圖(01)是個(gè)單層繞組(也稱線圈)示意圖。

 

圖(01)

 

圖(02)是圖(01)的剖面圖。圖中可見(jiàn)，該繞組(假定)有 30 匝，第 1 匝在左，一匝一匝向右密繞。這種繞法，通常叫做單層平繞。

 

 

圖(02)

　　

圖(02)中每匝與其相鄰匝之間都具有分布電容，30 匝就有 29 個(gè)電容，這些分布電容構(gòu)成串聯(lián)關(guān)系，如圖(03)所示。必須說(shuō)明：第 01 匝與第 03 匝之間也有電容，但此電容由于第 02 匝的存在，是非常小的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相鄰兩匝之間的分布電容，可以忽略。所以，單層平繞這種繞法的分布電容相當(dāng)小。

 

圖(03)

　　

如果繞組匝數(shù)比較多，一層繞不下，那就不可避免地要繞多層。最簡(jiǎn)單的多層繞法是繞到一端后，從此端往回繞。如圖(04)，向右繞完 30 匝，然后再向左平密繞 30 匝，繞到起點(diǎn)。
 

 

圖(04)           

　　

這種繞法通常叫做多層平疊繞。

　　

我們來(lái)分析分析多層平疊繞的分布電容。

　　

如圖(05)所示，兩層導(dǎo)線之間也存在分布電容。第 60 匝與第 01 匝之間具有分布電容，第 59 匝與第 02 匝之間也存在分布電容……斜向位置的兩匝導(dǎo)線如第 60 匝與第 02 匝之間也存在較小的分布電容(但比圖 03 中第 01 匝與第 03 匝之間的分布電容要大不少)，圖中沒(méi)有畫(huà)出來(lái)。

 

 

圖(05)

　　

圖(05)中，特別將第 60 匝與第 01 匝之間的分布電容標(biāo)注為 C。

　　

雖然圖(05)中第 01 匝與第 60 匝之間的分布電容和第 30 匝與第 31 匝之間的分布電容相同，但是，流過(guò)圖中分布電容 C 的電流卻與第 30 匝與第 31 匝之間分布電容的電流不一樣。第 30 匝與第 31 匝之間的分布電容上面的電壓是 1 匝的電壓，而第 01 匝與第 60 匝之間的分布電容 C 上面卻是 60 匝的電壓，所以流過(guò)分布電容 C 的電流要比流過(guò)相鄰兩匝之間的分布電容的電流大得多。

　　

和圖(03)相比較，如果其它條件都相同(線圈直徑、導(dǎo)線直徑、絕緣層厚度……等等)，圖(05)中兩層平疊繞繞組的分布電容比圖(03)中單層平繞繞組的分布電容要大得多，至少是圖(03)繞組的幾十倍(不小于 30 倍)。

　　

如果導(dǎo)線比較細(xì)而且匝數(shù)比較多，兩層還繞不下，需要繞更多層(小功率工頻變壓器原邊就是這樣)，那么繞組的分布電容會(huì)更大。

　　

某些開(kāi)關(guān)電源，例如要求輸出的直流電壓很高但電流很小(例如要求輸出 3kV10mA)的單端反激開(kāi)關(guān)電源，電路就像圖(11)，但對(duì)輸出電壓電流要求不同，其變壓器副邊匝數(shù)就很多而且用線比較細(xì)。對(duì)這樣的變壓器，多層平疊繞法的分布電容就嫌太大了。如果用多層平疊繞法，很可能輸出直流電壓達(dá)不到按照匝數(shù)比計(jì)算的數(shù)值，因?yàn)樽儔浩鞲边吚@組分布電容把相當(dāng)一部分電流短路掉了。

 

 

圖(06)

　　

圖(06)的繞法比圖(05)要好。圖(06)的繞法是：向右繞完第 1 層后，把導(dǎo)線拉到始端繼續(xù)向右繞。這種繞法，因?yàn)榈?31 匝與第 01 匝之間電壓比圖(05)中第 60 匝與第 01 匝之間電壓要小，所以流過(guò)第 31 匝與第 01 匝之間分布電容的電流要比圖(05)中分布電容 C 中電流要小。兩層繞線分布電容又是串聯(lián)的，所以這種繞法電感兩端總的分布電容比較小。

　　

另一種繞法是亂疊繞，也就是導(dǎo)線不是一層一層繞平整，而是互相交叉地繞。亂疊繞不必一圈一圈排整齊，比較方便。亂疊繞分布電容比平疊繞要小，但是因?yàn)閷?dǎo)線有交叉，同樣直徑同樣匝數(shù)，占用的窗口面積比平疊繞要大。

　　

圖(07)所示繞法分布電容更小。圖(07)按照導(dǎo)線數(shù)字順序是這樣繞的：繞兩匝(或者三匝)就把導(dǎo)線退回到始端，第 03 匝和第 04 匝疊繞在第 01 匝和第 02 匝上，然后第 05 匝和第 06 匝繞在第一層。以后依次類推。不過(guò)，這種繞法即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的老手，也很難繞平整，太難繞了。而且，如果需要疊 10 層那么高，寬度卻限制在平繞 5 匝，非常難繞出來(lái)——疊那么高，不到 10 層就倒了。

 

 

圖(07)

　　

不過(guò)沒(méi)關(guān)系，我們把繞線骨架分成若干格，每格寬度限制在很小，繞滿一格后把導(dǎo)線拉到下一格繼續(xù)繞，就可以疊得相當(dāng)高，寬度卻很小。

　　

如圖(08)所示，假定我們需要繞 340 匝，骨架有 4 格，我們可以在第 1 格繞 85 匝，然后導(dǎo)線拉到第 2 格繼續(xù)繞 85 匝……直到把 4 格繞完。繞組的一頭一尾恰在對(duì)角線位置。

　　

這種分格繞法實(shí)際上不可能平繞，都是在每格里面亂疊繞。

　　

分格繞法的分布電容相當(dāng)小，而且繞組的一頭一尾距離遠(yuǎn)，每格內(nèi)兩層導(dǎo)線之間絕緣承受的電壓比較小，特別適宜高電壓小電流的繞組。

 

 

圖(08)

　　

圖(09)就是這樣一種骨架。左邊有兩格，格寬比較大。兩格之間隔板有缺口，用于將導(dǎo)線從一格拉到另一格。中間是特別窄的四格，右邊是比中間稍寬的六格。這種骨架就是專門(mén)用于分格繞法而制作的，特別適宜要求高電壓小電流同時(shí)要求低分布電容的繞組。

 

 

圖(09)

　　

圖(10)是老式顯像管電視機(jī)的行輸出變壓器骨架，共分成 11 格。電視機(jī)顯像管需要高達(dá) 20kV 甚至更高的直流電壓，但電流相當(dāng)小，連 1mA 都不到。如果不是采用這種分格繞法，根本不可能輸出這么高的電壓。一來(lái)導(dǎo)線的絕緣成問(wèn)題，二來(lái)分布電容將使電壓降落太多。

 

 

圖(10)

　　

如果電壓不是很高，分布電容是否就不重要？

　　

分布電容會(huì)使電感的感抗減小，因?yàn)榉植茧娙莸刃в谂c電感并聯(lián)一個(gè)電容，而分布電容的容抗和電感的感抗會(huì)互相抵消。所以，電壓不是很高情況下，分布電容仍然重要，我們總是希望分布電容盡量小。

　　

圖(11)是個(gè)反激開(kāi)關(guān)電源的電原理圖。開(kāi)關(guān)電源通常在交流市電輸入處有個(gè)“共模電感”，用于防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的強(qiáng)烈干擾傳輸?shù)浇涣魇须娋€上，如圖(11)中紅色方框所示。

 

 

圖(11)

　　

圖(12)借用網(wǎng)友 zxhcdm《學(xué)做反激開(kāi)關(guān)電源》一帖中的照片。圖中左邊紅色箭頭所指就是一個(gè)共模電感?？梢钥闯觯汗材ｋ姼惺窃谝粋€(gè)鐵芯上繞了兩個(gè)匝數(shù)相同的線圈。兩個(gè)線圈同名端應(yīng)該聯(lián)接成對(duì)共模信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，但對(duì)差模信號(hào)沒(méi)有影響。

 

 

圖(12)

　　

圖(11)中共模電感和與其聯(lián)接的電容如圖(13)。

 

 

圖(13)

 

圖(13)中并未畫(huà)出繞組的分布電容。如果把繞組的分布電容等效于與繞組并聯(lián)的一個(gè)電容，畫(huà)出來(lái)就是圖(14)中紅色電容。很明顯，紅色電容如果數(shù)值較大，頻率很高時(shí)，甚至可能使共模電感的感抗減小很多，必然會(huì)影響共模電感對(duì)共模信號(hào)的抑制作用。這可能會(huì)使開(kāi)關(guān)電源 EMI 超出指標(biāo)。

 

 

圖(14)

　　

普通共模電感結(jié)構(gòu)如圖(15)，是兩個(gè)繞組亂疊繞在骨架的兩格中。圖(12)照片中共模電感就是這樣的。

 

 

圖(15)

　　

而圖(16)共模電感的結(jié)構(gòu)，是將每個(gè)繞組分別繞在骨架的兩格中。我們已經(jīng)知道，分格繞法可以減少分布電容。所以圖(16)繞組的分布電容要比圖(15)那種繞組的分布電容小。

　　

當(dāng)然，圖(16)共模電感結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜，窗口利用率也稍小，成本有可能稍高。我們?cè)谑褂霉材ｋ姼袝r(shí)，應(yīng)該綜合考慮。

 

 

圖(16)

　　

圖(17)這種共模電感更特殊。它是用漆包扁銅線立起來(lái)單層繞制的，這樣繞制，可以在盡可能短的長(zhǎng)度內(nèi)比圓銅線繞更多匝數(shù)。我們已經(jīng)在圖(03)中說(shuō)明：?jiǎn)螌悠嚼@這種繞法的分布電容相當(dāng)小。所以，圖(17)這種共模電感的分布電容比圖(16)那種更小。

　

不過(guò)，圖(17)這樣的共模電感，成本必定較高。還是那句話：我們?cè)谑褂霉材ｋ姼袝r(shí)，應(yīng)該綜合考慮。

 

 

圖(17)

 

電感繞組的分布電容，也并非一無(wú)是處。前面已經(jīng)說(shuō)到過(guò)，分布電容可以等效為與電感并聯(lián)的一個(gè)集中參數(shù)的電容。可以看出：電感和分布電容構(gòu)成一個(gè) LC 諧振回路。在某個(gè)頻率上，電感和分布電容會(huì)發(fā)生諧振，此時(shí)回路中電壓或者電流最大。倒底是電壓還是電流，要看信號(hào)是如何引入的——是信號(hào)直接施加在電感兩端，還是通過(guò)互感引入。某些情況下，例如濾波電路，利用這個(gè)特性，可以改進(jìn)性能。不過(guò)，分布電容畢竟是分布參數(shù)，電感制造過(guò)程中分布電容數(shù)值的分散性相當(dāng)大，要利用分布電容來(lái)提高電路性能，比較困難。