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干货 | 通俗易懂讲解绕组分布电容

2020-03-19
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所有电感,包括变压器,都是铜线或者其它金属导线一匝一匝绕成的。所有电感,都具有分布电容,区别仅仅在于分布电容的大小而已。

图(01)是个单层绕组(也称线圈)示意图。

图(01)

图(02)是图(01)的剖面图。图中可见,该绕组(假定)有30匝,第1匝在左,一匝一匝向右密绕。这种绕法,通常叫做单层平绕。

图(02)
  
图(02)中每匝与其相邻匝之间都具有分布电容,30匝就有29个电容,这些分布电容构成串联关系,如图(03)所示。必须说明:第01匝与第03匝之间也有电容,但此电容由于第02匝的存在,是非常小的,远远小于相邻两匝之间的分布电容,可以忽略。所以,单层平绕这种绕法的分布电容相当小。

图(03)
  
如果绕组匝数比较多,一层绕不下,那就不可避免地要绕多层。最简单的多层绕法是绕到一端后,从此端往回绕。如图(04),向右绕完30匝,然后再向左平密绕30匝,绕到起点。

图(04)           
  
这种绕法通常叫做多层平叠绕。
  
我们来分析分析多层平叠绕的分布电容。
  
如图(05)所示,两层导线之间也存在分布电容。第60匝与第01匝之间具有分布电容,第59匝与第02匝之间也存在分布电容……斜向位置的两匝导线如第60匝与第02匝之间也存在较小的分布电容(但比图03中第01匝与第03匝之间的分布电容要大不少),图中没有画出来。

图(05)
  
图(05)中,特别将第60匝与第01匝之间的分布电容标注为C。
  
虽然图(05)中第01匝与第60匝之间的分布电容和第30匝与第31匝之间的分布电容相同,但是,流过图中分布电容C的电流却与第30匝与第31匝之间分布电容的电流不一样。第30匝与第31匝之间的分布电容上面的电压是1匝的电压,而第01匝与第60匝之间的分布电容C上面却是60匝的电压,所以流过分布电容C的电流要比流过相邻两匝之间的分布电容的电流大得多。
  
和图(03)相比较,如果其它条件都相同(线圈直径、导线直径、绝缘层厚度……等等),图(05)中两层平叠绕绕组的分布电容比图(03)中单层平绕绕组的分布电容要大得多,至少是图(03)绕组的几十倍(不小于30倍)。
  
如果导线比较细而且匝数比较多,两层还绕不下,需要绕更多层(小功率工频变压器原边就是这样),那么绕组的分布电容会更大。
  
某些开关电源,例如要求输出的直流电压很高但电流很小(例如要求输出3kV10mA)的单端反激开关电源,电路就像图(11),但对输出电压电流要求不同,其变压器副边匝数就很多而且用线比较细。对这样的变压器,多层平叠绕法的分布电容就嫌太大了。如果用多层平叠绕法,很可能输出直流电压达不到按照匝数比计算的数值,因为变压器副边绕组分布电容把相当一部分电流短路掉了。

图(06)
  
图(06)的绕法比图(05)要好。图(06)的绕法是:向右绕完第1层后,把导线拉到始端继续向右绕。这种绕法,因为第31匝与第01匝之间电压比图(05)中第60匝与第01匝之间电压要小,所以流过第31匝与第01匝之间分布电容的电流要比图(05)中分布电容C中电流要小。两层绕线分布电容又是串联的,所以这种绕法电感两端总的分布电容比较小。
  
另一种绕法是乱叠绕,也就是导线不是一层一层绕平整,而是互相交叉地绕。乱叠绕不必一圈一圈排整齐,比较方便。乱叠绕分布电容比平叠绕要小,但是因为导线有交叉,同样直径同样匝数,占用的窗口面积比平叠绕要大。
  
图(07)所示绕法分布电容更小。图(07)按照导线数字顺序是这样绕的:绕两匝(或者三匝)就把导线退回到始端,第03匝和第04匝叠绕在第01匝和第02匝上,然后第05匝和第06匝绕在第一层。以后依次类推。不过,这种绕法即使是经验丰富的老手,也很难绕平整,太难绕了。而且,如果需要叠10层那么高,宽度却限制在平绕5匝,非常难绕出来——叠那么高,不到10层就倒了。

图(07)
  
不过没关系,我们把绕线骨架分成若干格,每格宽度限制在很小,绕满一格后把导线拉到下一格继续绕,就可以叠得相当高,宽度却很小。
  
如图(08)所示,假定我们需要绕340匝,骨架有4格,我们可以在第1格绕85匝,然后导线拉到第2格继续绕85匝……直到把4格绕完。绕组的一头一尾恰在对角线位置。
  
这种分格绕法实际上不可能平绕,都是在每格里面乱叠绕。
  
分格绕法的分布电容相当小,而且绕组的一头一尾距离远,每格内两层导线之间绝缘承受的电压比较小,特别适宜高电压小电流的绕组。

图(08)
  
图(09)就是这样一种骨架。左边有两格,格宽比较大。两格之间隔板有缺口,用于将导线从一格拉到另一格。中间是特别窄的四格,右边是比中间稍宽的六格。这种骨架就是专门用于分格绕法而制作的,特别适宜要求高电压小电流同时要求低分布电容的绕组。

图(09)
  
图(10)是老式显像管电视机的行输出变压器骨架,共分成11格。电视机显像管需要高达20kV甚至更高的直流电压,但电流相当小,连1mA都不到。如果不是采用这种分格绕法,根本不可能输出这么高的电压。一来导线的绝缘成问题,二来分布电容将使电压降落太多。

图(10)
  
如果电压不是很高,分布电容是否就不重要?
  
分布电容会使电感的感抗减小,因为分布电容等效于与电感并联一个电容,而分布电容的容抗和电感的感抗会互相抵消。所以,电压不是很高情况下,分布电容仍然重要,我们总是希望分布电容尽量小。
  
图(11)是个反激开关电源的电原理图。开关电源通常在交流市电输入处有个“共模电感”,用于防止开关电源产生的强烈干扰传输到交流市电线上,如图(11)中红色方框所示。

图(11)
  
图(12)借用网友zxhcdm《学做反激开关电源》一帖中的照片。图中左边红色箭头所指就是一个共模电感。可以看出:共模电感是在一个铁芯上绕了两个匝数相同的线圈。两个线圈同名端应该联接成对共模信号呈现高阻抗,但对差模信号没有影响。

图(12)
  
图(11)中共模电感和与其联接的电容如图(13)。

图(13)
  
图(13)中并未画出绕组的分布电容。如果把绕组的分布电容等效于与绕组并联的一个电容,画出来就是图(14)中红色电容。很明显,红色电容如果数值较大,频率很高时,甚至可能使共模电感的感抗减小很多,必然会影响共模电感对共模信号的抑制作用。这可能会使开关电源EMI超出指标。

图(14)
  
普通共模电感结构如图(15),是两个绕组乱叠绕在骨架的两格中。图(12)照片中共模电感就是这样的。

图(15)
  
而图(16)共模电感的结构,是将每个绕组分别绕在骨架的两格中。我们已经知道,分格绕法可以减少分布电容。所以图(16)绕组的分布电容要比图(15)那种绕组的分布电容小。
  
当然,图(16)共模电感结构稍复杂,窗口利用率也稍小,成本有可能稍高。我们在使用共模电感时,应该综合考虑。

图(16)
  
图(17)这种共模电感更特殊。它是用漆包扁铜线立起来单层绕制的,这样绕制,可以在尽可能短的长度内比圆铜线绕更多匝数。我们已经在图(03)中说明:单层平绕这种绕法的分布电容相当小。所以,图(17)这种共模电感的分布电容比图(16)那种更小。
  
不过,图(17)这样的共模电感,成本必定较高。还是那句话:我们在使用共模电感时,应该综合考虑。

图(17)
  
电感绕组的分布电容,也并非一无是处。前面已经说到过,分布电容可以等效为与电感并联的一个集中参数的电容。可以看出:电感和分布电容构成一个LC谐振回路。在某个频率上,电感和分布电容会发生谐振,此时回路中电压或者电流最大。倒底是电压还是电流,要看信号是如何引入的——是信号直接施加在电感两端,还是通过互感引入。某些情况下,例如滤波电路,利用这个特性,可以改进性能。不过,分布电容毕竟是分布参数,电感制造过程中分布电容数值的分散性相当大,要利用分布电容来提高电路性能,比较困难。


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