DESIGN VON AUSGANGSTRANSFORMATOREN
Radioamator i Krótkofalowiec Polski, Rok 24, grudzień 1974r., Numer 12.
(Funkamateur und Amateurfunker von Polen, Jahr 24, Dezember 1974, Nummer 12)
Es gibt immer noch eine ganze Reihe von Niederfrequenz-Röhrenverstärkern, die von Funkamateuren gebaut wurden, insbesondere solche mit höherer Leistung. Der Ausgangstransformator ist das am schwierigsten zu konstruierende und herzustellende Element. Dies wird durch Anfragen und Hilfeanfragen bei den an die Redaktion gesendeten Berechnungen belegt. Die hier kurz vorgestellten Grundprinzipien für die Konstruktion von Transformatoren unter Amateurbedingungen sollten den Wünschen interessierter Leser entsprechen..
Die Prinzipien des Entwurfs von Niederfrequenztransformatoren unter Amateurbedingungen unterscheiden sich geringfügig von denen, die in der Industrie verwendet werden. Zunächst wird ungefähr bestimmt, welcher Kern für den entworfenen Verstärker benötigt wird. Dann wird nach einem mehr oder weniger geeigneten Kern gesucht und nach seiner Erfassung werden weitere Wicklungsberechnungen durchgeführt. Nachdem ungefähre Daten zu den erforderlichen Wicklungsdrähten erstellt wurden, werden Drähte mit ähnlichen Durchmessern wie die ausgewählten gekauft, und erst dann wird die Anzahl der Windungen der einzelnen Wicklungen endgültig bestimmt.
Die grundlegenden Beziehungen, die die Phänomene im Transformator verbinden, ergeben sich aus der folgenden Formel:
Etr = 6,28⋅f⋅n⋅Q⋅B⋅10-4 (1)
worin:
- Etr - die Amplitude der in der Primärwicklung induzierten rückelektromotorischen Kraft, ungefähr gleich der Amplitude der zugeführten Spannung [V],
- f - Frequenz [Hz],
- Q - Querschnitt des Transformatorkerns [cm2],
- n - Anzahl der Windungen der Wicklung,
- B - der höchste Wert der magnetischen Induktion im Transformatorkern [T].
Der Wert der Gegen-EMK bezieht sich auf die Wechselspannung der Endverstärkerstufe und ergibt sich aus der Leistung und dem Betriebswiderstand. Die höchste und die niedrigste Frequenz des Durchlassbereichs ergeben sich aus den getroffenen Annahmen. Der höchstzulässige Wert der magnetischen Induktion im Transformatorkern sollte 0,6 T nicht überschreiten. Für Transformatoren von HiFi-Verstärkern wird empfohlen, einen Wert von 0,4 T zu verwenden. In der angegebenen Formel blieben zwei Unbekannte übrig: der Transformatorkernquerschnitt (Q) und die Anzahl der Windungen (n). Wir approximieren den Querschnitt des Transformatorkerns aus der Formel:
worin:
- Pwy - die Ausgangsleistung des Verstärkers.
Wir wollen so weit wie möglich einen Transformator mit großem Kernquerschnitt bauen, um die Anzahl der Windungen in den Wicklungen zu reduzieren. Dies ist sowohl aufgrund der unerwünschten Streuinduktivität des Transformators als auch des Schwierigkeitsgrades seiner Herstellung wichtig. Bei Transformatoren, die aus Blechen mit Löchern für Befestigungsschrauben bestehen, muss überprüft werden, dass der Kernquerschnitt in der Nähe der Schrauben nicht kleiner als der der Haupttransformatorsäule ist.
Die vereinfachten Transformatorersatzschaltungen sind in Abb. 1 dargestellt. Bei der niedrigsten Frequenz sollte der Einfluss der Induktivität der Transformatorprimärwicklung berücksichtigt werden, die parallel zur richtigen Verstärkerlast geschaltet ist. In den meisten Fällen ist es die Notwendigkeit, einen ausreichend großen Wert dieser Induktivität zu erhalten, der die Anzahl der Windungen der Primärwicklung bestimmt. Bei mittleren Frequenzen (1000 Hz wird angenommen) spielen nur die Wicklungswiderstände eine wichtige Rolle. Bei hohen Frequenzen ist der Effekt der Streuinduktivität spürbar, deren Wert von der Anzahl der Windungen, dem Transformatorwicklungsschema und der Qualität seiner Herstellung abhängt. Diese Induktivität erzeugt in Kombination mit den Zwischenwicklungskapazitäten ein Tiefpassfilter, das die Transformatorbandbreite begrenzt.
Abb. 1. Vereinfachte Transformatorsatzsysteme.
a - Ersatzschaltbild für die niedrigsten Frequenzen,
b - Ersatzschaltbild für mittlere Frequenzen,
c - Ersatzschaltbild für große Frequenzen (Höhen und Ultraschall).
r1 - Primärwicklungswiderstand,
r'2 - Sekundärwicklungswiderstand auf die Primärseite übertragen,
Zob - Lastimpedanz,
Z'ob - Lastimpedanz auf die Primärseite übertragen,
L1 - Primärwicklungsinduktivität,
Lr1, L'r2 - Wicklungsleckinduktivität.
In gut gefertigten Transformatoren liegt die Grenzfrequenz bei etwa 100 kHz. In jedem Fall sollte der Wert um ein Vielfaches höher sein als die angenommene obere Frequenz des Durchlassbereichs des Verstärkers.
Unter Verwendung der Formel (1) und Ersetzen der entsprechenden Werte bis zum Kernquerschnitt bestimmen wir die Anzahl der Windungen n.
Dann berechnen wir unter Verwendung der Formel (3) und unter Annahme der minimal erforderlichen Induktivität der Primärwicklung L1 die Anzahl der Windungen n1. Wir vergleichen den Wert von n und n1. Wir nehmen den größeren Wert für weitere Berechnungen.
Die Formel zur Berechnung der ungefähren Windungszahl für die angenommene Induktivität lautet wie folgt:
worin:
- n1 - Anzahl der Windungen der Primärwicklung,
- L1 - Primärwicklungsinduktivität [H],
- lr - die durchschnittliche Länge des Magnetflussweges im Transformatorkern [cm],
- μr - magnetische Permeabilität des Kerns; für Transformatorstahl und Ausgangstransformatoren ist μr = 500,
- Q - Querschnitt des Transformatorkerns [cm2].
Die Induktivität der Primärwicklung sollte so sein, dass die Wicklungsreaktanz bei der niedrigsten Durchlassbandfrequenz größer ist als der Betriebswiderstand der Endverstärkerstufe, der durch die Formel ausgedrückt werden kann:
worin:
- fd - die niedrigste Frequenz des Durchlassbereichs [Hz],
- Ror - Innenwiderstand der Endstufe (bei Push-Pull-Systemen von Anode zu Anode oder von Kollektor zu Kollektor).
Die Energieeffizienz η des Ausgangstransformators sollte hoch sein und η = 0,80 ÷ 0,90 betragen. Dies hängt hauptsächlich vom Widerstand der Wicklungen r1 und r2 ab. Geeignete Übungsformeln sind wie folgt:
Für Verstärker der Klasse A:
Für Verstärker der Klasse B:
worin:
- Zob - Impedanz der Lautsprechereinheit [Ω].
Wickeldrahtdurchmesser (ohne Isolierung) werden aus der Formel berechnet:
worin:
- d - Kabeldurchmesser [mm],
- lm - die Länge des Drahtes in der Wicklung [m],
- r - Wicklungswiderstand [Ω].
Das Transformatorumdrehungsverhältnis hängt von der Lastimpedanz und dem Transformatorwirkungsgrad ab. Das relevante Muster ist:
Wir berechnen die berechnete Anzahl von Windungen, Wicklungswiderständen und Drahtdurchmessern als vorläufige Daten, die nach dem Kauf der Drähte und der Konstruktion der Karkasse, auf der die Wicklungen gewickelt werden, korrigiert werden müssen. In der Regel sind die Wicklungen in Abschnitte unterteilt. Die Primärwicklung kann 4, 6 oder 8 Abschnitte haben. Die primären Wicklungsabschnitte sollten eine gerade Anzahl von Schichten aufweisen - nur dann befinden sich die Enden der Abschnitte auf der Außenseite der Karkasse und es ist möglich, sie nach außen zu führen. Dies gilt häufig auch für die Sekundärwicklungsabschnitte, obwohl es in diesem Fall bei Bedarf einfacher ist, interne Verbindungen herzustellen.
Bei Verstärkern der Klassen A und AB1 bemühen wir uns, einen niedrigen Wert der Streuinduktivität zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung zu erhalten. Es ist zulässig, die Primärwicklung auf die beispielsweise in Abb. 2a gezeigte Weise aufzuwickeln. Bei Verstärkern der Klassen B und AB2 muss darauf geachtet werden, dass eine gute Kopplung zwischen jeder Primärhälfte und der gesamten Sekundärwicklung gewährleistet ist, da die Primärwicklungshälften asymmetrisch arbeiten. Ein Beispiel für die Anordnung der Abschnitte ist in Abb. 2b gezeigt.
Abb. 2. Schemata der Anordnung der Transformatorwicklungsabschnitte.
1 - Abschnitte einer Hälfte der Gegentaktwicklung,
2 - Abschnitte der zweiten Hälfte der Gegentaktwicklung,
3 - Abschnitte der Sekundärwicklung des Transformators.
Nach der Herstellung der Karkasse wird ein Test durchgeführt, um die Anzahl der Windungen in einer Schicht zu bestimmen. Auf dieser Grundlage ist es möglich, die Anzahl der Windungen des Abschnitts und das Wicklungsschema des gesamten Transformators zu bestimmen, indem die Gesamtzahl der Windungen der Primär- bzw. Sekundärwicklung korrigiert wird.
Beispiel
(Dieses Beispiel enthält die Berechnung des Transformators für den Elektronenröhrenverstärker, der in der Ausgabe 9/1974 unseres Monatsmagazins beschrieben ist. In dem Buch, aus dem das Schema des Verstärkers stammt, werden nur die elektrischen Daten des empfohlenen Transformators ohne Konstruktionsdaten verwendet Die Regeln für die Berechnung von Transformatoren sind in den Büchern ausführlicher beschrieben: G. Cykin - Elektrische Signalverstärker, WKŁ Warszawa, und A. Witord - Elektroakustische Amateurverstärker, WKŁ Warszawa))
Ein Transformator für einen Verstärker auf Basis von 35-W-Elektronenröhren sollte entworfen werden. Der Innenwiderstand der PP-Stufe (von Anode zu Anode) beträgt laut Katalog 4000Ω. Verstärkerpassband 40Hz ÷ 15000Hz. 4Ω Lastimpedanz. Wir nehmen die zulässige magnetische Induktion B = 0,6T an.
1) Der gewünschte Querschnitt des Transformatorkerns:
2) Wir haben einen Kern mit den Abmessungen einer 50x50-Mittelsäule und eines 25x75-Fensters gekauft. Wir gehen davon aus, dass der Querschnitt des Kerns 23 cm2 beträgt.
3) Wir rechnen vor:
- aus der Bedingung für die Induktion im Kern (Formel 1):
Wenn wir die Leistung und den Innenwiderstand des Verstärkers kennen, können wir den Wert von Etr wie folgt berechnen:
- von der Bedingung zur Induktivität unter der Annahme von L1=20H:
Wir bekommen ungefähr 2000 Umdrehungen.
- gewickeltes Zahnrad:
- Primärwicklungswiderstand:
- Sekundärwicklungswiderstand:
- Wickeldrahtdurchmesser - unter der Annahme einer durchschnittlichen Spulenlänge von 0,26 m und 2000 Spulen:
was den Wert von d1=0,35 ergibt.
4) Wir haben es geschafft, ø0,40 und ø0,8 Draht in Emaille zu kaufen.
Die vom Pressbrett geklebte Karkasse hat die in Abb. 3 gezeigten Abmessungen. Ohne Wickler für Wicklungstransformatoren, aber nur eine provisorische Vorrichtung unseres eigenen Designs - entscheiden wir uns für ein recht einfaches Wicklungsdiagramm: die Primärwicklung - 4 Abschnitte und die Sekundärwicklung - drei parallel geschaltete Abschnitte (Abb. 4).
Abb. 3. Schlachtkörperabmessungen (Berechnungsbeispiel)
Der Wicklungstest ergab, dass durchschnittlich 60 Windungen in einer Schicht des Primärwicklungsabschnitts enthalten sind. Wir nehmen 8 Schichten pro Abschnitt für insgesamt 480 Umdrehungen. Die vier Hauptwicklungsabschnitte haben insgesamt 1.920 Windungen. Die Sekundärwicklung besteht aus 3 Abschnitten, die über die gesamte Breite des Schlachtkörpers (in einer Schicht) mit jeweils 64 Windungen gewickelt sind. Diese Abschnitte werden parallel geschaltet.
Abb. 4. Schema der Wicklung des Ausgangstransformators (Berechnungsbeispiel)
Wir prüfen erneut, ob die Berechnungen korrekt sind und ob die Wicklung in die Karkasse passt. Die Primärwicklung (16 Lagen) beträgt ca. 8 mm, die Sekundärwicklung (3 Lagen) weniger als 4 mm. Da der freie Raum in der Karkasse 21 mm beträgt, gibt es mindestens 9 mm für isolierende Abstandshalter, was mehr als ausreichend ist, vorausgesetzt, die Spulen sind ziemlich eng gewickelt und es werden Abstandshalter aus Kondensatorpapier oder speziellem Transformatorpapier verwendet. Zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung sollte eine bessere Isolierung aus Wachstuch oder einem dünnen Pressbrett verwendet werden, das mit Bakelitlack, Schellack oder einem anderen guten Isoliermedium imprägniert ist.
Für eine perfekte Symmetrie sind die Wicklungen 1 und 2 in eine Richtung und die Wicklungen 3 und 4 in die entgegengesetzte Richtung gewickelt. Nur dann befinden sich die Anoden am Ende des obersten Abschnitts.
Ein paar zusätzliche Bemerkungen. Wenn der Draht ø0,35 mm gekauft würde, wäre die Karkasse - mit einer Wicklung von 2000 Windungen und dem gleichen Wicklungsmuster - nicht vollständig gefüllt. Ein System von 4 Primärabschnitten (450 Windungen in 6 Schichten) kann dann mit einer Gesamtzahl von Windungen von 1800 verwendet werden, wobei das vorherige Sekundärwicklungssystem übrig bleibt. Sie können auch die Alternative in Betracht ziehen, die Primärwicklung auf 2400 Windungen zu erhöhen, indem Sie das Layout (und den Draht) der Sekundärwicklung ändern. Das Erhöhen der Anzahl der Windungen ist vorteilhaft, da die Induktivität der Primärwicklung (L1) mit einer leichten Verschlechterung anderer Transformatorparameter zunimmt.
A.W.
