Как выходной трансформатор вызывает искажения - часть 1

Информация о материале
Категория: Audio USA
Опубликовано: 03.10.2021, 07:51
Автор: Grzegorz Makarewicz
Просмотров: 2365


Как выходной трансформатор вызывает искажения
В двух частях - часть 1
Audio, February, 1957, Vol. 41, No. 2 (Successor to RADIO, Est. 1917).
(Аудио, февраль 1957 г., т. 41, № 2 (Преемник РАДИО, основано в 1917 г.).)
Norman H. Crowhurst

Работа аудиопреобразователей уже давно окружена аурой таинственности. В этой статье рассматриваются различные формы искажений, которые может создавать выходной трансформатор, и приводятся некоторые простые методы измерения.

   Использование аудиопреобразователей давно обесценилось по причине того, что они вызывают искажения. Фактически выходной трансформатор, кажется, почти единственный оставшийся в живых из этого вида, и было сделано много попыток обойтись даже без этого. Было разработано несколько усилителей без выходного трансформатора, очевидно, в расчете на то, что выходной трансформатор является основной остающейся причиной искажений.

   Тщательный анализ обычно показывает, что лампы вносят больше искажений, чем мог бы иметь выходной трансформатор, и что хорошо спроектированный усилитель с использованием обычного выходного трансформатора может достичь гораздо более низкого порядка искажений, чем это возможно без него.

   Несколько простых фактов о трансформаторах, кажется, упускаются из виду: когда кривизна лампы вызывает искажения, она искажает все частоты; но искажение, вызываемое трансформатором из-за нелинейности его тока намагничивания, сосредоточено на низкочастотной стороне. Самый плохой трансформатор не будет искажать средние частоты, а то, как он искажается как на низких, так и на высоких частотах, - это одна из вещей, которые мы проясним в этой статье.

   Но, наверняка, кто-то скажет, трансформатор может вызывать искажения на средних частотах? «Я помню, как заменил трансформатор, и замена не дала бы такой мощности без искажений, как оригинал». Разве это не доказывает, что трансформатор искажает среднюю частоту? Чтобы понять причину этого, давайте рассмотрим влияние КПД трансформатора на характеристики усилителя.

Важность эффективности

   Усилители рассчитаны на определенный максимальный выход, определяемый характеристиками выходных ламп. Однако выходная мощность всегда измеряется на вторичной стороне выходного трансформатора, как показано на рис.1.


Рис. 1. Обычный метод измерения выходной мощности состоит из расчета мощности, рассеиваемой в нагрузочном резисторе, подключенном к вторичной обмотке выходного трансформатора. Хотя это доступная выходная мощность, выходные лампы на самом деле дают немного больше.

   Хороший выходной трансформатор, вероятно, имеет КПД около 95%. Это означает, что если усилитель выдает выходную мощность 50 Вт, измеренную на вторичной стороне трансформатора, на первичную сторону должна подаваться выходная мощность около 53 Вт от выходных ламп. Выходные лампы должны выдавать почти 53 Вт, чтобы мы могли измерить хорошие 50 Вт.

   Это немного сложно проверить фактическими измерениями. Самый простой шаг - удалить вторичную резистивную нагрузку и приложить нагрузку «пластина к пластине» на первичную, как показано на рис. 2. Если вторичная нагрузка составляла 16 Ом, а трансформатор возвращает, скажем, 6000 Ом. Сопротивление пластина-пластина, затем резистор 6000 Ом с мощностью рассеяния не менее 50 Вт должен быть подключен к первичной обмотке. Мощность теперь подается выходными лампами непосредственно на нагрузку, не проходя через выходной трансформатор, и теперь ее можно измерить с помощью резистора на 6000 Ом.


Рис. 2. Подключение подходящего нагрузочного резистора к первичной обмотке выходного трансформатора для измерения мощности позволяет избежать некоторых потерь в выходном трансформаторе, но лампы по-прежнему должны обеспечивать потери в сердечнике.

   Но все потери в выходном трансформаторе не были устранены путем переключения нагрузки с вторичной обмотки на первичную. Потери в сердечнике трансформатора все еще присутствуют. Если из 3 Вт, потерянных в трансформаторе, 1 Вт приходится на потери в сердечнике и 2 Вт на потери в сопротивлении обмоток, мы будем измерять только 52 Вт в нагрузке, подключенной к первичной обмотке, потому что нечетный 1 Вт все равно будет потеряно в ядре.

   Это обсуждение основано на трансформаторе с КПД 95%. Выходной трансформатор мощностью 50 Вт с КПД 95% и действительно хорошей частотной характеристикой от 20 до 20 000 гц будет довольно большим и дорогим. 5-процентная потеря мощности составляет всего 0,2 дБ, поэтому некоторые будут утверждать, что мы можем принять трансформатор с КПД 90%, который по-прежнему представляет собой потерю менее 0,5 дБ, чтобы достичь лучшего качества с точки зрения частотной характеристики. по более разумным размерам и цене. Во-первых, в некоторых аспектах второй трансформатор можно рассматривать как более качественную работу, чем первый, но. . .

   Предположим, мы заменили 90-процентный трансформатор на усилитель, в котором изначально использовался 95-процентный трансформатор: лампы по-прежнему будут способны выдавать ту же мощность - чуть меньше 53 Вт, что при 95-процентной мощности. эффективный трансформатор выдает 50 Вт на вторичной обмотке; но с трансформатором с КПД 90% те же лампы будут давать лишь немногим более 47 Вт на вторичной обмотке.

   На первый взгляд это может показаться не очень серьезной потерей. Если вы сделаете измерение при 47 Вт на вторичной обмотке, вы сможете правильно оценить его истинное значение. Но, к сожалению, выходные лампы, дающие 50 Вт, быстро испытывают искажения, когда их повышают до более высокого уровня. Характеристика искажения аналогична показанной на рис. 3: искажение при 53 Вт, необходимых для получения 50 Вт от трансформатора с КПД 95%, может составлять всего 0,5%; но для получения почти 56 Вт, необходимых для трансформатора с КПД 90%, искажения могут возрасти до 2,5% или даже больше. Таким образом, если измерение производится только на уровне 50 Вт, измеренном на вторичной обмотке, можно легко получить впечатление, что второй выходной трансформатор значительно увеличивает искажения по сравнению с первым.


Рис. 3. Типичная характеристика искажения усилителя, построенная в зависимости от мощности, отдаваемой лампами, чтобы проиллюстрировать, как использование трансформаторов с разной эффективностью может значительно изменить искажение при номинальной максимальной выходной мощности, поскольку лампы также должны питать трансформатор. убытки.

   К сожалению, также многие люди уделяют большое внимание получению полной заявленной мощности в пределах номинального предела искажений. Если заявлено, что выходная мощность составляет 50 Вт при 0,5-процентном искажении, то считается, что усилителя серьезно не хватает, если он выдает только 48 Вт с 0,5-процентным искажением и достигает 2 или 3-процентных искажений при выходе выдвинул на 50 ватт. Эта точка зрения может серьезно повлиять на оценку качества трансформатора, когда единственный недостаток трансформатора состоит в том, что он немного менее эффективен: он приводит к потере 0,5 дБ или, возможно, даже меньше, вместо исходных 0,2 дБ.

Низкочастотные искажения

   На низкочастотном конце отклика выходной трансформатор вызывает искажения из-за насыщения сердечника, что вызывает нелинейный ток намагничивания. Когда-то это всегда было правдой. Но в последние годы, с учетом современных магнитных материалов и некоторых методов работы с лампами, это утверждение, как мы увидим, нуждается в изменении. Сначала давайте посмотрим, как мы измеряем низкочастотную форму сигнала самого трансформатора и какие результаты мы получаем.

Формы сигналов трансформатора

   На рис. 4 (A) показано устройство для измерения тока намагничивания в простом трансформаторе с помощью диаграммы осциллографа. Резистор R следует выбирать таким образом, чтобы его падение напряжения составляло небольшую часть от падения напряжения на обмотке трансформатора, поэтому напряжение на обмотке также близко к синусоидальному. Поскольку полного линейного напряжения, вероятно, будет недостаточно для создания насыщения в передней части выходного трансформатора, для испытания следует использовать вторичную обмотку, оставив первичную обмотку включенной и стараясь не приближаться слишком близко к разомкнутым концам, что приведет к непомерно большой ac Напряжение.

   Важно следить за тем, каким образом Variac подключен к линии, а также следить за тем, чтобы сторона земли прицела не возвращалась к линии заземления, потому что в этих измерениях заземление прицела возвращается к плавающей точке. между резистором R и одной стороной обмотки трансформатора. Поэтому будьте осторожны, чтобы не было более одной точки заземления, а также избегайте контакта металла с металлом между корпусом прицела и другим заземленным шасси.


Рис. 4. Схема построения осциллографических осциллограмм: (A) схема построения осциллограммы (A) на рис. 5; (B) соединения для установки 90 град. фазовый сдвиг, отрегулировав, чтобы получить круг (B) на фиг. 5; (C) соединения для использования с 90 град. фазовый сдвиг для получения петли гистерезиса в точке (C) на фиг. 5; (D) схема с переключением, так что каждый дисплей может быть представлен в быстрой последовательности.

   Тип кривой, который дает схема (A) на рис. 4, когда сердечник начинает переходить в насыщение, показан на (A) на рис. 5. Напряжение, приложенное к вертикальным пластинам, приблизительно синусоидальное, в то время как горизонтальное напряжение следует за осциллограмма тока намагничивания, показанная отдельно относительно стандартной временной развертки в (D) на рис.5.


Рис. 5. Следы, связанные с анализом сердечника: (A) ток намагничивания по горизонтали с напряжением по вертикали, с использованием почти синусоидальной формы волны напряжения; (B) круговой шаблон для проверки на 90 град. фазовый сдвиг в отображении напряжения; (C) петля гистерезиса, полученная под углом 90 град. смещение по вертикальным тарелкам; (D) формы сигналов, отображаемые по нормальной временной развертке, соответствующие шаблонам (A) и (C). Магнитный поток показан пунктиром, потому что он не может быть отображен напрямую.

   С небольшой адаптацией можно сделать схему так, чтобы она отображала хорошо известную петлю гистерезиса для сердечника трансформатора. Необходимые изменения показаны в (B) и (C) на рис. 4. Когда используется синусоидальное напряжение, магнитный поток в сердечнике также является синусоидальным, но смещен на 90 градусов. от напряжения, которое он индуцирует. Итак, введя 90 град. сдвиг фазы при вертикальном отклонении, мы можем создать петлю гистерезиса.

   Сначала мы должны настроить угол 90 град. сдвиг фазы. Для этого добавляются компоненты, показанные позицией (B) на рис. 4, и регулируемый резистор 0,25 МОм и регуляторы усиления осциллографа настраиваются так, чтобы получить круговую кривую, показанную на рис. 5. Затем, не изменяя настройку 0,25- Мэг. резистора, измените схему на расположение C на рис. 4, когда отобразится петля гистерезиса, показанная на (C) на рис. 5.

   Эта настройка даст петлю гистерезиса 60 гц, и ее поведение на разных уровнях можно будет наблюдать, поворачивая вариак вверх и вниз. Однако, чтобы организовать настройку так, чтобы эту процедуру можно было повторять на разных частотах, можно включить схему переключения (D) на рис.1, которая обеспечивает выполнение соединений, показанных на (A), (B) и (C). ) фиг.4 в быстрой последовательности. Затем Variac должен питаться от мощного усилителя, который выдает необходимое напряжение без искажения формы волны на требуемых частотах.

   Если вы переключите осциллограф обратно на обычную временную развертку, что означает, что горизонтальный вход затем отключается, а вертикальный отображается в зависимости от времени, можно получить волновые формы, показанные в (D) на рисунке 5 (за исключением формы волны магнитного потока, потому что там не является средством измерения этого). Хотя эти формы сигналов могут быть отображены, нет простых средств определения относительной фазы. В этом заключается преимущество использования отображения в виде петли, показанного на рис. 5 в точках (A), (B) и (C).

Трансформаторы в ламповых цепях

   Все эти дисплеи используют по крайней мере приблизительно синусоидальную форму волны напряжения. Искажение возникает из-за отклонения напряжения от истинной синусоидальной волны. Это происходит из-за того, что искаженная форма волны тока берется из сопротивления источника, которое вызывает падение напряжения. В схеме на рис. 4 мы использовали вариак и резистор R с низким сопротивлением, чтобы поддерживать приблизительное синусоидальное напряжение, избегая этого падения напряжения. Но в практических схемах усилителя сопротивление пластин выходных ламп не допускает этого условия.

Выходные каскады пентода

   Пентод фактически является источником «тока», поэтому, переходя на мгновение в другую крайность, мы можем предположить, что ток синусоидальный, как показано в (A) на рис. 6. В этом случае магнитный поток будет определяться из петля гистерезиса и напряжение, в свою очередь, создаются скоростью, с которой поток изменяется в любой момент. Формы сигналов показаны позицией (A) на рис. 7. Ток и напряжение, конечно, могут отображаться на осциллографе, но магнитный поток мы можем только вывести.


Рис. 6. Отображение величин, представленных на рис. 7: (A) питаемый от пентода или источника с высоким сопротивлением, ток синусоидальный; (B) с более низким сопротивлением источника ни напряжение, ни ток не являются синусоидальными.


Рис. 7. Осциллограммы в различных практических схемах: (A) с пентодом или источником с высоким сопротивлением, ток синусоидальный; (B) с более низким сопротивлением источника эти формы сигналов являются типичными.

   Эти формы сигналов относятся приблизительно к выходному каскаду пентода без обратной связи. Когда используется обратная связь, форма волны напряжения возвращается по всему усилителю, чтобы «скорректировать» форму волны тока, которая больше не является синусоидальной.

Выходные каскады триода

   (B) на рис. 6 показывает, как мы можем моделировать условия для триодных усилителей. Входное напряжение, которое является синусоидальным, можно рассматривать как напряжение холостого хода на пластине. Это входное напряжение, приложенное к сетке, умноженное на коэффициент усиления лампы. Сопротивление источника соответствует сопротивлению трубной пластины, и из-за падения этого сопротивления источника из-за тока, потребляемого обмоткой трансформатора, напряжение на клеммах будет отличаться от выходного напряжения, как показано позицией (B) на рис.7.

   Обратите внимание, что напряжение на клеммах гораздо ближе к совпадению по фазе с входным напряжением, чем соотношение фаз между напряжением и током в точке (A) на рис.7.

   Из этого краткого обсуждения становится очевидным, что ток намагничивания и напряжение на клеммах трансформатора не могут быть одновременно синусоидальными. На практике оба они отклоняются от истинной синусоидальной волны по форме, что приводит к определенным искажениям.

Другой вид низкочастотных искажений

   Однако, если ток намагничивания составляет относительно небольшую долю от общего тока в обмотках трансформатора, искажение может составлять очень небольшой процент. Эти кривые отображены при ненагруженном трансформаторе, так что ток намагничивания является единственным током в обмотках. Если бы трансформатор был отключен нормальным сопротивлением нагрузки, формы волны, вероятно, были бы неотличимы от чистых синусоидальных волн, а искажения можно было бы обнаружить только с помощью анализатора.

   Ток намагничивания неизменно связан с эффективной индуктивностью первичной обмотки, а способ искажения трансформатора на низкой частоте зависит от точного соотношения между индуктивностью первичной обмотки и током намагничивания. Два числовых случая проиллюстрируют это различие.

   Во-первых, предположим, что ток намагничивания составляет 10 процентов от тока нагрузки. Это означает, что реактивное сопротивление первичной индуктивности будет в десять раз больше сопротивления первичной нагрузки. Это вызовет ослабление менее 0,05 дБ. Но если бы этот ток намагничивания переходил в состояние насыщения, так как форма волны тока намагничивания, как показано в (B) на рис. 7, содержит 20 процентов гармоник, этот ток намагничивания, составляющий 1/10 от общего тока нагрузки, мог бы дать 1 / 10-я величина искажения выходного сигнала, или 2%.

   Второй вид искажения, который может возникать на низких частотах, вообще не связан напрямую с формой волны тока намагничивания. Трансформатор может хорошо работать в пределах предела насыщения, но индуктивность представляет собой реактивное сопротивление, скажем, вдвое больше, чем сопротивление нагрузки. Это приведет к потере около 1 дБ на этой частоте, а также приведет к тому, что линия нагрузки на характеристиках лампы расширится в виде эллипса. В этом случае присутствующие искажения будут вызваны эллиптической линией нагрузки, а не нелинейностью тока намагничивания трансформатора.

   Другой вариант этого условия возникает в усилителях с большим количеством обратной связи. Это приводит к низкому эффективному сопротивлению источника, поэтому искажающая составляющая тока намагничивания не искажает заметно напряжение. При коэффициенте демпфирования 30 ток намагничивания, составляющий 25% тока нагрузки и содержащий 30% гармоник, вызовет искажение на выходе только 0,25%. Но 25-процентный реактивный ток намагничивания может вызвать защемление трубок, что приведет к гораздо большим искажениям, чем это.

(будет завершено)

(Часть 2)

Содержание архивной статьи предоставил Grzegorz 'gsmok' Makarewicz