這就是變壓器的基本結構。

這些元件的細分如下：

鋼鐵核心： 磁芯就是磁環本身。一般來說，它是由鐵磁性物質組成，例如鐵。由於鐵在傳導磁場方面非常有效，因此被廣泛使用。磁芯的責任是引導磁場從一個線圈到下一個線圈。因此，這個程序非常有效。因此，第二個線圈幾乎接收到第一個線圈所產生的所有磁能。

第一個線圈稱為原繞組。它在一側環繞著鐵芯。這個線圈是變壓器的輸入端。原繞組從電源接收電力。由於銅是一種優良的電導體，因此電線幾乎都是由銅製成。我們將會了解為何線圈纏繞鐵芯的次數如此重要。

第二個線圈稱為二次繞組。它在不同的側面環繞鐵芯。變壓器的輸出就是這個線圈。改良後的電力離開二次繞組，傳送到電路或裝置。銅也會用來製造這條線。這個線圈的另一個關鍵因素是繞線的圈數。它決定了最終的輸出電壓。

這三個元件共同改變電壓。在物理上，原繞組和副繞組之間沒有連接。在電氣上，它們是截然不同的。只有通過磁芯的磁場才能在它們之間移動能量。另一個重要的方面就是這種分離，它提供了電氣隔離。

核心原理：電磁感應如何運作

變壓器的整個運作是基於單一、強大的物理原理： 電磁感應.這個想法是 Michael Faraday 在 1830 年代發現的。它是電學史上最重要的發現之一。

那麼，何謂電磁感應呢？

簡單來說，這表示變化的磁場可以在電線中產生電流。如果您有一圈電線，並將磁鐵移到它附近，電線上就會出現電壓。此外，如果磁鐵保持不動，但它所產生的磁場變強或變弱，電線上也會出現電壓。

這裡的關鍵詞是 改變.恆定不變的磁場沒有任何作用。磁場必須在運動或強度在改變。這種變化會推動電線中的電子並產生電壓。這就是變壓器背後的奧妙。它利用一個線圈中的電力來產生一個不斷變化的磁場。然後，這個變化的磁場會在第二個線圈中產生新的電力。

這個原理連結了磁力和電力。一個可以創造另一個，但前提是必須有變化。變壓器就是為了很好地完成這個過程而設計的。它使用交流電 (AC) 來產生必要的變化磁場。讓我們看看這一切是如何在逐步的工作過程中完成的。

變壓器的逐步工作原理

既然我們已經知道變壓器的零件和主要原理，我們就可以一步一步來看看變壓器是如何運作的。這個過程是一連串平順且連續的事件。

輸入交流電 (AC)

當電源連接至原繞組時，此過程即開始。此電源必須提供 交變電流.這是變壓器工作的最重要條件。

交流電是一種電流不斷改變方向的電流。它流向一個方向，然後反轉並流向另一個方向，每秒鐘來回多次。在美國，標準頻率是 60 Hertz，也就是說每秒會改變方向 60 次。交流電的這種不斷變化的特性就是關鍵所在。

建立不斷變化的磁場

當交流電流流經原繞組時，會在電線周圍產生磁場。由於電流一直在變化，它所產生的磁場也一直在變化。

• 當電流在某個方向達到峰值時，磁場也是最強的。
• 當電流減少時，磁場會變弱。
• 當電流方向反轉時，磁場也會翻轉其極性 (南北兩極會轉換)。

因此，原繞組的作用就像一個電磁體，但它的磁場並不穩定。它是一個脈動的、不斷翻轉的磁場。這個不斷變化的磁場就是變壓器中的能量載體。

鐵芯引領領域

原繞組所產生的變化磁場會向外擴散。鐵芯就置於這個磁場的正中央。正如我們之前所說，鐵芯非常擅長傳導磁場。它幾乎可以捕捉所有的磁場，並將其集中。

然後，磁芯沿著它的路徑引導這個不斷變化的磁場。它將磁場從一次繞組導向二次繞組。這是磁芯唯一的工作：作為磁場的橋樑。如果沒有一個好的磁芯，大部分的磁能就會飄到空氣中而流失。磁芯可確保將最大能量傳遞至副繞組。

二次繞組中的誘導電壓

改變中的磁場在磁芯的引導下，現在流經副線圈的中心。請記住電磁感應原理：不斷變化的磁場會在附近的線圈中產生電壓。

這正是發生在這裡的情況。脈動、翻轉的磁場橫切副線圈的導線。這個移動的磁力會推動副線內的電子，使它們移動。電子的移動就是電流。因此，一個新的交流電壓就產生了，或者說 誘發，跨二次繞組。

新電壓的頻率與原電壓相同（例如 60 Hertz）。但其電壓等級可能不同。輸出電壓完全取決於副繞組相對於原繞組的匝數。

整個過程中，一次線圈和二次線圈之間沒有任何實體連接。能量透過磁場隱形傳輸。這就是變壓器的完整工作原理。這是電與磁的四步舞。

升級與降級：匝數比的重要性

我們說過變壓器可以改變電壓。但它是如何控制電壓上升或下降的呢？答案既簡單又優雅。它取決於 匝數比.匝數比是二次繞組中的線包數與一次繞組中的線包數之比。

降壓變壓器

降壓變壓器用於降低電壓。要做到這一點，需要 二次繞組的線圈數比一次繞組少.

範例： 想像一下，一次繞組有 1,000 匝的線，而二次繞組則只有 100 匝。這是 10 比 1 的匝數比。如果您對原繞組施加 120 伏特交流電，則副繞組只會產生 12 伏特交流電。

這種情況極為常見。您的手機或筆記型電腦充電器就是一個很好的例子。在那個塑膠盒內，有一個小小的 PCB 板在它上面有一個降壓變壓器。它從牆上插座接收 120 伏特的電壓，並將其降至為裝置電池充電所需的低電壓。

在電壓下降的同時，可用電流可以上升。如果我們忽略小的能量損失，變壓器兩端的功率 (電壓 × 電流) 是相同的。因此，如果電壓除以 10，則電流可以乘以 10。

基本公式為

在哪裡？

• VS 是次級繞組上的電壓。
• VP 是原繞組上的電壓。
• NS 是二次繞組的匝數。
• NP 是原繞組的匝數。

升壓變壓器

升壓變壓器用來增加電壓。要做到這一點，需要 二次繞組的線圈數比一次繞組多.

• 範例： 想像一下，一次繞組有 100 匝，而二次繞組有 2,000 匝。這是 1 對 20 的匝數比。如果將 120 伏特交流電加到原繞組，副繞組將會產生 2,400 伏特交流電。

升壓變壓器對於電網來說是不可或缺的。發電廠以相對較低的電壓發電。若要透過輸電線將電力長距離傳送，電壓必須升高到非常高的電壓 (例如數十萬伏特)。這可減少電線中的能量損失。然後，在電力進入您的社區之前，一系列的降壓變壓器會將電壓降回家庭使用的安全電壓。

在升壓變壓器中，當電壓上升時，可用電流會以相同的比率下降。這也是因為功率必須保持不變。

變壓器的常見應用

由於變壓器可以輕鬆改變電壓，因此被用於許多不同的地方。以下是一些最常見的應用：

• 電網： 正如我們所提到的，它們對於將電力從發電廠傳送到住家是非常重要的。它們將長距離傳輸的電壓升高，然後分多階段將電壓降低，以便在社區和住宅中安全使用。
• 裝置充電器： 幾乎所有插在牆上為電池充電的裝置都使用降壓變壓器。這包括電話、筆記型電腦、電動工具等。
• PCB 板上的電源調節： 在電腦或音響等複雜的電子裝置中，不同的晶片和元件需要不同的電壓才能運作。小型變壓器通常會直接安裝在電腦或音響上。 PCB 板 來接受單一輸入電壓，並產生整個電路所需的多個較低電壓。
• 音訊設備： 特殊變壓器用於 音頻放大器 和揚聲器。它們的工作是匹配音訊電路不同部分之間的阻抗（一種電阻）。這可確保最佳的音質和功率傳輸。
• 隔離變壓器： 有時候，主要目的不是改變電壓，而是為了安全起見，將一個電路與另一個電路隔離。隔離變壓器的匝數比為 1 比 1。輸出電壓與輸入電壓相同。但由於初級和次級之間沒有實體連接，因此可以保護使用者不會受到電源的衝擊。這些產品通常用於醫療設備和電子測試。

為何變壓器只適用於交流電，而非直流電

這是一個很常見的問題，也是檢查您是否瞭解工作原理的好方法。變壓器絕對不能使用直流電 (DC) 工作。

為什麼？

讓我們回到電磁感應的核心原理。只有在磁場為 改變.

• AC（交流電）： 電流一直在變化，因此會產生不斷變化的磁場。這個不斷變化的磁場會在次級產生誘發電壓。這個過程是連續不斷的。
• DC（直流）： 電流僅以一個方向恆定流動。當您第一次將直流源連接到一次繞組時，電流會從零變到全值。在那非常短的一瞬間，磁場正在改變（增長），因此您可能會在副線圈中看到一個微小的電壓脈衝。但在那之後，直流電流是穩定的。穩定的電流會產生穩定、恆定的磁場。恆定的磁場不會對二次繞組造成任何影響，因為它不會改變。沒有變化也就沒有感應。因此，不會產生輸出電壓。

如果將變壓器的原繞組連接至直流電源的時間過長，可能會造成危險。原繞組只是一個長線圈，具有非常低的電阻。對於交流電，此線圈會產生一種稱為感抗（inductive reactance）的反應，從而限制了電流。對於直流，沒有電抗，只有銅線的低電阻。這會造成非常大的電流，使電線過熱，進而損壞變壓器。

真實世界的變壓器與能量損失

我們所描述的是完美或「理想」變壓器的過程。在一個理想的變壓器中，100% 的能量會從初級傳送到次級。但在現實世界中，沒有一個過程是完全有效的。真實的變壓器會損失少量的能量，這些能量通常會以熱能的形式釋放。

造成這種能量損失的主要原因有幾個：

• 銅損失（或 I²R 損失）： 原繞組和副繞組中的銅線具有一定的電阻。當電流流經這些電阻時，部分電能會轉換成熱能。這就像烤麵包機中的元件會發熱一樣。較粗的電線具有較低的電阻，可以減少這種損失。
• 渦電流損失： 除了在二次繞組中產生電流之外，移動的磁場也會在鐵芯內部產生微小的圓形電流。我們稱之為渦流。它們不會產生任何作用。它們只是在鐵芯內循環並產生熱量。為了減少這種情況，變壓器鐵芯並不是由一整塊鐵塊構成。相反，它們是由許多薄鐵層（稱為疊層）組成，兩者之間有一層薄絕緣層。這種設計透過擾亂渦電流的路徑，大幅降低這種能量損失。
• 磁滯損失： 每當交流電反轉方向時，鐵芯內的磁場也必須反轉其極性。鐵芯內的磁域來回翻轉需要少量的能量。這些能量會在鐵芯內以熱能的形式流失。這有時稱為磁摩擦。使用特殊類型的鐵（如矽鋼）來製作磁芯可以幫助減少這種損失。

即使有這些損耗，現代變壓器的效率仍極高。大型電源變壓器的效率可超過 99%，這意味著只有很少的能量以熱能的形式浪費掉。

總結

變壓器是結構簡單但影響深遠的裝置的最佳範例。它的工作原理是基於法拉第電磁感應定律的直接應用。

一切都從原線圈中的交流電開始。這會產生同樣是交替的磁場。然後，鐵芯會扮演導向器的角色，將這個不斷變化的磁場引導至副線圈。這個移動的磁場會在副線圈中產生新的交流電。新電流的電壓由兩個線圈之間的簡單匝數比決定。

透過在二次繞組中使用更多或更少的匝數，變壓器可以將電壓升高或降低。這個簡單的功能讓我們的全球電網成為可能。它允許了遠距離的高效電力傳輸，以及在我們的家庭和設備中安全使用電力。如果沒有變壓器，我們所知的電力世界就不會存在。它是現代技術的基本構件，透過無形的電力和磁力默默地完成其工作。

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