Wie ein Ausgangstransformator Verzerrungen verursacht

In zwei Teilen - Teil 1
Audio, February, 1957, Vol. 41, No. 2 (Successor to RADIO, Est. 1917).
(Audio, Februar 1957, Bd. 41, Nr. 2 (Nachfolger von RADIO, Gegr. 1917).)

Norman H. Crowhurst

Der Betrieb von Audiotransformatoren ist seit langem von einer Aura des Mysteriums umgeben. Dieser Artikel unterscheidet die verschiedenen Verzerrungsformen, die ein Ausgangstransformator erzeugen kann, und gibt einige einfache Messmethoden an.

   Die Verwendung von Audiotransformatoren wurde lange Zeit mit der Begründung abgewertet, dass sie Verzerrungen verursachen. Tatsächlich scheint der Ausgangstransformator fast der einzige Überlebende dieser Spezies zu sein, und viele Versuche wurden unternommen, auch darauf zu verzichten. Einige Verstärker wurden entwickelt, um auf den Ausgangstransformator zu verzichten, anscheinend in der Annahme, dass der Ausgangstransformator die verbleibende Hauptursache für Verzerrungen ist.

   Eine sorgfältige Analyse wird normalerweise zeigen, dass die Röhren mehr Verzerrungen verursachen, als der Ausgangsübertrager haben würde, und dass ein gut konstruierter Verstärker mit dem herkömmlichen Ausgangsübertrager eine viel geringere Verzerrung erreichen kann, als dies ohne ihn möglich wäre.

   Ein paar einfache Fakten über Transformatoren scheinen übersehen zu werden: Wenn die Röhrenkrümmung Verzerrungen verursacht, verzerrt sie alle Frequenzen; aber die Verzerrung, die ein Transformator aufgrund der Nichtlinearität seines Magnetisierungsstroms verursacht, konzentriert sich auf das niederfrequente Ende. Der schlechteste hergestellte Transformator verzerrt die mittleren Frequenzen nicht und die Art und Weise, wie er sowohl bei niedrigeren als auch bei höheren Frequenzen verzerrt, ist eines der Dinge, die wir in diesem Artikel klären werden.

   Aber sicher wird jemand sagen, ein Transformator kann bei mittleren Frequenzen Verzerrungen verursachen? "Ich erinnere mich, dass ich einen Transformator ersetzt habe, und der Austausch würde nicht so viel Leistung ohne Verzerrung liefern wie das Original." Beweist das nicht, dass der Übertrager in der Mittenfrequenz verzerrt? Um die Ursache dieser Erfahrung zu verstehen, betrachten wir die Auswirkung der Transformatoreffizienz auf die Verstärkerleistung.

Die Bedeutung von Effizienz

   Verstärker sind so ausgelegt, dass sie eine bestimmte maximale Leistung liefern, die durch die Leistung der Endröhren bestimmt wird. Die Ausgangsleistung wird jedoch immer auf der Sekundärseite des Ausgangsübertragers gemessen, wie in Abb. 1 dargestellt.


Abb. 1. Die übliche Methode zur Messung der Ausgangsleistung besteht darin, die Verlustleistung in Watt in einem Lastwiderstand zu berechnen, der an die Sekundärseite des Ausgangstransformators angeschlossen ist. Dies ist zwar die verfügbare Ausgangsleistung, aber die Endröhren liefern tatsächlich etwas mehr.

   Ein guter Ausgangstransformator hat wahrscheinlich einen Wirkungsgrad von etwa 95 Prozent. Das bedeutet, dass, wenn der Verstärker 50 Watt Leistung liefert, gemessen an der Sekundärseite des Transformators, von den Endröhren fast 53 Watt Leistung an die Primärseite geliefert werden müssen. Die Endröhren müssen knapp 53 Watt Leistung abgeben, damit wir gute 50 Watt messen.

   Dies ist durch tatsächliche Messungen etwas schwierig zu überprüfen. Der einfachste Schritt dahin ist, die sekundäre Widerstandslast zu entfernen und eine Platte-zu-Platte-Last auf die Primärseite anzuwenden, wie in Abb. 2. Wenn die Sekundärlast 16 Ohm betrug und der Transformator diese auf beispielsweise 6000 Ohm zurückführt Platte-zu-Platte-Widerstand, dann sollte ein Widerstand von 6000 Ohm mit einer Verlustleistung von mindestens 50 Watt über die Primärwicklung geschaltet werden. Die Leistung wird nun von den Endröhren direkt an die Last abgegeben, ohne den Ausgangsübertrager zu passieren, und kann nun im 6000-Ohm-Widerstand gemessen werden.


Abb. 2. Durch Anschließen eines geeigneten Lastwiderstands an der Primärseite des Ausgangstransformators zur Leistungsmessung wird ein Teil der Verluste im Ausgangstransformator vermieden, aber die Röhren müssen immer noch die Kerndämpfung liefern.

   Aber nicht alle Verluste im Ausgangstransformator wurden durch die Übertragung der Last von der Sekundär- auf die Primärseite beseitigt. Der Transformatorkernverlust ist immer noch vorhanden. Wenn von den 3 Watt, die im Transformator verloren gehen, 1 Watt auf Kernverluste und 2 Watt auf Verluste in den Wicklungswiderständen zurückzuführen ist, werden wir nur 52 Watt in der an der Primärwicklung angeschlossenen Last messen, da die ungeraden 1 Watt immer noch im Kern verloren.

   Diese Diskussion basiert auf einem Transformator mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent. Ein 50-Watt-Ausgangstransformator mit einem Wirkungsgrad von 95 Prozent und einem wirklich guten Frequenzgang von 20 bis 20.000 cps wird ziemlich groß und teuer. Eine Verlustleistung von 5 Prozent beträgt nur 0,2 db, daher werden einige argumentieren, dass wir einen Transformator mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent akzeptieren können, was immer noch einem Verlust von weniger als 0,5 db entspricht, um eine bessere Qualität in Bezug auf den Frequenzgang zu erzielen. in einer Größe und zu einem vernünftigeren Preis. Aus einigen Aspekten könnte der zweite Transformator als qualitativ hochwertigerer Job als der erste angesehen werden, aber . . .

   Angenommen, wir haben einen Verstärker mit einem Wirkungsgrad von 90 Prozent durch einen Verstärker ersetzt, der ursprünglich einen 95-Prozent-Transformator verwendet: Die Röhren können immer noch die gleiche Leistung liefern - etwas weniger als 53 Watt, was bei einem 95-prozentigen ein effizienter Transformator liefert 50 Watt auf der Sekundärseite; aber mit einem 90 Prozent effizienten Transformator liefern die gleichen Röhren nur etwas mehr als 47 Watt auf der Sekundärseite.

   Auf den ersten Blick mag dies kein sehr gravierender Verlust sein. Wenn Sie die Messung bei 47 Watt auf der Sekundärseite durchführen, können Sie den wahren Wert richtig einschätzen. Aber leider geraten Endröhren mit 50 Watt schnell in Verzerrung, wenn sie auf ein höheres Niveau getrieben werden. Die Verzerrungscharakteristik ähnelt der in Abb. 3 gezeigten: Die Verzerrung bei den 53 Watt, die erforderlich sind, um 50 Watt von einem Transformator mit 95 Prozent Wirkungsgrad zu erhalten, kann nur 0,5 Prozent betragen; Um jedoch die fast 56 Watt zu erhalten, die für einen Transformator mit 90 Prozent Wirkungsgrad erforderlich sind, kann die Verzerrung auf 2,5 Prozent oder sogar noch mehr ansteigen. Wenn also nur bei 50 Watt gemessen an der Sekundärseite gemessen wird, kann man leicht den Eindruck gewinnen, dass der zweite Ausgangsübertrager die Verzerrung im Vergleich zum ersten erheblich erhöht.


Abb. 3. Typischer Verzerrungsverlauf von Verstärkern, aufgetragen über die von den Röhren abgegebene Leistung, um zu verdeutlichen, wie der Einsatz von Transformatoren mit unterschiedlichem Wirkungsgrad die Verzerrung bei maximaler Nennleistung stark verändern kann, da die Röhren auch den Transformator versorgen müssen Verluste.

   Leider legen auch viele Leute großen Wert darauf, den vollen Wert der Wattzahl innerhalb der Nennverzerrungsgrenze angegeben zu bekommen. Wenn die Leistung mit 50 Watt bei 0,5 Prozent Verzerrung angegeben wird, dann gilt ein Verstärker als ernsthaft mangelhaft, wenn er nur 48 Watt bei 0,5 Prozent Verzerrung liefert und auf 2 oder 3 Prozent Verzerrung läuft, wenn der Ausgang ist auf 50 Watt geschoben. Dieser Gesichtspunkt kann der Beurteilung der Transformatorqualität ernsthaft abträglich sein, wenn der einzige Mangel des Transformators darin besteht, dass er etwas weniger effizient ist: Er verursacht einen Verlust von 0,5 db oder vielleicht sogar weniger anstelle der ursprünglichen 0,2 db.

Niederfrequente Verzerrung

   Am niederfrequenten Ende der Antwort verursacht ein Ausgangstransformator eine Verzerrung aufgrund der Sättigung des Kerns, die einen nichtlinearen Magnetisierungsstrom verursacht. Dies war einmal immer wahr. Aber in den letzten Jahren muss die Aussage bei modernen magnetischen Materialien und bei einigen Methoden zum Betrieb von Röhren modifiziert werden, wie wir sehen werden. Sehen wir uns zunächst an, wie wir die niederfrequente Wellenform des Transformators selbst messen und welche Ergebnisse wir erhalten.

Transformatorwellenformen

   In Fig. 4 zeigt (A) die Anordnung zum Messen des Magnetisierungsstroms in einem einfachen Transformator mittels eines Oszilloskopmusters. Der Widerstand R sollte so gewählt werden, dass sein Spannungsabfall nur einen kleinen Bruchteil des Spannungsabfalls über der Transformatorwicklung beträgt, sodass die Spannung der Wicklung ebenfalls nahezu sinusförmig ist. Da die volle Netzspannung wahrscheinlich nicht ausreicht, um eine Sättigung im Promary eines Ausgangstransformators zu erzeugen, sollte die Sekundärwicklung für den Test verwendet werden eine unerschwinglich große ac Stromspannung.

   Es ist darauf zu achten, in welcher Richtung der Variac an die Leitung angeschlossen wird und auch darauf zu achten, dass die Masseseite des Oszilloskops nicht zur Leitungsmasse zurückkehrt, da bei diesen Messungen die Oszilloskopmasse auf einen Gleitkomma zurückgeführt wird zwischen dem Widerstand R und einer Seite der Transformatorwicklung. Achten Sie also darauf, nicht mehr als einen Erdungspunkt zu haben und vermeiden Sie auch Metall-auf-Metall-Kontakte zwischen dem Oszilloskopgehäuse und anderen geerdeten Chassis.


Fig. 4. Schaltungsanordnungen zum Erzeugen der Oszilloskopspuren: (A) die Anordnung für die Spur von (A) in Fig. 5; (B) Anschlüsse für 90-Grad-Einstellung. Phasenverschiebung durch Einstellen, um den Kreis von (B) in Fig. 5 zu erhalten; (C) Anschlüsse zur Verwendung mit 90-Grad. Phasenverschiebung, um eine Hystereseschleife bei (C) in Fig. 5 zu ergeben; (D) Schaltung mit Umschaltung, damit jede Anzeige in schneller Folge dargestellt werden kann.

   Die Art der Spur, die die Anordnung von (A) Abb. 4 ergibt, wenn der Kern in die Sättigung zu gehen beginnt, ist bei (A) in Abb. 5 gezeigt. Die an die vertikalen Platten angelegte Spannung ist ungefähr sinusförmig, während die horizontale Spannung der Magnetisierungsstromwellenform, separat gegen eine herkömmliche Zeitbasis bei (D) in Fig. 5 gezeigt.


Abb. 5. Spuren im Zusammenhang mit der Kernanalyse: (A) Magnetisierungsstrom horizontal mit Spannung vertikal, unter Verwendung einer nahezu sinusförmigen Spannungswellenform; (B) kreisförmiges Muster, um auf 90-Grad zu überprüfen. Phasenverschiebung in der Spannungsanzeige; (C) Hystereseschleife erhalten durch 90-Grad. auf vertikalen Platten verschieben; (D) Wellenformen, die durch normale Zeitbasis angezeigt werden, entsprechend den Mustern von (A) und (C). Magnetischer Fluss ist gepunktet dargestellt, da dieser nicht direkt dargestellt werden kann.

   Mit einer kleinen Anpassung kann die Schaltung so gestaltet werden, dass sie die bekannte Hystereseschleife für den Transformatorkern anzeigt. Die notwendigen Änderungen sind bei (B) und (C) in Abb. 4 dargestellt. Bei Verwendung einer sinusförmigen Spannung ist der magnetische Fluss im Kern ebenfalls sinusförmig, jedoch um 90 Grad verschoben. von der Spannung, die es induziert. Durch die Einführung eines 90 Grad. Phasenverschiebung in der Vertikalablenkung können wir eine Hystereseschleife erzeugen.

   Zuerst müssen wir die 90-Grad-Einstellung einrichten. Phasenverschiebung. Dazu werden die bei (B) in Abb. 4 gezeigten Komponenten hinzugefügt und der variable 0,25-Megohm-Widerstand und die Verstärkungsregler des Oszilloskops werden angepasst, um die kreisförmige Spur von Abb. 5 zu erhalten. Dann, ohne die Einstellung der 0,25- meg. Widerstand, ändern Sie die Schaltung auf die Anordnung von C in Fig. 4, wenn die bei (C) in Fig. 5 gezeigte Hystereseschleife angezeigt wird.

   Diese Einstellung ergibt eine Hystereseschleife von 60 cps, und ihr Verhalten bei verschiedenen Pegeln kann beobachtet werden, indem der Variac nach oben und unten gedreht wird. Um jedoch den Aufbau so zu gestalten, dass dieser Vorgang bei unterschiedlichen Frequenzen wiederholt werden kann, kann die Schaltanordnung von (D) in Fig. 1 eingefügt werden, die das Herstellen der bei (A), (B) und (C) gezeigten Verbindungen ermöglicht ) von Fig. 4 in schneller Folge. Der Variac sollte dann von einem Hochleistungsverstärker gespeist werden, der die erforderliche Spannung ohne Wellenformverzerrung bei den erforderlichen Frequenzen liefert.

   Wenn Sie das Oszilloskop wieder auf die reguläre Zeitbasis umschalten, was bedeutet, dass der horizontale Eingang dann getrennt wird und der vertikale über die Zeit angezeigt wird, können die bei (D) in Abb. 5 gezeigten Wellenformen erhalten werden (außer der Wellenform des magnetischen Flusses, da ist kein Mittel, dies zu messen). Obwohl diese Wellenformen angezeigt werden können, gibt es keine einfache Möglichkeit, die relative Phase zu identifizieren. Dies ist der Vorteil der Verwendung der in Fig. 5 bei (A), (B) und (C) gezeigten Schleifenanzeige.

Transformatoren in Röhrenschaltungen

   Alle diese Anzeigen verwenden zumindest eine annähernd sinusförmige Spannungswellenform. Eine Verzerrung tritt auf, weil die Spannung von der wahren Sinuswelle abweicht. Dies geschieht, weil die verzerrte Stromwellenform aus dem Quellenwiderstand gezogen wird, der einen Spannungsabfall erzeugt. In der Anordnung von Fig. 4 haben wir den Variac und den niedrigen Wert des Widerstands R verwendet, um eine annähernd sinusförmige Spannung aufrechtzuerhalten, indem dieser Spannungsabfall vermieden wurde. Aber in praktischen Verstärkerschaltungen lässt der Plattenwiderstand der Endröhren diese Bedingung nicht zu.

Ausgänge mit Pentoden

   Eine Pentode ist praktisch eine "Stromquelle". Wenn wir also für einen Moment ins andere Extrem schwingen, könnten wir annehmen, dass der Strom sinusförmig ist, wie bei (A) in Abb. 6 dargestellt. In diesem Fall wird der magnetische Fluss bestimmt aus die Hystereseschleife und die Spannung wiederum werden durch die Geschwindigkeit erzeugt, mit der sich der Fluss zu jedem Zeitpunkt ändert. Die erzeugten Wellenformen sind bei (A) in Abb. 7 dargestellt. Strom und Spannung können natürlich auf dem Oszilloskop angezeigt werden, aber den magnetischen Fluss können wir nur ableiten.


Abb. 6. Zeigt die in Abb. 7 angezeigten Größen: (A) gespeist von einer Pentode oder einer Quelle mit hohem Widerstand, der Strom ist sinusförmig; (B) bei einem niedrigeren Quellenwiderstand ist weder die Spannung noch der Strom sinusförmig.


Abb. 7. Wellenformen in verschiedenen praktischen Schaltungen: (A) mit einer Pentode oder einer hochohmigen Quelle ist der Strom sinusförmig; (B) mit einem niedrigeren Quellenwiderstand sind diese Wellenformen typisch.

   Diese Wellenformen gelten ungefähr für eine Pentoden-Ausgangsstufe ohne Rückkopplung. Wenn Rückkopplung verwendet wird, wird die Spannungswellenform über den gesamten Verstärker rückgekoppelt, um die Stromwellenform zu "korrigieren", die dann nicht mehr sinusförmig ist.

Ausgänge mit Trioden

   (B) in Abb. 6 zeigt, wie wir die Bedingungen für Triodenverstärker simulieren können. Die sinusförmige Eingangsspannung kann als Leerlaufspannung an der Platte angesehen werden. Diese Eingangsspannung ist die am Gitter anliegende Spannung multipliziert mit dem Verstärkungsfaktor der Röhre. Der Quellenwiderstand entspricht dem Röhrenplattenwiderstand und wegen des Abfalls dieses Quellenwiderstands aufgrund des von der Transformatorwicklung gezogenen Stroms weicht die Klemmenspannung von der Ausgangsspannung ab, wie bei (B) in Abb. 7 gezeigt.

   Beachten Sie, dass die Klemmenspannung der Eingangsspannung viel näher kommt als die Phasenbeziehung zwischen Spannung und Strom bei (A) in Abb. 7.

   Aus dieser kurzen Diskussion wird deutlich, dass der Magnetisierungsstrom und die Klemmenspannung eines Transformators nicht beide sinusförmig sein können. In der Praxis weichen beide in ihrer Form von einer echten Sinuswelle ab, was zu einer gewissen Verzerrung führt.

Eine andere Art von niederfrequenter Verzerrung

   Wenn der Magnetisierungsstrom jedoch einen relativ kleinen Anteil des Gesamtstroms in den Transformatorwicklungen ausmacht, kann die Verzerrung einen sehr kleinen Prozentsatz betragen. Diese Kurven wurden mit unbelastetem Transformator angezeigt, so dass der Magnetisierungsstrom der einzige Strom in den Wicklungen ist. Wäre der Übertrager mit dem normalen Lastwiderstand abgeschlossen, wären die Wellenformen wahrscheinlich nicht von reinen Sinuswellen zu unterscheiden und Verzerrungen könnten nur mit einem Analysator erkannt werden.

   Der Magnetisierungsstrom hängt unweigerlich von der effektiven Primärinduktivität ab, und die Art und Weise, wie ein Transformator bei niedriger Frequenz verzerrt wird, hängt von der genauen Beziehung zwischen Primärinduktivität und Magnetisierungsstrom ab. Zwei numerische Fälle werden diese Unterscheidung veranschaulichen.

   Nehmen Sie zunächst an, dass der Magnetisierungsstrom 10 Prozent des Laststroms beträgt. Dies bedeutet, dass die Reaktanz aufgrund der Primärinduktivität das Zehnfache des primären Lastwiderstands betragen würde. Dies würde eine Dämpfung von weniger als 0,05 db bewirken. Wenn dieser Magnetisierungsstrom jedoch in die Sättigung lief, ist die Magnetisierungsstromwellenform wie bei (B) in Abb. 7 gezeigt und enthält 20 Prozent Harmonische, dieser Magnetisierungsstrom, der 1/10 des Gesamtlaststroms ausmacht, könnte 1/ 10. Dieser Betrag der Verzerrung in der Ausgangswellenform oder 2 Prozent.

   Die zweite Art von Verzerrung, die bei niedrigen Frequenzen auftreten kann, ist überhaupt nicht direkt auf die Wellenform des Magnetisierungsstroms zurückzuführen. Der Transformator kann innerhalb der Sättigungsgrenze gut arbeiten, aber die Induktivität stellt nur eine Reaktanz dar, die beispielsweise das Doppelte des Lastwiderstands beträgt. Dies führt bei dieser Frequenz zu einem Verlust von etwa 1 dB und führt auch dazu, dass sich die Lastlinie der Röhrencharakteristik zu einer Ellipse öffnet. In diesem Fall wird die vorhandene Verzerrung eher auf die elliptische Lastlinie als auf die Nichtlinearität des Magnetisierungsstroms des Transformators zurückzuführen sein.

   Eine andere Variation dieser Bedingung tritt bei Verstärkern mit großen Rückkopplungen auf. Dies erzeugt einen niedrigen effektiven Quellenwiderstand, so dass die Verzerrungskomponente des Magnetisierungsstroms die Spannung nicht merklich verzerrt. Bei einem Dämpfungsfaktor von 30 verursacht ein Magnetisierungsstrom von 25 Prozent des Laststroms und mit 30 Prozent Oberschwingung nur 0,25 Prozent Verzerrung im Ausgang. Aber der 25-prozentige reaktive Magnetisierungsstrom kann dazu führen, dass die Röhren überschneiden, was zu einer viel größeren Verzerrung als diese führt.

(zum Abschluss)

(Teil 2)

Der Inhalt des Artikels für Elektronenröhren-Enthusiasten wurde von Grzegorz Makarewicz bereitgestellt.