理想变压器与匝数比
匝数比升高电压多少就降低电流多少
一次电压 V1 = 10V 固定不变,拖动匝比 n = N2/N1,右侧 二次线圈的匝数随之改变。两个线圈共用同一磁通,所以 二次电压 V2 = n·V1,与匝比成正比地升高;为了保持功率不变,二次电流必须降到 1/n。下方的条就是这个电压,调节匝比,使 二次电压到达橙色虚线所示的目标 25V。
完美耦合即理想变压器
正如在互感中看到的,耦合系数 k 为 1 时,一个线圈的磁通全部穿过另一个线圈。再假设没有漏磁也没有铁损,就是理想变压器。两个线圈共用同一磁通 Φ,所以每个线圈感应的电压与它的匝数成正比。一次的 N1 匝和 二次的 N2 匝经历同样的 Φ 变化,所以 V1 与 N1 成正比,V2 与 N2 成正比。取两者之比得 V2/V1 = N2/N1,这叫作匝比 n。图中右侧线圈的匝数也随着这个比值增减。
升高电压则电流下降
理想变压器既不储存能量也不损耗能量,所以输入功率等于输出功率:V1·I1 = V2·I2。二次电压变为 n 倍时,为了保持这个等式,二次电流必须变为 1/n 倍:I2/I1 = N1/N2 = 1/n。所以变压器把电压升高多少,就把电流恰好降低多少。输电时把电压升到几十万伏再送出去,原因也在这里:用更小的电流输送同样的功率,导线中以热的形式散失的 I²R 损耗会按电流的平方减小。
阻抗按平方变换
在 二次接上负载 Z_L,从 一次看进去的阻抗是多少?一次侧阻抗为 Z_in = V1/I1,代入 V1 = V2/n 和 I1 = n·I2,得到 Z_in = (V2/n)/(n·I2) = (V2/I2)/n² = Z_L/n²。阻抗看起来按匝比的平方改变,因此变压器成了阻抗匹配的工具。要让负载 Z_L 与内阻抗为 Z_s 的电源匹配,就插入 n = √(Z_L/Z_s) 的变压器,让 Z_L 看起来像 Z_s。这是音频输出级和高频电路中获取最大功率时常用的方法。
回到第一屏
拖动匝比 n,右侧 二次线圈的匝数增加,二次电压 V2 按 n·V1 升高,在 n = 2.5 时到达目标 25V(V1 = 10)。为了保持功率不变,二次电流降到 1/n,所以变压器恰好把电压和电流互换了,负载阻抗看起来也按平方变成了 1/n²。在两个完美耦合的线圈中,只要定下匝比,电压按正比、电流按反比、阻抗按平方就一下子全都确定了。在互感中见到的 k = 1 上限,正是这个元件。