Выходной трансформатор усилителя это
(опубликовано в марте 2009)
     В технической литературе в вопросах, касаемых ламповых усилителей мощности, всегда говорится о выходном трансформаторе, как об одном из важнейших компонентов усилителя, приводятся формулы для его расчета. Однако, крайне редко упоминается о методах, приемах, полезных при создании выходного трансформатора. Единственная статья, немного осветившая этот вопрос — [1], впрочем и к ней можно много чего добавить. Полезно указать технологические приемы, позволяющие существенно улучшить звучание трансформатора, а так же устранить влияние на него воздействия внешних магнитных полей или улучшить уже готовые трансформаторы.
     Логичен вопрос: почему ламповые усилители стоят так дорого, хотя ими не озвучить стадион. Дело здесь не в выходной мощности, а в верности воспроизведения. Приглядитесь на предлагаемый ассортимент: чаще всего это двухтактные схемы, работающие в классе А, либо просто однотактные схемы, которые, как известно, работают исключительно в классе А (в редких случаях А2 с токами сетки). В таком классе оконечный каскад потребляет немалый ток, и его КПД ограничивается в лучшем случае 10-15% от полной потребляемой мощности. Поэтому в подобных усилителях нужен солидный силовой трансформатор. Учитывая мощность, уходящую на накал ламп нетрудно подсчитать, что для стереоусилителя с выходной мощностью 5-10 Вт на канал, работающий в классе А в качестве силового понадобится трансформатор вроде ТС-180. На нем при помощи транзисторного или микросхемного тракта можно собрать и приличный 100-ваттный усилитель, но лампы дают более живой и реалистичный звук по сравнению со своими полупроводниковыми собратьями. Использование обратных связей нежелательно, так как от этот значительно страдает микродинамика воспроизведения. Лучше всего использовать усилители класса А с акустикой чувствительностью не менее 90дБ. Не смотря на скромные параметры КАЧЕСТВЕННО такой аппарат изготовить сложно. Технологических причин высокой цены ламповых усилителей много, все они упираются в качество используемых компонентов. Самый дорогой компонент в таком усилителе, как правило, это выходной трансформатор. Казалось бы — что сложного намотать на каркас пару-тройку обмоток и установить его в железо. Дело в том, что для равномерного усиления по всем звуковым частотам (20-20000 Гц) не только первичная, но и вторичная обмотка должны быть секционированы, что так же вызывает определенные трудности намотки, особенно если она ведется вручную. К тому же при секционировании уменьшается паразитная емкость трансформатора и, как следствие, расширяется его рабочий диапазон частот. Полезно делать межсекционную изоляцию большей толщины, чем межслойную. Однако, чем больше всяких прокладок, тем меньше коэффициент заполнения окна по меди, тем меньше КПД трансформатора. А это плохо, хотя бы потому, что сильнее влияет нелинейность намагничивания сердечника. То есть часто приходится искать «золотую середину». Не обязательно, но довольно желательно, делать пропитку трансформатора. Как известно, при даже при работе на нагрузку звуковой трансформатор звучит, а если включить ламповый усилитель без нагрузки, то можно довольно громко услышать музыку, издаваемую, как это не странно на первый взгляд, именно трансформатором, точнее — проводами его обмоток. Однако, подобное включение может привести к пробою обмоток и выходу трансформатора из строя. «При работе многих электроприборов можно услышать исходящий от них шум. Шум устройств, питающихся от бытовой электросети может быть похож на жужжание или гудение. Одна из возможных причин этого — магнитострикция сердечников в индуктивных конструкциях, таких так трансформаторы или дроссели. При протекании переменного тока через их катушки создаётся переменное магнитное поле такой же частоты, которое заставляет ферромагнитные сердечники сжиматься и растягиваться (с частотой 100 Гц для 50 Гц тока, или кратных частотах), которые в свою очередь передают эти колебания в воздух и другим элементам конструкции. Громкий шум может значительно ухудшить экологию окружающего пространства. Действие вибрации на внутренние элементы конструкции может послужить причиной развития трещин, способных вывести прибор из строя.» (по данным сайта www.wikipedia.org) Поэтому, чтоб провода в обмотке не колебались, по крайней мере в звуковом диапазоне частот, желательно делать пропитку обмоток. Еще вариант — несколько часов варить катушку трансформатора в воске (парафине), либо индивидуально пропитать каждый слой или секцию (ведь в секции может быть и несколько слоев) воском, что очень трудоемко. Впрочем, воск — далеко не единственный материал, годный для пропитки обмоток. Так же можно использовать эпоксидную смолу. Однако, она дает усадку и сильно разогревается при застывании. При правильной технологии всех этих неприятностей можно избежать. В профессиональном трансформаторостроении, как правило, эпоксидная смола применяется для самых дорогих и ответственных трансформаторов. Только нужно учесть, что трансформатор в экран с таким наполнителем вы поместите навсегда и его нельзя будет достать для замены или ремонта. Жидкие гвозди сильно дают усадку после высыхания, поэтому с ней надо просто аккуратно работать,не превышая критических объемов.
     Экранировать звуковой трансформатор полезно, так как. внешние наводки так же влияют на звук. Эффективность магнитных экранов увеличивается с ростом частоты и толщины стенок. Однако, с увеличением размеров экрана его эффективность снижается. Основными материалами для таких экранов нужно выбирать магнитомягкие материалы: технически чистое железо (АРМКО, 005ЖР, 008ЖР), карбонильное железо, низклуглеродистые нелегированные стали пермаллои. Эти материалы, имеющие требуемые магнитные свойства, удобны для изготовления экранов. Лучшими материалами для магнитных экранов следует считать железоникелевые сплавы (пермаллои), обладающие наибольшей магнитной проницаемостью в слабых магнитных полях. С учетом пригодности к пластическим деформациям лучше всего применять пермаллои марок: 79НМ, 80ХНС, 50ХНС, 81НМА [2]. В любом случае звук с экраном и без него заметно отличается.
     Не всякий провод пригоден для намотки. Не следует использовать провод от старых трансформаторов или дросселей, бывших в эксплуатации. В процессе работы эти компоненты могли разогреваться до высоких температур, от чего слой лакоизоляции может быть поврежден, и вероятность возникновения короткозамкнутых витков при намотке таким проводом резко возрастает. Крайне нежелательно мотать одну обмотку поочередно проводами различных диаметров (например, когда заканчивается один провод, а домотать надо, и взамен доматывают проводом близкого по величине диаметра). Кстати, при изготовлении трансформатора по его описанию следует учитывать какой диаметр провода дается — по лаку или по меди.
     Магнитопровод — так же далеко не случайный компонент в выходном трансформаторе, лучший материал для него — пермаллой. Чаще всего радиолюбители используют магнитопровод от трансформаторов старой аппаратуры. Магнитопровод таких трансформаторов, как правило, ржавый. Слой ржавчины можно удалить напильником или растворить соляной кислотой. Затем магнитопровод следует тщательно промыть проточной водой и просушить. Пластины магнитопровода полезно проклеить тонкой бумагой, либо залакировать. Лакировать можно через одну. То есть необходима электрическая изоляция пластин как можно более тонким диэлектриком. Здесь ситуация немного похожа на случай с толщиной межобмоточной изоляции.
     Отдельный вопрос — стяжка магнитопровода. Впрочем, тороидальный магнитопровод в стяжке не нуждается, но здесь возникает сложность с самой намоткой. Ш-образное железо трудоемко в сборке. Для примера попробуйте разобрать сердечник, например ТСШ-150, и затем собрать все его пластины обратно, то есть вперекрышку. Придется попотеть. Наиболее универсальным в плане сборки является U-образный сердечник. К нему, как правило, прилагаются стяжки (опять же вспомните ТС-180 из телевизора), и его удобно собирать/разбирать. Важно, чтоб при разборке такого магнитопровода не образовались трещины между пластинами, из которых он состоит. При образовании трещин их необходимо проклеить, например, эпоксидной смолой, иначе при включении трансформатора с поврежденным сердечником в сеть магнитопровод будет характерно трещать и греться. При сборке U-образного сердечника полезно пространство между его половинками промазать тонким слоем эпоксидной смолы для большей фиксации. Трансформатор с Ш-образным сердечником полезно устанавливать в металлический кожух. Он выполняет две функции: производит дополнительную стяжку трансформаторного железа, а так же служит элементом, посредством которого трансформатор крепится к корпусу усилителя. То же самое можно сказать о функциях стяжек U-образного сердечника. Силовые тороидальные трансформаторы, как правило, к корпусу крепят болтом, пропущенным через его (тора) отверстие. Со звуковым трансформатором делать так нежелательно, так как стальной болт, являясь магнитным материалом, находясь внутри тора, оказывает на него влияние, на звук, соответственно, тоже. Для примера поднесите при работе лампового усилителя к его выходному трансформатору магнит. Звук ощутимо изменится. Влияние болта, конечно, не так значительно, но, тем не менее, так же нежелательно. Впрочем, порой бывает удобнее фиксировать трансформатор в экране каким-либо наполнителем (о нем было сказано выше), предварительно выведя наружу экрана выводы обмоток для соответствующей коммутации.
Литература:
Вас может заинтересовать:
Комментарии к статьям на сайте временно отключены по причине огромного количества спама.
Подбор выходного трансформатора для двухтактного лампового усилителя
В этой статье я попробую немного затронуть вопрос подбора выходного трансформатора для мощного двухтактного лампового усилителя. Имеется ввиду не расчет с нуля под конкретный режим лампы, а именно подбора из готовых вариантов. Подбор, опять же, не идеальный, а приблизительный. Работая с таким трансформатором не факт что получится достичь идеального согласования, максимальной передачи мощности в нагрузку или минимума искажений. Но, по крайней мере, такой усилитель будет работать и что-то выдавать в нагрузку, радуя своего создателя.
Многие любители ТЛЗ предпочитают использовать готовые трансформаторы ТВЗ от советской радиоаппаратуры или готовые покупные, и, соответственно, использовать те же режимы ламп, что и в советской аппаратуре, или режимы ламп, рекомендованные изготовителем трансформаторов. Данная информация пригодится тем, кто хочет спаять что-нибудь теплое и ламповое, но кто совершенно не хочет возиться с намоткой трансформаторов и кого отпугивают цены на готовые трансформаторы, предлагаемые различными фирмами.
Хочу сразу предупредить, в ламповой технике я не силен, изучаю ее походя, в процессе, так сказать. Поэтому некоторые мои рассуждения для специалистов могут показаться весьма наивными.
С чего необходимо начать выбор трансформатора? Наверное, с понимания того, для чего он все-таки нужен. А нужен он для согласования лампы с нагрузкой. Дело в том, что громкоговорители и акустические системы (АС), в большинстве своем, имеют относительно низкое сопротивление (типовые значения сопротивления большинства отечественных АС — 4 или 8 Ом, импортных – 6 Ом), соответственно, в их цепи текут довольно большие токи и на клеммах присутствуют относительно небольшие напряжения. Грубо говоря, через АС с номинальной мощностью 16 Вт и сопротивлением 4 Ом будет протекать ток 2 А, а действующее напряжение на нем будет 8 В (зависимостью импеданса динамика от частоты в этом рассмотрении пренебрежем).
Лампы же наоборот — обычно работают с высокими напряжениями и относительно небольшими токами. Например, для лампы 6П44С, как в моем усилителе, согласно справочнику средний ток анода составляет максимум 100 мА (420 мА допускается в импульсе длительностью 4 мс), напряжение на аноде 250 В (550 В допускается при включении лампы).
Чтобы преобразовать высокое напряжение на лампе в низкое на динамике и низкий ток лампы в большой ток через динамик и необходим трансформатор. 100 мА необходимо трансформировать в 2 А, а 8 В, соответственно, в 160 В. Ориентировочный коэффициент трансформации в этом случае должен быть примерно около 20 (потерями в трансформаторе для простоты изложения пренебрежем).
При этом сопротивление динамика, «пройдя» через такой трансформатор для лампы будет выглядеть как
И поэтому лампа, имеющая довольно большое выходное сопротивление (порядка нескольких килоом) сможет на этот динамик работать. Вообще говоря, лампа в пентодном включении (лучевой тетрод – это тоже пентод) имеет очень высокое выходное сопротивление (по сравнению с триодами), напряжение на аноде лампы очень слабо зависит от тока через нее. Схемотехнически лампа в таком включении является источником тока, а трансформатор, подключенный к ней – работает скорее в режиме трансформатора тока, нежели трансформатора напряжения.
Второе, с чего следует начать выбор трансформатора – это источник сигнала или сам ламповый выходной каскад. Необходимо понять, а сколько мощности в нагрузку мы вообще можем из нее выжать? И это логично, т. к. если лампа максимум может выдать в нагрузку 10 Вт, то припаивать к ней трансформатор на 100 Вт, наверное, будет перебор, трансформатор будет всегда недогружен, габаритная мощность будет использоваться неэффективно (необходимостью запаса по индуктивности первичной обмотки для простоты рассуждений пока тоже пренебрежем).
Рассмотрим двухтактный выходной каскад на лампах 6П44С из нашего усилителя. Сколько же мощности можно из него выжать? Как было указано выше, из справочника, средний ток анода составляет максимум 100 мА (420 мА в импульсе 4 мс), а напряжение на аноде 250 В (550 при включении лампы). Сначала разберемся с напряжением. В двухтактном каскаде лампы работают по очереди, каждая на свою половину первичной обмотки. Средняя точка этой обмотки подключена к источнику питания. Какое максимальное напряжение Uп можно подать на среднюю точку? Когда одна из ламп открывается полностью, напряжение на ее аноде минимально (опять таки для упрощения будем считать что оно равно 0). При этом напряжения на аноде другой, запертой лампы становится равным 2Uп. Максимальное напряжение на запертой лампе по справочнику может достигать 7 кВ, но хотя это в импульсе не более 18 мкс. Поэтому Uп можно выбрать близким к максимальному 250 В, и даже немного больше него, например, с небольшим запасиком – 260 В. Слишком сильное превышение этого напряжения чревато межэлектродными пробоями и высокими электростатическими силами, сокращающие срок службы катода. Максимальный ток анода (в импульсе) может достигать 420 мА. Таким образом, мгновенная мощность двухтактного каскада будет около 260 В∙0,42 А= 109 Вт. Действующая мощность, соответственно, 55 Вт. Это теоретический максимум, который можно получить от данного каскада. Если бы выходное сопротивление ламп было бы равно 0, то вся эта мощность могла бы перейти в нагрузку. Но, как всем известно, выходное сопротивление лампы ненулевое, более того, порядок значений этого сопротивления – килоомы. Условием передачи максимальной мощности от источника в нагрузку является равенство сопротивления этой нагрузки внутреннему сопротивлению источника. Поэтому при расчете трансформатора «с нуля», его, чаще всего, начинают с выбора коэффициента трансформации таким, чтобы сопротивление нагрузки после «прохождения» через трансформатор было равно выходному сопротивлению лампы в выбранной рабочей точке. Хотя обычно высокой точности равенства выходного сопротивления лампы сопротивлению нагрузки не требуется.
Итак, даже в идеальном случае равенства выходного сопротивления лампы сопротивлению нагрузки, в последнюю передается только половина мощности. Вторая половина рассеивается на внутреннем сопротивлении лампы и греет аноды. В нашем случае, из 55 Вт в нагрузку может уйти максимум 22,5 Вт. Но в реальности эта мощность будет еще меньше. Во-первых, из-за неидеального согласования сопротивлений лампы и нагрузки (поскольку мы трансформатор взяли готовый, а не мотали с нуля), во-вторых, из-за потерь в самом трансформаторе (они небольшие, но есть), в третьих, из-за просадки напряжения питания под нагрузкой (если оно выбрано без запаса), в четвертых, по мере износа лампы максимальный ток (и, соответственно, выходная мощность) также будет также постепенно снижаться. Именно по указанным выше причинам в моем усилителе удалось выжать только 20 Вт в нагрузке (напряжение питания в моем усилителе около 230 В, вместо 260).
Попробуем прикинуть, насколько хорошо подходит под эти параметры использованный трансформатор ТН-56. Итак, граничные параметры со стороны ламп: ток в импульсе 420 мА, ток действующий 420мА/1,41=300 мА. Напряжение амплитудное 260 В, напряжение действующее 260В/1,41=184 В. Параметры трансформатора при включении указанным на схеме образом: максимальное действующее напряжения на входных полуобмотках 127 В, максимальный ток 0,44 А, на выходных обмотках на отводе 4 Ом напряжение 12,6 В, ток 3,15 А, мощность 40 Вт, на отводе 8 Ом напряжение 18,9 В, ток 2,36 А, мощность 45 Вт. Коэффициент трансформации (для 4 Ом) 127В/12,6В=10.
Учитывая коэффициент трансформации, действующее значение тока во вторичной обмотке будет 0,3А∙10=3 А, а напряжение 177В/2/10=9,2 В. Почему берем половину напряжения? Потому что даже при идеальном согласовании только одна половина напряжения ушла в нагрузку, вторая упала на внутреннем сопротивлении лампы. Максимальная выходная мощность с ограничением по току получается 3∙3∙4=36 Вт. Максимальная выходная мощность с ограничением по напряжению — 9,2∙9,2/4=21 Вт. Как видим, запас по току еще есть, не весь ток лампы используется, напряжения не хватает. Насколько нужно поднять еще напряжение чтобы использовать полностью запас по току? Посчитаем. Если мы хотим выжать 36 Вт, нам нужно напряжение на вторичной обмотке трансформатора 12 В, тогда напряжение на первичной обмотке трансформатора будет 120 В (все еще не превышает максимальных 127 – трансформатор не войдет в насыщение). Напряжение питания должно быть 120∙2∙1,41=338 В. Как то слишком многовато для лампы, не следует, на мой взгляд, настолько сильно превышать паспортное значение. Хотя, может, и не нужно настолько превышать. Мы же исходили из предположения, что у нас сопротивление нагрузки и лампы согласованы, то есть, равны и напряжение делится между ними поровну. А судя по тому, что в моем усилителе напряжение на нагрузке 9 В достигается уже при напряжении питания 230 В, можно предполагать, что на самом деле сопротивление лампы меньше сопротивления нагрузки и поэтому в нагрузку идет большее напряжение. Для того, чтобы выяснить, насколько хорошо они согласованы, необходимо знать выходное сопротивление лампы. К сожалению, в справочнике на эту лампу этот параметр не указан. А не указан он потому что очень сильно зависит от режима работы лампы. Лучевой тетрод может работать как в пентодном режиме, при этом имея высокое выходное сопротивление, так и в триодном, с низким выходным сопротивлением.
Как измерить выходное сопротивление лампы? Известным способом – путем подключения разных нагрузок и измерения напряжения на них. Сначала подключим нагрузку 4 Ом, измерим напряжение на ней U1, затем к тем же клеммам подключим нагрузку 8 Ом, измерим напряжение на ней U2. Рассчитаем внутреннее сопротивление по формуле