变压器原理与应用

篇名

變壓器原理與應用

作者

侯佳良。高雄縣中山工商。綜合高中。二年六班

●前言

變壓器，顧名思義，就是將電壓轉換變大變小之產品，為很多現代3C產品所不可或缺之物品，也算是很重要的發明，它可以讓一項電器用品因為經過了變壓器而可以使用，當然不同規格有不同的變壓器；由於想更進一步的探索來了解變壓器的一些原理，我對變壓器產生了極大的興趣，因此藉由這次機會，讓我能更加的了解變壓器，以及，增加我自己本身不足的知識與常識。

貳●正文

一、變壓器原理：

（１）、線圈型變壓器於1885年由匈牙利Ganz公司首度生產，至今已超過一世

紀，長時間以來已經廣為運用且有諸多改良，設計出不同的型態，但是其原理仍然是一致的。此變壓器利用電能與磁能轉換感應的原理，將兩組線圈繞製在共同的「鐵心（core）」上，如（圖一）所示，連接電源端的稱為「一次線圈」或「主線圈(primarycoil)」，連接負載端的稱為「二次線圈」或「副線圈（

secondarycoil）」。

（圖一）、變壓器原理示意圖

（資料來源：楊哲彰（2004）。認識變壓器。元智大學。最佳化設計實驗室。檢索於2008/3/28。http://designer.mech.yzu.edu.tw/）（２）、當一次線圈接上交流電源，於該線圈通過的電流會在鐵心中產生磁通量變

化，另一端的二次線圈會因為感應的電動勢（emf），而產生另一個相同頻率的交流電。法拉第定律（Faraday’s Law）說明感應電動勢與磁通量以及線圈匝數的關係，其中ε為感應電動勢，N為線圈匝數，Φ為磁通量。在理想情況下，線圈每一匝的磁通量BBΦ皆相同，因此dtdBΦ亦為相同，故感應電壓與線圈匝數成正比，若二次側線圈數（N2）大於一次側線圈數(N1)，則該變壓器為「升壓變壓器(stet-uptransformer)」，反之若則為「降壓變壓器(step-downtransformer)」。

、變壓器種類與應用：變壓器的種類有很多，以下如下表（一）及下頁所示表

（二）、介紹常見的變壓器及其他的應用範圍：

表（一）、變壓器之種類與特點

變壓器種類此變壓器特點及應用範圍

ET變壓器：最常見的變壓器：便宜，電感偏差小等特點，廣泛應用於彩色電視電源，液晶

顯示電源，電腦開關電源，電子鎮流器等。如左（圖

二）所示

（圖二）、ＥＴ變壓器

環型變壓器：洩磁較低的變壓器：效率高。雖然

是環型，側面看是方形的。由於鐵芯的磁通密度

高，所以鐵芯的截面積可大為減小，同時，環形

變壓器採用了環形穿繞的方法穿繞初級線圈，可

以充分利用空間，使線圈的用線量也大為減小。

如左（圖三）所示

（圖三）、環形變壓器

O型變壓器：洩鐵芯無切口、斷面，確保磁路上的低阻抗，就是效率的提升與磁漏的減

少，同時因為體積小，線圈繞組佔用長度也少，所以

直流阻抗也低，所帶來O型變壓器在音質上的醇厚

度，在實際的比較上，有明顯的差異。如左（圖

四）所示

（圖四）、O形變壓器

（資料來源：楊哲彰（2004）。認識變壓器。元智大學。最佳化設計實驗室。檢索於2008/3/28。http://designer.mech.yzu.edu.tw/）

（二）、其他之變壓器之應用（１）音響設備之變壓器：音響設備之電源變壓器是影響音響放大器性能的關

鍵元件，環形變壓器的繞制不是分兩邊繞制，而是內外疊繞，它的鐵芯

是採用高磁通的晶粒取向冷軋矽鋼帶捲繞而成的，這樣的繞制工藝和鐵

芯磁路使得其磁通密度高、漏磁小，內阻小，效率高。由於漏磁小，故

對電路的干擾也大爲減小，可以提高音響放大器的信噪比，對高保真功

率放大器而言，環形變壓器的小內阻，快反應的特性是最重要的。我們

知道放大器的電源電路中加入大容量的濾波電容，可使電容中儲存的能

量在音響的短時尖峰信號出現時不至於切峰，但在信號的爆棚處僅靠電

容儲能已不能滿足要求，這時就必須靠電源本身的內阻小，反應快來提

供這一段時間的大電流，這種情況下也只有環形變壓器最能呈現出此功

能。環形變壓器的窗口比普通變壓器大得多，因而對於要求極高的頂級

放大器，還可以選用大截面積的導線繞制線圈，使內阻降得更低，而一

般變壓器因視窗面積有限，限制了導線的截面積。

（２）自耦R源變壓器：自耦R有結構獨特、外觀精巧、完美的電氣性能等特點，受到各行業的青睞。

自耦環型變壓器與同容量的一般變壓器相比較，尤其在變壓比接近於1

的場合顯得特別經濟，適合各種需要升降壓的設備。R型自耦變壓器具

有無切割卷繞鐵芯，使用高品質的材料、因而體積小，重量輕。由於鐵

芯無切割，損失就很小，加之採用高品質的材料和緊湊結構，使鐵芯與

繞組之間的距離降到最小，故效率可達90％以上。R型自耦變壓器的鐵

芯沒有磁隙且繞線勻衡，因而漏磁小。無需設計任何防反漏磁措施。由

於R型自耦變壓器是用高品質低損耗的材料制成，電阻損耗和產熱都很

低，且由於沒有切割，磁致伸縮應力就很容易被吸收。

（３）O型電源變壓器：O型變壓器的鐵芯是圓的，當線圈在鐵芯上環繞時，O

環形變壓器採用的是鐵粉芯，O型採用的則是疊片式的鐵心架構，可以

有效的減少eddycurrent渦流，同樣可以減少變壓器的溫升，因為渦流

其實就是另一種形式的能量損耗，而一般人評估EI變壓器的優勢，也正

在於此。O型變壓器是採用造型非常特殊的鐵片來繞製鐵芯，讀者可以

盤起來之後，就是一個甜圈圈的模樣了，光是這份功夫，就提高O型變

壓器的製造難度與對自動化機具的需求。

（資料來源：趙世文、王志浩（1997）。電子變壓器及電路。台北：全華出版社）

、變壓器損耗：理論上當變壓器的轉換效率為100%時，一次線圈側輸入功率與二次線圈側輸出功率相同，但實際上由於激磁所產生的磁力線不可能全部都被侷限在鐵心中，再加上其他的內部損耗，轉換效率勢必下降。通常變壓器的損耗可分為兩類：「鐵損」與「銅損」，前者與負載無關，因此又稱為「無負載損」，後者則和負載的大小有關，稱為「負載損」，分別說明如下：

（１）、無負載損：由於線圈的內阻，一次線圈的激磁電流會造成內損（P=IV），

但是此電流極小，通常可忽略不計。再者，鐵心矽鋼片的材質不同，以及電壓頻率的變化，會造成「磁滯損（hysteresisloss）」，電壓頻率越高則磁滯損將會越大。降低磁滯效應的作法是目前廣為採用的約含3%矽的材料的矽鋼片鐵心，且另一方面，高導磁的材料通常其磁通飽和密度較低，但可藉由添加矽元來素提高磁通飽和密度。另一個很重要的變壓器能量損耗是「渦流損（EddyCurrentloss）」，由於鐵心本身也是導體，因當鐵心通過磁力線，此時會在鐵心內與磁力線垂直的切面上形成電流環路，如（圖五ａ）所示，渦流同樣會造成P=IV的內部損耗，變成熱能。渦流的現象是無法完全解決的，但要降低渦流的影響，目前的作法是如（圖五ｂ）所示，的方式，鐵心採用相互絕緣的薄片堆疊而成，每片薄片僅約0.2mm到0.35mm，矽鋼片的厚度越薄，則渦流越小，此外，上段敘述中所提及的添加矽元素於鐵心中，除了提高磁通飽和密度外，也可以降低鐵心導電性，

亦即降低渦流。

（圖五ａ）、電流環路（圖五ｂ）鐵心排列方式

（資料來源：楊哲彰（2004）。認識變壓器。元智大學。最佳化設計實驗室。檢索於2008/3/28。http://designer.mech.yzu.edu.tw/）（２）、負載損：負載損包含「電阻損」與「漂游損」兩部份。電阻損起因於線圈

本身的電阻，當負載端的電流越大，則電阻損就越大，繞組的電阻損佔變壓器銅損近50%，因此欲降低銅損主要的考量是增加導線的截面積以及減少線圈匝數。慎選較好的銅材質並使用線徑較粗的銅導線也可降低電阻，此外若採用導磁性極高的鐵心材質或採用無接縫捲鐵心，則可降低線圈匝數，達到降低銅損的目的。（註四）

●結論

在正文時，我有介紹許多有關變壓器之項目，至今，變壓器已有許多電子範疇，例如數位相機、液晶電視等等，而也以實用性的觀點來設計，可說已經到了成熟階段，因為目前變壓器種類繁多，且有更多適用於不同科技產品的變壓器也隨之增加，但還是有一些轉換類型的變壓器，目前也正在研發中。

肆●引註資料

（註一）許宏名（1993）。電機及變壓器。台北：科技圖書出版社

（註二）趙世文、王志浩（1997）。電子變壓器及電路。台北：全華出版社（註三）謝沐田（1992）。高低頻變壓器設計。台北：全華出版社

（註四）楊哲彰（2004）。認識變壓器。元智大學。最佳設計化實驗室。檢索於

2008/2/28。http://designer.mech.yzu.edu.tw/。