Kategorie: Audio USA
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Wie ein Ausgangstransformator Verzerrungen verursacht

In zwei Teilen - Teil 2
Audio, March, 1957, Vol. 41, No. 3 (Successor to RADIO, Est. 1917)
(Audio, März 1957, Bd. 41, Nr. 3 (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.

   Da diese Verzerrung durch reaktive Belastung den Schwankungen, die ein Transformator bei hohen Frequenzen verursacht, sehr ähnlich ist, werden wir beide zusammen betrachten. (A) in Abb. 8 zeigt die praktische Schaltung eines Ausgangstransformators, während (B) Abb. 8 die Last zeigt, die von den Ausgangsröhren gesehen wird.


Abb. 8. Praktische und äquivalente Schaltung des Ausgangstransformators für den Hochfrequenzgang: (A) tatsächliche Schaltung: (B) äquivalente Plattenlast für Ausgangsröhren.

   Direkt von Platte zu Platte überbrückend ist die Primärkapazität des Transformators. Der Lastwiderstand wird um das Verhältnis N2 erhöht, aber aufgrund des Streuflusses, der zwischen den Primär- und Sekundärwindungen gelangt, gibt es eine effektive Induktivität zwischen dieser Last und den Röhren, die im Ersatzschaltbild von (B), Abb. 8 als dargestellt ist Streuinduktivität.

   Die Wicklungskapazität hat die gleichen Eigenschaften wie jede andere Kapazität in einem Stromkreis. Eine Streuinduktivität ist jeder Luftinduktivität genau ähnlich: Sie kann keine Verzerrung von sich aus einführen.

   Wenn jedoch die Streuinduktivität die dominante Reaktanz am Hochfrequenzende ist, dann sieht der Lastwiderstand, zurück auf die Primärseite, wie ein Widerstand mit einer in Reihe geschalteten Induktivität aus. Wenn die Endröhren Verzerrungen verursachen, wobei dem Lastwiderstand eine Reihenreaktanz hinzugefügt wird, dann scheint diese Art von Transformator Verzerrungen zu verursachen.

   Bei anderen Verstärkern können Verzerrungen schneller auftreten, wenn parallel zum Lastwiderstand eine Reaktanz hinzugefügt wird. In diesem Fall zeigt ein Transformator, bei dem die Wicklungskapazität die dominierende Reaktanz am Hochfrequenzende ist, schneller Verzerrungen.

   Diese Tatsachen können leichter erkannt werden, wenn man sich die Wirkung von in Reihe und parallel zur Widerstandslast angelegten Reaktanzen auf die resultierende Lastlinie ansieht. Die erzeugten Ellipsenarten sind in den Fig. 9 und 10 gezeigt. Wenn diese Arten von elliptischer Exkursion auf die Röhrencharakteristik angewendet werden, kann die Verzerrung schneller auftreten, wenn die Ellipse auf einer Seite von der geraden Linie abweicht als auf der anderen.


Abb. 9. Eine Folge von elliptischen Lastlinien, die zunehmend größere Reaktanzwerte in Reihe mit einem konstanten Widerstandswert darstellen, dargestellt durch die gerade Linie. Die parallel abfallenden Linien oben und unten stellen die idealen Röhreneigenschaften für die extremen Netzspannungsausschläge dar.


Abb. 10. Eine Folge von elliptischen Lastlinien, die eine Reaktanz im Shunt mit einem konstanten Widerstandswert darstellen.

   Die zwei Möglichkeiten, wie die Reaktanzen von (B), Abb. 8, bewirken können, dass sich die Lastlinie zu einer Ellipse öffnet, sind in Abb. 11 anhand der Charakteristik der Verbundröhren dargestellt. Die Reihenstreuinduktivität verursacht einen zusätzlichen Spannungsabfall zu dem in die Last und erhöht den effektiven Plattenspannungshub, während der Strom reduziert wird. Die Shunt-Kapazität entnimmt den Endröhren zusätzlichen Strom und neigt dazu, den Plattenspannungshub zu senken. Die resultierende Ellipse hängt davon ab, welcher dieser beiden Effekte der größere ist. Wie wir gleich sehen werden, kann der Transformator eine von zwei Arten von Impedanzantworten an die Ausgangsröhren liefern. Aus Sicht der potentiellen Hochfrequenzverzerrung ist dies der wichtigste Unterschied zwischen verschiedenen Ausgangstransformatoren, die den gleichen Frequenzgang zu ergeben scheinen.

Wie Reaktanz Verzerrungen verursacht

   In Abb. 11 sind die fast parallelen Linien kein nachlässig gezeichneter Versuch - sie stellen typische zusammengesetzte Kurven für ein Paar von Pentoden- oder Tetroden-Röhren dar, die im Gegentakt arbeiten. In der Praxis wären diese Linien nicht gerade, sondern leicht gekrümmt. Um das Zeichnen zu erleichtern, wurden gerade Linien gezeigt, aber der Winkel der Linien ist repräsentativ für typische Rohre. Die mittlere Linie, die durch den Arbeitspunkt verläuft, hat die flachste Neigung, während die äußersten Linien, die die Null-Gitterspannung auf alternativen Röhren darstellen, die steilsten Neigungen aufweisen. Diese Tatsache gilt im Allgemeinen, egal ob Pentoden oder Trioden verwendet werden - sie ist bei Tetroden- oder Pentodenröhren etwas stärker ausgeprägt als bei Trioden, aber der Trend ist der gleiche.


Abb. 11. Belastungslinien auf zusammengesetzten Kennlinien, die für verschiedene Möglichkeiten im Hochfrequenzgang relevant sind: Die Gerade durch die Kennlinien repräsentiert den ohmschen Belastungswert bei mittleren Frequenzen.

   Die auf den beiden Ellipsen markierten Pfeilspitzen zeigen, wie sich der Arbeitspunkt im Verlauf eines Zyklus um die Ellipse bewegt. Beachten Sie, dass bei der Shunt-Kapazität der Abstand zwischen den Schnittpunkten auf aufeinanderfolgenden Netzspannungsleitungen von Null ausgehend größer ist als bei der Rückkehr, während er bei der Reiheninduktivität von Null ausgehend schmaler ist als bei der Rückkehr. Dies führt zu einer Form der Verzerrung, die in der normalen Wellenformanzeige in Abb. 12 dargestellt ist.


Abb. 12. Mögliche Ausgangswellenformen, die den in Abb. 11 gezeigten Varianten der Lastlinie entsprechen: (A) für die Serieninduktivitätskomponente; (B) für reinen Widerstand (die einzige Kurve, die eine Sinuswelle ist); (C) für die Shunt-Kapazitätskomponente. Die gepunkteten Abschnitte veranschaulichen den zusätzlichen Effekt, wenn das Abschneiden beginnt.

   In Kurve A ist die Steigung von jedem Peak zurück zur Nulllinie steiler als die von der Nulllinie bis zum folgenden Peak. Kurve B ist eine Sinuswelle, die den Ausgang mit der ohmschen Lastlinie darstellt, während Kurve C den umgekehrten Zustand zu dem von Kurve A zeigt, die Aufwärtssteigung von Null bis zur Spitze ist steiler als die Rückkehr von der Spitze zu Null.

   Wenn der Netzspannungshub etwas mehr als in Abb. 11 gezeigt erhöht wird, tritt an beiden Enden der Lastleitung ein Clipping auf. Die gepunkteten Abschnitte in Fig. 12 zeigen, wie sich das Clipping auf jeder der Ausgangswellenformen zeigt.

   Um nun auf den Fall zurückzukommen, dass die Primärinduktivität des Nebenschlusses Verzerrung verursacht. Dies erzeugt eine Ellipse in einer ähnlichen Position wie die für die Shunt-Kapazität in Fig. 11 gezeigte, da sie mehr Plattenstrom für einen geringeren Spannungshub zieht als die Widerstandslastlinie, aber die Drehrichtung wird umgekehrt, weil es die entgegengesetzte Art von Reaktanz. Dies bedeutet, dass die Art der Wellenform derjenigen ähnelt, die durch eine Reiheninduktivität erzeugt wird, wie bei A in Abb. 12 gezeigt. Wenn aufgrund dieses Nebenschlusseffekts (möglicherweise unterstützt durch Rückkopplung) ein Clipping auftritt, wird die Abflachung ebenfalls in einer ähnlichen Position sein zu der auf Kurve A gezeigten.

   Die gesamte vorstehende Diskussion basiert auf symmetrischen Formen von Verzerrungen. Einige Arten von Verzerrungen, insbesondere bei den hohen Frequenzen, entstehen durch asymmetrische Belastung durch den Ausgangsübertrager. Wenn Streuinduktivität und Wicklungskapazität nicht gleichmäßig auf die beiden Primärhälften verteilt sind, kann jede ihr eigenes Resonanzfrequenzmuster aufweisen. Dies führt zu Phasenunterschieden an den Schaltungen der beiden Platten (andere als die normalen 180 Grad). Und diese Unterschiede, insbesondere bei (a) Pentoden-Ausgangsschaltungen und (b) bei der Gesamtrückkopplung, können die unregelmäßigsten Formen asymmetrischer Wellenformverzerrungen erzeugen. In gewisser Weise ist der Ausgangstransformator für diese Art von Verzerrung verantwortlich, jedoch nicht aufgrund von Nichtlinearität im akzeptierten Sinne. Alle Reaktanzen im Transformator, die ihn verursachen, sind lineare Schaltungselemente.

Identifizieren der Verzerrung

   Die in Fig. 7 und Fig. 12 gezeigten Kurven zeigen, wie die Wellenformen von der Sinusform abweichen, wenn eine relativ große Verzerrung vorhanden ist. Es wäre schwierig, die Ursache der Verzerrung aus der Wellenform zu bestimmen, wenn sie deutlich unter 5 % liegt. Wir brauchen also eine genauere Beobachtungsmethode. In einigen Fällen würde die Verzerrung ohne die angewendete Gesamtrückkopplung mehr als 5 Prozent betragen. In diesen Fällen ist die gerade beschriebene Testmethode eine große Hilfe, da sie auch bei angeschlossener Rückkopplung die ursprüngliche Verzerrungsmenge zeigt.

   Diese sehr einfache Methode verwendet Schleifenspuren auf dem Oszilloskop unter Verwendung des in Abb. 13 gezeigten Aufbaus. Wenn eine Gesamtrückkopplung angewendet wird, kann die Wellenform an der Platte praktisch sinusförmig sein, aber um dies zu erreichen, benötigt die Wellenform am Gitter möglicherweise deutlich von einer echten Sinuswelle abweichen. Beide Wellenformen, getrennt beobachtet, können jedoch einer Sinuswelle so nahe kommen, dass es schwierig ist zu bestimmen, welche Art von Verzerrung auftritt, aber mit der Schleifenverfolgungsmethode der Beobachtung werden die beiden Wellenformen verglichen und die Art der Verzerrung ist groß leichter zu erkennen.


Abb. 13. Verfahren zum Anwenden eines Oszilloskops auf eine Verstärkerschaltung, um die Leistung des Ausgangstransformators bei niedrigen und hohen Frequenzen zu überprüfen. Vor Anwendung dieser Methode sollten die Wellenformen auf Gittern und Platten auf Symmetrie überprüft werden.

   Bevor Sie diese Methode anwenden, ist es ratsam, sicherzustellen, dass der Verstärker symmetrisch ist, um sicherzustellen, dass die Wellenform auf beiden Gittern und auch auf beiden Platten identisch ist. Ein Unterschied zwischen den Wellenformen auf jeder Seite zeigt an, dass irgendwo im Verstärker die richtige Balance fehlt, die vor weiteren Untersuchungen beachtet werden sollte. Dieses Verfahren wurde an anderer Stelle ausreichend beschrieben, so dass wir davon ausgehen, dass der Verstärker in einem guten Gleichgewichtszustand arbeitet.

   Abbildung 14 zeigt die Arten von Spuren, die mit jeder der besprochenen Verzerrungsvarianten erhalten werden, mit Ausnahme der asymmetrischen, die eine solche Vielfalt von Formen verursachen kann, dass keine Spur als repräsentativ angesehen werden kann. Diese sind etwas übertrieben, sodass die Formunterschiede deutlich zu erkennen sind. Die Beobachtung einer Oszilloskopspur, selbst wenn die Verzerrung gering ist, wird schnell erkennen, welche dieser Varianten (oder eine Kombination von zwei oder mehr) auftritt.


Abb. 14. Arten von Kurven, die mit verschiedenen Verzerrungsquellen verbunden sind: (A) nur aufgrund der Magnetisierungsstromwellenform; (B) aufgrund des Magnetisierungsstroms, wo dieser stark induktiv ist, wodurch eine beträchtliche Phasenverschiebung erzeugt wird; (C) aufgrund der Rohrkrümmung und jeder Art von Reaktanzkomponente; (D) aufgrund von Clipping durch reaktive Komponenten: die durchgezogene Linie repräsentiert die horizontale Gitterspannung, die vertikale Plattenspannung; die gestrichelte Linie ist zum Vergleich eine echte Ellipse; die strichpunktierte Linie stellt die Form dar, an der die Eingangswellenform von einem Punkt genommen wird, bevor ein Clipping auftritt.

   In Abb. 14 ist (A) die Art von Spur, die eher durch Sättigung als durch Reaktanzbelastung erzeugt wird. Der Grund für diese Form wird unter Bezugnahme auf (B) von Abb. 7 ersichtlich, wo die Eingangs- und Klemmenspannungen praktisch in Phase sind, letztere jedoch eine beträchtliche Verzerrung aufweist.

   (B) zeigt die Art der Spur, die durch die bei (A) in Abb. 7 dargestellte Beziehung erzeugt wird, wobei der Haupteffekt auf die induktive Reaktanz zurückzuführen ist. Der Magnetisierungsstrom nähert sich 90 Grad. Phasenverzögerung hinter der Klemmenspannung. In (A) von Abb. 7 ist der Strom sinusförmig und die Spannungswelle ist verzerrt. Wenn die Gesamtrückkopplung verwendet wird, um die Eingangswellenform zu "korrigieren", so dass die Ausgangsspannungswellenform fast sinusförmig ist, ist die Reihenfolge der Beziehungen ähnlich, sodass der Fleck eine ähnliche Spur umläuft, aber seine Durchlaufgeschwindigkeit variiert. In jedem Fall wird eine Schleife ähnlich (B) in Abb. 14 angezeigt.

   (C) zeigt die Art der Spur, die von der reaktiven Ellipse auf Push-Pull-Eigenschaften erzeugt wird. Wenn die Ellipse wie hier gezeigt durch eine Begradigung entlang alternierender Quadranten und eine Biegung entlang der anderen von ihrer wahren Form abweicht, ist die Ursache der Verzerrung die reaktive Belastung der Endstufenröhren.

   (D) zeigt, was Clipping bei der Reaktanzbelastung bewirkt. Wenn die horizontale Ablenkung von der Gitterschaltung genommen wird, wie in Abb. 13 gezeigt, wird die Auslenkung abrupt durch den Gitterstrom begrenzt, was das "abgeschnittene" Ende erzeugt, das in durchgezogener Linie gezeigt ist. Die gestrichelte Linie zeigt die wahre elliptische Form ohne Clipping. Wenn die horizontale Ablenkung von einem früheren Punkt im Verstärker genommen wird, wird die Gitterbegrenzung auf der Horizontalen nicht angezeigt, aber ihr Ergebnis auf der Ausgangswellenform erzeugt eine Verzerrung, die durch die Punkt-Strich-Kurve in (D) Abb. 14 dargestellt wird.

Impedanzcharakteristik

   Durch Wobbeln des Audiogenerators über diese höheren Frequenzen können wir sehen, welche Art von Lastlinienantwort der Übertrager für die Endröhren erzeugt. Eine Variante ist in Abb. 15 dargestellt, die die Anzeige darstellt, die bei sukzessiv höheren Frequenzen präsentiert wird: beginnend bei einer mifd-Frequenz, bei der die Last ohmsch ist; zuerst erhöht die Streuinduktivität die Ausgangsspannung, wodurch eine Ellipse mit einer leicht erhöhten Steigung erzeugt wird, die bei (B) gezeigt ist; weiter zu höheren Frequenzen beginnt die kapazitive Reaktanz zu wirken: ein Punkt wird erreicht, wo die beiden reaktiven Komponenten eine dynamisch ohmsche Lastlinie erzeugen, wie bei (C); da der effektive Widerstand jetzt höher als der ursprüngliche Wert ist, wird die Steigung der Linienspur steiler als bei (A).


Abb. 15. Sequenzen von Mustern bei fortschreitend höheren Frequenzen, wenn induktive und kapazitive Reaktanzen mitschwingen: (A) Mittenfrequenz - vollständig ohmsch; (B) die Serieninduktivität hat die vorherrschende Wirkung; (C) beide kombinieren sich, um eine dynamische Widerstandsimpedanz höher als (A) zu erzeugen; (D) und (E) aufeinanderfolgende Formen, wenn die kapazitive Reaktanz übernimmt.

   Verwechseln Sie Steigung nicht mit Länge. Wenn der Verstärker einen ungleichmäßigen Frequenzgang hat, kann die Länge der Linie oder die Größe der Spur zunehmen oder abnehmen, aber die Steigung gibt nur die relative Größe über die Ausgangsstufe an.

   Bei (D) dreht eine weitere Erhöhung der Frequenz die Reaktanz auf die kapazitive Seite und die Ausgangsamplitude fällt relativ zur Eingangsamplitude ab; schließlich ist bei (E) die kapazitive Reaktanz auf dem besten Weg zu einem Hochfrequenzabfall.

   Bei der alternativen Art der Last-Impedanz-Kennlinie, die ein Transformator der Endstufe bieten kann, dominiert die kapazitive Reaktanz. Dies geschieht, weil die Streuinduktivität so niedrig gemacht wird, dass der Lastwiderstand fest mit der Primärwicklung gekoppelt ist und die Nebenkapazität einen beträchtlichen Roll-off erzeugt, bevor die Streuinduktivität einen merklichen Effekt hat.

   In diesem Fall werden die durch (B), (C) und (D) von Abb. 15 dargestellten Zwischenmuster nicht erscheinen, sondern der Übergang erfolgt direkt von der geraden Linie von A in Abb. 15 zu einer Ellipse in der Richtung bei (E) angegeben.

Schlussfolgerungen

   Das vorherrschende Vorurteil gegenüber Ausgangsübertragern erscheint auf Grund der Tatsachen unbegründet. Das bedeutet nicht, dass wir uns umdrehen und an anderen Stellen der Schaltung wieder Audioübertrager anstelle von Röhren besorgen sollten. Vielleicht sind Interstage-Transformatoren aufgrund von Vorurteilen ein wenig zu früh gestorben, aber das Aufkommen von allgemeinem Feedback hätte sowieso ihr Todesurteil unterzeichnet. Tatsache ist, dass die Röhren immer noch die Hauptursache für Verzerrungen sind.

   Dieser Artikel hat sich darauf konzentriert, ein klares Bild davon zu geben, wie die Leistung eines Transformators gemessen wird, um die Ursache von Verzerrungen zu ermitteln. Manchmal können zwei Transformatoren im Grunde gleich gut sein, aber sie funktionieren in derselben Verstärkerschaltung ohne bestimmte Schaltungsänderungen nicht gleich gut. Was wir wissen müssen, ist, wie die Änderungen vorgenommen werden, damit der Ersatztransformator die besten Ergebnisse erzielen kann. In einem weiteren Artikel gehen wir der Frage nach, wie man Messungen an verschiedenen Transformatoren in Verstärkern durchführt und wie man die notwendigen Änderungen für optimale Betriebsbedingungen ermittelt.

(Teil 1)

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