^вверх

Next Sound

Статьи и обзоры nachodki.ru

Наши Статьи

,

Определение параметров неизвестного трансформатора

Совершенно случайно читателю в руки может попасть старый выходной трансформатор, который, судя по внешнему виду, должен обладать неплохими характеристиками, однако полностью отсутствует информация, что же все-таки скрывается внутри его. К счастью, можно достаточно просто идентифицировать параметры старого выходного трансформатора, имея в распоряжении только цифровой универсальный вольтметр, так как их проектирование всегда следует строго определенным правилам.

Перед тем как приступать к проверке, необходимо зарисовать схему всех имеющихся на трансформаторе внешних соединений и перемычек, а затем удалить их. (Использование цифрового фотоаппарата для этих целей оказывается весьма плодотворным.) Несомненно, первичная обмотка должна иметь отвод от средней точки, чтобы обеспечить возможность использования трансформатора в двухтактной схеме, также на этой обмотке могут быть дополнительные отводы для обеспечения ультралинейного режима работы. Как правило, сопротивление обмотки на постоянном токе, замеряемое омметром между крайними точками обмотки, будет составлять максимальное значение сопротивления среди всех полученных значений и может колебаться от 100 до 300 Ом. Если обнаружена обмотка с подобным значением сопротивления, то, практически во всех случаях, можно считать, что идентифицированы клеммы трансформатора А1 и А2 соответствующие крайним точкам первичной обмотки.

У трансформаторов высокого качества первичная обмотка наматывается симметрично, то есть сопротивления между крайними выводами А1 и А2 и средней точкой высоковольтной обмотки всегда равны, поэтому следующим шагом является определение вывода, для которого сопротивление между ним и выводами А1 и А2 было бы равным половине сопротивления между крайними точками первичной обмотки. Однако более дешевые модели трансформаторов могут оказаться изготовленными не столь тщательно, поэтому сопротивления между двумя половинами обмотки могут не оказаться абсолютно равными между собой.

Так как для изготовления первичной обмотки трансформатора без всяких исключений используется провод одного сечения, то отвод, который расположен на витке, составляющем 20% от общего количества витков между центральным высоковольтным отводом и выводом А1 либо А2, (конфигурация для отбора полной мощности усилителя), будет иметь и сопротивление, составляющее 20% от величины сопротивления между крайним выводом А1 или А2 и центральным отводом первичной обмотки. Если же трансформатор был предназначен для усилителя более высокого качества, то наиболее вероятным расположением этого отвода будет виток, соответствующий 47% сопротивления между этими же точками (конфигурация усилителя мощности, обеспечивающая минимальные искажения).

Вторичная обмотка, скорее всего, также будет иметь четное число выводов, либо будет иметь один отвод. Следует помнить, что в эпоху расцвета электронных ламп сопротивления громкоговорителей составляли либо 15 Ом (громкоговорители высшего качества), либо 4 Ом, поэтому параметры выходных трансформаторов были оптимизированы для этих значений импедансов.

Наиболее распространенным вариантом является использование двух идентичных секций, в которых обмотки используются последовательно включенными для сопротивления громкоговорителей 15 Ом, либо параллельно для сопротивлений 4 Ом (в действительности, 3,75 Ом). Если после того, как определена первичная обмотка трансформатора, обнаружены две обмотки, имеющие сопротивления по постоянному току порядка 0,7 Ом каждая, то, скорее всего, имеется стандартный образец трансформатора.

В трансформаторах высокого качества вышеизложенная идея получила свое дальнейшее развитие, когда вторичную обмотку представляют четыре идентичные секции. Включенные последовательно, они используются для согласования с нагрузкой 15 Ом, однако, будучи все включенными параллельно, они согласуют нагрузку 1 Ом. Это связано не с тем, что были доступны громкоговорители с импедансом 1 Ом (эпоха создания плохих по качеству кроссоверов пока еще не наступила), а с тем, что большая степень секционирования обмотки позволяла получить трансформатор более высокого качества. Поэтому следует искать четыре обмотки с приблизительно одинаковыми сопротивлениями по постоянному току и равными по величине примерно 0,3 Ом. Также необходимо иметь в виду, что помимо того, что контактное сопротивление зонда может составить очень значительную долю при проведении измерений очень малых сопротивлений (что вызывает настоятельную необходимость иметь не только чистый, но и надежный контакт), но также и то, что обычный 41/2 разрядный цифровой вольтметр не обеспечивает достаточной точности при измерениях таких малых значений сопротивлений, поэтому зачастую приходится строить догадки и предположения.

Если после идентификации первичной обмотки установлено, что все остающиеся обмотки оказываются соединенными вместе, то в наличии имеется вторичная обмотка с отводами, наибольшая величина сопротивления которой измеряется между выводами 0 Ом и (допустим) 16 Ом. При условии, что отсутствует отвод обмотки, согласующий сопротивление 8 Ом, то наименьшие значения сопротивления по постоянному току от любого из этих выводов будет являться отводом 4 Ом, а точка с сопротивлением 0 Ом окажется ближайшей к отводу 4 Ом (как правило, во вторичных обмотках с межвитковыми отводами стремятся использовать для отвода 4 Ом более толстый провод). Если же следует ожидать наличия отвода 8 Ом, то идентифицировать отводы следует с использованием метода измерений на переменном токе, который будет описан ниже.

Если назначение некоторых обмоток не удается определить, то, вероятнее всего, они предназначены для обратной связи, возможно действующей на катоды индивидуальных выходных ламп, либо для организации межкаскадной обратной связи.

В любом случае их более точная идентификация может быть проведена позже, так как следующим шагом будет определение коэффициента трансформации, а затем по полученным результатам определение импеданса первичной обмотки трансформатора.

Внимание. Несмотря на то, что при точном выполнении нижеприведенных измерений они не должны представлять опасности для сохранности выходного трансформатора, на выводах трансформатора могут возникнуть представляющие опасность для жизни человека напряжения. Поэтому, если возникают любого рода сомнения относительно имеющегося профессионального опыта, необходимого для выполнения описанных ниже измерений, то следует сразу отказаться от попыток их выполнения.

Выходные трансформаторы ламповых схем предназначены для снижения напряжения с нескольких сотен вольт до десятка вольт в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, поэтому приложение сетевого напряжения к выводам первичной обмотки А1 и А2 не представляет для трансформатора никакой угрозы. При условии, что выводы А1 и А2 были определены правильно, следует подать сетевое напряжение непосредственно на выводы А1 и А2 и измерить напряжение на вторичной обмотке, чтобы определить коэффициент трансформации (или отношение количества витков первичной и вторичной обмоток). Строго говоря, в целях безопасности рекомендуется подавать не сетевое напряжение, а пониженное напряжение от ЛАТРа.

Тестирование трансформатора следует выполнять в следующем порядке:

• установите в сетевой шнур предохранитель с наименьшим из имеющихся значением тока плавкой вставки, например, предохранитель, рассчитанный на ток 3 А, окажется достаточным, но использование предохранителя на 1 А будет предпочтительнее;

• присоедините к сетевой вилке (желательно с заземляющим контактом) три коротких гибких провода. В силу очевидных причин они получили название «провода самоубийцы» и поэтому, когда не используются, должны храниться отдельно и под замком;

• припаяйте луженый наконечник на конец провода, помеченного ярлыком «земля», и привинтите наконечник к металлическому шасси трансформатора, используя специальные зазубренные шайбы, обеспечивающие очень хороший электрический контакт;

• припаяйте фазный провод к выводу А1, а провод нейтрали (нуля) к выводу А2;

• убедитесь, что положение всех соединительных перемычек на вторичной об мотке зарисовано, после чего они все удалены;

• установите вид измерений цифрового вольтметра «переменное напряжение» и подключите его к выводам вторичной обмотки;

• убедившись, что шкала прибора находится в пределах видимости, включите в розетку сетевую вилку. Если на приборе сразу же не появятся результаты измерений, выдернете вилку из розетки. Если прибор фиксирует наличие на-

пряжения во вторичной обмотке, величину которого можно определить, дождитесь стабилизации показаний прибора, запишите полученный результат, выключите сетевое питание и отключите вилку от сетевой розетки;

• проверьте величину сетевого напряжения, для этого подключите цифровой вольтметр к выводам А1 и А2 трансформатора и включите повторно сетевое напряжение. Спишите показания прибора.

После этого можно определить коэффициент трансформации «N», используя следующее простое соотношение между напряжениями:

На первый взгляд эта процедура не покажется очень значительной, но следует помнить, что импедансы пропорциональны квадрату коэффициента трансформации, N2, следовательно, зная величину можно определить импеданс первичной обмотки, так как уже известен импеданс вторичной.

Пример

Из всех многочисленных проводов у трансформатора имеется пять проводов, которые оказались электрически соединенными между собой (результаты были получены, когда проводились измерения электрического сопротивления с использованием цифрового тестера). Максимальное значение сопротивления между двумя проводами составляет 236 Ом, следовательно, выводы этих проводом могут быть помечены как А1 и А2. После того, как одни щуп цифрового тестера оставался подключенным к выводу А1, было обнаружен второй провод, имеющий сопротивление 110 Ом. Полученное значение достаточно близко к значению сопротивления 118 Ом, чтобы эта точка могла оказаться выводом от центральной точки первичной обмотки трансформатора. Поэтому данную обмотку можно идентифицировать, как высоковольтную обмотку трансформатора. После этого следует переместить один из щупов цифрового тестера к среднему отводу высоковольтной обмотки и измерить сопротивления относительно двух оставшихся выводов. Значение сопротивления для одного вывода составило 29 Ом, а для второго было равно 32 Ом. Учитывая, что (29 Ом : 110 Ом) = 0,26, а (32 Ом: 118 Ом) = 0,27, можно с достаточной уверенностью предположить, что эти выводы используются в качестве ультралинейных отводов для получения максимальной мощности (то есть составляют примерно 20% обмотки). Один из выводов, для которого сопротивление относительно вывода А, имеет меньшее значение, представляет отвод к сетке 2 лампы V1, g2(V1) а второй отвод — к сетке 2 лампы V2, g2(V2) (рис. 5.23).

Вторичная обмотка имеет только две секции, поэтому, скорее всего, они предназначены для подключения нагрузки 4 Ом. Это предположение затем подтверждается измерениями сопротивлений обмоток секций, для первой из них оно составило 0,6 Ом, а для второй 0,8 Ом, что совпадает с типичными значениями для обмоток, предназначенных для согласования нагрузок 4 Ом.

Идентификация обмоток трансформатора с неизвестными параметрами

Рис. 5.23 Идентификация обмоток трансформатора с неизвестными параметрами

При подключении трансформатора к сети было зафиксировано сетевое переменное напряжение 252 В, а напряжение на вторичных обмотках составляло 5,60 В. Подставляя полученные значения в формулу для расчета коэффициента трансформации, получим:

Импедансы обмоток изменяются пропорционально N2, поэтому отношение импедансов первичной обмотки к импедансу вторичной составляет 452 = 2025. Так как напряжение на вторичной обмотке измерялось на секции 4 Ом, импеданс первичной обмотки должен составлять (2025 х 4 Ом) = 8100 Ом. Такой результат является вполне допустимым, так как измерения с использованием сетевого напряжения 252 В и частотой 50 Гц могли сдвинуть рабочую точку ближе к области насыщения, что привело к погрешностям определения параметров, Поэтому полученное значение можно округлить до 8 кОм.

Далее необходимо определить начало и конец обмоток каждой из секций вторичной обмотки трансформатора. Это выполняется подключением только одного провода между одной и второй секциями, включая, таким образом, обмотки секций последовательно. После подачи напряжения на первичную обмотку, получим удвоенное значение напряжения на вторичной обмотке, по сравнению с индивидуальным напряжением на каждой. То есть напряжения двух секций дополняют друг друга и следовательно, подключенными оказались конец обмотки первой секции к началу обмотки второй, поэтому можно обозначить вывод секции, где кончается соединительный провод, как « + », а другой конец, как «—». Однако в случае, если напряжение на вторичной обмотке будет отсутствовать, то это будет означать что обмотки в двух секциях включены встречно друг другу, поэтому оба вывода можно будет обозначить, либо как « + », либо как «—».

После того, как все идентичные по характеристикам секции были определены, и для них определены точки начала обмоток, могут измеряться напряжения на всех оставшихся обмотках, быть определены для них коэффициенты трансформации, либо относительно первичной обмотки, либо относительно вторичной, в зависимости от того, какой способ окажется удобнее. Начиная с этого момента наиболее удобным оказывается использование схемы с кратким пометками, так, например, получение двукратного увеличения напряжения вторичной обмотки является очень показательным, так как этот факт может означать либо наличие секции с отводом от средней точки, либо отводы 4 Ом и 16 Ом.

Основные причины выхода из строя трансформаторов, в тракте звуковых частот

Трансформаторы относятся к электронным компонентам с наиболее длительным сроком службы, достигающим 40 и более лет. Все же иногда они могут выходить из строя. Обмотки трансформатора выполняются из провода, который может выходить из строя при протекании через него слишком высоких токов, а изоляция провода может оказаться пробитой, если напряжения, приложенные к обмоткам, превысят допустимые значения.

Наиболее частым случаем, при котором отказывают выходные трансформаторы, является такой, когда он вынужден работать на усилитель в режиме перегрузки. Это может произойти в двухтактном усилителе, когда одна выходная лампа полностью отключена (например, вышла из строя), а вторая работает с явной перегрузкой. Индуктивность рассеяния той половины трансформатора, которая должна пропускать ток отключенной лампы, стремиться поддерживать ток этой половины обмотки неизменным, что влечет за собой появление значительных перенапряжений в первичной обмотке (прежде всего за счет ЭДС самоиндукции), приводящих к пробою межвитковой изоляции. Процесс изменения напряжения на индуктивной обмотке во времени, характеризуется следующим дифференциальным уравнением:

Так как при разрыве тока, его производная стремится к бесконечности di/dt ≈ ∞, возникающая ЭДС самоиндукции развивает напряжение на полуобмотке в цепи вышедшей из строя лампы, значительно превышающее значение высоковольтного источника питания, которое способно легко пробить межвитковую изоляцию.

Также пробой изоляции может быть вызван неправильными условиями эксплуатации аппаратуры. Так. например, если в трансформатор проникла влага, то изоляция (в качестве которой чаще всего используется специальная бумага) становится более проводящей, что значительно увеличивает вероятность ее пробоя.

Также существует опасность выхода из строя выходного трансформатора в случае работы усилителя на громкоговорители, сопротивление которых значительно ниже необходимого. В этом случае, при больших уровнях громкости, токи, текущие через обмотки трансформатора, могут оказаться существенно превышенными.

Еще одна специфическая проблема в ряде случаев возникает в не очень качественных усилителях, например таких, которые одно время широко применялись для электрогитар. В силу того, что скорость нарастания тока при перегрузке очень высока, а качество выходного трансформатора, используемого в усилителях для электрогитар, как правило, не очень хорошее, то высокие значения индуктивности рассеяния могут привести к возникновению таких высоких значений напряжений (эдс самоиндукции) на обмотках, что не исключается возникновение внешней электрической дуги. При этом сам трансформатор мог быть спроектирован таким образом, чтобы благополучно выдержать подобное случайное перенапряжение. Напряжение, необходимое для возникновения электрической дуги, в некоторой степени зависит от степени загрязнения пути, по которому она развивается, поэтому загрязнения (особенно проводящие) снижают это дуговое напряжение. Именно поэтому углеродные следы, остающиеся от прежних дуговых процессов, несомненно, приводят к снижению напряжения, необходимого для возникновения нового дугового процесса.

Несмотря на то, что для развития дуги необходимы высокие напряжения, однажды возникнув, она может поддерживаться гораздо более низкими напряжений. Например, ксеноновая лампа, используемая в небольшом кинопроекторе, должна возбуждаться разрядом конденсатора, заряженным до нескольких сотен вольт, однако после возникновения разряда для поддержания электрической дуги необходимо напряжение всего 26 В и ток 75 А. Если в усилителе возникает электрическая дуга от анода, то путь ее развития всегда связан с точкой, имеющей очень низкое сопротивление относительно земли, так как высокое значение сопротивления, например, резистора сеточного смещения, либо катодного резистора, будет ограничивать величину тока, приводя к гашению дуги. Выводы подогревателей ламп непосредственно связаны с землей через центральный отвод низковольтной обмотки, поэтому наиболее вероятным местом для развития дуги является промежуток между анодом и выводами подогревателей электронных ламп, так как единственным ограничивающим фактором является сопротивление источника низковольтного напряжения.

Если известно, что усилитель может оказаться подверженным высоковольтным разрядам и дуговым процессам, то возможным решением проблемы (в зависимости от типа усилителя) будет включение в схему резистора, гасящего возникающую дугу, на участке между центральным отводом низковольтного (накального) источника и точкой нулевого потенциала высоковольтного источника. Например, использование (проволочного) резистора марки W/Wc сопротивлением 4,7 кОм и мощностью 6 Вт. Однако «плавающий» низковольтный источник питания может в этом случае вызвать возникновение проблем, связанных с фоновыми шумами сети питания, в частности, из-за плохого качества спиралей накала (разводка, изолирующая обмазка, замыкания на шасси).

Рассмотрим и некоторые другие механизмы повреждения трансформаторов.

Слишком большой ток, проходящий через выходную лампу, может вызвать температурный уход эмиссии сетки, расплавление внутренних элементов конструкции лампы, вызывая прохождение тока чрезмерной силы через выходной трансформатор, приводящий к повреждению первичной обмотки. Простейший способ избавиться от данной проблемы, это визуальное наблюдение за усилителем. Если анод лампы становится вишнево-красным, необходимо немедленно выключить усилитель. Выходные каскады ламповых усилителей очень редко оснащаются плавкими предохранителями, отчасти из-за того, что нелинейный характер сопротивления плавкого предохранителя может вызвать дополнительные искажения, но часто также и из-за того, плавкий предохранитель не успевает перегреть достаточно быстро, чтобы успеть защитить выходные лампы.

В отличие от выходных, слаботочные входные и междукаскадные трансформаторы обычно повреждаются механически. Они весьма хрупкие, к тому же они наматываются очень тонким проводом, который легко рвется. В силу этого они требуют очень аккуратного обращения.

Трансформаторы, помещенные в экраны из магнитных материалов (например, из так называемого мю-металла), требуют очень осторожного обращения, их нельзя ронять, так как сильные механические воздействия нарушают доменную структуру магнитного материала, заметно снижая эффективность такого экрана. Например, на разделительном трансформаторе производства корпорации БиБиСи, предназначенном для работы с уровнями сигналов —45дБ, имелось специальное предупреждение на экранирующем кожухе, специально предостерегающее от приложения к нему механических воздействий.

Материалы магнитных сердечников могут деградировать со временем (это, например, оказалось причиной повреждений во время складского хранения силового трансформатора контрольного монитора), а автору совсем недавно довелось увидеть ряд дросселей и трансформаторов, отклонения характеристик которых от нормы могли быть объяснены только некачественным материалом магнитных сердечников. Это соображение всегда должно незримо присутствовать при выборе, который необходимо сделать между запасной частью, предусмотренной регламентом выполнения работ, либо немного более дорогой, но только что изготовленной.

Continue reading
1137 Hits

Почему необходимо использовать трансформаторы

После всего сказанного о неидельности характеристик тех компонентов схем, в которых применяются магнитные материалы, стоит задуматься и о том вкладе, который они обеспечивают в общей стоимости аппаратуры, так как они всегда оставались и остаются достаточно дорогостоящими компонентами.

Выходной трансформатор используется для согласования низкоомного громкоговорителя с высоким сопротивлением ламп выходного каскада усилителя, обеспечивая, таким образом, передачу максимальной мощности от усилителя в громкоговорители. Если в трансформаторе изготавливается многосекционные вторичные обмотки, то это представляет пользователю дополнительные возможности производить согласование с различными по величинам нагрузками (сопротивлениями громкоговорителей), не производя полного перерасчета (и связанных с этим переделками) схемы.

Входной трансформатор, например, повышающий трансформатор для головки звукоснимателя с подвижной катушкой, может значительно увеличивать по напряжению слабый сигнал, который далее может быть усилен усилителем с минимальными шумами, обязанными своим происхождением самому усилителю. В качестве дополнительного преимущества, первичная обмотка может быть подключена как «плавающая» (относительно земли), поэтому все шумы, генерируемые в подводящих проводах от головки к трансформатору, будут трансформатором исключаться.

Возможность выполнения нескольких различных типов обмоток трансформатора позволяет использовать новые методы организации обратной связи в схеме, что позволяет еще больше улучшить характеристики схемы. Такой прием особенно часто используется в усилителях мощности.

Приводить аргументы в пользу использования межкаскадных трансформаторов значительно сложнее. Они предназначаются, без всяких сомнений, для согласования высокоомного источника (выходного сопротивления предшествующего каскада) и импеданса нагрузки (входного сопротивления последующего каскада усиления). При этом зачастую требуются большие значения индуктивности, приводящие также и к высоким значениям паразитных емкостей трансформатора, которые приводят к сужению полосы пропускания. Тем ни менее, в случаях, когда вопросы стоимости отходят на второй план, некоторые выходные лампы, такие, например, как лампа 845, могут обеспечить существенные преимущества, если сигнал на них подавать от мощной задающей (предусилительной) ламы, связь с которой осуществляется посредством использования очень точно рассчитанного и тщательно подобранного межкаскадного трансформатора.

Трансформатор электрически изолирует постоянную составляющую первичной обмотки от постоянной составляющей, протекающей во вторичной обмотке. Этот фактор довольно часто также становится решающим!

Основные критерии выбора трансформаторов

Ниже перечисленные критерии применимы только для трансформаторов, используемых в низкочастотных звуковых трактах; требования, предъявляемые к силовым трансформаторам, будут рассмотрены далее.

Несмотря на то, что в большинстве случаев любителями собираются стандартные схемы, для которых практически всегда трансформаторы уже рассчитаны, почти наверняка когда-нибудь возникнет необходимость использовать трансформатор промышленного изготовления. Поэтому становится очень важным при заказе подобного трансформатора представить конструкторам возможное большее количество информации, чтобы они смогли произвести правильный выбор конструктивных параметров, наиболее полно удовлетворяющий требованиям схемы.

Приведем некоторые вопросы, ответы на которые, позволят облегчить процесс расчета и изготовления трансформатора звуковых частот.

• Является ли трансформатор мощным выходным трансформатором, либо это слаботочный входной или межкаскадный трансформатор?

• Какое максимальное напряжение сигнала (мВ), которое будет подаваться на первичную обмотку при наименьшем значении частоты сигнала? Будет ли уровень сигнала меняться в зависимости от частоты? Каков максимальный уровень искажений, который допускается при этих уровнях сигнала и частоты?

• Какова величина сопротивления источника сигнала?

• Какое будет необходимо значение отношения количества витков первичной обмотки ко вторичной?

• Каковы значения шунтирующего вторичную обмотку сопротивления и емкости, которые будут выполнять роль нагрузки? Может ли меняться значение какого-нибудь из этих двух параметров в случае необходимости?

• Для работы в каком частотном диапазоне предназначается трансформатор? Не рекомендуется задавать этот параметр в следующем явно завышенном виде (5 Гц — 500 кГц ± 0,1 дБ), просто потому, что трансформатор с такими параметрами является нереальным.

• Необходим ли электростатический экран?

• Есть ли необходимость помещать трансформатор в экранирующий кожух, изготовленный из магнитного материала с целью уменьшить влияние электромагнитных наводок?

• Есть ли какие-нибудь специальные требования, которые необходимо будет учесть проектировщику трансформатора?

Если ответом на первый вопрос было «мощный выходной трансформатор», то тогда должны быть наготове ответы на дополнительные вопросы, а лучше всего, если бы была представлена подробная принципиальная схема выходного каскада с кратким пояснениями.

• Относится ли выходной каскад к классу А, или же относится к классу АВ?

• Какова величина постоянного тока подмагничивания, какова величина максимального значения постоянного тока?

• Каково значение максимальной выходной мощности и каково минимальное значение частоты, для которой требуется такая мощность при заданном уровне искажений?

• Является ли выходной каскад двухтактным, либо он является каскадом с несимметричным выходом?

• Какие лампы используются в качестве выходных, триоды или пентоды? Понадобится ли изготавливать «ультралинейные» отводы от обмоток?

• Какие требования предъявляются к первичной и вторичной обмоткам? Какие значения постоянных токов будут накладываться в каждой из них?

• Какой тип крепления понадобится? Открытые выступы, защитные кожухи либо сквозные посадочные отверстия?

Все эти вопросы могут показаться просто сбивающими с толку, однако, если имеется ясность о том, что именно необходимо, то, вероятнее всего, последний раздел не обманет ожиданий проницательного читателя.

Continue reading
595 Hits

Модели трансформаторов

Так как реальные трансформаторы являются сложными для анализа работы устройствами, то принято рассматривать упрощенные модели, которые раздельно описывают его работу в области низких и высоких частот.

На низких частотах трансформатор может быть представлен в виде идеального преобразователя, параллельно которому включена индуктивность первичной обмотки реального трансформатора, напряжение на который подается от источника питания, сопротивление которого rисточника отличается от нулевого значения (рис. 5.19).

Эквивалентная НЧ схема замещения трансформатора, учитывающая  индуктивность первичной обмотки

Рис. 5.19 Эквивалентная НЧ схема замещения трансформатора, учитывающая индуктивность первичной обмотки

Сопротивление источника питания и индуктивность первичной обмотки, которая имеет конечное значение, образуют фильтр нижних частот, частота среза которого определяется формулой:

Для данной схемы трансформатора более эффективная работа на низкой частоте будет обеспечиваться при снижении сопротивления источника питания. Например, для пентода EL34 значение rа = 15 кОм, однако, при включении этого же самого пентода по схеме триода rа = 910 Ом, а при использовании в схеме катодного повторителя rk100 Ом.

К сожалению, данная модель применима только при условии малого сигнала. В усилителях мощности рабочие характеристики выходных ламп очень точно согласуются с импедансами нагрузок, а пониженное значение индуктивного сопротивления Lp на низких частотах приводит к тому, что часть тока полезного сигнала ответвляется в цепь, образованную Lp . При высоких уровнях сигнала более высокое значение ответвляющегося сигнала насыщает сердечник, что приводит к еще большему снижению индуктивности Lpдальнейшее увеличение доли тока сигнала, протекающего по параллельной ветви, еще больше снижает величину тока, поступающего в нагрузку (громкоговоритель), то есть искажения в области низких частот возрастают в катастрофических масштабах. Таким образом, для усилителей мощности возникает требование, чтобы частота среза на уровне —3 дБ фильтра, включающего индуктивность Lpопределялась сопротивлением нагрузки RH, а не анодным сопротивлением rаи преимущества использования лампы EL34 в схеме катодного повторителя совершенно не будут проявляться на полной выходной мощности усилителя.

После того, как установлена важность влияния сопротивления, необходимо получить и высокое значение индуктивности первичной обмотки. Оно может быть получено либо увеличением количества витков первичной обмотки, либо использованием материала сердечника, имеющего более высокое значение относительной магнитной проницаемости, μr. Хотя улучшение характеристик в области нижних частот может быть достигнуто за счет увеличения значения μr, этот фактор следует пока отложить до рассмотрения высокочастотных характеристик, а пока рассмотреть влияние обмотки. Индуктивность первичной обмотки может быть увеличена, если в обмотку добавить несколько витков, что приведет к снижению индуктивности рассеяния и паразитной емкости, приводя опять же к лучшим характеристикам трансформатора при работе в области высоких частот.

Использование материалов с более высокими магнитными характеристиками оказывается предпочтительнее, так как ширина полосы пропускания трансформатора (выраженная в октавах), BW(oктава), у которого согласованы сопротивления нагрузки и источника выражается:

Ширина полосы пропускания BW зависит от геометрии трансформатора и относительной магнитной проницаемости материала сердечника, но не от размеров и количества витков в обмотках. Если же все же остальные параметры остаются неизменными, то сердечник с более высоким значением μr, обеспечивает более широкую полосу пропускания трансформатора. Увеличение же значения m достигается либо выбором соответствующего материала, либо за счет использования сердечника, у которого сведен к минимуму воздушный зазор, например тороидального, либо же за счет использования вместе обоих факторов.

В области средних частот необходимо учитывать потери, вызванные омическим сопротивлением обмоток трансформатора, при этом обычно принято отражать элементы цепи вторичной обмотки трансформатора в составе схемы первичной обмотки (рис. 5.20).

Модель трансформатора для работы в области высоких частот выглядит гораздо сложнее (рис. 5.21).

Эквивалентная схема замещения трансформатора для средних  частот, учитывающая сопротивления обмоток

Рис. 5.20 Эквивалентная схема замещения трансформатора для средних частот, учитывающая сопротивления обмоток

Эквивалентная схема замещения трансформатора для высоких частот

Рис. 5.21 Эквивалентная схема замещения трансформатора для высоких частот

В данной модели цепь первичной обмотки отображается в общей схеме со вторичной, а сопротивление источника, сопротивления первичной и вторичной обмоток рассматриваются в целом, не вдаваясь в детали.

Межвитковая емкость сначала была учтена как единая величина, а затем введена в эквивалентную схему в виде двух составляющих, также в схеме была учтена индуктивность рассеяния. Получившаяся в результате схема представляет классическую схему фильтра нижних частот, имеющего предельный спад частотной характеристики 18 дБ/октаву, а при соответствующем подборе значений компонентов схемы данная модель очень точно моделирует работу реального трансформатора на высоких частотах.

Так как модель представляет классический фильтр, то можно использовать основные положения, относящиеся к анализу работы данных фильтров. Одним из самых важных следствий, вытекающих из анализа, является то, что эффективность работы схемы в значительной степени зависит от величины сопротивлений элементов, подключенных к выходным клеммам схемы. Для обычного фильтра они образованы сопротивлениями источника и нагрузки, однако, в случае трансформатора необходимо дополнительно учитывать и паразитную емкость, вносимую нагрузкой.

Влияние нагрузки входного трансформатора звукоснимателя

При использовании повышающего трансформатора для головки звукоснимателя с подвижной катушкой приходится затратить много сил, чтобы определить оптимальное сопротивление нагрузки трансформатора перед тем, как подобрать точную нагрузку головки.

Если известно сопротивление источника в эквивалентной схеме трансформатора, можно определить оптимальную нагрузку для входного трансформатора. Следует очень осторожно относиться к мнению, что лучшие по качеству головки звукоснимателей характеризуются более высокими значениями сопротивления (из-за того, что более тонкий провод катушки снижает подвижную массу), так как замена головки почти наверняка может потребовать замены входного трансформатора. Будет при этом не только оказано влияние на частотную характеристику, но более высокое сопротивление головки может вызвать значительные потери в неизбежно существующем делителе напряжения, образованном сопротивление самой головки и приведенным сопротивлением нагрузки трансформатора.

Стоит рассмотреть следующий пример. Проигрыватель Sowter8055 первоначально был рассчитан на использование головки с сопротивлением 3 Ом, а чисто омическое сопротивление его оптимальной нагрузки составляло 2,7 кОм. Так как коэффициент повышения напряжения составлял 1:10, а импедансы преобразуются в отношении n2, для головки с сопротивлением 3 Ом приведенное сопротивление составляло 27 Ом, что определяет уровень потерь значением 0,9 дБ. Замена головки с сопротивлением 3 Ом на головку с сопротивлением 10 Ом увеличивает уровень потерь до 2,7 дБ, что означает, что 1,8 дБ чувствительности оказались просто утраченными.

Важность влияния этих дополнительных потерь, составляющих 1,8 дБ, заключается в том, что поскольку уровень шума на входе усилителя остается неизменным, поэтому изменение сопротивления источника вызвало дополнительное снижение отношения сигнал/шум на величину 1,8 дБ. Это может быть скомпенсировано заменой входной лампы, так как увеличение крутизны входной лампы на 50% приводит к улучшению соотношения сигнал/шум на 1,8 дБ, однако, замена лампы довольно дорогое мероприятие, поэтому гораздо проще предотвратить ненужные потери перед усилением. Если бы имелась возможность увеличить нагрузочное сопротивление трансформатора, приведенное сопротивление для головки возросло бы, и тогда соотношение сигнал/шум улучшилось бы.

К сожалению, на высоких частотах каждый трансформатор подвержен резонансу, характеристики которого определяются в основном значениями индуктивности рассеяния и межвитковой емкости трансформатора. Увеличение нагрузочного сопротивления уменьшает ослабление, приводя к образованию пика на частотной характеристике и «звону». Однако, тщательный подбор параметров так называемой цепи Зобеля (Zobel), включаемой параллельно вторичной обмотке трансформатора может значительно уменьшить явление «звона» в схеме. Значения величин элементов, входящих в схему определяются экспериментально (рис. 5.22).

Определение значений сопротивления и емкости элементов, образующих схему Зобеля

Рис. 5.22 Определение значений сопротивления и емкости элементов, образующих схему Зобеля

Для подбора этой цепи используется генератор прямоугольных импульсов, что позволяет в какой-то мере учесть частотные свойства реального сигнала. Использование делителя напряжений на выходе генератора прямоугольных импульсов преследует две цели:

• трансформатор необходимо питать от источника с точно таким же сопротивлением, каким обладает головка вместе с проводами звукоснимателя. Стандартные генераторы не обеспечивают выходное сопротивление 10 Ом, поэтому вводится делитель напряжения, обеспечивающий величину необходимого сопротивления;

* выходное напряжение стандартного генератора имеет слишком большое значение для используемого трансформатора, поэтому его следует ослабить минимум в 100 раз.

Точный расчет компонентов делителя напряжения не требуется, так как чисто технологические причины приводят к тому, что сопротивления катушек головок оказываются не совсем одинаковыми (разброс значений в 5% является обычным явлением). Более того, так как делитель напряжения должен еще и ослаблять выходное напряжение генератора в 100 раз, должно выполняться соотношение rвых ≈ Rlower, то необходимо устанавливать значение резистора Rlowerравным требуемому сопротивлению, и выбирать при этом ближайшее значение, обеспечивающее выполнение соотношения Rupper ≈ Rlower.

Известно, что трансформатор будет работать на нагрузку — лампу, обладающую входной емкостью, которая должна быть рассчитана, либо измерена. Хотя измерительные щупы осциллографа, имеющие пометку х 10, уменьшают емкость на наконечнике щупа, полностью они ее не исключают, поэтому при измерениях величина этой емкости также должна быть учтена. Можно вернуться к рассмотренному примеру. Трансформатор должен работать на триод ЕС8010, измеренная величина входной емкости которого составила 190 пФ. Щуп х 10 осциллографа Tektronix P6139A, используемого автором, имеет емкость наконечника 8 пФ. Поэтому в качестве нагрузочного использовался конденсатор, имеющий емкость 180 пФ (180 пФ + 8 пФ = 190пФ).

Маловероятно, что сопротивление резистора в цепи Зобеля будет превышать значение сопротивления основного нагрузочного резистора, поэтому использовался линейный потенциометр с сопротивлением 5 кОм.

Переменный конденсатор, который предназначался для использования в цепи Зобеля, был извлечен из безнадежно испорченного лампового радиоприемника УКВ-ЧМ диапазона. Как правило, воздушные переменные конденсаторы обеспечивают значение емкости от 300 до 500 пФ при полностью сомкнутых пластинах, однако в случае необходимости можно включать параллельно несколько подобных конденсаторов.

После того, как генератор был настроен на частоту следования прямоугольных импульсов 1 кГц, и обеспечивающего напряжение примерно 100 мВ размаха напряжения (пик-пик) на выходе трансформатора, резистор и конденсатор, образующие цепь Зобеля, могут подстраиваться одновременно таким образом, чтобы обеспечивать наименьшую из всех возможных вариантов длительность переднего фронта и плоской вершины импульса, наблюдаемого на экране осциллографа. Как правило, резистор влияет форму переднего фронта импульса, тогда как конденсатор влияет на амплитуду затухающего переходного процесса (или «звона»), накладывающегося на плоскую вершину наблюдаемого импульса. Определение оптимальных положений движков резистора и конденсатора оказывается на практике довольно простым делом.

После того, как были установлены оптимальные значения емкости и сопротивления, конденсатор и переменный резистор должны быть очень аккуратно выпаяны из схемы, а затем измерены из величины. Достаточно часто применяемый на практике цифровой комбинированный измерительный прибор (мультиметр), по утверждениям их изготовителей, в состоянии довольно точно выполнить подобную операцию, однако использование измерительного моста для измерения емкости конденсатора даст во всех случаях гораздо более лучший результат.

Continue reading
709 Hits

Трансформаторы. Намагничивание и потери

Намагничивание постоянным током

Если в обмотке трансформатора будет протекать только постоянный ток, то он сместит рабочую точку на кривой намагничивания и вызовет значительные искажения (в форме сигнала) из-за насыщения во время одной половины цикла намагничивания. Именно из-за этого анодные токи выходных ламп двухтактного усилителя должны быть очень тщательно уравновешены, и в силовых трансформаторах не должно использоваться однополупериодное выпрямление. Традиционным методом установления баланса по постоянной составляющей выходных ламп двухтактного усилителя является измерение напряжения между анодами выходных ламп и установление нулевого значения этого напряжения. Нулевое значение напряжения между анодами означает равенство падений напряжения, что подразумевает равенство токов и отсутствие несбалансированных токов, однако, это будет справедливо только при равенстве сопротивлений обмоток трансформатора. Поэтому перед использованием данного метода в обязательном порядке следует проверить величины сопротивлений обмоток. Поскольку трансформаторы с тороидальным и С-образными сердечниками не имеют воздушного зазора, то они гораздо в большей степени подвержены насыщению на постоянном токе.

Потери, вызванные сопротивлением обмоток трансформатора

где N выражает отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к количеству витков во вторичной.

Медные провода характеризуются некоторой конечной величиной омического сопротивления, поэтому для хорошо рассчитанного трансформатора потери, вызванные этим сопротивлением, должны быть одинаковыми для первичной и вторичной обмоток. Из равенства потерь следует, что величины сопротивлений должны относиться как:

Общие потери, вызванные сопротивлением медной обмотки, могут быть, в свою очередь, сопоставлены для конкретной конструкции трансформатора с потерями в сердечнике, так как два трансформатора могут иметь различные соотношения между количеством медных проводов в обмотках и трансформаторного железа в сердечниках при одинаковой номинальной мощности.

Электростатические экраны

В низкочастотных трансформаторах, используемых в звуковых трактах, емкость между секциями первичной и вторичной обмоток оказывается значительной, так как она дополнительно увеличивается отношением витков в секциях, совершенно аналогично тому, как это происходит в ламповом триоде в соответствии с эффектом Миллера. Проблема может быть решена помещением заземленного электростатического экрана, обычно изготавливаемого из фольги, между взаимодействующими обмотками. Таким образом, возникает емкость относительно земли, но ее влияние очень незначительно. Более важным является то, чтобы края фольгового экрана не имели между собой электрической связи, так как это привело бы к образованию короткозамкнутого витка.

Электростатический экран между первичной и вторичной обмотками силовых трансформаторов часто устанавливается по совершенно иным причинам. В случае пробоя изоляции между первичной и вторичной обмотками при отсутствии экрана напряжение сети питания могло бы попасть непосредственно в цепь вторичной обмотки, что привело бы к весьма тяжелым последствиям. При установке же электростатического экрана в таком случае ток будет протекать непосредственно на землю, что вызовет перегорание плавкого предохранителя сети питания, предохранив оборудование от повреждений.

Электростатический экран также предотвращает передачу за счет емкостной связи высокочастотных радиопомех сети питания в последующие цепи оборудования. В аудиотехнике влияние высокочастотных радиопомех не должно недооцениваться, что является дополнительным стимулом для использования электростатического экрана. Применение электростатических экранов особенно благотворно для низковольтных вторичных обмоток, так как экраны предотвращают появление высоковольтных шумов из сети питания за счет непосредственной емкостной связи в чувствительных цепях.

Магнитострикция

Ламповые усилители, в которых применяются выходные трансформаторы, подчас склонны «подпевать» в звуковом диапазоне, когда работают на полную мощность. Иногда этот эффект связан с ослаблением затяжки пластин сердечника, однако гораздо чаще, он вызывается магнитострикцией. Магнитострикция — это эффект, связанный с изменением геометрических размеров магнитных материалов, который обусловлен искажениями кристаллической решетки под влиянии сильного внешнего поля. В выходных трансформаторах действуют сильные магнитные поля, поэтому этот эффект может проявляться достаточно ощутимо. Так как напряженность магнитного поля является величиной переменной, то она вызывает вибрации. Однако в силу того, что эффект магнитострикции не является полярным, то в двухтактных усилителях звук, который будет слышаться, будет представлять в чистом виде искажения вторых гармоник.

Магнитострикция обратно пропорциональна относительной магнитной проницаемости μr, поэтому высококачественные трансформаторы менее подвержены влиянию этой (почему-то общепризнанно, несущественной) проблемы.

Выходные трансформаторы, обратная связь и громкоговорители

Как известно, большинство усилителей звуковой частоты охватываются отрицательной обратной связью, что позволяет уменьшить нелинейные искажения в них. Чаще всего, напряжение обратной связи снимается непосредственно с выходного трансформатора. Наиболее удобно снимать обратную связь от специально выполненной обмотки обратной связи, либо от промежуточного отвода обмотки, так как это означает, что пользователь может менять согласование нагрузки и усилителя без необходимости подстройки обратной связи. Например, усилители марки Leak были спроектированы с использованием такого подхода, что обуславливало простую связь для выполнения согласования, однако этот же подход и означал, что использование выходного трансформатора является весьма далеким от оптимального (рис. 5.18).

Схема использования вторичной обмотки выходного  трансформатора в усилителях Leak

Рис. 5.18 Схема использования вторичной обмотки выходного трансформатора в усилителях Leak

Например, если в качестве согласующей используется часть обмотки с сопротивлением 4 Ом, то будет использована только половина вторичной обмотки, что приведет к увеличения индуктивности рассеяния. Гораздо хуже то, что в контур обратной связи (которая в идеале должна действовать на выходе) перед точкой, где начнется ее действие, должна дополнительно быть включена часть вторичной обмотки, а действие обратной связи с включением различных частей вторичной обмотки не будет эквивалентным для каждого случая. Оптимальным способом при выборе точки подключения обратной связи были бы выходные клеммы усилителя (либо же, что оказалось бы даже предпочтительнее, клеммы громкоговорителя). В идеальном варианте эффективность работы трансформатора была бы оптимальной при использовании максимально возможного количества секций вторичной обмотки.

Трансформаторы более ранних лет выпуска старались проектировать так, чтобы они имели пару секций вторичных обмоток, которые включались бы последовательно при использовании громкоговорителей с сопротивлением 16 Ом, либо параллельно при использовании громкоговорителей с сопротивлением 4 Ом. Секции выводились не обязательно от одних и тех же слоев обмотки, поэтому секции отличались по своим сопротивлениям и индуктивностям рассеяния. При их последовательном включении (согласование с нагрузкой 16 Ом) особых проблем не возникало, но при параллельном включении не точно идентичные обмотки создавали бы ток друг в друга, что нельзя считать нормальным явлением. Трансформаторы более высокого качества имеют четыре секции вторичной обмотки, предназначенные обеспечить точные значения сопротивлений 1 Ом, 4 Ом, и 16 Ом, однако для них оставалась прежней проблема при включении на нагрузку с сопротивлением 8 Ом.

Правда, может возникнуть вопрос, а почему все-таки широко не используется выходное сопротивление 16 Ом? Громкоговорители с сопротивлением 16 Ом для оптимального демпфирования не очень нуждались бы в источнике с особенно низким сопротивлением и на них оказывало бы меньшее влияние сопротивление подводящих проводов к громкоговорителю. Дополнительным позитивным фактором явилось бы и то, что проектирование транзисторных усилителей стало бы значительно проще, а для ламповых усилителей могла бы оказаться необходимой оптимизация секций вторичной обмотки, а уменьшенное отношение количества витков могло бы еще более улучшить характеристики трансформатора. Однако любой производитель, который выпустил бы громкоговоритель с сопротивлением 16 Ом, установил бы, что данный громкоговоритель оказался бы малоэффективным, так как при заданном напряжении он обеспечивал бы уровень акустической мощности на 3 дБ ниже, чем громкоговоритель, рассчитанный на сопротивление 8 Ом — существуют опубликованные на эту тему комментарии относительно громкоговорителя корпорации Би-би-си LS3/5a (сопротивление 12 Ом). Поэтому автор предпочитает применять с громкоговорители с сопротивлением 8 Ом, хотя и существует стойкая тенденция ориентироваться на громкоговорители с сопротивлением 4 Ом.

Многие современные громкоговорители имеют номинальное сопротивление 8 Ом (достаточно часто, с провалами, которые еще больше снижают эту величину). Учитывая это, а также с учетом только чисто активного сопротивления, получается величина практически незначительно отличающаяся от значения 4 Ом. Исходя из этого, гораздо проще считать все громкоговорители, имеющими сопротивление 4 Ом: некоторое снижение измеряемой мощности по сравнению со значением, получаемым при сопротивлении 8 Ом, можно считать незначительным, зато упущение качества при этом окажется очень ощутимым.

Continue reading
674 Hits

Трансформаторы, общие сведения

Основные свойства и принцип действия идеального трансформатора нами уже рассматривались. Теперь обратимся к свойствам реальных трансформаторов, в первую очередь низкочастотных, находящих широкое применение в ламповых усилителях звуковой частоты.

В идеальном трансформаторе магнитный поток, создаваемый первичной обмоткой, полностью и без потерь поглощается во вторичной обмотке. В реальных трансформаторах картина, конечно, иная.

Потери в трансформаторах обычно подразделяются на две отличающиеся группы: это потери, связанные с трансформаторным железом (их происхождение связано с нендельностями сердечника трансформатора, изготовленного из специальных сортов стали), и потери «на меди» (они связаны с чисто омическими потерями в проводнике и обмотках трансформатора). Существуют также потери, связанные с наличием паразитных межвитковых и межобмоточных емкостей, однако, они наиболее актуальны в радиочастотных трансформаторах. Тем не менее, при больших величинах паразитных емкостей, о них не стоит забывать и при разработке усилителей звуковой частоты повышенного качества.

Потери, вызванные сердечником трансформатора. Индуктивность рассеяния

Так как сердечник постоянно намагничивается и размагничивается, и при этом вектор напряженности магнитного поля изменяет свое направление, то для изменения ориентации магнитных диполей должна постоянно затрачиваться энергия. Эти потери, связаны с гистерезисными явлениями (остаточной магнитной индукцией при снятии внешнего магнитного поля), и могут быть рассчитаны с использованием семейства кривых гистерезиса для каждого конкретного материала, используемого при изготовлении сердечника. Так как эти потери вызываются изменением намагниченности (магнитной индукции) сердечника в течение полного цикла перемагничивания, то за одинаковый промежуток времени величина потерь будет возрастать, если будет увеличиваться частота таких изменений магнитной индукции. Поэтому потери на гистерезис возрастают пропорционально увеличению частоты, и могут быть уменьшены только путем использования материала, имеющего небольшие потери.

Магнитопровод (сердечник) низкочастотных трансформаторов изготавливается, как правило, из металла (специальных сортов электротехнической стали), поэтому он является проводником электрического тока. Наличие токопроводящего пути через сердечник способствует протеканию так называемых вихревых токов, возникающих в магнитопроводе за счет э.д.с. самоиндукции, пропорциональной скорости изменения магнитного потока. Эти вихревые токи, являясь короткозамкнутыми (или круговыми), вызывают дополнительные потери, которые с ростом частоты возрастают и становятся даже более ощутимыми, нежели потери на перемагничивание сердечника, рассмотренные выше. С учетом этих потерь, токопроводящий путь, образованный сердечником, посредством вихревых токов оказывает воздействие на любую обмотку трансформатора наравне со второй обмоткой. Для снижения рассматриваемых потерь в конструкции магнитопроводов используют набор из тонких изолированных пластин (элементарное увеличение сопротивления на пути протекания вихревых токов). На эти пластины наносится диэлектрический защитный слой, который создается либо методами химической обработки, либо нанесением специальных лаков или эмалей. Наиболее рациональным решением данной проблемы является изготовление сердечника из мельчайших частичек железа с предварительно обработанной поверхностью, а затем спрессованных вместе с использованием специальных связующих веществ, либо керамики, для образования монолитного магнитопровода. Также широко применятся ферритовые магнитопроводы. Ферриты являются оксидными магнитными материалами, представляют химические соединения окисла железа с окислами других металлов, наиболее распространены никель-цинковые и марганец-цинковые ферриты, изготавливают методом горячего прессования.

Вихревые токи пропорциональны квадрату частоты,/2, так как потери пропорциональны не только скорости изменения напряженности магнитного поля в конкретный момент времени, но также еще и потому, что с увеличением частоты длина волны уменьшается, что позволяет формироваться большему числу замкнутых токовых контуров в сердечнике. Хотя применение тонких пластин, изготовленных из электротехнического железа, оказывается достаточным для использования в качестве материала сердечников трансформаторов, применяемых в звуковом диапазоне частот, в высокочастотном диапазоне уже становится необходимым использовать ферриты. Еще на более высоких частотах — в СВЧ диапазонах практически все магнитные материалы характеризуются настолько высокими потерями, что остается использовать трансформаторы с воздушно разделенными катушками.

Потери на перемагничивание сердечника (гистерезис) и вихревые токи достаточно часто в силовых трансформаторах объединяются под общим названием магнитных потерь и именно они чаще всего бывают причиной нагрева сердечника трансформатора даже в тех случаях, когда нагрузка к нему не подключена.

В реальных трансформаторах далеко не весь магнитный поток, образованный прохождением тока в первичной обмотке, пронизывает вторичную обмотку трансформатора и наводит в ней ЭДС. Вызвано это неидеальностью конструкции реального трансформатора. Эти потери, совместно с потерями на перемагничивание (гистерезис) и потерями на вихревые токи для трансформаторов звукового диапазона частот, также часто принято объединять в один вид потерь. В целом, эти потери количественно характеризуются так называемой индуктивностью рассеяния. С теоретической точки зрения, индуктивность рассеяния (относительно первичной обмотки) определяется путем измерения индуктивности первичной обмотки при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора. На практике точно замерить величину индуктивности рассеяния достаточно сложно, так как измерение, проведенное только на одной частоте, всегда искажается на других частотах за счет паразитных емкостей. Тем ни менее, индуктивность рассеяния является важной теоретической предпосылкой, так как она определяет высокочастотный предел нормальной работы трансформатора.

Индуктивность рассеяния зависит от размеров (q), квадрата отношения количества витков в обмотках (N2), геометрического параметра (k) трансформатора, но совершенно не зависит от магнитной проницаемости сердечника μr:

Из приведенного выражения следует, что при условии работы на конкретной частоте трансформатор, рассчитанный на более высокую мощность, будет иметь более высокое значение индуктивности рассеяния, поскольку он будет иметь более крупные размеры по сравнению с трансформатором, рассчитанным на меньшее значение мощности.

Так как индуктивность рассеяния пропорциональна значению N2, при разработке трансформатора всегда необходимо стремиться получить параметр, характеризующий соотношение количества витков обмоток трансформатора, как можно меньший по величине. По этой причине использование параллельной работы выходных ламп в ламповом усилителе имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что при этом уменьшается отношение необходимого числа витков в его обмотках (поскольку выходное сопротивление ламп при параллельном включении уменьшается).

Геометрический параметр зависит от двух основных определяющих: типа и конструкции сердечника и его характеристик, а также конструкции и технологии изготовления обмоток трансформатора.

Для стандартных силовых трансформаторов используется, как правило, сердечники с Ш-образной формой пластин, когда каждый слой образуется Ш-образной пластиной и простой замыкающей торцевой пластиной. При укладке слоев пространственная ориентация пластин часто чередуется, чтобы уменьшить воздушный зазор в месте стыка пластин. Обмотки трансформатора конструктивно представляют собой катушку, одеваемую на среднюю ось буквы «Ш» сердечника. Такая конструкция трансформатора часто называется броневой (рис. 5.14).

Традиционно очень высокими характеристиками обладают трансформаторы, имеющие С-образные сердечники. Такие трансформаторы изготавливаются намоткой длинной ленты в виде толстостенного, несколько приплюснутого с боков цилиндра, который затем разрезается по образующей на две части. Плоскости разреза сердечника тщательно шлифуются. Затем наматываются обмотки трансформатора (конструктивно в виде двух катушек, обычно содержащих части витков первичной и вторичных обмоток каждая), после чего в обмотки вставляются половинки сердечника таким образом, чтобы шлифованные поверхности точно прилегали друг к другу, образуя минимальный зазор. Для надежного скрепления всей конструкции в единое целое используется стальная лента. Эту конструкцию трансформатора часто называют стержневой (рис. 5.15).

Послойное чередование порядка укладки Ш-образных пластин  при сборке магнитопровода

Рис. 5.14 Послойное чередование порядка укладки Ш-образных пластин при сборке магнитопровода

Варианты использования С-образного сердечника

Рис. 5.15 Варианты использования С-образного сердечника

Сердечник с С-образной формой достаточно дорог из-за сложного технологического процесса, неточная сборка сердечника может привести к образованию воздушного зазора, что приведет к возникновению именно тех недостатков, от которых должна была бы избавить эта конструкция. Более современная конструкция представляет сердечник, намотанный в виде тороида (тора), но при этом он не разрезается, а используется специальный намоточный станок, позволяющий производить изготовление обмоток прямо на сердечнике. Такие трансформаторы характеризуются очень низкими значениями индуктивности рассеяния (рис. 5.16).

Тороидальный трансформатор

Рис. 5.16 Тороидальный трансформатор

Нельзя не вспомнить интересный исторический конфуз, который заключается в том, что хотя тороидальные сердечники и считаются самыми современными, самый первый изготовленный трансформатор имел тороидальную форму! Изготовил же его Майкл Фарадей в августе 1831 года.

Как тороидальный, так и С-образный сердечники имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что магнитный поток всегда протекает в одном и том же направлении относительно направления, характеризующего ориентацию зерен кристаллической структуры материала сердечника, тогда как в Ш-образных сердечниках он вынужден проходить поперек плоскости ориентации зерна в некоторых частях магнитопровода. Этот фактор приобретает достаточно серьезное значение, так как кремнистая электротехническая сталь с ориентированными зернами (GOSS) может пропускать потоки большей плотности до наступления насыщения в направлении, параллельном расположению плоскости зерен (направлению легкого намагничивания), по сравнению с направлением, перпендикулярным плоскости ориентации зерна. В силу этого Ш-образные сердечники могут работать при плотностях магнитного потока, которые ниже значения насыщения для направления, перпендикулярного зернам, тогда как С-образные и торроидальные сердечники могут работать при более высоких значениях плотности потока, что позволяет уменьшить размеры самого магнитопровода.

Геометрия катушек трансформатора может быть улучшена путем чередования слоев намотки первичной и вторичной обмоток или путем их секционирования, что позволяет получить гораздо лучшие результаты по сравнению со схемой, когда сначала на каркас полностью наматывается первичная, а затем вторичная обмотки.

Увеличение количества секций улучшает взаимодействие между первичной и вторичной обмотками, что значительно снижает индуктивность рассеяния, но при этом увеличивается паразитная емкость (рис. 5.17).

Взаимное расположение первичной и вторичной обмоток на каркасе,   обеспечивающее хорошую изоляцию, но приводящее к увеличенным значениям индуктивности рассеяния

Рис. 5.17 Взаимное расположение первичной и вторичной обмоток на каркасе, обеспечивающее хорошую изоляцию, но приводящее к увеличенным значениям индуктивности рассеяния

Хотя секционирование обмоток достаточно просто осуществляется в Ш-образных и С-образных сердечниках, для тороидальных сердечников его выполнение связано с определенными трудностями. Более того, геометрический фактор для тороидальных сердечников очень низок, поэтому достаточно легко растерять все преимущества, связанные с сердечником, за счет некачественной обмотки трансформатора. Силовые трансформаторы на тороидальных сердечниках считаются не самым лучшим решением именно из-за существенных потерь магнитного потока в точках, где осуществляются выводы от обмоток трансформатора.

Одним из приемов, позволяющих улучшить геометрический фактор, связанный с технологией намотки обмоток, является использование бифилярной намотки, то есть приема, когда два различных провода наматываются рядом друг с другом. Если одни из проводов относится к первичной обмотке, а второй провод — ко вторичной, то таким образом осуществляется превосходное магнитное взаимодействие двух обмоток и значительное снижение индуктивности рассеяния. Этот технический прием гораздо дешевле секционирования обмоток, так позволяет использовать намоточные станки, наматывая одновременно не только два, но три, либо четыре провода различных обмоток.

К сожалению, существует два ограничения для широкого применения многопроводной (многофилярной) схемы намотки. Первая связана с тем, что очень тонкая полиуретановая изоляция медного провода очень легко повреждается во время процесса намотки и может быть легко пробита, если напряжение между обмотками превысит 100 В, что осложняет изготовление трансформатора, способного изолировать высоковольтный источник питания. Тем ни менее, в очень неплохом 50-ваттном усилителе фирмы Макинтош (Mclntosh) используются выходной трансформатор с многопроводной намоткой и высоковольтный источник питания с напряжением 440 В! И второе соображение, значительно возросшая межвитковая емкость между первичной и вторичной обмотками совместно с уменьшенной индуктивностью утечки могут привести к возникновению резонанса на гораздо более низкой частоте по сравнению с трансформатором, у которого использовано секционирование обмоток. Существует и третья причина. Как правило, диаметры провода первичной и вторичной обмоток существенно различаются, поэтому при намотке возникают неплотности, значительно снижающие коэффициент геометрии трансформатора. Кроме того, число витков первичной и вторичной обмоток, как правило, сильно отличаются.

Многопроводная намотка используется, в основном, при изготовлении небольших трансформаторов в цепях прохождения сигнала с очень низким отношением числа витков в обмотках (в идеале это отношение должно быть 1:1), например, в выходных трансформаторах симметричных линий, используемых в студийной аппаратуре.

Continue reading
776 Hits

COPYRIGHT 20013  NEXT SOUND