發布日期：2022-10-09 點擊率：137
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【導讀】所有電感，包括變壓器，都是銅線或者其它金屬導線一匝一匝繞成的。所有電感，都具有分布電容，區別僅僅在于分布電容的大小而已。
所有電感，包括變壓器，都是銅線或者其它金屬導線一匝一匝繞成的。所有電感，都具有分布電容，區別僅僅在于分布電容的大小而已。
圖(01)是個單層繞組(也稱線圈)示意圖。
圖(01)
圖(02)是圖(01)的剖面圖。圖中可見，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 個電容，這些分布電容構成串聯關系，如圖(03)所示。必須說明：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，遠遠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小。
圖(03)
如果繞組匝數比較多，一層繞不下，那就不可避免地要繞多層。最簡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。
圖(04)
這種繞法通常叫做多層平疊繞。
我們來分析分析多層平疊繞的分布電容。
如圖(05)所示，兩層導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)，圖中沒有畫出來。
圖(05)
圖(05)中，特別將第 60 匝與第 01 匝之間的分布電容標注為 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，所以流過分布電容 C 的電流要比流過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)。
如果導線比較細而且匝數比較多，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更大。
某些開關電源，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)的單端反激開關電源，電路就像圖(11)，但對輸出電壓電流要求不同，其變壓器副邊匝數就很多而且用線比較細。對這樣的變壓器，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不到按照匝數比計算的數值，因為變壓器副邊繞組分布電容把相當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，把導線拉到始端繼續向右繞。這種繞法，因為第 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，但是因為導線有交叉，同樣直徑同樣匝數，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)按照導線數字順序是這樣繞的：繞兩匝(或者三匝)就把導線退回到始端，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，這種繞法即使是經驗豐富的老手，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——疊那么高，不到 10 層就倒了。
圖(07)
不過沒關系，我們把繞線骨架分成若干格，每格寬度限制在很小，繞滿一格后把導線拉到下一格繼續繞，就可以疊得相當高，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，然后導線拉到第 2 格繼續繞 85 匝……直到把 4 格繞完。繞組的一頭一尾恰在對角線位置。
這種分格繞法實際上不可能平繞，都是在每格里面亂疊繞。
分格繞法的分布電容相當小，而且繞組的一頭一尾距離遠，每格內兩層導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。這種骨架就是專門用于分格繞法而制作的，特別適宜要求高電壓小電流同時要求低分布電容的繞組。
圖(09)
圖(10)是老式顯像管電視機的行輸出變壓器骨架，共分成 11 格。電視機顯像管需要高達 20kV 甚至更高的直流電壓，但電流相當小，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。一來導線的絕緣成問題，二來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？
分布電容會使電感的感抗減小，因為分布電容等效于與電感并聯一個電容，而分布電容的容抗和電感的感抗會互相抵消。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)是個反激開關電源的電原理圖。開關電源通常在交流市電輸入處有個“共模電感”，用于防止開關電源產生的強烈干擾傳輸到交流市電線上，如圖(11)中紅色方框所示。
圖(11)
圖(12)借用網友 zxhcdm《學做反激開關電源》一帖中的照片。圖中左邊紅色箭頭所指就是一個共模電感。可以看出：共模電感是在一個鐵芯上繞了兩個匝數相同的線圈。兩個線圈同名端應該聯接成對共模信號呈現高阻抗，但對差模信號沒有影響。
圖(12)
圖(11)中共模電感和與其聯接的電容如圖(13)。
圖(13)
圖(13)中并未畫出繞組的分布電容。如果把繞組的分布電容等效于與繞組并聯的一個電容，畫出來就是圖(14)中紅色電容。很明顯，紅色電容如果數值較大，頻率很高時，甚至可能使共模電感的感抗減小很多，必然會影響共模電感對共模信號的抑制作用。這可能會使開關電源 EMI 超出指標。
圖(14)
普通共模電感結構如圖(15)，是兩個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)共模電感的結構，是將每個繞組分別繞在骨架的兩格中。我們已經知道，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。
當然，圖(16)共模電感結構稍復雜，窗口利用率也稍小，成本有可能稍高。我們在使用共模電感時，應該綜合考慮。
圖(16)
圖(17)這種共模電感更特殊。它是用漆包扁銅線立起來單層繞制的，這樣繞制，可以在盡可能短的長度內比圓銅線繞更多匝數。我們已經在圖(03)中說明：單層平繞這種繞法的分布電容相當小。所以，圖(17)這種共模電感的分布電容比圖(16)那種更小。
不過，圖(17)這樣的共模電感，成本必定較高。還是那句話：我們在使用共模電感時，應該綜合考慮。
圖(17)
電感繞組的分布電容，也并非一無是處。前面已經說到過，分布電容可以等效為與電感并聯的一個集中參數的電容。可以看出：電感和分布電容構成一個 LC 諧振回路。在某個頻率上，電感和分布電容會發生諧振，此時回路中電壓或者電流最大。倒底是電壓還是電流，要看信號是如何引入的——是信號直接施加在電感兩端，還是通過互感引入。某些情況下，例如濾波電路，利用這個特性，可以改進性能。不過，分布電容畢竟是分布參數，電感制造過程中分布電容數值的分散性相當大，要利用分布電容來提高電路性能，比較困難。
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