Pięta Achillesa: transformator wyjściowy.

Transformator wyjściowy jast najtrudniejszym do zdobyca (lub wykonania) elementem lampowego wzmacniacza mocy. Do tego stopnia, ze gdy mamy przyzwoity transformator, to warto cały wzmacniacz zaprojektować "dookoła transformatora".

Poniższy tekst powinien dostarczyć podstawowych informacji potrzebnych by zaprojektować transformator zarówno do wzmacniacza gitarowego, jak i służącego do odtwarzania gotowej muzyki. Powinien też uświadomić znaczenie poszczególnych parametrów i pozwolić ocenić transformator już posiadany.

Transformatory na kształtkach EI mają "lepszą prasę" niż toroidalne. Ma to swoje uzasadnienie - taśmy transformatorów toroidalnych są zwykle wykonane z innego materiału (tak zwane taśmy anizotropowe), o większej przenikalności, ale i większych zmianach tej przenikalności w funkcji pola magnetycznego (to samo dotyczy ciętych rdzeni zwijanych z taśm). W rezultacie toroidy powodują większe zniekształcenia niż rdzenie EI o tym samym przekroju. By uzyskać te same zniekształcenia rdzeń toroidalny musi być większy od EI, choć z wszystkimi pozostałymi parametrami jest akurat odwrotnie. Ciekaw wydają się toroidy nie zwijane z taśm, ale składane z pierścieni blachy izotropowej - tyle, że są bardzo rzadkie.

Parametry transformatora.

Moc i wielkość Transformator powinien być odpowiedniej wielkości. Zmiany indukcji pola magnetycznego w rdzeniu są nieliniowe: powoduje to powstanie zniekształceń - tym większych im mniejszy rdzeń. Dokładne rozważania można znaleźć w literaturze [1, 2, 3], ale dla celów praktycznych często wystarcza wstępne przyjęcie, że masa 0.1 kg (0.2 przy lepszej jakości) na wat mocy wyjściowej powinno wystarczać. Transformatory gitarowe nie powinny być większe niż jest to potrzebne (a co jest potrzebne niedługo nam wyjdzie).
Oporność obciążenia Ra i przekładnia transformatora
  • Oporność obciążenia Ra to ważny parametr, mówiący o tym, jaką oporność "zobaczy" lampa przy znamionowym obciążeniu uzwojenia wtórnego. Na etapie projektowania powinna zostać wyznaczona z charakterystyk anodowych lampy.
  • Często w danych katalogowych lampy można znaleźć zalecaną Oporność obciążenia w różnych warunkach pracy lampy.
  • Dla danego transformatora równa Ra = (n1/n2)2*Ro, gdzie n1 i n2 to liczby zwojów a Ro - rezystancja obciążenia (głośników). (Zaniedbuję tu sprawnosc transformatora). Stąd wiadomo, jaką przekładnię (stosunek liczby zwojów uzwojeń) powinien mieć transformator.
  • Indukcyjność uzwojenia pierwotnego Li
  • W praktyce decyduje o przenoszeniu niskich tonów. Dla HiFi powinna być w zasadzie jak największa, a dla wzmacniaczy gitarowych dobrana tak, by zapewnić odpowiednie pasmo przenoszenia od dołu. Zależy ona od liczby zwojów uzwojenia pierwotnego (a raczej kwadratu tej liczby...) i konstrukcji rdzenia.
  • Jeżeli mamy już transformator to możemy ją w przybliżeniu zmierzyć "metodą techniczną" podłączając pierwotne uzwojenie do żródła kilku woltów prądu zmiennego przy niepodłączonym uzwojeniu wtórnym. Li obliczymy jako Li=Ui/(Ii*2*pi*f), gdzie Ui to napięcie, Ii - natężenie, a f to częstotliwość prądu (pewnie użyjesz 50Hz...).
  • Pasmo przenoszone od dołu przez transformator będzie wynosiło fd=Ra*Ri/((Ra+Ri)*2*pi*Li), gdzie Ri jest opornością wewnętrzną lampy.
  • Indukcyjność rozproszenia Lr
  • Decyduje o przenoszeniu wysokich tonów. We wzmacniaczach HiFi powinna być jak najmniejsza. By ją zminimalizowac stosuje się sprytny podział uzwojeń na sekcje.
  • Możemy ją w przybliżeniu zmierzyć "metodą techniczną" podłączając pierwotne uzwojenie do żródła kilku woltów prądu zmiennego przy zwartym uzwojeniu wtórnym. Lr obliczymy jako Lr=Ui/(Ii*2*pi*f).
  • Pasmo przenoszone od góry przez transformator możemy oszacować jako fg=(Ra+Ri)/(2*pi*Lr)
  • Pozostałe parametry Przy wzmacniaczach z pojedyncza lampa istotna jest jeszcze maksymalna dopuszczalna składowa stała prądu anodowego.

    Kompletny opis wszystkich cech transformatora jest dosyć skomplikowany, ale pozostałe parametry mają w praktyce drugorzędne znaczenie.
    Transformator sieciowy jako wyjściowy Czasem wygdaje się, że jego wielkość i akurat pasująca przekładnia zachęcają do wykorzystania w charakterze transformatora wyjściowego. Gdy masz taką pokusę, pamiętaj że:
    1. Transformatory sieciowe mają przeważnie zbyt małą indukcyjność pierwotną (na przykład TS40 mają typowo 10H, czyli kilkukrotnie mniej niż dobry transformator głośnikowy dla pentod).
    2. Indukcyjność rozproszenia bywa i o rząd za duża (szczególnie dla triod).
    3. Duża grubość i niska jakość blach transformatora może dać rezultat w postaci zwiększonych zniekształceń i strat, szczególnie przy wyższych częstotliwościach.
    Oczywiście Nie znaczy to, że nie można próbować...

    No to projektujemy...

    Jeżel dotarłeś do tego miejsca, to prawdopodobnie zamierzasz mimo wszystko zaprojektować własny transformator... Mogą pomóc Ci w tym dwa arkusze kalkulacyjne do transformatorów wzmacniaczy przeciwsobnych i z pojedynczą lampą. Arkusze są zrobione za pomocą "Star Office" i implementują zależności z poradnika Antoniewicza[1]. Konwencja jest taka: kolejno wypełniamy żółte pola, a arkusz podpowiada kolejne ruchy na pomarańczowych. Poniższy tekst jest ilustracją dla arkusza do transformatorów przeciwsobnych, ale identycznie "obsługuje się" oba arkusze.
    Pierwszy ruch - otwieramy arkusz, a następnie wprowadzamy...
    Dane wejściowe
  • Określamy pasmo (Fd i Fg), które chcielibyśmu osiągnąć. Ostrożnie, gdy będziemy zbyt łakomi wyjdzie nam ogromny transformator.
  • Impedancja obciążenia charakteryzuje głośniki, których będziemy używać.
  • Impedancja anodowa, moc wyjściowa i prąd spoczynkowy to wartości określane w czasie projektowania. Dla typowych układów pracy można je znależć na kartach katalogowych lamp. Jeżeli sam robiłeś projekt na podstawie charakterystyk lamp, to nie ma sensu bym tłumaczył co oznaczają...
  • Rezystancję wewnętrzną lampy znajdujemy w danych katalogowych (jeżeli potrafimy, to możemy też odczytać z charakterystyk...)
  • Stałe materiałowe
  • Dopuszczalna amplituda indukcji magnetycznej zależy od materiału rdzenia i dopuszczalnych zniekształceń. Dla typowej stali krzemowej i bardzo wysokiej jakości zakładamy 1000Gs. Dla typowego wzmacniacza HiFi, który rzadko będzie grał pełną mocą można założyć 2000Gs. Przy 5000Gs, minimalnej częstotliwości i pełnej mocy zniekształcenia nieliniowe mogą już osiągnąć 20%, wartość taką przyjmiemy dla wzmacniacza gitarowego, który powinien zapewnić pewną kompresję sygnału. Gdy stosujemy zwijane blachy anizotropowe dla wzmacniaczy HiFi przyjmujemy wartość o połowę mniejszą.
  • Przenikalność materiału rdzenia - zwykle około 400 dla typowej stali krzemowej, 600 dla blach zwijanych.
  • Pozostałych danych raczej nie ruszamy.
  • Parametry transformatora Arkusz podpowie nam jakie powinny być podstawowe parametry transformatora i jak dużego rdzenia potrzebujemy. Wymiary obrysowe to pole powierzchni przekroju środkowej kolumny rdzenia razy pole powierzchni przekroju okna. Dla HiFi zawsze można zastosować większy rdzeń - otrzymamy lepszy transformator. Dla gitarowców - raczej trzymajmy się tych wymiarów.
    Drugi ruch - szukamy rdzenia
    Wymiary zdobytego rdzenia Mamy już rdzeń i karkas (to szpulka, na której nawija się uzwojenia), albo zastanawiamy się czego szukać. Oglądamy i mierzymy nasz rdzeń i wpisujemy:
  • Pole powierzchni przekroju środkowej kolumny rdzenia
  • Średnią długość jednego zwoju
  • Długość drogi strumnienia magnetycznego w rdzeniu
  • Proponowane uzwojenia Program zaproponuje nam:
  • Liczbę zwojów w poszczególnych uzwojeniach
  • Minimalną średnicę drutu
  • Trzeci ruch - planujemy uzwojenia
    Wykonane uzwojenie To najtrudniejszy etap, musimy wykazać trochę inwencji...
    • Szacujemy wymiary uzwojenia i grubość przekładek
    • Dobieramy liczbę zwojów uzwojeń i grubość drutu, obserwując jak zmienia się indukcyjność pierwotna, rozproszenia i impedancja w anodzie. Staramy się przy tym by:
      • Indukcyjność pierwotna była większa od wymaganej (możemy też obserwować dolną częstotliwość graniczną)
      • Indukcyjność rozproszenia była mniejsza od wymaganej (możemy też obserwować górną częstotliwość graniczną). Arkusz podaje dwie wartości: dla uzwojenia bez podziału na sekcje i dla prostego podziału:
        • 1/4 wtórnego
        • 1/2 pierwotnego
        • 1/2 wtórnego
        • 1/2 pierwotnego
        • 1/4 wtórnego
      • Impedancja w anodzie była zbliżona do wymaganej
      • Liczba zwojów była wielkrotnością pełnych warstw
    Jeżeli nie udaję się osiągnąć założonych parametrów, to musimy albo zastosować większy rdzeń, albo przyjąć węższe pasmo przenoszenia i zacząć wszystko od początku.

    Jeżeli indukcyjność rozproszenia jest tylko trochę za duża można próbować innego podziału na sekcje, ale wykracza to trochę poza zakres tej stronki...
    Czwarty ruch - sprawdzamy co nam wyszło
    Powierzchnia uzwojeń Jeżeli powierzchnia uzwojeń jest znacznie większa od powierzchni okna rdzenia, to prawdopodobnie uzwojenie się nie zmieści. Potrzebujemy większego rdzenia i zaczynamy wszystko od początku. Jeżeli się zmieści, to i tak trzeba narysować szkic uzwojeń i sprawdzić czy na pewno. Nie ma nic boleśniejszego niż nawinięcie transformatora tylko po to, by stwierdzić, że ostatnia warstwa drutu nie wchodzi...

    Jeżeli zostaje wolne miejsce, to możemy:
    • Nawinąć większą liczbę zwojów. Będziemy mieli lepsze pasmo od dołu.
    • Sprytnie podzielić uzwojenia na więcej sekcji. Będziemy mieli lepsze pasmo od góry.
    • Przy wzmacniaczu przeciwsobnym - poprawić symetrię uzwojeń, co zmniejszy zniekształcenia.
    • Zastosować grubszy drut. Będziemy mieli większą sprawność i lepsze tłumienie rezonansów głośnika.
    • Zrobić to wszystko jednocześnie...
    Oczywiście każda decyzja sprowadza nas spowrotem do trzeciego ruchu. Powtarzamy cykl aż do momentu gdy uważamy, że zaprojektowaliśmy idealny transformator.
    O czym nie było...
    Mimo, że cały proces wydaje się skomplikowany, to jest to jego najprostsza wersja. Nie wspomniałem nawet o pojemnościach własnych i wzajemnych uzwojeń (mogą mieć znaczenie szczególnie przy pentodach), o indukcyjności rozproszenia między połówkami uzwojenia przeciwsobnego (ma znaczenie szczególnie w klasie B), czy o indukcyjności rozproszenia pomiędzy sekcjami uzwojenia pierwotnego (ma znaczenie we wzmacniaczach "ultra-linear") i pewnie jeszcze o paru innych rzeczach, o których nie wiem lub nie pamiętam...
    Piąty ruch - nawijamy, kupujemy, zlecamy...

    1. Poradnik Radio- i Teleelektryka; praca zbiorowa pod redakcją Jerzego Antoniewicza; Warszawa 1959; PWT
    2. Tadeusz Kuliszewski; Transformatory telekomunikacyjne; Warszawa 1967; WNT
    3. Poradnik Radioelektronika; Praca zbiorowa; Warszawa 1973; WKŁ
    4. inż. Czesław Klimczewski, "Transformator głośnikowy", Radioamator 4, 6, 7 i 8/1952

    Ostatnia modyfikacja: 24.08.2009

    Powrót do lampowych różności