Выходной трансформатор лампового усилителя мощности низкой частоты. Как уже отмечалось ранее, выходное сопротивление однотактного лампового каскада УМЗЧ составляет единицы – десятки кОм. В то же время, сопротивление современных акустических систем, на которые должен работать ламповый УМЗЧ, как правило, на частоте 1 кГц колеблется в диапазоне 4-16 Ом. Поэтому для согласования выходного сопротивления усилителя мощности звуковой частоты с сопротивлением нагрузки используется звуковой трансформатор.

В литературе и сети Интернет имеется большое количество материалов и методик по расчёту и конструировании выходного звукового трансформатора.

[info]В интернете имеется информация и о известной компании Гидромонтажкомплект специализирующееся на изготовлении и установке внутренних инженерных систем для предприятий различной сферы деятельности. Производится наладка систем водопровода, вентиляции, отопления, канализации и очистных сооружений. В 2002 году Гидромонтажкомплект вошел в состав холдинга компаний Северо-Западного Электромеханического Объединения, что позволило вывести технологические возможности компании на новый уровень.[/info]

В основном их можно разделить на две категории:

пособия для инженеров проектировщиков трансформаторов;
упрощенные методики расчёта ориентированные на радиолюбителей. Расчёт, описанный в пособиях, рассчитанных на инженеров, требует серьезной математической подготовки и содержит сложные формулы.

Более того, для его использования надо знать множество параметров магнитопроводов. Расчеты для радиолюбителей базируются на приближенных формулах и усреднённых параметрах магнитопроводов. Но самым существенным недостатком обоих этих подходов к расчёту трансформатора является критерий получения его минимальной стоимости.

Дело в том, что все эти методики расчёта разрабатывались в 1950-60-х годах и ориентировались на массовое производство недорогих УМЗЧ. Поэтому диапазон рабочих частот 60 Гц – 16 кГц при неравномерности 3 дБ, в таких методиках, считается отличным результатом. Разумеется, рассчитать трансформатор обеспечивающий неравномерность АЧХ 1 дБ в полосе частот 20 Гц – 20 кГц по таким методикам просто невозможно.

Эмпирическая методика расчёта выходного трансформатора

В связи с вышесказанным, ниже будет приведена эмпирическая методика расчёта высококачественного выходного звукового трансформатора.

При этом будут использоваться такие предположения:

• выходная мощность УМЗЧ не превышает 50 Вт;
• параметры и марка стали сердечника трансформатора неизвестны, т.к. свойства стали одной и той же марки, но в разных партиях, заметно отличаются даже у одного и того же производителя и поэтому параметры сердечника будут определяться экспериментально; нагрузка трансформатора чисто активная, т.е. её индуктивность и емкость не учитываются.

Важно учесть также следующее:

• обмотки трансформатора должны наматываться виток к витку, а не «в навал».
• обязательно использовать межслойную и межсекционную изоляцию с толщиной выдерживающей разность напряжений между слоями и секциями трансформатора.

Снижение паразитных параметров трансформатора, таких как индуктивность рассеивания и межобмоточные емкости (а это крайне важно для расширения полосы рабочих частот) достигается путем секционирования его обмоток.

При этом:

• общее число секций каждой обмотки должно быть нечетным и не превышать 9;
• крайние (внутренняя и наружная) секция трансформатора должны принадлежать одной обмотке и содержать в два раза меньше витков, чем во внутренних секциях этой же обмотки.

В приведенных выше расчетах трансформатор присутствовал в качестве нагрузки лампы в виде Ra которое для триода (или триодного включения пентода или тетрода) выбирается на уровне 3…5 Ri. Разумеется, первичная обмотка трансформатора имеет кроме реактивного сопротивления также и активное сопротивление r1.

Для того чтобы получить приемлемый КПД трансформатора, а значит и всего УМЗЧ, необходимо чтобы r1, не превышало 10-15% от Ra. Особенно это важно для воспроизведения НЧ, поскольку на них величина r1, и реактивного сопротивления первичной обмотки могут оказаться сопоставимыми, что приведет к значительному «завалу» НЧ.

Для изготовления трансформаторов используются стальные сердечники нескольких типов.

На рис.29 показаны:

• рис.29,а – стержневой сердечник;
• рис.29,б – броневой сердечник;
• рис.29,в – тороидальный сердечник;
• рис.29,г – витой стержневой сердечник;
• рис.29,д – витой броневой сердечник;
• рис.29,е – витой тороидальный сердечник.

Низшая рабочая частота
Реактивное сопротивление обмотки трансформатора:

XL = 2 π f L

Поскольку Ra (нагрузка) и Ri лампы включены параллельно, то при расчётах надо использовать Rэ

Rэ = Ra Ri / (Ra + Ri)

В предположении, что r1, намного меньше Rэ, получаем что XL равно Rэ, откуда легко определить индуктивность трансформатора:
L = Rэ/(2 π f)
Если нам необходима неравномерность АЧХ на нижней рабочей частоте трансформатора -3 дБ, то в дальнейших расчетах используется именно эта формула, в которой f заменяется fн, т.е. нижней рабочей частотой усилителя мощности низкой частоты.
Для получения спада на нижней рабочей частоте -1 дБ формула преобразится:
L1 = Rэ / (π fн)
Т.е. для обеспечения хороших «басов» нужна вдвое большая индуктивность первичной обмотки трансформатора и он будет стоить гораздо дороже.

Верхняя рабочая частота

Здесь основное значение играет индуктивность рассеяния Ls вызванная взаимодействием магнитных полей обмоток вне магнитопровода трансформатора. Для удобства её оценки обычно используют коэффициент рассеивания d = Ls / L1. Значение d обычно находится в интервале 0,003…0,008, поскольку получить d меньше 0,003 при использовании стального сердечника очень сложно, a d

более 0,008 приводит к значительному «срезанию» ВЧ.
Используя полученное ранее значение L1 можно определить активный объем стали сердечника используя эмпирическое соотношение — 1 Вт выходной мощности требует 1-3 кубических дюймов активного объема стали, т.е.:
Уст > 20 √ (Ра / fн)
При этом Vct = S Iс, где S – площадь сердечника, [см2], Iс – средняя длина магнитной силовой линии [см]. Средняя силовая линия составит (рис.30):

для броневого сердечника Ic = 2h + 2b + 0,5 π у1;
для стержневого сердечника Ic = 2h + 2b + πy1, (размер в сантиметрах).
Определение числа витков и диаметра провода обмоток трансформатора
Напряжение на первичной обмотке трансформатора составит:
U1 = √ (Pa Ra),
где Ра – мощность рассеиваемая анодом лампы в рабочей точке. Это напряжение необходимо знать, чтобы можно было определить коэффициент трансформации трансформатора.
Поскольку параметры магнитопровода (кроме его сечения) неизвестны, то необходимое количество первичной обмотки определяется экспериментально.

Для этого на каркас наматывается 100 витков провода диаметром не менее 0,7 мм (лучше 1… 1,5 мм, при этом надо обеспечить чтобы все витки поместились на катушке). После этого трансформатор собирается и при помощи любого метода, например, с использованием мульти- метра с функцией L-метра, измеряется его индуктивность L100.

Поскольку в выходном однотактном каскаде УМЗЧ трансформатор работает с подмагничиванием, то при измерении L100 в его магнитопровод следует ввести немагнитный зазор, который зависит от тока анода лампы Iа в рабочей точке, и составляет: при токе анода 0-50 мА – 0,1 мм; при 50- 100 мА – 0,15 мм; при 100-150 мА – 0.2 мм; при 150-200 мА – 0.25 мм.

На рис.31 показан трансформатор со стержневым витым магнитопроводом в разобранном виде.

Для получения рассчитанной ранее индуктивности L1 количество витков должно составлять:
N1 = 100√(L1/L100).
Активное сопротивление обмоток:
r1= 0,5 Ra (1- ηтр).
где ηтр – это КПД трансформатора, которое для трансформаторов мощностью до 30 Вт принимается равным 0,85.
Активное сопротивление вторичной обмотки:
r2 = r1 n².
где n – коэффициент трансформации, определяемый по формуле:
n = N2 / N1 = √[Rн / (Rа ηтр)].
Отсюда число витков вторичной обмотки N2 = n N1