變壓器簡(jiǎn)介

變壓器在輸配電系統(tǒng)中扮演著電力轉(zhuǎn)換與聯(lián)絡(luò)的工作，例如發(fā)電廠在輸配電時(shí)需要以高電壓方式傳輸（345KV、161KV以及69KV等），接近用戶端又逐次降壓至110V，這些程序都必需藉由變壓器來達(dá)成；日常所使用的很多電器用品，其內(nèi)部也都有變壓器，或配置外接式變壓器，將110V的交流電源轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷褐?，即可再?jīng)由整流濾波線路而得到低電壓的直流工作電源；有些產(chǎn)品已改採(cǎi)用交換式電源(switch power)取代傳統(tǒng)線圈型變壓器，該類變壓器具備高效率、無磁漏、低雜訊之優(yōu)點(diǎn)，逐漸應(yīng)用在如電腦等設(shè)備上。本文將針對(duì)一般小型傳統(tǒng)線圈型變壓器做基本原理介紹，並說明使用與選購(gòu)相關(guān)常見問題。
1. 電壓器原理
線圈型變壓器於1885年由匈牙利Ganz公司首度生產(chǎn)，至今已超過一世紀(jì)，長(zhǎng)時(shí)間以來已經(jīng)廣為運(yùn)用且有諸多改良，設(shè)計(jì)出不同的型態(tài)，但是其原理仍然是一致的。此變壓器利用電能與磁能轉(zhuǎn)換感應(yīng)的原理，將兩組線圈繞製在共同的「鐵心(core)」上，如圖1所示，連接電源端的稱為「一次線圈」或「主線圈(primary coil)」，連接負(fù)載端的稱為「二次線圈」或「副線圈(secondary coil)」。
當(dāng)一次線圈接上交流電源，於該線圈通過的電流會(huì)在鐵心中產(chǎn)生磁通量變化，另一端的二次線圈會(huì)因?yàn)楦袘?yīng)的電動(dòng)勢(shì)(emf)，而產(chǎn)生另一個(gè)相同頻率的交流電。式(1)「法拉第定律(Faraday’s Law)」說明感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與磁通量以及線圈匝數(shù)的關(guān)係，其中ε為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，N為線圈匝數(shù)，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(yīng)電壓與線圈匝數(shù)成正比（式(2)），若二次側(cè)線圈數(shù)(N2)大於一次側(cè)線圈數(shù)(N1)，則該變壓器為「升壓變壓器(stet-up transformer)」，反之若則為「降壓變壓器(step-down transformer)」。

鐵心的選用
鐵心的設(shè)計(jì)也有不同的形式，鐵心材料的基本訴求就是，必須具備較大的「導(dǎo)磁性(relative permeability, Km)」，亦即較低的磁阻，常見的鐵心材料有經(jīng)過熱處理退火的軟鐵(soft iron)以及矽鋼片等。這些材料通常都具有比空氣高出近萬倍的導(dǎo)磁能力，比起其他材質(zhì)能夠產(chǎn)生更多的磁力線，舉例來說，假若一個(gè)空心線圈能產(chǎn)生一條磁力線，則表示同樣的線圈在矽鋼片上能產(chǎn)生約一萬條磁力線。
鐵心的結(jié)構(gòu)依外觀可分類為「外鐵式」與「內(nèi)鐵式」，如圖2所示，圖3、4說明目前常見的鐵心形式，其中圖3(d)為「EI型鐵心」，雖然EI型鐵心磁漏較高、效率低，但是經(jīng)濟(jì)方便容易製造，是目前最普遍的鐵心形式。圖3(e)為「C型鐵心(cut core)」，圖4右者是由C型鐵心改良而來的「R-core鐵心」，其鐵心橫斷面為類似圓形，以方便繞製線圈，且圓形的截面，可避免一般方型鐵心截面磁力線容易集中於四個(gè)直角端而造成磁力線分布不均，可能造成的磁力局部飽和的問題。圖3(a)、3(b)、與3(c)為「環(huán)形鐵心(toroidal core)」，採(cǎi)用環(huán)形鐵心的變壓器為目前電器特性最良好的變壓器，效率高、磁漏低且暫態(tài)反應(yīng)快，但製作程序較繁瑣，成本也較高。