工频环形变压器的DIY
Chipset发表于 2015-08-31 14:03:00
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AB类功放上有很多用环形变压器供电，也有用EI变压器的，环形变压器相对EI变压器材料用量小。主要原因是铁芯是一条硅钢带绕制的，无开隙，磁漏非常小，磁通高，同样的输出功率的情况下比EI变压器的漆包线用量小。如此一来既可以节约原料成本还能减轻重量。缺点是绕制麻烦，再者绕组散热差，尤其初级绕组。环形变压器还有一个缺点就是由于磁漏小，在市电质量差时铁芯容易偏磁饱和而电流暴增，再者就是启动冲击电流大。
1. 准备
绕制环形变压器需要，铁芯，漆包线，绝缘胶带，温度保险丝，保险管，绝缘套管，镀锡引线，剪刀，烙铁，焊锡，木锤，钳子，砂布，直尺。如果需要浸漆，则还需要绝缘漆和烘干设备。
铁芯的选择最为关键，目前现状是国产铁芯导磁率普遍差，铁芯有很多断点，硅钢片比较厚，铁损比较高。进口铁芯质量差距更大，DIY能买到的只能是拆机的铁芯，这些铁芯质量千差万别。好的铁芯是一条硅钢带绕制，整个铁芯绕制非常紧密，无断点，最重要的是导磁率高，饱和磁通都在19000高斯以上，硅钢片非常薄，通常在0.27毫米以下，铁损很低。
漆包线用无氧铜漆包线最好，最好不要用漆包铝线，因为铝线电阻率比较大。除了可以用漆包线，还可以用玻璃丝包线，这种线比较耐热，当线径比较大[直径2.0毫米以上]时，手工绕线弯曲很费力，此时可以用扁的玻璃丝包线或者纱包线。漆包线的绝缘涂层通产选取耐热130度以上的规格。有经济能力的可以购买高纯无氧铜漆包线。
绝缘胶带用于绕组的层间绝缘。常用的绝缘胶带耐热需在130度以上，也可以用无碱玻璃纤维布。绝缘胶带的宽度根据铁芯内径适当选取，不宜太窄或者太宽，厚度都是标准的，通常为0.06- 0.1毫米，无碱玻璃纤维布通常0.1-0.2毫米。
温度保险丝是一种过热会断开的温度保险丝，规格为105～120度之间的为宜。允许通过的电流大小根据铁芯容量选取。
绝缘套管和引线用于引出漆包线的接头。引线多用多股镀锡的铁氟龙引线或者多股镀锡硅橡胶引线，因为它们的绝缘层比较耐热。注意引线芯截面积不应小于漆包线截面积。套管则是把接头和引线的焊点套起来绝缘用的。
剪刀用于剪断胶带和绝缘套管，烙铁和焊锡用于焊接接头。钳子用于剪断漆包线，木锤用于敲击绕组使之平整。砂布用于磨掉漆包线绝缘层，以便上锡焊接引线。直尺用于测量铁芯内径和外径还有高度。
如果用绝缘布做层间绝缘，绕制好后可以浸漆增强绝缘强度。胶带绝缘的环牛则不能浸渍绝缘漆，因为塑料胶带无法用绝缘漆泡透。
除了上面提到的那些，还可能需要用硬纸壳或者薄木板或者铁丝制作一个线梭。给初级绕线前先得把漆包线绕到线梭上。特别大的铁芯由于需要的绕线匝数少且铁芯内径比较大，加上漆包线或者丝包线截面积比较大则无需线梭。
如果做音响的变压器，可能还需要做屏蔽层，用于初级和次级之间的静电屏蔽，屏蔽层用很薄的铜箔(0.06～0.1毫米)粘上胶带，两面都要粘上绝缘胶带，否则容易短路。实际绕制屏蔽层时绝缘是个大问题，绕完屏蔽层焊接引线，安装变压器时，屏蔽层的这条引线最终接到机箱上。如果铁芯洞眼小就不要绕屏蔽层，节约点空间，否则次级绕线绕不下就麻烦了。
2. 理论计算
2.1 铁芯理论容量
铁芯的截面积大小和磁场强度决定了环牛的输出功率。假设铁芯外径D，内径d，高H，叠片系数k，磁通B。则铁芯最大输出功率P=[B*k*(D-d)/2*H]* [B*k*(D-d)/2*H]，铁芯外形尺寸单位是厘米，磁通单位是特。
例如：假设一个新日铁铁芯外径150毫米，内径75毫米，高度80毫米，叠片系数0.95，磁通按照1.6特来计算，则该铁芯的容量为[1.6*0.95*(15-7.5)/2*8]* [1.6*0.95*(15-7.5)/2*8]=2079伏安。
下面解释下叠片系数，因为铁芯不是一整块硅钢，而是很薄的硅钢带绕制的，硅钢带上有绝缘涂层，这样做的目的显然是减少涡流损耗，但是绝缘涂层的导磁性能跟硅钢没法比，计算铁芯尺寸时得考虑减掉这一部分，常用的做法是乘以一个系数，对于普通的硅钢铁芯，系数一般取0.92～0.97，系数大小和绝缘涂层厚度和铁芯绕制的松紧有关。
2.2 漆包线用量
2.2.1 初级匝数
匝数公式：N=(U*10000)/(4.44*f*B*A*k)
U是电压，中国大陆取240伏，美国取120伏
f是交流电频率大陆取50赫，美国60赫，变化极小，通常在1赫之内，可以忽略。
B是铁芯磁场轻度，好铁芯磁通高，差铁芯磁通低，这里假设是好铁芯B=1.6特，这个值通常取在铁芯材质磁化曲线的拐点下方，进口无断点铁芯取1.4～1.6特，国产不超过1.2特， 如果有断点则应更低。如果不是环形铁芯而是EI铁芯，B取值应该比环形铁芯小一些。
A是截面积，用前面那个新日铁铁芯做例子，A=(D-d)/2*H=(15-7.5)/2*8.0=30平方厘米
k是叠片系数，这里取k=0.95
可得初级匝数：N=(240*10000)/(4.44*50*1.6*30*0.95)=237匝
2.2.2 初级线径
上面新日铁铁芯容量是2079伏安，平均电压是220伏，则平均电流大小I=P/U=2079/220=9.45安。
假设每平方毫米纯铜漆包线载流量是3安，这个值由散热程度决定。对于自然冷却干式变压器，这个值一般不应该超过4安，散热差的则取2.5安甚至更低，如果用铝漆包线则取值应更低一些。
则漆包线直径(不含漆皮厚度，因为漆皮不导电)d=sqrt(4*9.45/3.14/3.0)=2.0毫米
2.2.3 初级漆包线用量
a)初级绕线层数
包好绝缘层后的铁芯内径周长/(导线直径*系数)，前面的铁芯内径75毫米，漆包线直径2.0毫米[忽略漆皮厚度，忽略铁芯绝缘层厚度]，机器绕线系数一般取1.1～1.15。人工绕线误差很大，细线能好得多，粗线很难绕紧，再者还得为焊接引线预料位置，如此一来系数要大一些。尽管有小木锤敲击，尽量使绕组平整，且尽量拉直拉紧绕线，但是还是不会太直太紧，我这里系数取1.25，如果是细线，线径小于1.0毫米则可以取1.15，因为细线很容易拉直和绕紧。
第一层：3.14(75-2.0)/(2.0*1.25)=91匝
第二层：3.14(75-6.0)/(2.0*1.25)=86匝
第三层：3.14(75-10.0)/(2.0*1.25)=81匝
本来两层多就够了，三层绕满已经超过237匝了，为了平整仍然绕线三层，共258匝，匝数多了21匝。由于线径比较粗，比237匝增加的电阻很小，不必太计较。
注意，如果铁芯内径比较小，则一定不要多绕，因为初级多了，同样电压下，次级也要多绕，那样最终可能导致绕线绕不下就麻烦大了。
b) 初级漆包线长
中层截面积是个近似的矩形，线层厚度近似3毫米，则这个矩形的轮周长是[(150-75)/2*2+80*2+3*4]/100=0.247米
258匝的线长则为：0.247*258=64米
c) 初级绕组漆包线重量
m=pV=p*A*l
上式中，铜的密度p=8.89*1000kg/立方米
漆包线的截面积A=3.14/4*d*d=3.14平方毫米
L是初级绕组的漆包线总长度，L=64米
漆包线重量为8.89*1000*3.14/1000000*64=1.8千克
2.2.4 次级
根据N/n=U/u计算次级匝数，初级N=258匝，电压U=220伏，次级电压根据需求来定。假设次级有4组，其中2组30伏，电流10安，还有2组40伏，电流18安。
则30伏的次级匝数每组n=30/220*258=35匝，实际绕线时可多绕1～2匝，因为通电后电压会下降一点。载流量还是根据每平方毫米3安来计算，此时线径为sqrt(4*10/3.14/3)=2.0毫米，可以用前面2.0毫米的漆包线。
40伏的次级每组匝数n=40/220*258=47匝，每平方毫米按照3安计算，则线径为sqrt(4*18/3.14/3)=2.76毫米，太粗了，可以用1*6毫米规格的扁砂包线绕制或者2.0毫米的漆包线并绕。
漆包线和沙包线用量可以参照前面的计算过程做算出来，不再赘述。
3.0 测试铁芯最大磁场强度
前面那个例子里的磁场强度B，一拍脑袋就取了1.6特，这显然不合理。现实中，不同厂家生产的铁芯导磁率有很大差异，即使同一厂家生产的同一批铁芯，导磁率也可能差距巨大。两个同样大小的同一批铁芯一个能取到1.6特，绕完线通电非常安静，空载电流极小，另外一个可能最高只能取1.2特，多绕好几十甚至上百匝，绕完线通电还会嗡嗡响，空载电流很大。这可不是个别现象，这种事经常发生！
尽管没有高昂的导磁率测试设备，但DIY的目的是用简单的方法最大化物尽所值，铁芯绕线前也得先测试出该铁芯的磁化曲线或者伏安特性曲线也行。为此，得有一个交流供电电源，这个电源可以是调压器，也可以是输出10～30伏的隔离变压器，此外还需要一个交流毫安表或者计量插座。
3.1电压法
根据前面的匝数公式N=(U*10000)/(4.44*f*B*A*k)，计算出电压U和磁通B的关系。
假设B的取值是0.8特，电压30伏，计算出在铁芯上需要绕线的匝数，然后逐渐升高电压，观察电流值，电流值成近似线性增加，当电压到某个值时，电流突然增大很多，这个点就是拐点，计算出此时的B值。实际绕线时，B的取值一定不要超过这个值。
3.2 匝数法
如果没有调压器就找一个交流电源也行，输出电压在10～30伏以内为好。根据前面的匝数公式N=(U*10000)/(4.44*f*B*A*k)，计算出匝数和磁场强度B的关系。
假设电压是20伏，B取0.8特，计算出此时需要绕制的匝数，逐渐减少匝数，观测电流值变化，一般是近似线性变化，当匝数减少到某个值时，电流突然增大很多。这个点就是拐点，计算出此时的B值。实际绕线时，B的取值一定不要超过这个值。
需要注意，这里用的毫安表或者计量插座是测试的调压器初级通过的电流或者低压变压器初级通过的电流，而不是要测试的铁芯绕线里通过的电流，我们仅仅想找到拐点，并不关心实际电流到底多大，这样不至于不停的通断电流表。如果不怕麻烦，想测铁芯绕线每次通过的实际电流则需要用安培表，因为匝数少，哪怕一匝之差，磁场强度就会超过铁芯磁化曲线拐点，此时电流可能会很大，达到10安以上，如果用毫安表会瞬间烧坏。
4.0 过滤市电中的直流分量
市电里有时会有直流分量，此时会导致环牛铁芯极化偏磁，初级电流暴增，严重时甚至烧毁保险管或环牛温度保护电阻。一个极端的例子是吹风机开低档时，平时空载8毫安的环牛此时空载电流突然增加到1安多，而这个环牛也仅仅200多伏安的容量。上面例子里那个环牛空载平时18毫安，开吹风机低档则环牛空载电流暴增到4安以上。
过滤市电直流分量需要一个桥堆和4个低压电容组成下面的电路即可。
桥堆最大电流是变压器初级最大电流的2倍以上，电容用耐压值16伏即可，容量几千微法就可以了。前面的例子，环牛初级电流最大接近10安，应该选用25安以上的桥堆。
5.0 铁芯的选择
功率太小的变压器不宜手工绕制，因为需要绕线匝数太多，太大的当然也不行，因为需要的线太粗，线很难弯曲。铁芯不宜选择高个子小洞眼的，绕线太困难，而且可能绕不下。洞眼大高度下的铁芯空载电路可能比较大，因为磁路长磁阻大，但散热好，动态响应也慢。
一般而言，医疗设备上用的环牛铁芯损耗比较下，导磁率比较高。音响上用的环牛铁芯动态响应比较快。工业环牛铁芯频带宽度普遍比较差。国产的就别想了，根本不值得浪费宝贵的时间去DIY。
值得注意的是，应力严重影响导磁。铁芯往水泥地上一摔，就算变形矫正过来，应力永久留在铁芯硅钢里，严重影响导磁增加铁损，拆解铁芯的刀伤当然也影响导磁。好铁芯走物流或者快递摔变形就基本等同报废。拆机铁芯就更没保障了，没有人知道是不是拆机时摔坏了。
6.0 绕制环牛大致步骤
估算功率，购买铁芯，绝缘带，绝缘漆
测试铁芯允许的最大磁场强度
铁芯倒角和绕绝缘层，全面浸漆烘干
计算需要的漆包线规格和用量
购买漆包线，引线，绝缘铜箔等
制作线梭架子，焊引线并绕漆包线到线梭上
绕制初级[每两层做一次绝缘]
焊接另一根引线
绕制绝缘层
浸漆和烘干
绕制屏蔽层并焊引线
绕制绝缘层
给初级窜接温度保险丝和引线，并绝缘处理
绕制次级
焊接次级引线
浸漆绝缘并烘干
焊接过滤直流分量电路
焊接初级和次级保险管
安装并通电测试
根据实际情况，上面有的步骤可以忽略，有的步骤顺序可以互换。
7.0 当心假货
当心买到假货进口铁芯，某宝上 《爱歌音乐坊》就是其中一家，笔者就被骗过。揭露了骗子其真面目后，笔者手机多次受到骚扰和恶言诋毁。
8.0 环牛图
注：本文中所有插图均取自互联网。