Diseño de transformadores de salida

DISEÑO DE TRANSFORMADORES DE SALIDA.

Radioamator i Krótkofalowiec Polski, Rok 24, grudzień 1974r., Numer 12.
(Radioaficionado y radioaficionado operador de Polonia, año 24, diciembre de 1974, número 12)

  Todavía hay bastantes amplificadores de baja frecuencia construidos por radioaficionados basados ​​en tubos de electrones, especialmente aquellos con mayor potencia. El transformador de salida es el elemento más difícil de diseñar y fabricar. Prueba de ello son las consultas y solicitudes de ayuda en los cálculos que se envían a la redacción. Los principios básicos del diseño de transformadores que se fabricarán en condiciones de aficionados que se presentan aquí brevemente deben satisfacer los deseos de los lectores interesados..

  Los principios para diseñar transformadores de baja frecuencia en condiciones de aficionados son ligeramente diferentes de los que se utilizan en la industria. Primero, se determina aproximadamente qué núcleo de transformador se necesita para el amplificador diseñado. Luego, se busca un núcleo más o menos adecuado y, una vez adquirido, se realizan más cálculos de bobinado. Después de establecer datos aproximados sobre los cables de bobinado requeridos, se compran cables con diámetros similares a los seleccionados y solo entonces se determina finalmente el número de vueltas de los devanados individuales del transformador.

  Las relaciones básicas que vinculan los fenómenos en el transformador resultan de la siguiente fórmula:

Etr = 6,28⋅f⋅n⋅Q⋅B⋅10-4        (1)

donde:

  • Etr - la amplitud de la fuerza contraelectromotriz inducida en el devanado primario, aproximadamente igual a la amplitud del voltaje suministrado [V],
  • f - frecuencia [Hz],
  • Q - sección transversal del núcleo del transformador [cm2],
  • n - número de vueltas del devanado,
  • B - el valor más alto de inducción en el núcleo [T].

  El valor del EMF trasero está relacionado con el voltaje de CA de la etapa final del amplificador y resulta de la potencia y la resistencia interna. La frecuencia más alta y más baja de la banda de paso resulta de los supuestos. El valor de inducción más alto permitido en el núcleo no debe exceder el valor de 0.6T. Para transformadores de amplificadores de alta fidelidad, se recomienda utilizar un valor de 0,4 T. Quedaron dos incógnitas en la fórmula dada: la sección transversal del núcleo (Q) y el número de vueltas (n). La sección transversal del núcleo se determina aproximadamente mediante la fórmula::

donde:

  • Pwy - la potencia de salida del amplificador.

  En la medida de lo posible, nuestro objetivo es construir un transformador con una gran sección transversal del núcleo, lo que permitirá reducir el número de vueltas en los devanados. Esto es importante tanto por la inductancia de fuga indeseable del transformador como por el grado de dificultad de su fabricación. En transformadores compuestos por láminas con orificios para la fijación de pernos, es necesario verificar que la sección transversal del núcleo del transformador cerca de los pernos no sea menor que la sección transversal de la columna principal del núcleo del transformador..

  Los circuitos sustitutos del transformador simplificados se muestran en la Fig. 1. A la frecuencia más baja, se debe tener en cuenta la influencia de la inductancia del devanado primario del transformador, que está conectado en paralelo a la carga adecuada del amplificador. En la mayoría de los casos, es la necesidad de obtener un valor suficientemente grande de esta inductancia lo que determina el número de vueltas del devanado primario. A frecuencias medias (se asume 1000Hz), solo las resistencias de los devanados juegan un papel importante. A altas frecuencias, la influencia de la inductancia de fuga es notable, cuyo valor depende del número de vueltas, el método de devanado del transformador y su calidad. Esta inductancia, en combinación con las capacitancias entre devanados, crea un filtro de paso bajo que limita la banda de paso del transformador.


Figura 1. Circuitos equivalentes de transformador simplificado.
a - circuito equivalente para las frecuencias más bajas,
b - circuito equivalente para frecuencias medias,
c - circuito equivalente para grandes frecuencias (agudos y ultrasonidos).

r1 -resistencia del devanado primario,
r'2 - resistencia del devanado secundario transferida al lado primario,
Zob - impedancia de carga,
Z'ob - impedancia de carga transferida al lado primario del transformador,
L1 - inductancia del devanado primario,
Lr1, L'r2 - inductancia de fuga de bobinado.

  En transformadores bien hechos, la frecuencia de corte es de alrededor de 100 kHz. En cualquier caso, debería tener un valor varias veces superior a la frecuencia superior adoptada de la banda de paso del amplificador.

  Usando la fórmula (1) y sustituyendo en ella los valores apropiados hasta la sección transversal del núcleo, determinamos el número de vueltas n.

  Luego, usando la fórmula (3) y asumiendo la inductancia mínima requerida del devanado primario L1, calculamos el número de vueltas n1. Comparamos el valor de n y n1. Tomamos el valor mayor para cálculos posteriores.

La fórmula para calcular el número aproximado de vueltas con la inductancia asumida es la siguiente:

donde:

  • n1 - número de vueltas del devanado primario,
  • L1 - inductancia del devanado primario [H],
  • lr - la longitud promedio de la trayectoria del flujo magnético en el núcleo del transformador [cm],
  • μr - permeabilidad magnética del núcleo; para transformadores de acero y de salida, μr = 500,
  • Q - sección transversal del núcleo del transformador [cm2].

  La inductancia del devanado primario del transformador debe ser tal que la reactancia del devanado a la frecuencia de banda de paso más baja sea mayor que la resistencia interna de la etapa final del amplificador, que puede expresarse mediante la fórmula:

donde:

  • fd - la frecuencia más baja de la banda de paso [Hz],
  • Ror - resistencia interna de la etapa final (en el caso de circuitos push-pull de ánodo a ánodo de tubos de vacío.

La eficiencia energética η del transformador de salida debe ser alta y ascender a η = 0,80 ÷ 0,90. Depende principalmente de la resistencia de los devanados r1 y r2. Las fórmulas de práctica adecuadas son las siguientes:

Para amplificadores de clase A:

Para amplificadores de clase B:

donde:

  • Zob - impedancia de la unidad de altavoz [Ω].

Los diámetros del alambre de bobinado (sin aislamiento) se calculan a partir de la fórmula:

donde:

  • d -diámetro del cable [mm],
  • lm - la longitud del cable en el devanado [m],
  • r - Resistencia al viento [Ω].

La relación de giro del transformador depende de la impedancia de carga y la eficiencia del transformador. El patrón relevante es:

  Tratamos el número calculado de vueltas, las resistencias de los devanados y los diámetros de los cables como datos preliminares, sujetos a corrección después de comprar los cables y diseñar la carcasa en la que enrollaremos los devanados. Como regla general, dividimos los devanados en secciones. El devanado primario puede tener 4, 6 u 8 secciones. Las secciones de devanado primario deben tener un número par de capas; solo entonces los extremos de las secciones estarán en el lado exterior de la carcasa y será posible llevarlas al exterior. Esto a menudo también se aplica a la sección del devanado secundario, aunque en este caso es más fácil realizar conexiones internas, si es necesario.

  En el caso de los amplificadores de clase A y AB1, nos esforzamos por obtener un valor bajo de la inductancia de fuga entre los devanados primario y secundario. Se permite enrollar el devanado primario de la manera que se muestra, por ejemplo, en la Figura 2a. Para los amplificadores de clase B y AB2, se debe garantizar un fuerte acoplamiento entre cada mitad primaria y todo el devanado secundario, ya que las mitades del devanado primario funcionan asimétricamente. En la Figura 2b se muestra un ejemplo de la disposición de las secciones.


Figura 2. Esquemas de disposición de las secciones del devanado del transformador.
1 - secciones de la mitad del devanado push-pull,
2 - secciones de la segunda mitad del devanado push-pull,
3 - secciones del devanado secundario.

Después de hacer la carcasa, se realiza una prueba para determinar el número de vueltas en una capa. Sobre esta base, el número de vueltas de la sección y el esquema de devanado de todo el transformador se pueden determinar corrigiendo el número total de vueltas de los devanados primario y secundario, respectivamente.

Ejemplo
(Este ejemplo incluye el cálculo de un transformador para un amplificador de tubo de electrones descrito en el número 9/1974 de nuestra revista mensual. En el libro del que se toma el esquema del amplificador, solo se proporcionan los datos eléctricos del transformador, sin los datos de diseño. Las reglas para calcular transformadores se describen con más detalle en los libros: G. Cykin - Amplificadores de señal eléctrica, WKŁ Warszawa y A. Witord - Amplificadores electroacústicos aficionados, WKŁ Warszawa)

  Se debe diseñar un transformador para un amplificador basado en tubos de electrones de 35W. La resistencia de trabajo de la etapa de PP (de ánodo a ánodo) es 4000Ω según catálogo. Amplificador de banda de paso 40Hz ÷ 15000Hz. Impedancia de carga de 4Ω. Suponemos que la inducción permitida es B-0.6T.

1) Sección transversal del núcleo deseada: 

2) Compramos un núcleo con las dimensiones de la columna de núcleo central de 50x50 y ventanas de núcleo de 25x75. Suponemos que la sección transversal del núcleo es de 23 cm2.

3) Precalculamos:

- de la condición de inducción en el núcleo (fórmula 1):

En la fórmula anterior, conociendo la potencia y la resistencia interna del amplificador, calculamos el valor Etr de la siguiente manera:

- de la condición a la inductancia asumiendo L1=20H:

obtenemos aproximadamente 2000 vueltas. 

- engranaje de giro del transformador:

- resistencia del devanado primario:

- resistencia del devanado secundario:

- diámetro del alambre de bobinado, suponiendo una longitud de bobina promedio de 0,26 my el número de vueltas igual a 2000:

que da valor d1=0,35. 

4) Conseguimos comprar alambre de ø0,40 y ø0,8 en esmalte.

  La carcasa pegada de un cartón prensado tiene las dimensiones que se muestran en la Figura 3. Sin una bobinadora para bobinar transformadores, pero solo un dispositivo improvisado de nuestro propio diseño, decidimos un método de bobinado bastante simple: el devanado primario - 4 secciones, y el secundario devanado: tres secciones conectadas en paralelo (Figura 4).


Figura 3. Dimensiones de la carcasa del transformador (ejemplo de cálculo)

  La prueba de bobinado mostró que hay un promedio de 60 vueltas en una capa de la sección de bobinado primario. Tomamos 8 capas por sección para un total de 480 vueltas. Las cuatro secciones de bobinado primario tendrán un total de 1.920 vueltas. El devanado secundario constará de 3 tramos enrollados a lo largo de todo el ancho de la carcasa (en una capa), cada uno con 64 vueltas. Estas secciones se conectarán en paralelo.


Figura 4. Esquema del devanado del transformador de salida (ejemplo de cálculo)

  Comprobamos de nuevo si los cálculos son correctos y si el devanado encajará en la carcasa. El devanado primario (16 capas) mide aproximadamente 8 mm, el devanado secundario (3 capas) mide menos de 4 mm. Como el espacio libre en la carcasa es de 21 mm, quedan al menos 9 mm para los espaciadores aislantes, lo que es más que suficiente siempre que esté bien enrollado y utilizando papel condensador o papel especial transformador. Se debe utilizar un mejor aislamiento de hule o un cartón prensado delgado impregnado con barniz de baquelita, goma laca u otro buen agente aislante entre los devanados primario y secundario.

  Para una simetría completa, los devanados 1 y 2 se enrollan en una dirección y los devanados 3 y 4 en la dirección opuesta. Solo entonces los ánodos de los tubos caerán al final de la sección más alta.

  Algunas observaciones adicionales. Si se comprara un cable de ø0,35 mm, la carcasa, con un bobinado de 2000 vueltas y el mismo método de bobinado, no estaría completamente llena. Luego se puede utilizar un sistema de 4 tramos primarios (450 vueltas en 6 capas) con un número total de vueltas 1800, dejando el sistema de bobinado secundario anterior. También puede considerar la alternativa de aumentar el devanado primario a 2400 vueltas cambiando el diseño (y el cable) del devanado secundario. Aumentar el número de vueltas es ventajoso ya que aumentará la inductancia del devanado primario (L1) mientras que otros parámetros del transformador se deterioran ligeramente.

A.W.