完整版EI28变压器的制作与设计2毕业设计Word文档下载推荐.docx
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致谢29
参考文献30
附录31
绪论
变压器的发展距今已经有了140来年的历史了，最早是在1831年英国物理学家M.法拉第进行的变压器实验。
而在这一个多世纪里，变压器有了长远的发展，电压已达到百万伏级，使输电距离超过1000km。
并且近些年来，伴随着电子元器件以及控制技术的发展，近20年来无线电广播事业兴起，小型电源变压器和音频变压器广泛应用于各类收音机中。
电子变压器也得到了越来越多的关注，它是集电力电子、电力系统、计算机、数字信号处理以及自动控制理论等领域为研究课题，应用前景广阔。
并且具有体积小、重量轻、空载损耗少、不需要绝缘油等突出优点。
变压器是由国外开发、研制出来的新型电子元器件，并且在国外市场已形成了几大专业变压器生产集团，每一年的年终产量都是相当庞大的，且生产基地集中在欧洲地区。
国内变压器工艺是从国外引进而来的，虽然变压器的源泉不在国内，而且变压器的技术也不是很先进，但自从借鉴了国外的先进生产工艺技术之后，国内变压器不仅在品种，还是在变压器的使用效率上都大幅上涨。
并且精益求精还生产、研发出不少新型结构的变压器。
使得变压器行业在电子行业中有着不可估量的发展前景。
变压器在现在生活方面有着广阔的应用：
如手机的充电器，照明光源，电视机VCD机DVD机以及电磁炉里的电源，还有电脑里的电源以及新型能源：
风能、太阳能等等，也就是说所有的小型电器中用原来电感变压器的地方都可以用电子变压器代替。
本文中介绍了EI28变压器的制作、设计过程。
了解变压器的组成、工作原理，一些重要参数的计算。
变压器的检测元器件及磁芯松动、短路、噪音等故障的检测与保护电路等常见的现象，都是变压器设计中应该注意的问题。
1电子变压器的基本组成
1.1电子变压器的结构
变压器由磁芯（也叫铁芯）、线圈和骨架3部分组成。
磁芯是变压器的基础，是它产生了变压器的磁路，在变压器中起了主导作用；
线圈组成了变压器的电路部分，而一个变压器至少有2个或2个以上的绕组，并且相互之间都是绝缘的；
骨架是承载线圈的结构部件，而骨架的形状是随着磁芯大小的改变而改变的。
1.2变压器的工作原理
变压器的基本工作原理就是利用电磁感应原理，从一个电路向另一个电路传递电能或传输信号，它是电能传递或传输电信好的重要元件。
下列图1－1中便是一个变压器工作的基本模型，在电流I的方向和大小随着时间的变化，变压器U1上通电时变压器中的磁芯会产生一个磁场Ф（其中I所在的绕组我们名之为初级绕组线圈N1，而相对应的另一个绕组名之为次级绕组线圈N2）。
在这样一个环境下次级线圈处也能感应出频率相同的交流电压。
但是变压器是只能对交流电压有效果，对直流电压不会起到任何作用，也就决定着次级线圈只能在直接接通的一瞬间才能产生一个瞬间电流和电压。
图1－1变压器基本电路模型
变压器计算公式：
原边:
；
（1）
副边:
（2）
磁通量:
（3）
上述式中U1,U2为两侧交流电压值，f为交流电频率，N1,N2为两侧线圈匝数，Faim为铁芯磁通量，Bm为磁感应强度（磁通密度），特斯拉T,S为截面积。
1.3电子变压器的分类
1.3.1按工作频率分
（1）电源变压器，工作频率一般为三种：
25Hz、50Hz或400Hz；
（2）音频变压器，其一般用作于音频放大电路，工作范围为20Hz~20kHz；
（3）脉冲变压器，用于脉冲电路中，其信号波形为单极矩形脉冲，并且含有多次的谐波；
（4）开关电源变压器，用于直流电源变换电路，工作频率一般在于20kHz以上。
1.3.2按用途分类
（1）电压转换变压器，用于信号传输电压的升高或降低；
（2）匹配变压器，用于提升传输效率，使得后级输入阻抗与前级输出阻抗能达到一致；
（3）耦合变压器，是的电路的直流信号更改为交流信号通路；
（4）振荡变压器，将输出信号用正反馈接入输入端，产生振荡电路。
1.3.3按绕组形式分
（1）双绕组变压器：
用于连接电力系统中的两个电压等级。
（2）三绕组变压器：
一般用于电力系统区域变电站中，连接三个电压等级。
（3）自耦变压器：
用于连接不同电压的电力系统。
也可作为普通的升压或降后变压器用。
1.3.4按冷却方式分
（1）干式变压器：
依靠空气对流进行冷却，一般用于局部照明、电子线路等小容量变压器。
（2）油浸式变压器：
依靠油作冷却介质、如油浸自冷、油浸风冷、油浸水冷、强迫油循环等。
2DC-DC开关电源中变压器的应用
伴随着电子元器件的发展和普及，开关电源技术也在近20年里飞速发展，而开关电源的心脏核心部位就是变压器，将其称之为电子变压器。
电源中的变压器是起到电压的转换的一个功能，这决定着它需要有一定的工艺要求，而这种变压器被称之电子变压器，同时也可称之为脉冲变压器，并且有着体积小，重量轻，价格低等优点。
2.1开关电源的定义
开关电源是一种电压转换电路，主要的工作内容是升压和降压,同时其又是稳压电源的一种。
因为开关三极管总是工作在“开”和“关”的状态，所以叫开关电源。
它利用现代电力电子技术，控制开关管导通和关断的时间比率（缩写TRC,TimeRationControl），维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。
而开关电源本质就是一个振荡电路，这种转换电能的方式，广泛应用于现代电子产品。
2.2开关电源电路的组成
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。
辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
图2－1开关电源电路框图
同时开关电源总体规划而言其是由四个主体部分构成的：
输入电路、变换器、控制电路、输出电路。
（1）输入电路：
是由线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路组成的。
它的作用是把输入电网的交流电源转化为符合开关电源要求的直流输入电源。
（2）变换电路：
开关电源变换的主通道是以含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，同时也作为核心器件。
它的作用是完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。
（3）控制电路：
向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。
（4）输出电路：
把输出电压整流调成脉动直流，并形成低纹波直流电压。
输出整流技术现在又有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。
2.3开关电源结构图
图2－2开关电源结构图
本文设计的DC-DC电源变换器如图2－2所示，其中输入电路的直流电压为24V，输出电路是一个分别为5V以及±
12V的多路直流输出，要求电路的各路输出电流都在1A以上。
这款开关电源的芯片是UC3842，UC3842采用固定工作频率脉冲宽度可控调制方式，其最高工作频率可以达到200kHz。
2.3.1开关电源芯片
UC3842是美国Unitrode公司（现在被TI公司所收购了）生产的一种性能强度高的单向输出型的电流控制型脉宽调制器芯片。
其只有8个引脚便于安装调试，而且它的电路结构非常简单，广泛用于计算机、显示器、单片机控制器等系统电路，作为开关电源的驱动器件。
为了更方便的了解上述中的开关电源，接下来本文将具体介绍一下UC3842芯片的内部工作原理，UC3842是采用固定工作频率产生脉冲宽度达到可控制的调制方式，其共有8个引脚，以下是个引脚的功能：
（1）引脚1是误差放大器的输出端，外接电阻或电容用于改善误差放大器的频率特性；
（2）引脚2是反馈电压的输入端，这个脚的电压与误差放大器提供的原有电压进行比较，从而产生误差电压，便于控制脉冲宽度；
（3）引脚3是电流检测输入端，但外部检测电压超过1V是脉冲宽度会自动是的电源处于间歇工作状态；
（4）引脚4为定时端，其工作频率由外接的电阻或电容时间常数所决定的；
（5）引脚5为公共接地端；
（6）引脚6为推挽输出端；
（7）引脚7是直流电源的供电端，具有电压判定的锁定功能，而芯片的功率消耗为15mW；
（8）引脚8是特定电压为5V的基准电压输出端，有着50mA的负载能力。
图2－3UC3842芯片
2.3.2电子变压器的作用
在DC-DC开关电源中决定电性能的关键，便是开关电源变压器（也称其为电子变压器）。
上文介绍开关电源中，其组成中一个部分便称为变换电路模块，这一模块便是接下来要重点介绍的变压器部分。
变压器在图2－2所示的DC-DC电源中是一个多路电压转换输出的项目，将24V的输入电压转换成输出为±
12V、5V的3路输出。
因为变压器本身的性质，在电路中也有着反馈电路的特性，对保护整个开关电源起着决定性的作用。
下图2－4便是电子变压器在开关电源中的结果图，虽然变压器有多个PIN引脚，但却不是所有的都能用到，是根据实际工作需要而设计的。
图2－4DC-DC开关电源中变压器的显示
想要设计制作出一款完整变压器，其设计主要工艺分为：
材料的选择（磁芯以及骨架）、电气性能参数的计算、手工的制作工艺、后道工序的检测以及一些故障的分析、解决。
以下便让我们通过具体示例介绍工作频率为100kHz的高频开关电源变压器的设计及注意事项。
3变压器材料的选择与工作环境
EI系列的变压器具有适用范围广、工作频率高、工作电压范围宽、输出功率大、热稳定性能高等特点。
所以根据实EI系列的优良特性，文中选择了EI28这款变压器作为本次实验电路中的脉冲变压器。
3.1变压器材料的选择
3.1.1磁芯材料
（1）Mn-Zn类：
这一类的磁芯是由70%Fe2O3、17%MnO以及13%ZnO组成的。
这种材料的到点能力很强，一般需要涂绝缘层的，对于有较大磁感量的变压器一般都会选择Mn-Zn的材料，而且这类的材料容易磁饱和。
（2）MPPCORES铁镍金属磁粉芯：
这一类的磁芯是有81%Ni、2%Mo以及Fe构成的。
这种材料的磁导范围大，并且在粉末磁芯中具有最低的损耗，且温度稳定性极佳。
（3）Sendust铁硅铝磁粉芯：
它是由9%Al、5%Si以及85%Fe组成的。
其实用来替代铁粉芯的，损耗比起铁粉要低80%。
在不同频率的情况下工作，基本没有什么噪音产生，其性价比也是相当高的。
（4）HighFlux铁磁粉芯：
它是由50%Ni、50%Fe构成的，在粉末磁芯中具有最高的饱和磁感应强度，最高的直流偏压能力。
因此，综合几种材料的性能比较，并且根据实际设计的情况，本文中变压器的设计是选择了饱和磁感应强度较高，温度稳定性好，价格低廉，加工方便的性价比较低，并且在市场上很容易买得到的Mn-Zn类材料，并选以此材料作为框架的EI28来绕制本例中的电子变压器。
图3－1EI28磁芯规格图
3.1.2骨架材料
骨架一般按变压器所使用的磁芯（或铁芯）型号进行分类，有EI、EE、EF、EPC、RM、PQ等型号，而每个型号又可按磁芯（或铁芯）大小进行区分，如EI19、EI28、EI35、EI40等大小不一的型号。
骨架按形状分为：
立式和卧式两种；
按变压器的工作频率又分为高频骨架和低频骨架两种；
按骨架的针脚使用性质，又分为传统式骨架（DIP）和贴片式骨架（SMD）两种；
按制作材料分为：
电木材料和普通塑料材料两种。
由于骨架的特性是根据磁芯材料来决定的，所以在本文中选择了EI28的立式高频骨架，为了保证质量选择了以电木材料为佳，在现实中PCB板上焊接为了容易操作，以及美观选用了直插型（DIP）的骨架。
图3－2EI28骨架规格图
3.1.3线圈材料
线圈是一种以铜为主质材料的漆包线，绕成一圈圈圆形空心之元件。
此元件对于交流电路中有着直流电路中相当于电阻的作用，也有着感应性电抗的作用。
漆包线材料又可分为：
a、油脂漆包线：
它是最早使用于电气机械的漆包线，具有优良的电气性能，并且价格低廉，至今还在使用中；
b、合成树脂漆包线:
这款漆包线是在近几年研发出来的，皮膜坚固、耐热、耐化学性能强，使得电气机械操作温度得以提高；
c、高温直焊漆包线：
此漆包线具有直焊的特性，耐温可达到155℃SS-TF，180℃SS-TH两种，而且不用刮出皮膜即可轻易焊接。
因为油脂漆包线不仅有着优良的电气性能，同时价格低廉，所以文中选取了油脂漆包线作为EI28制作的线圈材料。
3.1.4套管材料
套管种类繁多，用途广泛，我们常用的有TEFLON（铁氟龙）、硅质套管、玻璃纤维硅胶套管、硅橡胶套管、硅胶玻璃纤维套管、腊套管、PE热缩套管、PVC热缩套管。
（1）TEFLON
铁氟龙为塑料中耐温最高（280~300℃），而且其具有最强抗酸、碱性，最强的抗粘，耐磨性也最强塑料材料，而广泛用于机械，汽车，电子等行业。
铁氟龙同时作为讯号、网络以及电缆中用线的最佳绝缘材料，成功用于各类家电用电器（微波炉、电冰箱、吹风机、空调……），计算机、化学用品、机械及电气、电子工业领域。
（2）硅质玻璃纤维套管（SiliconGlassFiberSleevingCharacter）
硅质玻璃纤维套管是以一种无碱性玻璃纤维材料编制而成的套管，经特殊的树脂加工处理，再配以适当的温度烘干而制成的。
它具有极佳的电气绝缘性，且耐高温、抗潮湿，在零下50℃的低温中仍能保持柔软的特性。
在高温200~250℃也不会损坏电气特性，另外外皮的膜强韧度高，可以曲折变化。
适用干式变压器、炭刷、冷冻机、冷气机、投射灯、卤素灯、吸顶灯、落地灯及发热机体的导线、机械高温配线。
具有一定的保护作用。
在制作变压器时，一般变压器生产公司多数采用的是第一种以铁氟龙为材料的套管，因为在大批量生产加工中，这类材料有着优质耐高温性能的体现。
所以这次文中设计变压器，也采用了铁氟龙套管。
3.1.5胶带材料
（1）环氧胶带（epoxytape）
环氧胶带具有抗焊接接触时间长，质地薄，并且绝缘强度极高，这种材料的胶带也是UL所认可的耐温程度可达150℃。
这种结构的胶带应用功能十分广泛，有利于减轻库存成本，而其的HI-POT（高电压）在5KV以上。
（2）聚酸亚胺胶带（polyimidetape）
这种胶带以聚酸亚胺为基本材料的胶带适用于COIL（线圈）、缠结的电线和电容器。
它能扺受住极大的温度差距，使得其物理及电气性能都不变。
其利用热固硅做成的压敏胶粘剂，能大大提高聚酸亚胺胶带的稳定性。
其耐温为180℃，HI-POT为7.5KV。
（3）聚四氟乙烯胶带（PTFETape）
这种耐高温薄膜胶带在温差极大的情况下，仍可保持其原有性能不变，受热收缩程度低、抗电弧能力高、且不含碳化物质，但扺御化学物质性能极低。
其耐温为80℃，其HI-POT为9.5KV。
（4）乙烯树脂胶带（VinyiTapy）
乙烯胶带参合了聚氯乙烯作为基本材料，便使得其灵活性及电气绝缘性能极佳。
它具有抗湿气、紫外线、磨损、腐蚀而且是与碱混合而成的混合物质。
其压敏橡胶粘剂适用温差能力良好。
这种不褪色的胶带能迅速辨认电流的流向、导线和安全地带。
乙烯胶带提供的电源绝缘电压高达600V，亦可用于高压电缆电线和电视消磁COIL的封装操作。
HI-POT>
8KV最高可达到12KV。
（5）聚酯薄膜（PolyeseterTaye）
这种胶带适应于需要薄质、耐用和高介电耐电压强度材料时的绝缘用途。
聚脂薄膜胶带具有极佳的抗化学性能和抗潮湿能力，并可扺受切割及磨损。
耐温高达130℃其HI-POT为5KV。
（6）强化纤维胶带（FilamentTape）
这种胶带特别适用于需要聚脂薄膜的高介质电强度、高耐电压和玻璃布胶带的机械强度较高的情况下。
它有着韧度高和抗撕裂强的特性，但是延展强度非常低。
在温度130℃以下的范围中使用这种胶带，比使用玻璃布胶带的成本更为低。
它可用来固定引线板，并可缠结COIL。
（7）合成物薄膜（CompositeTape）
这种材料做的胶带具有软垫的特性，并且其厚度有着多种选择。
这种胶带也便是我们常说的含有44%的醋酸布（ACT），其耐高温为130℃，HI-POT为5.5KV。
（8）玻璃布（GlassCloth）
玻璃布胶带用途最为广泛，它经常用在纺织产品中。
且其耐热性和韧力极高，并能有效地吸收电气绝缘漆。
其耐温在130℃以上，HI-POT为3KV。
（9）乙醋酸布（AcetateCloth）
这些胶带适用于COIL包封。
其能接受105℃的高温，且乙醋酸布能有效地吸收树脂和绝缘漆，HI-POT为3.5KV。
（10）纸带（Paper）
这类胶带也具软垫的功能和韧度性能高。
其以绉纹及纤维带为基物料，用于COIL包封以及在105℃或以下的温度范围中使用，HI-POT为2KV。
EI28对于温度的一般要求是在60~80℃之间完全符合环氧胶带的特性，并且环氧胶带对于绝缘的效果非常的好，且质地非常薄，包装非常方便、美观。
但是在一般变压器公司中对于生产出的变压器有着不同的条件、标准。
因此，以上各类的胶带材料公司中都能找到，在本文中便是采用了环氧胶带这种材质。
3.2工作环境点的确定
变压器在使用中对其影响最大的是环境温度的条件。
决定磁性材料受温度影响强度的是居里点。
居里点是指材料可以在铁磁体和顺磁铁之间改变的温度。
低于居里点温度时，该物质将变为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。
同样温度高了就变成为顺磁体，磁体的磁场会随着周围的磁场变化而变化。
磁性材料随着居里点的提升，而受温度的影响也就越小。
Mn-Zn软磁性的居里点一般只有215℃，比较低，磁通密度，磁导率和损耗都温度发生变化。
除正常温度25℃而外，还要给出60℃、80℃、100℃时的各种参数数据，Mn-Zn磁芯材料一般工作温度限制在100℃以下，也就是在环境温度40℃时，温升只能限制于60℃。
同时导电材料的工作温度由漆包线的外部绝缘材料的耐热等级所决定。
如油脂漆包线，他的耐热等级比较高，最高温度可达到100℃以上。
而外部组成的环氧胶带的耐温程度可达150℃。
根据居里点的特性，得出EI28变压器适应温度可比环境温度高出20~30℃，如环境温度为30℃，那么变压器工作的最高温度可为60℃。
在这样的温度条件下，变压器仍可安全使用；
但要是过了这个最高的温度，变压器便会损坏。
4变压器的主要参数和制作工艺
在变压器的整个设计中，变压器能否完成DC-DC电源中电压转换的功能，取决于变压器各项参数的计算：
确定变压器的变比、计算初级线圈中的电流、计算初级绕组圈数N1、计算次级绕组圈数N2、反馈绕组N3的估算、线线径的选取、圈绕制与绝缘。
才能使得变压器在DC-DC电路中正常的工作，才能体现变压器的功能。
4.1确定变压器的变比
什么叫做变压器的变比，变比是一个电工学词，它是变压器变压比的简称。
变压器变比的计算就是变压器原绕组和变压器副绕组中的感应电势之比，变比又与绕组的匝数成正比。
原绕组输入电压与副绕组输出电压之比等于线圈的匝数比。
根据输出电压U0的关系式：
（4）
得变比为：
（5）
式中n为匝比，UD为整流器输出的直流电压，T为整流器工作时的周期，ton为磁通量的导通时间。
本文设计中变压器的参数：
UD＝24V，f为100kHz，ton取0.5；
便得到n＝2。
4.2计算初级线圈中的电流
根据本例中已知的直流输出电压U0＝±
12V、5V，电路的各路输出电流I0＝lA，根据条件得出此开关电源的输出功率：
（6）
开关电源的使用中的效率值η一般在60～90%之间，为了计算的简便，在这里取η＝0.8，则可得出实际的输入功率为：
（7）
那样的话初级的平均电流就为：
（8）
如果现在假设初级线圈的初始电流为零的话，那么在开关电源的导通期ton里，初级线圈中的电流便会从零开始呈线性增长并达到峰值I1P。
（9）
4.3计算初级绕组圈数N1
根据电流的峰值I1P，可以计算得出初级绕组最小的电感L1为：
（10）
根据输出功率P可以选择适合的磁芯大小，因为磁芯的规格是EI系列，所以磁芯便选择了常见的EI28磁芯。
可以正式计算线圈参数初级绕组N1:
（11）
本式中Ilp—初级线圈峰值电流，A；
L1—初级电感，H；
S—磁芯截面积，mm2；
Bm—磁芯最大磁通密度，T。
4.4计算次级绕组圈数N2
次级绕组的计算比之初级绕组可得出N2：
（12）
由上可得输出绕组±
12V分别绕5匝，而5V的输出绕组与次级绕组的比值也便是匝比值。
可得出5V输出为3匝。
4.5反馈绕组N3的估算
在开关电源中有一个十分常见的，由芯片所决定的问题，那便是反馈。
并且在开机初期，大部分的电源经过一个功率电阻，将较高的直流高压降压后提供给芯片。
当芯片输出多个脉冲后，反馈绕组就可以提供正常的电能了。
因为在正常工作的时候，芯片的耗电量也是相当大的。
所以根据UC3842的要求，反馈绕组的输出电压应在13V左右。
（13）
4.6导线线径的选取
根据输入输出的估算，初线线圈的平均电流值应该放宽允许达到2A。
（1）初级绕组
根据导线的使用电流量、电感量等，我们选定初级绕组的线径可选d＝0.80mm，其截面积为0.5027mm2的漆包线。
（2）次级绕组
次级绕组的线径根据各组输出电流的实际大小，并且采用并绕的绕线方式，但是其相对的接触面积也增加了。
当然为了方便我们可以直接选取比较粗的线径，所以文中也就选择了d＝0.80mm的导线。
4.7线圈绕制与绝缘
在电子变压器的绕制工程中，最重要的问题是使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样的话可以减小变压器漏感，因为漏感过大，将会造成较大的脉冲波以及干扰信号，从而导致变压器元器件的击穿。
同时绝缘胶带也起了决定性作用，它不仅有绝缘的效果，并且也使得初、次线圈紧密的耦合在一起。
4.7.1绕制方法：
（1）一层密绕：
绕线时只铺在第一层，这是一种线与线之间紧密的耦合在一起无间隙的绕线方式如下图4－1所示：
（2）均等绕线：
在绕线间隔规定的范围内以相等的间距进行绕线，间隔误差在20%以内可以允许的如下图4－2所示：
图4－1一层密绕图图4－2均等绕线图
（3）多层密绕：
在一个绕组在一层无法绕完的情况下，必须绕至第二层或二层以上，此绕法分为三种情况：
A、任意绕：
在最内层其绕线整齐排列，但达到最上层时，布线已开始零乱，呈现凹凸不平的状况，这是绕线中最粗略的绕线方法。
B、整列密绕：
几乎所有的布线都整齐的排列，但只有部分的布线是零乱的（约占全体30%，圈数少的约占5%的参考尺寸）。
B、完全整列密绕：
绕线至最上层也不零乱，绕线很整齐的排列着，这是绕线中最
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