输出变压器如何导致失真

分两部分 - 第 2 部分
Audio, March, 1957, Vol. 41, No. 3 (Successor to RADIO, Est. 1917)
(音频,1957 年 3 月,第 41 卷,第 3 期(RADIO 的后继者,Est. 1917)。)

Norman H. Crowhurst

音频变压器的操作长期以来一直笼罩着神秘的光环。 本文区分了输出变压器可以产生的不同形式的失真,并给出了一些简单的测量方法。

   由于无功负载引起的这种失真与变压器在高频下引起的失真非常相似,因此我们将两者一起考虑。 图 8 中的 (A) 显示了输出变压器的实际电路,而 (B),图 8 显示了输出管所见的负载。


图 8 高频响应输出变压器实用等效电路图:(A)实际电路:(B)输出管等效板载。

   直接从板到板分流的是变压器的初级电容。负载电阻按比率 N2 增大,但由于初级绕组和次级绕组之间的漏磁通,在负载和管之间存在有效电感,如图 8(B)的等效电路所示漏电感。

   绕组电容与电路中的任何其他电容具有相同的特性。漏感与任何空心电感完全相似:它不会引起自身失真。

   然而,如果漏感是高频端的主要电抗,那么负载电阻(回到初级端)看起来就像是一个串联电感的电阻。如果输出管在负载电阻上加上串联电抗引起失真,那么这种变压器就会出现失真。

   在其他放大器中,当与负载电阻并联添加电抗时,失真可能会出现得更快。在这种情况下,绕组电容是高频端主要电抗的变压器将更快地显示失真。

    通过查看与电阻负载串联和并联施加的电抗对合成负载线的影响,可以更容易地理解这些事实。 产生的椭圆种类如图 9 和图 10 所示。当这些椭圆离题应用于管特性时,当椭圆在一侧偏离直线时,畸变可能会比在另一侧更迅速地出现。


图 9. 一系列椭圆负载线代表逐渐增大的电抗值与恒定电阻值串联,由直线表示。 顶部和底部的平行斜线代表了极端电网电压偏移的理想管特性。


图 10. 一系列椭圆负载线代表具有恒定电阻值的并联电抗。

  图 8 中 (B) 的电抗可以导致负载线打开为椭圆的两种方式在图 11 中与复合管特性进行了对比。串联漏电感导致电压降增加 负载并在降低电流的同时增加有效的极板电压摆幅。 分流电容从输出管获取额外电流并趋于降低板电压摆幅。 结果椭圆取决于这两种效应中的哪一种更大。 正如我们现在将看到的,变压器可以对输出管呈现两种阻抗响应中的一种。 从潜在的高频失真的角度来看,这是可能出现相同频率响应的不同输出变压器之间最重要的区别。

电抗如何导致失真

     在图 11 中,几乎平行的线并不是粗心绘制的尝试——它们代表了一对以推拉方式运行的五极管或四极管类型的管的典型复合曲线。 在实践中,这些线不会是直的,而是稍微弯曲的。 为了使绘图更容易,已显示直线,但线的角度代表典型的管。 通过工作点的中间线处于最浅的斜率,而代表交替管上零电网电压的极值线具有最陡的斜率。 这个事实通常是正确的,无论是使用五极管还是三极管——四极管或五极管类型的管比三极管更突出,但趋势是一样的。


图 11. 与高频响应中不同可能性相关的复合特性上的负载线:跨越特性的直线代表中频的电阻负载值。

  标记在两个椭圆上的箭头表示工作点在一个循环过程中绕椭圆移动的方式。 请注意,对于并联电容,连续电网电压线上的交叉点之间的间距从零开始比从回来更宽,而对于串联电感,从零开始比从回来更窄。 这会在图 12 的正常波形显示中引入一种失真形式。


图 12 可能的输出波形,对应于图 11 所示负载线的种类:(A)为串联电感元件; (B) 对于纯电阻(唯一的正弦波曲线); (C) 用于并联电容组件。 虚线部分说明剪辑开始时的附加效果。

   在曲线 A 中,从每个峰回到零线的斜率比从零线到下一个峰的斜率更陡峭。曲线 B 是代表带有电阻负载线的输出的正弦波,而曲线 C 显示了与曲线 A 相反的情况,从零到峰值的上升斜率比从峰值返回到零的斜率更陡。

   如果电网电压摆幅比图 11 所示的幅度增加一点,负载线的两端都会发生削波。图 12 中的虚线部分显示了削波如何出现在每个输出波形上。

   现在回到分流初级电感导致失真的情况。这将在与图 11 中并联电容所示位置类似的位置产生一个椭圆,因为它会在电压摆幅低于电阻负载线的情况下汲取更多的极板电流,但旋转方向将相反,因为它是相反的电抗。这意味着波形的种类将类似于由串联电感产生的波形,如图 12 中的 A 所示。如果由于这种分流效应(可能由反馈辅助)而发生削波,则平坦化也将处于类似的位置到曲线 A 所示。

   所有上述讨论都是基于对称形式的失真。由于输出变压器的不对称负载,会出现某些类型的失真,尤其是在高频时。如果漏电感和绕组电容在初级的两半之间不是均匀分布的,则每半都可能有自己的谐振频率模式。这将导致两个板电路的相位差(正常 180 度除外)。而这些差异,特别是在 (a) 五极管输出电路和 (b) 整体反馈中,会产生最不稳定的不对称波形失真形式。从某种意义上说,输出变压器是造成这种失真的原因,但这并不是公认意义上的非线性。变压器中引起它的所有电抗都是线性电路元件。

识别失真

   图 7 和图 12 所示的曲线显示了当存在相对较大的失真量时波形如何偏离正弦曲线。当它大大低于 5% 时,很难从波形中确定失真的原因。所以我们需要一种更精确的观察方法。在某些情况下,如果没有应用整体反馈,失真会超过 5%。在这些情况下,刚刚描述的测试方法很有帮助,因为即使连接了反馈,它也会显示原始失真量。

   这种非常简单的方法使用示波器上的环路轨迹,使用图 13 所示的设置。如果应用了整体反馈,则板上的波形实际上可能是正弦的,但要实现这一点,网格上的波形可能需要大大偏离真正的正弦波。然而,分别观察的两个波形可能与正弦波非常接近,以至于很难确定发生了哪种失真,但通过使用环路跟踪观察方法将两个波形进行比较,失真的种类很多更容易识别。


图 13. 将示波器应用于放大器电路以检查低频和高频输出变压器性能的方法。 在应用此方法之前,应检查网格和平板上的波形的对称性。

   在应用此方法之前,建议确保放大器平衡以查看两个网格上的波形以及两个板上的波形相同。 每侧波形之间的差异表明放大器某处缺乏适当的平衡,在进一步调查之前应注意这一点。 此过程已在别处充分描述,因此我们将假设放大器在良好平衡的条件下运行。

   图 14 显示了使用我们讨论过的各种失真将获得的轨迹种类,不对称的除外,它会导致多种形式,以至于没有任何轨迹可以被视为具有代表性。 这些有些夸张,因此可以清楚地看到形状的差异。 观察示波器轨迹,即使失真很小,也能快速识别出这些变化中的哪一个(或两个或更多的组合)正在发生。


图 14. 与不同失真源相关的轨迹种类: (A) 仅由于磁化电流波形; (B) 由于磁化电流具有很高的电感性,会产生相当大的相移; (C) 由于管曲率和任何种类的电抗分量; (D) 由于无功分量引起的削波:实线代表电网电压水平,板电压垂直; 虚线是一个真正的椭圆,用于比较; 点划线表示在发生削波之前从某个点获取输入波形的形状。

   在图 14 中,(A) 是由饱和而不是电抗负载产生的那种轨迹。这种形状的原因将通过参考图 7 的 (B) 看出,其中输入和端电压实际上同相,但后者具有相当大的失真。

   (B) 显示了由图 7 中 (A) 处表示的关系产生的轨迹类型,其中主要影响是由于感抗。磁化电流接近 90 度。相位滞后于端电压。在图 7 的 (A) 中,电流是正弦的,电压波形失真。如果使用整体反馈来“校正”输入波形,使输出电压波形几乎是正弦的,那么关系的顺序将是相似的,因此光点将围绕相似的轨迹移动,但其移动速度会有所不同。无论哪种方式,都会显示类似于图 14 中的 (B) 的循环。

   (C) 显示了由反应椭圆在推拉特性上产生的轨迹类型。如果椭圆通过沿交替象限拉直和沿其他象限弯曲而偏离其真实形状,如此处所示,失真的原因是输出管上的无功负载。

   (D) 显示了削波对电抗负载的影响。如果水平偏转取自栅极电路,如图 13 所示,偏移将突然受到栅极电流的限制,从而产生实线所示的“切断”端。虚线显示了在没有剪裁的情况下真正的椭圆形。如果水平偏转是从放大器中较早的某个点获取的,则网格削波不会显示在水平线上,但其在输出波形上的结果会产生失真,如图 14(D)中的点划线所示。

阻抗特性

   通过在这些更高频率上扫描音频发生器,我们可以看到变压器为输出管产生什么样的负载线响应。 图 15 显示了一种变化,它代表了在连续更高频率下呈现的显示:从负载为电阻的中频频率开始; 首先,漏电感增加了输出电压,产生了一个斜率略有增加的椭圆,如图(B)所示; 继续到更高的频率,容抗开始生效:达到两个电抗组件产生动态电阻负载线的点,如 (C); 因为现在有效电阻高于原始值,所以线迹的斜率将比 (A) 处更陡。


图 15. 当感性和容性电抗共振时,频率逐渐升高时的模式序列: (A) 中频 - 全阻性; (B) 串联电感起主要作用; (C) 两者结合产生高于 (A) 的电阻动态阻抗; (D) 和 (E) 当容抗接管时的连续形状。

   不要将坡度与长度混淆。如果放大器的频率响应不均匀,线的长度或走线的尺寸可能会增加或减少,但斜率仅表示输出级的相对幅度。

   在 (D) 处,频率的进一步增加将电抗转向容性侧,并且输出幅度相对于输入幅度正在下降;最后,在 (E) 处,容抗正在向高频滚降方向发展。

   变压器可以呈现给输出级的另一种负载阻抗特性始终以容抗为主。发生这种情况是因为漏电感非常低,以至于负载电阻与初级紧密耦合,并且在漏电感产生明显影响之前初级电容会产生相当大的滚降。

   在这种情况下,图 15 中(B)、(C)和(D)所代表的中间图案也不会出现,但会直接从图 15 中 A 的直线过渡到 方向上的椭圆在(E)中表示。

最终结论

   根据事实,普遍存在的对输出变压器的偏见似乎是没有根据的。这并不意味着我们应该转过身来再次在电路的其他地方用音频变压器代替电子管。也许由于偏见,级间变压器过早地死亡了一点,但无论如何,总体反馈的出现都会签署他们的死亡令。事实是,电子管仍然是失真的主要原因。

   本文重点介绍了如何对变压器的性能进行测量,并从特定角度来确定失真的原因。有时两个变压器可能基本一样好,但如果不进行某些电路修改,它们在同一个放大器电路中的运行效果不会一样好。我们需要知道的是如何进行更改,以便更换变压器可以产生最佳效果。在另一篇文章中,我们将讨论如何对放大器中工作的不同变压器进行测量以及如何确定产生最佳工作条件的必要变化。

(第1部分)

电子管爱好者文章内容由 Grzegorz 'gsmok' Makarewicz 提供。