输出变压器的设计

Radioamator i Krótkofalowiec Polski, Rok 24, grudzień 1974r., Numer 12.
(波兰的业余无线电和业余无线电运营商,1974年12月,第24年,第12号)

业余无线电爱好者仍然有很多基于电子管的低频放大器,尤其是功率较高的放大器。 输出变压器是最难设计和制造的元件。 发送给编辑部的计算查询和请求可以证明这一点。 简要介绍在业余条件下制造变压器的基本原理应能满足感兴趣的读者的需求。

在业余条件下设计低频变压器的原理与工业上使用的原理略有不同。 首先,确定要设计的放大器大致需要什么变压器磁芯。 然后,寻找或多或少合适的铁心,并在获取铁心后,进行进一步的绕组计算。 在建立了所需绕组线的近似数据之后,购买了直径与所选绕组线相似的电线,然后才最终确定各个变压器绕组的匝数。

连接变压器中的现象的基本关系由以下公式得出:

Etr = 6,28⋅f⋅n⋅Q⋅B⋅10-4        (1)

其中:

  • Etr - 初级绕组中感应的反电动势的幅度,大约等于供电电压的幅度 - [V],
  • f - 频率-[Hz],
  • Q - 变压器铁心的横截面- [cm2],
  • n - 绕组匝数,
  • B - 磁芯中的最高感应值[T]。

反向EMF的值与最终放大器级的AC电压有关,并且由功率和内部电阻决定。 通带的最高和最低频率是由这些假设得出的。 磁芯中允许的最高感应值不应超过0.6T。 对于Hi-Fi放大器的变压器,建议使用0.4T的值。 给出的公式中还存在两个未知数:铁心横截面(Q)和匝数(n)。 核心横截面大约使用以下公式确定:

其中:

  • Pwy - 放大器的输出功率。

我们的目标是尽可能地制造一个具有大铁芯横截面的变压器,以减少绕组的匝数。 由于变压器的不期望的漏感及其制造难度,这都是重要的。 在由带有用于固定螺栓的孔的薄板组成的变压器中,必须检查靠近螺栓的变压器铁心的横截面不小于变压器铁心的主柱的横截面。

简化的变压器替代电路如图1所示。在最低频率下,应考虑变压器初级绕组的电感的影响,该变压器并联连接到适当的放大器负载。 在大多数情况下,有必要获得足够大的电感值来确定初级绕组的匝数。 在中频(假定为1000Hz)下,只有绕组电阻才起重要作用。 在高频下,漏感的影响非常明显,其值取决于匝数,变压器绕组的方法及其质量。 该电感与绕组间电容相结合,形成了一个限制变压器通带的低通滤波器。


图1.简化的变压器等效电路。
a-最低频率的等效电路,
b-中频的等效电路,
c-高频(高音和超声波)的等效电路。

r1-初级绕组电阻,
r'2-次级绕组电阻传输到变压器的初级侧,
Zob-负载阻抗,
Z'ob-负载阻抗传输到变压器的初级侧,
L1-变压器初级绕组电感,
Lr1,L'r2-变压器绕组的漏感。

在制作精良的变压器中,截止频率约为100kHz。 在任何情况下,其值都应比放大器通带的上限频率高出几倍。

使用公式(1)并在其中替换适当的值,直至并包括变压器铁心的横截面,我们确定匝数n。

然后,使用公式(3)并假设初级绕组L1的最小所需电感,我们计算出匝数n1。 然后,我们比较“ n”和“ n1”的值。 我们将取更大的价值用于进一步的计算。

用假定的电感计算近似匝数的公式如下:

其中:

  • n1 - 初级绕组的匝数,
  • L1 - 初级绕组电感[H],
  • lr - 磁芯中磁通路径的平均长度[cm],
  • μr - 磁芯的磁导率; 对于变压器钢和输出变压器,μr= 500,
  • Q - 变压器铁心的横截面[cm2]。

变压器的初级绕组的电感应使得在最低通带频率下的绕组电抗大于最终放大器级的内部电阻,其可由下式表示:

其中:

  • fd - 通带的最低频率[Hz],
  • Ror - 末级的内部电阻(在从真空管的阳极到阳极的推挽电路情况下)。

输出变压器的能量效率η应该很高,等于η= 0.80÷0.90。 它主要取决于变压器绕组的电阻,即r1和r2。

相关的实用公式如下所示。

对于A类放大器:

对于B类放大器:

其中:

  • Zob - 扬声器单元的阻抗[Ω]。

绕组线直径(无绝缘)根据以下公式计算:

其中:

  • d-线径[mm],
  • lm - 绕组中导线的长度[m],
  • r - 绕组电阻[Ω]。

变压器匝数比取决于负载阻抗和变压器效率。 适当的公式如下:

我们将计算出的匝数,绕组电阻和线径视为初步数据,在购买导线并设计了要在其上绕制绕组的胎体之后,可以对其进行校正。 通常,绕组分为多个部分。 初级绕组可以具有4、6或8个部分。 初级绕组部分应具有偶数层-只有这样,这些部分的端部才在胎体的外侧,并且可以将其引向外部。 这也适用于次级绕组部分,尽管在这种情况下,如果需要的话,更容易进行绕组的内部连接。

在A类和AB1类放大器的情况下,我们力求使初级绕组和次级绕组之间的漏感值较低。 允许以例如图2a所示的方式缠绕初级绕组。
对于B类和AB2类放大器,必须注意确保每个初级半部与整个次级绕组之间的良好耦合,因为初级绕组的两半不对称地工作。 这些部分的排列示例如图2b所示。


图2.变压器绕组部分的布置方案。
1 - 推挽绕组的一半的截面,
2 - 反冲绕组的后半部分,
3 - 次级绕组部分。

制成胎体后,进行测试以确定一层的匝数。 在此基础上,可以通过分别校正一次绕组和二次绕组的总匝数来确定该部分的匝数和整个变压器的绕组方案。

计算示例。
(此示例包括我们的月刊第9/1974期中描述的电子管放大器的变压器计算。
在摘录放大器原理图的书中,仅提供了推荐变压器的电气数据,而没有设计数据。 本书中更详细地描述了计算变压器的规则:G. Cykin-电信号放大器,WKwa Warszawa,以及A. Witord-业余电声放大器,WKŁWarszawa。)

应设计用于35W电子管放大器的变压器。 根据目录,PP级(从阳极到阳极)的工作电阻为4000Ω。 放大器通带40Hz÷15000Hz。 4Ω负载阻抗。 我们假设允许的感应强度为B-0.6T。

1) 变压器芯的所需横截面::

2) 我们购买了尺寸为50x50的中心柱和25x75的窗口的磁芯。 我们假设纤芯的横截面为23 cm2

3) 我们预先计算:

- 根据磁芯的感应条件(公式1):

在上面的公式中,在知道放大器的功率和内部电阻的情况下,Etr值计算如下:

- 从电感条件假设L1 = 20H:

我们大约转2000圈。

- 盘绕齿轮:

- 初级绕组电阻:

- 次级绕组电阻:

- 绕组线直径-假设平均线圈长度为0.26m,匝数为2000,则:

得出值d1 = 0.35。.

4) 我们设法购买了ø0.40和ø0.8漆包线绝缘线。

用压板胶粘的胎体的尺寸如图3所示。没有绕组变压器的绕线机,只有我们自己设计的临时装置-我们决定一个相当简单的绕线图:一次绕线-4个部分,二次绕线-三个部分并联连接(图4)。


图3. Car体尺寸(计算示例)。

绕组测试表明,初级绕组部分的一层平均包含60匝。 我们每节取8层,共480圈。 四个初级绕组部分总共有1,920匝。 次级绕组由沿着胎体的整个宽度(一层)缠绕的3个部分组成,每个部分有64匝。 这些部分将并联连接。


图4.输出变压器的绕组方案(计算示例)。

我们再次检查计算是否正确以及绕组是否适合胎体。 初级绕组(16层)约8mm,次级绕组(3层)小于4mm。 由于胎体的自由空间为21mm,因此至少要留出9mm的空间用于绝缘垫片,如果将其紧密缠绕并使用电容器纸或专用变压器纸,则该余量就足够了。 初级绕组和次级绕组之间应使用油布或浸有胶木清漆,虫胶或其他良好绝缘剂的薄压板更好的绝缘性能。

为了完全对称,绕组1和2沿一个方向缠绕,绕组3和4沿相反方向缠绕。 只有这样,管的阳极才会位于最上部分的末端。

一些补充说明。 如果购买直径为0.35mm的绕线,则胎体-绕线为2000匝,且绕线方式相同-将无法正确填充。 然后可以使用具有4个初级部分(450匝,共6层)的系统,总匝数为1800,从而保留了先前的次级绕组系统。 可替代地,可以通过改变次级绕组的布局(和导线)来考虑将初级绕组的匝数增加到2400匝的替代方案。 增加匝数是有利的,因为初级绕组(L1)的电感会增加,而变压器的其他参数会稍有下降。

A.W.