Васильченко Е.В.           г.Казань

Расчет и изготовление выходного
трансформатора лампового УМЗЧ.

В грамотно рассчитанном усилителе
дымка над образом должна иметь консистенцию
сиреневого тумана.

Предисловие и оговорки.

Предлагаемый материал содержит программу расчета, описание программы, небольшой обзор материалов и технологий, рекомендации по изготовлению трансформаторов, литературные отступления. Основой фактического и справочного материала являются [1] монография Войшвилло “Усилители низкой частоты” издания 1953г. и [2] Р.Х.Бальян “Трансформаторы малой мощности”:Ленинград, Судпромгиз, 1961г. “Выходные трансформаторы” Г.Цыкина в формировании концепции не участвовали.

Свойства выходного трансформатора зависят от большого набора физических и технологических параметров. В расчет любого трансформатора кроме абсолютно точных формул входят поправочные коэффициенты, которые всегда привязаны к технологии. В серийном производстве поправки учитываются очень аккуратно, а повторяемость высока. В любительской практике, как правило, отсутствует возможность “введения ОС” в технологический процесс. Ситуация часто усугубляется отсутствием информации о свойствах магнитопровода. В этих условиях результат трудно предсказать. Это касается вообще всего любительского творчества (sic, не паяние “платок” из Радио). Повторяемость и устойчивость результатов в серийном производстве гораздо важнее теоретически достижимого потенциала схемы.

-Может ли усилитель “гаражной” сборки звучать лучше общепризнанного эталона, стоящего в 100-1000 раз больше??

Программа Выходной трансформатор реализована в среде MS EXCEL. Основное назначение программы - это расчет выходного трансформатора двухтактного триодного усилителя без ООС. Такой усилитель прощает многие ошибки расчетов, изготовления, регулировки и является хорошим инструментом для настройки звукового тракта. Расчеты в этом случае содержат минимальное количество эмпирических величин и являются точными. В основу программы положен алгоритм, заимствованный из монографии Войшвилло Усилители низкой частоты. (1) с некоторыми поправками: Инженерный расчет трансформатора ведется “от ТУ”. В любительской же практике - “от свалки”, т.е. от того, что удалось найти. Поэтому входными данными расчета наряду с АЧХ, сопротивлениями нагрузки и мощностью являются конструктивные параметры сердечника. Выходными параметрами расчета являются количество витков и толщина провода обмоток. Попутно вычисляются индуктивность первичной обмотки и ее индуктивность рассеяния: величины, влияющие на АЧХ усилителя. Поделив вторую на первую, получим конструктивный параметр sigma. Оценка реализуемости трансформатора производится по величинам sigma и Kok- коэффициент заполнения окна медью. Таким образом, программа может быть использована для оценки возможностей сердечника. С помощью функций MS EXCEL можно исследовать зависимости выходных параметров от конструктивного исполнения трансформатора.

В файле книги “TRANSFO.XLS” есть все необходимые данные и формулы для расчетов как выходных, так и других трансов- переходных и силовых, однако прозрачной методикой снабжен только расчет двухтактных выходников. Остальные описания находятся в стадии подготовки к публикации.

Отступление по поводу сердечников.

Вообще говоря, трансформатор можно изготовить на железе любой формы. На практике почти всегда используется Ш железо. Говорят так дешевле. Возможно. Но не очевидно. На одном из заводов, где я заказывал трансы, самыми дешевыми получаются тороидальные. В них меньше деталей, меньше операций, меньше меди. К DIYer’ам это конечно отношения не имеет.

Малейший разбаланс плеч 2-тактного усилителя (далее РР) приведет к значительному смещению петли гистерезиса и превышению индукции вплоть до насыщения. Добавим проблемы с секционированием обмотки. Большое количество межслойной изоляции быстро съедает окно, а щечки чтобы разделить область намотки на сектора не поставишь - в станок не влезет. Все это не касается только циклотрона. В циклотроне ток покоя через первичную обмотку не течет, ему легче, да и витков там меньше. Так что спорить о вкусе бананов будем с теми, кто их ел, т.е. Хоменко’s BAT.

В этой табличке для примера приведены все три вида Ш железа.

Эти нормали ориентированы на получение силовых (!) трансформаторов наименьшей стоимости (отсутствуют отходы при штамповке пластин, оптимальный баланс между стоимостью меди и железа и т. п.). Кроме этих нормалей существуют и другие, СТ-360А, например. Многие наверняка встречали звуковые трансформаторы с “увеличенной” высотой окна. Какая форма сердечника лучше подходит для выходника? Не знаю. Однако расчеты (да и здравый смысл) подсказывают, чем меньше обмотка выступает из сердечника, тем меньше Sigma= индуктивность рассеяния/ индуктивность обмотки. В этом смысле “длиннозубые” сердечники лучше.

Это длинное предисловие сделано для того, чтобы читатель мог недрогнувшей рукой вписать в ячейки на странице КОНСТР значения переменных Вm, lc , mu, lz, взяв их из соответствующей таблицы или высосав из пальца [соответствующего].

В программе расчета для хранения входных и выходных используются именованные переменные. Это сделано для повышения читабельности формул. Значения входных данных вводятся вручную. Раньше для этого служили раскрывающиеся окна со ссылками на списки значений, но после смены версии EXCEL окна стали бутафорскими и их можно удалить или вставить заново, сопоставив со списками (столбцы Lxx-Txx).

Рекомендации [1] по поводу выбора значений некоторых переменных:

кпд рекомендуется выбирать исходя из мощности усилителя

Кпд - это тот параметр, подбирая который можно добиться требуемой расчетной АЧХ на краях диапазона в сложных случаях. Выбор кпд влияет на толщину провода и размеры обмотки

Ra берется из расчета выходного каскада и на практике составляет около 4-6 Ri для триода

Fn Это частота среза усилителя по уровню -3дБ на максимальной мощности, наиболее влиятельный параметр, 10 Гц получить почти невозможно т.к. Fv получается очень низкой.

Нижняя частота среза усилителя определяется постоянной времени выходной цепи R_eqL₁ ., где L1-индуктивность обмотки. Реально индуктивность получается значительно больше, чем требуется, см. ячейку AD11 . Это связано с ограничением максимальной индукции (см. топик mu). В ячейке AF11 лежит частота среза усилителя, определенная при условии малой мощности. Если попытаться заставить усилитель работать на частоте 20 Гц при полной мощности, то индукция в сердечнике должна достичь величины, указанной в яч. AF12 со всеми вытекающими последствиями. Спасает то, что в нормальных условиях (без улучшайзеров в тракте), на 20 Гц никогда не бывает 0 дБ.

Итак, число, записанное в ячейке Fn, очень сильно влияет на выходные данные расчета и довольно сильно влияет на звук, полученный от усилителя. Самое обидное то, что связь между числом Fn и воспроизведением НЧ неоднозначна.

Fv - частота верхнего среза по уровню -3 дБ, параметр справочного характера, при его вводе вычисляется конструктивный параметр Sigma, который показывает насколько трудно будет сделать трансформатор.

Sigma = 0,1- это как у сетевого транса

Sigma=0,01 - придется секционировать обмотку, изменять конфигурацию магнитопровода, уменьшать толщину провода и изоляции и т.п.

Sigma =0,0025 - трудно. Получившуюся частоту среза можно увидеть в яч.AF18. Это достаточно условная величина, которая совпадет с реальной частотой, только если готовая обмотка будет иметь те же геометрические размеры, что и рассчитанные. Это бывает не часто, все зависит от технологии изготовления. Для получения практически значимых результатов ФОРМУЛЫ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ИЗМЕНЕНЫ В СООТВЕТСТВИИ С ТЕМ, КАК БУДЕТ НАМАТЫВАТЬСЯ ОБМОТКА! СМ. ТАКЖЕ топик dis и технологию.

a -параметр, показывающий распределение активного сопротивления между первичной и вторичной обмотками. При а=0,5 сопротивление первичной обмотки равно приведенному (деленному на n) сопротивлению вторички. При а=0,25 - втрое меньше. Это делается в целях уменьшения падения напряжения на первичке.

m - количество промежутков между секциями первичной обмотки. Секционирование уменьшает собственную емкость и индуктивность рассеяния обмотки. Разделить первичку можно либо послойно- это будут цилиндрические секции, либо подобно средневолновой магнитной антенне на дисковые сектора. Первый способ чаще употребляется в усилителях класса А , второй -в классе В. Дело в том, что в классе В половинки обмотки работают поочередно, поэтому на частоту среза влияет взаимная индуктивность рассеяния между всей вторичкой и половинкой первички. Цилиндрические секции применяют при высоких напряжениях.

Bm - Максимальная магнитная индукция в сердечнике. Еще одна компромиссная величина, выбор которой является балансированием между размером сердечника и нелинейными искажениями на НЧ. Рекомендации [1] таковы:

lz- толщина немагнитного зазора, используется в расчете трансформатора однотактного (SE) усилителя. Заметим, что при сборке сердечника РР трансформатора как из пластин Ш, так и из половинок ПЛ всегда остается зазор. Толщина его составляет в среднем 0,05 мм.

mu - магнитная проницаемость сердечника. В РР и SE расчетах это очень разные вещи. В SE мю зависит от aW0-числа ампервитков на 1 см длины сердечника трансформатора. Поскольку нахождение числа ампервитков является целью расчетов, то приходится пользоваться либо методом последовательных приближений, либо графоаналитическим методом по [1]. Подробнее об этом ниже.

В РР - расчете мю является постоянной величиной, правда, зависящей от амплитуды переменного магнитного поля. Может показаться странным, но количество витков не зависит от мю. Факт есть факт: В определяющую формулу для числа витков не входит магнитная проницаемость. Число витков ограничено снизу двумя условиями. Первое - индуктивность должна быть не менее заданной величины. В эту формулу мю входит. Второе - индукция не должна превышать заданную величину. В интересующем нас диапазоне мощностей это условие более жесткое, оно и применяется при расчете. ВНИМАНИЕ! В случае применения программы для расчета нетипичных для УМ трансформаторов, например малые мощности или малые напряжения, надо обязательно проверить оба условия. Вот они:

Для Р< 1Вт mu=mu0. , иначе см. график :

  zipbook.zip

[1] рекомендует выбирать мю при индукции в 100 раз меньшей максимальной Вм, мотивируя тем, что “ НЧ составляющие сигнала при их уровне на 40 дБ ниже номинального практически не прослушиваются”. Конец цитаты. Без комментариев. Конец абзаца.

dis - толщина изоляции . Количество изоляции влияет на размеры обмотки. Для упрощения расчетов предполагается, что после каждого слоя провода кладется слой изоляции толщиной dis. Если это не так (см. технологический) раздел , то надо изменить формулы расчета толщины обмотки в ячейках АД13-АЕ16. Кроме того, в ячейках лежат формулы обратного расчета: по количеству витков и получившейся после намотки толщине рассчитывается индуктивность рассеяния готовой катушки. Вводить числа надо вручную прямо в формулы по образу ячейки АД15 . Толщина должна быть в сантиметрах. Собственная емкость обмотки не учитывается!!!, поэтому будем осторожны в оценках.

Kok- Коэффициент заполнения окна медью. Важны технологический параметр. В нашем случае служит для оценки достоверности расчета после проведения оного и для оценки реализуемости трансформатора до того. При анодном напряжении до 300 В в Ш- и П- трансформаторах Кок бывает порядка 0,15-0,25, в силовиках до 0,35. При Ua<1кВ Кок= 0,11-0,2; при Ua<3кВ- от 0,05 до 0,15.

Пояснения к расчету

Задать значения в ячейках АА2-АА21.

Ознакомиться с ячейками AF6 и AF7. В первой лежит параметр Gэл, во второй- Gконстр. Всегда должно выполняться условие Gконстр>Gэл, причем, на мой взгляд, с хорошим запасом. (Не жалейте железа!.. хорошего усилителя должно быть много)

Если неравенство не выполняется, либо снизить требования по входным электрическим параметрам, либо подобрать больший трансформатор. В таблице Ш трансов для этого есть столбец Gк.

Проверить ячейки Кок и Сигма на предмет здравого смысла, см. соответствующие топики выше.

Посмотреть ячейки АД10,AF12 , АF13, АF18 на предмет соответствия результата условиям задачи.

Если что-то не устраивает попробовать подобрать требуемый параметр, изменяя в небольших пределах входные данные. Это можно делать как вручную, так и с помощью функции EXCELL “подбор параметра” из меню Сервис

SE расчет осложняется тем, что ключевой параметр - число ампервитков на см длины магнитной силовой линии, является с одной стороны искомым, с другой стороны- влияющим на на ход расчета, т.е. входным. Расчетные формулы для режима SE, лежащие на листе КОНСТР, являются скорее рудиментами методики [1], чем рабочими инструментами. Мне с большим трудом удалось заставить звучать SE-усилитель на EL34 в триодном режиме с трансформатором по этой методике. В ближайшем будущем я радикально изменю алгоритм. Эта работа уже началась в ячейках АА24--АЕ31. Расчет будет очищен от непонятных коэффициентов, неявных допущений и выложен на суд критики.

Технология

Наиболее важные для DIYer’a моменты, связанные с процессом изготовления транса, -это выбор каркаса, способа намотки, подбор обмоточных и изоляционных материалов, сборка сердечника и всего трансформатора. Рассмотрим по порядку появления в тексте.

Каркас с щечками необходим практически всегда. Исключения- низковольтные, точнее низкопотенциальные обмотки. Основанием для такой рекомендации является опыт работы с усилителями на 50-150 Вт. При анодном напряжении 600-800 Вольт нередко случается пробой между анодной обмоткой и сердечником. Наличие щечек облегчает жизнь. Щели и зазоры в картонных каркасах закрываются изоляцией. Таблица из [1].

Способ намотки -виток к витку, не допуская западания витков между слоями намотки. Расчет предполагает одну секцию вторички, намотанную толстым проводом. На самом деле обычно вторичка тоже состоит из секций, количество их m, сечение провода в m раз меньше чем получилось в расчете, а количество витков расчетное. Секции соединяются параллельно. Расчет толщины обмотки в этом случае нужно скорректировать. В SE трансе обычно вполне достаточно разбить первичку на 2 части, т.е. m=2, цилиндрические обмотки, в РР триодном усилителе класса А достаточно m=3 или 4, тоже цилиндрические секции. В классе В лучшие результаты дает комбинированное секционирование: в середине каркаса вклеивается дополнительная щечка, а половинки первички наматываются в разных направлениях. Кроме того половинки дополнительно разбиваются на 2-3 секции см. рисунок.

Изоляция - это очень важный компонент успеха. Примененная изоляция довольно сильно влияет на свойства трансформатора, в частности на класс нагревостойкости, тропикоустойчивости и т.п. В реальной жизни самопальщика могут использоваться самые немыслимые изоляционные материалы. Рассмотрим наименее экзотические из них. Самые употребляемые материалы -это бумага, стекло- и лакоткань, лавсан. Некоторые их свойства приведены в таблице.

Как и сколько укладывать? Цитата из [2]: “Слоевая изоляция прокладывается при намотке катушек либо через слой , либо через несколько слоев. Через каждый слой изоляция прокладывается в случае применения провода с низкокачественной витковой изоляцией , при диаметрах провода свыше 0,4 мм, или в особо ответственных случаях. Прокладку через несколько слоев применяют при намотке катушек проводами с высокопрочной эмалью или при наличии дополнительной наружной оплетки, причем суммарное напряжение в неизолированных слоях составляет 20-30% от электропрочности витковой изоляции провода.” Для облегчения жизни приводится таблица из [12 , из которой можно определить количество слоев межобмоточной и корпусной изоляции.

Возможный разбаланс плеч при эксплуатации в результате старения ламп и появление разностного тока. В усилителях на лампах вроде 6С33С это может быть проблемой. Оценить негативные последствия появления подмагничивающего тока в принципе можно оценить с помощью формул, уже имеющихся на листе расчета SE-транса. Нужно только не запутаться.

Принадлежность к фирме Partridg’a .

Неудовлеворенность в духовной сфере .

Кажется, всё. Жду отклика h(t-t₀).