Выходной трансформатор для акустической системы

Выходной трансформатор играет важную роль в достижении высокого качества звука и в обеспечении расчетной выходной мощности усилителя. Главной задачей выходного трансформатора является согласование сопротивления нагрузки с внутренним сопротивлением генератора тока (выходной лампы). При этом выходной трансформатор должен обеспечивать низкие нелинейные искажения и незначительные частотные искажения в рабочем диапазоне частот.
Расчет выходного трансформатора является довольно сложной задачей, требующей к тому же множества справочных или измеренных данных по применяемым сердечникам. Чтобы избежать перепечатки этих справочников, здесь приводятся только упрощенная методика расчета и общие соображения по изготовлению выходных трансформаторов.
В силу того, что выходному трансформатору приходится работать в широком диапазоне частот, принято рассматривать его поведение отдельно для низших, средних и высоких частот.
Завал частотной характеристики на нижних частотах зависит в основном от индуктивности и от активного сопротивления первичной обмотки. Увеличить индуктивность можно, увеличив число витков, но при этом увеличится и сопротивление обмотки, а значит, вырастут и потери сигнала. Необходимую индуктивность первичной обмотки можно рассчитать, задавшись уровнем ослабления сигнала на низшей частоте:

где R_a - сопротивление нагрузки в анодной цепи лампы; F_н - низшая частота диапазона.
Коэффициент Кl определяется по формуле

где М_н - снижение усиления на низшей частоте F_н по сравнению с усилением на средних частотах, вызванное выходным трансформатором Этот коэффициент выбирается всегда больше 1. Например, при снижении усиления на 6 дБ коэффициент М_н = 2.
Для снижения активного сопротивления обмотки часто увеличивают диаметр провода, а для того, чтобы обмотки разместились в окнах трансформатора, берут сердечник большего сечения и габаритов. Вообще площадь сечения сердечника выходного трансформатора выбирают в несколько раз большей, чем это необходимо для обеспечения габаритной мощности. Делается это потому, что при нарастании магнитной индукции в сердечнике, вплоть до максимальной, параметры трансформатора существенно изменяются, а следовательно, меняются условия передачи сигнала и возникают нелинейные искажения. Чтобы снизить такие изменения параметров трансформатора, необходимо обеспечить значение магнитной индукции в сердечнике намного ниже максимально допустимого уровня, для чего и выбирают сердечник больших размеров.
Число витков первичной обмотки для обеспечения необходимой индуктивности L1 находят по формуле

где µ-магнитная проницаемость материала сердечника; S- площадь поперечного сечения сердечника (см²); l_м - длина средней магнитной силовой линии магнитопровода (см), находится по справочнику или с помощью измерения конкретного магнитопровода.
Магнитная проницаемость материала сердечника ц сильно зависит от напряженности магнитного поля, создаваемого током первичной обмотки. При увеличении тока магнитная проницаемость значительно уменьшается. Наличие постоянного тока через обмотку также способствует снижению магнитной проницаемости Следовательно, значение µ, подставляемое в приведенную формулу расчета количества витков, должно зависеть от выходной мощности усилителя и от наличия постоянного тока подмагничивания. Так, при использовании в качестве сердечника электротехнических сталей для однотактных выходных каскадов с выходной мощностью 1,5-4 Вт µ принимается равным 225-250, а для двухтактных с выходной мощностью до 30 Вт-около 400. При увеличении выходной мощности следует уменьшать значение ц, подставляемое в формулу.
Для двухтактных выходных каскадов с выходной мощностью не менее 4 Вт число витков первичной обмотки трансформатора можно также рассчитывать по формуле w1=3500*U_a/(F_н*S), где U_a - напряжение источника питания анодной цепи.
При использовании ультралинейной схемы включения пентодов и лучевых тетродов первичная обмотка должна иметь отводы для подключения экранирующей сетки. Расположение этого отвода определяют по формуле W_э = K_э*w1, где К_э-коэффициент, зависящий от конструкции лампы. Например, для пентодов 6П14П и лучевых тетродов 6ПЗС он равен 0,22, а для лучевых тетродов 6П6С и 6П1П К_э = 0,11. Эта формула указывает расположение отвода от того вывода трансформатора, на который подается напряжение питания.
Если площадь сечения сердечника и размеры трансформатора не позволяют получить необходимую индуктивность первичной обмотки, необходимо подобрать трансформатор с большими размерами.
Коэффициент трансформации определяется соотношением

где n_тр - КПД трансформатора; R_a - сопротивление нагрузки в анодной цепи; R_н - сопротивление нагрузки.
КПД трансформатора тем меньше, чем меньше выходная мощность. С достаточной точностью можно считать n = 0,8 при Рвых = 1,5-4 Вт, n = 0,85 при Pвых = 4-10 Вт, n = 0,9 при Рвых > 10 Вт.
Число витков вторичной обмотки w2 определяется отношением числа витков первичной обмотки к коэффициенту трансформации: w2 = w1/n.
Диаметр провода обмоток зависит от режима работы выходного каскада:
для режима А

для режима В

В обеих формулах l_в - средняя длина витка обмотки (см),

Диаметр провода вторичной обмотки зависит также от способа намотки Так, при намотке в один провод:
для режима А

для режима В

Для вторичной обмотки из двух параллельных частей:
для режима А

для режима В

Как уже говорилось, у однотактного выходного каскада всегда присутствует ток покоя, протекающий через первичную обмотку выходного трансформатора. Действие этого тока снижает магнитную проницаемость материала сердечника, что приводит к уменьшению индуктивности первичной обмотки и к ухудшению передачи нижних частот. Чтобы снизить этот эффект, сердечник трансформатора собирают с зазором между разъемными частями. Для создания зазора применяют прокладки из картона, бумаги или других изоляционных материалов.
Для данного числа витков w1 и для данной величины постоянного тока I_о существует наивыгоднейшая величина зазора l_з, при которой индуктивность первичной обмотки получается наибольшей.
Для сердечников из электротехнических сталей l_з = 8*w1*I_о(mA)*10^-7(mm). Если в результате получится l_з =< 0,1 мм, сердечник можно собрать без зазора.
На средних частотах потери сигнала определяются в основном только величинами активных сопротивлений обмоток. При применении обмоточного провода из обычной электротехнической меди сопротивление обмотки может быть рассчитано по формуле r = 22*10^-5*w*l_в/d².
Передача трансформатором высших частот диапазона зависит от величины индуктивности рассеивания трансформатора, от взаимных емкостей между обмотками, и от собственных емкостей обмоток. Индуктивность рассеивания можно снизить уменьшением числа витков первичной обмотки, уменьшением толщины прокладок между слоями обмотки, а также увеличением отношения h/l рис:

Кроме того, уменьшить все перечисленные паразитные факторы можно усложнением конструкции обмоток трансформатора. Так, расположение вторичной обмотки между частями первичной (рис. а) уменьшает индуктивность рассеивания в 4 раза. Для двухтактных выходных каскадов необходимо также соблюсти высокую степень симметричности двух частей обмоток. Поэтому катушку трансформатора разделяют перегородкой на две части и ведут намотку в два провода. Трансформатор по схеме на рис. б обеспечивает хорошую передачу до частот примерно 7 кГц. Для увеличения передаваемого диапазона следует применить намотку по схеме на рис. в. В этой конструкции секции 1а, 1б, 1д и 1е первичной обмотки содержат по 1/8, а секции 1 в и 1 г по 1/4 части ее витков. Секции вторичной обмотки содержат равное число витков.

В заключение необходимо напомнить об электрической прочности трансформатора. Боковые щечки каркасов для обмоток трансформаторов ламповых усилителей при питающих напряжениях до 250 В должны иметь толщину 1,5-2,5 мм, а толщина изоляции между обмотками должна быть около 0,3-0,5 мм. При напряжении 300-600 В щечки должны иметь толщину 2,5-3,5 мм, а изоляция между обмотками около 0,5-0,8 мм.
Каркасы изготавливают из гетинакса, текстолита или плотного картона, склеивая их клеем БФ. Картонные каркасы после склейки рекомендуется пропитать тем же клеем или лаком.

Через каждые 40-50 В следует прокладывать изоляцию из папиросной или конденсаторной бумаги.

При изготовлении трансформаторов в домашних условиях необходимо пропитать готовый трансформатор парафином, расплавленным на водяной бане. Трансформатор опускают в расплавленный парафин и выдерживают в течение нескольких минут, до полного прогревания сердечника. Обработанные таким образом трансформаторы, кроме повышенной электропрочности, обладают также пониженным уровнем акустических шумов.

Д.А. Климов "Ламповые усилители", 2002