Расчет выходного трансформатора однотактного лампового усилителя – Проектируем выходной трансформатор для лампового усилителя – Усилители на лампах – Звуковоспроизведение

Проектируем выходной трансформатор для лампового усилителя – Усилители на лампах – Звуковоспроизведение

h2 align=”center”>Проектируем выходной трансформатор для лампового усилителя.

Часть первая.

Каждый радиолюбитель, пожелавший собрать ламповый усилитель, сталкивается с вопросом, а какой же ТВЗ ему применить для своей конструкции?
Как рассчитать, как намотать или заказать трансформатор по расчётным данным?
Ведь в интернете он наверняка вычитал, что ТВЗ – это чуть ли не самый главный элемент всего устройства. И от его качества и параметров зависит в целом качество звука всего усилителя.

Так какие же параметры важнее всего в выходном трансформаторе? Как их рассчитать?
Этому и будет посвящена данная статья.
В ней нет ничего нового. Все данные для расчётов взяты из учебников 50 х годов прошлого столетия. А я лишь постараюсь «простым , доступным языком», изложить их здесь с учётом того, что современные носители звука используют полный звуковой диапазон от 20 Гц до 20 кГц, а наш усилитель и ТВЗ в том числе должен с запасом как вниз, так и вверх перекрывать этот диапазон.

Итак, Его величество – выходной трансформатор.
Какие же параметры выходного трансформатора главней всего?
Да практически все. Это:

– КПД – η

– Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток r1 и r2,

– Ra = R~ = Ra~ – полное сопротивление анодной нагрузки, т.е. нагрузка, на которую будет нагружена лампа во время работы с вашим ТВЗ и подключенной к нему акустикой.

– а – коэффициент «альфа», отношение Ra/ Ri, сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению лампы в рабочей точке.

– L – индуктивность первичной обмотки,

– Ls – индуктивность рассеяния,

– n – коэффициент трансформации

– Rвых – выходное сопротивление усилителя, определяется внутренним сопротивлением выбранной лампы и параметрами выходного трансформатора.

– Кд – коэффициент демпфирования. Отношение Rн / R вых. Сопротивления нагрузки (динамика) к выходному сопротивлению усилителя.Чем он больше, тем лучше, и при определённых значениях и более, ваш усилитель будет одинаково хорошо звучать с любой по сложности импеданса акустикой.

Итак, для примера я выбираю лампу 300В одного из производителей. Её предельно допустимые электрические параметры следующие:
Ua = 450 вольт,
Ia = 100 ma.
На её ВАХах с помощью программы «TubeCurve» строю нагрузочную линию (обозначена красным).

Согласно своим желаниям. Определяю режим работы лампы.

Ua = 400,53 V,

Ia = 91,78 ma,

Ug1 = – 80 V

Pa = 36,76 watt,

Ra

= 5,99 kOm,

Ri = 0,67 kOm,

Pout = 6,304 watt,

КНИ = 2,586%.
Не превышает предельно допустимых.

Это можно проделать и вручную, распечатав ВАХи принтером на листе бумаги.
Определяем коэффициент «Альфа» = а – коэффициент нагрузки.
а = Ra / Ri = 5,99 kOm / 0,67 = 8,94

Многие могут возразить: Ведь коэффициент «Альфа» выбирается 3 – 5 Ri.
Отвечу: альфа = 3 – не “хайэнд”, альфа = 5-7 – неплохо, альфа = 9-10 – для особых гурманов.
Не причисляю себя к особым гурманам, поэтому выбрал режим неплохой, но очень близкий к последним.
Если вы заметили, я ещё данным режимом потерял немного выходной мощности.
Лампа 300В обычно без труда выдаёт 8 ватт при анодной нагрузке 2,5 – 3 кОм.
Хочу заверить, что потеря мощности ввиду увеличения анодной нагрузки, практически не заметна по слуховым ощущениям. Да и на 6 ватт мне вряд ли когда доведётся эту лампу слушать.

Далее: определяем коэффициент трансформации .

Сопротивление моей нагрузки (динамика) Rn = R2 = 8 Ом.
Отсюда n = √ 8 / 5990 = 0,0365, или Ктр = 27,36.

Расчёт целесообразней всего начинать от КПД – коэффициента полезного действия.
Многие именитые могут заявить: «Да плевать нам на этот КПД, подумаешь, потеряем немного выходной мощности, мы в “хайэнде” за мощностью не гоняемся!»
При этом забывают, что КПД зависит напрямую от активных сопротивлений r1 и r2, это во-первых, а во-вторых – от этих же сопротивлений зависит R вых оконечного каскада усилителя.
Чему же равен КПД? (η)

Вычисляем:  КПД =  27,36 * 27,36 * 8 Om / 5990 Om =0,99.
Пусть вас не пугает эта цифра. Она говорит только о том, что мы на правильном пути.
Пугать должна цифра 0,85 или даже 0,8. А мы, от идеального трансформатора перейдём к более реальному и зададимся КПД = 0,95. Можно взять и больше, но габариты такого трансформаторы будут неимоверно увеличиваться в размерах. О чём каждый может потом посчитать…

Леонид Пермяк с «Хаенд – борды» составил и любезно предложил график определения R вых. % выходного сопротивления усилителя от КПД трансформатора и выбранного коэффициента «Альфа».

Тогда, при КПД = 0,95 и «Альфа» = 0,89 R вых = 17% от нагрузки 8 Ом.
R вых = 1,36 Ом. И это очень хорошее значение для нагрузки 8 Ом.
Хочу отметить, что этот результат не точный. Он прикидочный, чего нам ожидать.
После вычисления активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток, получим более точный результат выходного сопротивления.
Кд (коэффициент демпфирования) при этом будет = 8 / 1,36 = 5,88.

Для нагрузки 4 Ом, R вых. Должно быть меньше 1 ома.
А как же нам получить эти 1, 36 Ом ??? Для этого вычислим максимально допустимое сопротивлений первичной

r1 и вторичной r2 обмоток.

r1 = 0,5 * 5990 * (1 – 0,95) = 149, 75 Ом. Вполне выполнимая задача. И она благодаря высокому выбранному Ra – сопротивлению анодной нагрузки.

r2 = 0,5 * 8 * (1 – 0,95) / 0,95 = 0,21 Ом.

Итак, максимально допустимые активные сопротивления первичной и вторичной обмоток равны 149,75 Ом и 0,21 Ом соответственно. Меньше эти значения могут быть. Это приведёт к улучшению параметров всего ТВЗ. А увеличение этих значений – к ухудшению.

Теперь можно вычислить, какое будет R вых. усилителя.

R вых. = 0,21 + (670 Ом + 149,75 Ом)/ 27,36 ² = 1,17 Ом. Замечательный результат.
Выходное сопротивление уменьшилось, значит увеличится коэффициент демпфирования.

Далее вычисляем минимально необходимую индуктивность первичной обмотки L1 для нижней частоты. Для этого воспользуемся формулой сопротивления эквивалентного генератора для нижней частоты.

r1 – активное сопротивление первичной обмотки;

r2 – активное сопротивление вторичной обмотки;

r’2 = r2 * Ктр² – активное сопротивление вторичной обмотки, приведённое к первичной цепи;
R’2 = R2 * Ктр² – сопротивление нагрузки, приведённое к первичной цепи.
R2 – сопротивление нагрузки (динамика). Вычисляем Rэн.

(Ri + r1) = 670 + 149,75 = 819,75
r’2 = 0,2 * 27,36² = 149,71
R’2 = 8 * 27,36² = 5988,56
(r’2 + R’2) = 6138,27
тогда,
Rэн = 819,75 * 6138,27 / 819,75 + 6138,27 = 723,17 Ом.

Вычисляем минимально необходимую индуктивность первичной обмотки L1.

Приняв Fн=10Гц и спад на этой частоте -3 дБ (выражение под квадратным корнем при спаде – 3 дБ = 1, Мн – коэффициент частотных искажений ), вычисляем минимально допустимую индуктивность первички:

L1 = 723,17 / 6,28 * 10 = 11,52 Гн. Округлю до 12 Гн.

Кто-то может возразить, что уж больно мала получилась индуктивность первичной обмотки. Она должна быть как минимум раза в 3 больше. Но, параллельно первичке (и приведённой к ней нагрузке) у нас прежде всего подключено Ri лампы, равное в данном случае 670 Ом. И оно хорошо демпфирует первичку, от которой теперь уже не требуется большой L1.

Потому-то я и старался применить лампу с маленьким Ri – чтобы не потребовалось большой индуктивности и многих витков первички.
Применённая мной формула Rэн есть выражение для двух параллельно соединённых сопротивлений – Ri и Ra c учётом паразитных активных сопротивлений.

Однако, в этой бочке мёда есть и ложка дёгтя. И выражается она в том, что норма на спад величиной -3 дБ слишком слабая. Дело в том, что если на какой-то НЧ-частоте такой спад, то ощутимый спад начинается где-то на декаду выше этой частоты, т.е., если такая норма заложена на частоте 10 Гц, то начало спада – где-то на 100 Гц.

Вот картинка, только из очень древней книги:

Именно поэтому, для того, что бы получить «полноценную» частоту 40 Гц, многие ГУРУ, рассчитывают ТВЗ для нижней частоты Fн = 5 – 6 Гц.
Не буду пересчитывать на Fн = 5 Гц и продолжу расчёт как задумал. А каждый желающий может это проделать самостоятельно, и посмотреть что из этого вышло.

Продолжение следует.

 

vprl.ru

Методика расчета и конструирования выходных трансформаторов НЧ ламповых усилителей.

Подробности

Категория: Методики расчета

     Приведенная методика была представлена в Радио № 3 за 1967 г. Чтобы выходной каскад усилителя НЧ отдавал в нагрузку наибольшую мощность при ограниченном уровне нелинейных искажений, сопротивление нагрузки должно иметь определенную величину, зависящую от внутреннего сопротивления ламп или транзисторов и режима их работы. Для ламповых каскадов сопротивление нагрузки должно быть порядка тысяч Ом, для транзисторных – десятков или сотен Ом. Сопротивление же звуковой катушки динамического громкоговорителя обычно не превышает 10 Ом. Поэтому нагрузку подключают к усилителю через выходной трансформатор (понижающий).

   Если к вторичной обмотке выходного трансформатора, имеющего коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки) n, подключен громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки R_н , то первичная обмотка будет представлять собой для переменного тока сопротивление R_а = R_н/(n² к.п.д.). Это сопротивление называется сопротивлением нагрузки, приведенным к цепи первичной обмотки, или просто приведенным сопротивлением нагрузки. Оптимальная величина сопротивления нагрузки для ламп, работающих в определенном режиме, приводится в справочниках по лампам. Если же величина сопротивления нагрузки неизвестна, например при работе лампы в режиме, отличающемся от рекомендованного, то ее можно определить ориентировочно в зависимости от внутреннего сопротивления лампы при этом режиме.
Сердечники выходных трансформаторов имеют ту же конструкцию и обозначаются так же, как, сердечники силовых трансформаторов.
Принятые обозначения
R_н – сопротивление нагрузки (звуковой катушки громкоговорителя), Ом.
R_а – приведенное сопротивление нагрузки в цепи анода, кОм.
R_аа – приведенное сопротивление нагрузки между анодами двухтактного каскада,
кОм.
R_i – внутреннее сопротивление лампы в данном режиме, кОм.
P_н – можность, отдаваемая в нагрузку, Вт.
I₀ – ток покоя лампы, мА.
Q_с – площадь сечения керна сердечника, см².
Q_о – площадь сечения окна сердечника, см².
l_с – длина магнитной линии сердечника, см.
w₁ – число витков первичной обмотки.
w₂– число витков вторичной обмотки.
n – коэффициент трансформации.
к.п.д – коэффициент полезного действия трансформатора.
L₁ -индуктивность первичной обмотки, Гн
f_н – нижняя граничная частота, Гц.
М_н – коэффициент частотных искажений на этой частоте.

Расчет выходного трансформатора

   При расчете должны быть заданы мощность, отдаваемая выходным каскадом нагрузке Pн, сопротивление нагрузки (громкоговорителя) R_н, оптимальное приведенное сопротивление для каскада R_а или R_аа или внутреннее сопротивление лампы R_i в данном режиме, нижняя граничная частота f_н,   коэффициент частотных искажений на этой частоте М_н и величина тока покоя ламп I₀

Трансформатор для однотактного лампового каскада
   Однотактные выходные каскады УНЧ работают исключительно в режиме А, при этом через первичную обмотку трансформатора протекает ток покоя лампы, вызывающий постоянное подмагничивание сердечника, в результате магнитная проницаемость материала сердечника и индуктивность обмотки уменьшаются.
    Оптимальное сопротивление нагрузки лампы можно определить по формуле: R_а = аR_i, кОм, для триодов а=2…2, для лучевых тетродов и пентодов а = 0,07…0,15.  Коэффициент трансформации: n = w₂/w₁ = 0,032 (R_н/(R_а к.п.д.))^0,5. К.п.д. трансформатора малой мощности может быть принят в пределах 0,55…0,8. Чем меньше мощность трансформатора, тем его к.п.д. ниже.
    Минимально возможное значение индуктивности первичной обмотки трансформатора, при котором коэффициент частотных искажений Мн на нижней граничной частоте fн не превышает заданного, определяется по формуле: L₁ = 159 R_a/ (f_н (М_н² -1)^0,5), Гн, если коэффициент усиления на частоте f^н падает до 0,707 от коэффициента усиления на средних частотах, то L₁ = 159 R_a/ f_н , Гн. Сердечник трансформатора выбирается в зависимости от мощности. Размеры его определяют исходя из условия:  Q_сQ_о = A P_н , см⁴. А = 10 – для триода; А =20 – для пентода и лучевого тетрода. Если в выходном каскаде применена отрицательная обратная связь, значение А уменьшается. При глубокой отрицательной обратной связи значение А берется в два раза меньше указанного.
 С целью уменьшения габаритов трансформатора и экономии материалов рекомендуется принимать Q_с = Q_о, тогда Q_с = (A P_н)^0,5, см².
 Число витков первичной обмотки трансформатора из условия получения необходимой индуктивности обмотки: w₁ = D (L1 lc/Qc)^0,5, значения коэффициента D даны в таблице.

L1 I02, Гн мА2	D
102	480
103	530
104	600
105	685

Амплитуда переменного напряжения на первичной обмотке: Um₁ = (2 Р_н R_a)^0,5, В.
Максимальная индукция в сердечнике: В_m = 2,25 107 Um₁/(f_н Q_с w₁), Гн.
Если В_m больше 7000 Гн, число витков первичной обмотки определяется по формуле:
W₁ = 3,2 103 Um₁/(f_н Q_c).
Диаметр провода первичной обмотки: d₁ = 0,025 (I₀)^0,5, мм.
Число витков вторичной обмотки: w₂ = nw₁.
Диаметр провода вторичной обмотки: d₂ = 0,8 d₁/(n)^0,5 , мм.
Чтобы уменьшить влияние постоянного подмагничивания, сердечник трансформатора собирают с зазором, толщина прокладки зазора:
d_з = 0,62 10-6 w₁ I₀, мм – для стали;
d_з = 1,16 10-6 w₁ I₀, мм – для пермаллоя.

Трансформатор для двухтактного лампового каскада
    Двухтактные выходные каскады работают или в режиме А, или в режиме АВ. Режим В ввиду больших нелинейных искажений применяется только в мощных усилителях (50 Вт и выше).
   При режиме А оптимальное приведенное сопротивление нагрузки между анодами ламп равно R_aa = 2 R_a (R_a определяется как для однотактного каскада). При режиме АВ величину R_aa находят в справочниках или определяют по характеристикам ламп.
 Мощность в нагрузке равна удвоенной мощности, отдаваемой одной лампой.
 Число витков первичной обмотки равно:
w₁ = 450 D (L₁ l_c/Q_c)^0,5 – для сердечника из трансформаторной стали;
w₁ = 200 D (L₁ l_c/Q_c)^0,5 – для сердечника из пермаллоя.
   Отвод делается от середины обмотки. Остальной расчет выполняется по формулам, приведенным для однотактного каскада, R_a заменяется на R_aa. Пластины сердечника двухтактного трансформатора собирают вперекрышку без зазора.

Трансформатор для ультралинейного (сверхлинейного) каскада
 Расчет трансформатора выполняется по формулам, приведенным для соответствующего однотактного или двухтактного каскада. Коэффициент р = w_э/w_а, показывающий отношение числа витков обмотки экранной сетки к числу витков анодной обмотки, выбирается в пределах 0,22…0,23 для ламп типа 6П1П и 6П6С и 0,42…0,45 для ламп типа 6П14П и 6ПЗС.

radiofanatic.ru

Проектируем выходной трансформатор для лампового усилителя – Усилители на лампах – Звуковоспроизведение

Часть вторая.

Далее рассчитываем ТВЗ применительно к железу.
Обычно, для лампы 300В берут сердечник от ОСМ 400 ватт. В крайнем случает от ОСМ 250 ватт.
Ввиду того, что мной выбрано Ra достаточно большое и = 5990 Ом, амплитуда тока в связи с этим уменьшилась. Выходная мощность тоже упала.
Попытаюсь использовать имеющиеся у меня стандартный сердечник ШЛ 25 х 50. из электротехнической стали 3408, толщина ленты 0,3 мм.
Такой сердечник согласно справочных данных имеет габаритную мощность при индукции В = 1,6 Тесла, 230 Ватт.
Данный сердечник имеет внушительное окно, что позволит вместить не мало провода.

Для того, что бы продолжать расчёт, необходимо определить пригодность имеющегося железа для данного трансформатора.
Для этого необходимо знать его габаритные размеры и электрические параметры, начальную магнитную проницаемость Мю 0 или индукцию насыщения сердечника.
Чтобы это узнать, необходимо будет провести небольшую лабораторную работу и собрать небольшую схему.

На каркас трансформатора намотать пробные 100 витков. Постепенно увеличивая напряжение с ЛАТРа, отследить по осциллографу тот момент, когда синусоиду начнёт «ломать». Затем допустимое значение индукции рассчитывают по формуле:

где U1 — показания прибора, В; S — площадь сечения магнитопровода, см2 (чистого железа). Однако, не все смогут воспользоваться этим способом, ввиду отсутствия необходимых приборов. Поэтому будем рассчитывать более доступным, но уже приблизительным способом.
Зная, что железо из шихтованных пластин, «Ш» – образное, насыщается при 1,2 Т (Тесла =12000 Г (Гауссов)), а ленточных ШЛ, ПЛ при 1,6 Т = 16000 Г, для ТВЗ однотактных усилителей, примем значение максимальной индукции в сердечнике равное половине максимальной индукции насыщения.
Т.е. от 0,6 Т для Ш железа до 0,8 для ШЛ, ПЛ железа. Итак, имеется сердечник ШЛ 25 х 50 из электротехнической стали 3408, с толщиной ленты 0,3 мм.

-Площадь сечения рабочего керна – Qж = 2,5 * 5 * 0,95 = 11,875 cm2 0,95 – Кст – коэффициент заполнения сердечника сталью. Так обещает завод производитель. -Длина средней магнитной силовой линии lж = 21,3 см – взято из справочника. но можно рассчитать по формуле:

– Средняя длина витка lв = 21,00 см. Зависит от размеров каркаса и зазоров между элементами каркаса и сердечника. но можно рассчитать по формуле:

Тогда, индуктивность первичной обмотки по магнитопроводу будет равна

Где Мю 0, при неизвестном железе автор советует от 400 – до 600, возьму по минимуму 400.
Зазор в сердечнике… при токе 100ма возьму lз = 0,02cm, что будет соответствовать 0,1 мм под каждую подкову. А после всех расчётов зазор подкорректирую.
Исходя из того, что минимально допустимая индуктивность у меня 12 Гн, считаю количество витков W первичной обмотки: W1 = 2448 витков, вторичной, W2 = 2448 / (Ктр = 27,36) =89,47 витков. = 89.
Учитывая то, что средняя длина витка намотки 21 см, а максимально допустимое активное сопротивление 149,75 Ом получаем общую длину провода первичной обмотки 2448 витков * 0,21 м = 514,1 метра.
Тогда:

149,75 Ом : 514,1м = 0,291 Ом/метр.
По этому параметру, согласно таблице определяем диаметр провода. Это между 0,265 и 0,28.
Выбираем больший = 0,28 по меди и для ПЭТВ 0,33 по лаку.
Там же по таблице смотрим, что провод диаметром 0,28, при плотности тока 2 А/мм? соответствует току 124 мА. Ток покоя лампы равен 91,78 мА. Подходит.

Вторичная обмотка: W2 = 89 витков * 0,21 метр = 18,7 метра.
0,21 Ом : 18,7 м = 0,011 Ом/метр.
Соответствует проводу диаметром 1,45 мм по меди 1,56 по лаку. Сечение 1,651 мм?.
Данные по вторичной обмотке в последующем могут быть преобразованы при конструктивном расчёте.
В зависимости от желаемого секционирования, провод может быть применён значительно меньше по диаметру (сечению), но суммарное сечение всех обмоток должно остаться не меньше. 1,651 мм?.

Конструктивный расчёт. (Или, как разместить всё это на каркасе сердечника).

Хочу предупредить, что я делаю намотку очень плотной. Изоляцию между слоями не делаю. Между секциями применяю очень тонкую, 25 микрон пропиленовую изоляцию в несколько слоёв.
После намотки катушку пропитываю в лаке МЛ-92 с последующей сушкой.
Итак, габариты намотки по каркасу 59 х 23 мм. Это значит, что провода первичной обмотки, диаметром 0,28 по меди, 0,33 по лаку уместится 59 : 0,33 = 178 витков, реально
175 витков.
2448 : 175 = 13,988, округляем = 14 слоёв.
Высота намотки = 14 * 0,33 (по лаку) = 4,62 мм без учёта изоляции и вспучивания.

Для укладки вторичной обмотки выберем такой вариант, уложим все витки вторички в одном слое.
59 : 89 = 0,66 мм – мах. Диаметр провода по лаку. Реально столько витков не уложить.
Реально уложится провод диаметром 0,56 мм по меди, 0,62 по лаку.
Провод 0,56 имеет сечение 0,247 кв. мм . А нам необходимо минимальное сечение 1,651 кв.мм. Значит 1,651 : 0,247 = 6,68, округляем = 7 слоёв в параллель.
Высота намотки = 7 * 0,62 = 4,34 мм.
Общая высота намотки = 4,62 + 4, 34 = 8,96 мм. * 1,2 – 1,3 коэффициент вспучивания, зависит от того, кто как мотает = 10,76 – 11,65 мм + толщина изоляции, смотря кто сколько её кладёт.
Вот если это всё уместится на вашем трансформаторе, то можно сказать, что получился удачным, с минимальными необходимыми требованиями.
Если же про расчёте на каркасе остаётся много места, как получилось у меня. То, смело увеличивайте количество витков о одновременным увеличением диаметра провода, так, что бы активные сопротивления обмоток не превысили заданных значений. Меньшие их значения приведут только к улучшению параметров ТВЗ.

Что получилось у меня.
W1 – 3384 витка, провод 0,355 по меди, 0,385 по лаку, r1 = 128 Ом, 24 слоя, (3 – 6 – 6 – 6 – 3). Все последовательно.
W2 – 123 витка, провод 0,425 по меди, 0,47 по лаку, r2 = 0,16 Ом. 20 слоёв, по 5 слоёв между первичкой. Все параллельно. На нагрузку 8 Ом.
Итого 9 слоёв.
Изоляция только между слоями, пропилен 25 микрон, по 3 слоя. Пропитка в лаке МЛ92, с последующей сушкой.
Индуктивность первички могу посчитать пропорционально…
3384 / 2448 = 1,38 1,382 = 1,9. Ранее рассчитанные 12 Гн * 1,9 = 22,8 Гн.
За секционированием не следует сильно гнаться. В данном случае хорошие результаты получаются при общем количестве секций равном 7.
И последнее, уточняем немагнитный зазор.

8 * 3384 * 92 * 10-7 = 0,25мм.
Так как магнитный поток прерывается дважды, толщина прокладки будет вдвое меньше и = 0,125мм под каждую подкову.
Теперь, зная длину провода, можно рассчитать его вес, заодно и стоимость.
Спасибо за внимание. На этом расчёт закончен.
Хочу обратить внимание, что для пентодов, тетродов – расчёт производится точно так же, с учётом их характеристик.
Сопротивление нагрузки Ra выбирается оптимальное, по ВАХ и наименьшим нелинейным искажениям.
Если напряжение на аноде не соответствует паспортным значениям, то необходимо их сначала преобразовать под соответствующие напряжения. Задача довольно хлопотная.

И ещё, можно так же рассчитать индуктивность рассеяния Ls и вычислить частоту среза по ВЧ. Но это потом, при необходимости.

Не судите строго, может быть о чём-то забыл упомянуть.

Один маленький интересный совет.
Если есть возможность, то для уменьшения активного сопротивления обмоток, при том же количестве витков, следует выбирать сердечник квадратного сечения.
Для примера:
Сердечник 16 кв см.
Если стороны рабочего керна равны между собой и равны 4 и 4 см, то длина витка (не считая каркаса) = 16 см.
Изменим размеры сторон. 2 и 8 см = 16 кв.см. Периметр = длине витка =20 см.
4 лишних см. х 2500 витков = 100 лишних метров провода(это только по периметру сердечника).
Для провода 0,3 по меди это 24,8 Ом лишних.
 

 

vprl.ru

Выходной трансформатор — почти просто, но не дешево

Введение

Вокруг выходных трансформаторов для ламповых усилителей в последние годы создан некий ореол мистики и таинственности, знания, доступного лишь избранным. Отчасти так и есть, однако… Методики инженерного расчета трансформаторов были разработаны более полувека назад и за эти годы претерпели несущественные изменения лишь в части использования новых магнитных материалов более высокого качества [1]. Основные же принципы и расчетные соотношения остались прежними. Законы физики не изменяются за полста лет…

Расчёт параметров выходного трансформатора

Исходные данные для расчета трансформатора определяются в процессе расчета оконечного каскада усилителя. Ими являются — выходная мощность, приведенное сопротивление нагрузки в цепи анода, индуктивность первичной обмотки и индуктивность рассеяния трансформатора [2].

Определение необходимых размеров магнитопровода

Первоначально надо определить требуемый габарит магнитопровода. Пригодность имеющегося железа можно ориентировочно оценить по условию:

где Vc — активный объем стали;

L1 — расчетная индуктивность первичной обмотки, Гн;

UA — амплитуда напряжения на зажимах первичной обмотки, В;

FH — нижняя граничная частота, Гц;

Bmax — максимальная амплитуда магнитной индукции, Гс.

S — площадь сечения магнитопровода, см2;

lC — средняя длина магнитной силовой линии, см.

Для броневого магнитопровода средняя длина магнитной силовой линии рассчитывается, как:

А для стержневого:

где обозначения соответствуют принятым на Рис. 1.

Рис. 1 Основные размеры магнитопроводов

При оценке габаритов магнитопровода величину Вmax следует ориентировочно принять равной 7000 — 8000 Гс для пластинчатых и 10000 Гc для витых разрезных наборов железа.

Экспериментальное определени индукции трансформатора

Для дальнейших расчетов максимальное значение индукции Вmax желательно определить экспериментально на выбранном железе. С этой целью на каркас трансформатора наматывается пробная обмотка в 100 витков и включается в схему по Рис. 2. Магнитопровод при этом должен быть собран без зазора. Плавно увеличивая напряжение на обмотке с помощью ЛАТРа, наблюдают форму тока через нее. В момент появления заметных на глаз искажений формы синусоиды фиксируют напряжение на обмотке (показания прибора V1).

Рис. 2 Схема для измерения максимальной индукции в магнитопроводе

Затем допустимое значение индукции рассчитывают по формуле:

где U1 — показания прибора, В;

S — площадь сечения магнитопровода, см2 (чистого железа).

Определение коэффициента трансформации

Расчет конструктивных данных начинают с определения коэффициента трансформации, который, при заданной величине сопротивления нагрузки усилителя, обеспечит расчетную величину анодной нагрузки выходной лампы.

где n — коэффициент трансформации;

N1 — число витков первичной обмотки;

N2 — число витков вторичной обмотки;

RA — расчетная величина сопротивления анодной нагрузки лампы, Ом;

RH — сопротивление нагрузки усилителя, Ом;

К — КПД трансформатора.

Величина КПД однотактных трансформаторов на мощности 5 — 30 Вт обычно лежит в пределах 0,8 — 0,9. За значение сопротивления нагрузки усилителя желательно принять величину, равную:

где Rном — номинальное сопротивление акустической системы;

Rmin — минимальное сопротивление акустической системы в рабочем диапазоне частот.

Такая величина является компромиссной с точки зрения обеспечения как расчетного сопротивления анодной нагрузки лампы в номинальных условиях с одной стороны, так и коэффициента демпфирования с другой.

Расчёт числа витков первичной обмотки

Число витков первичной обмотки вычисляется из условия непревышения максимально допустимого значения индукции в магнитопроводе:

где U1M — максимальная амплитуда напряжения на зажимах первичной обмотки, В;

ВМП — максимально допустимая амплитуда переменной составляющей индукции, Гс.

где ВM — изморенное ранее значение максимальной индукции, Гс.

Опыт расчета и изготовления значительного количества разнообразных трансформаторов (как выходных, так и межкаскадных) позволяет сделать вывод, что значение ВМП не должно превышать 3500 — 4000 Гс для пластинчатых магнитопроводов (шихтованных) и 5000 Гс для витых разрезных (ленточных). Следует отметить, что витые сердечники, несмотря на более высокие качественные параметры в силовых трансформаторах, несколько уступают пластинчатым для применения в выходных. Искажения сигнала, вносимые трансформатором из-за нелинейности характеристики В/Н при использовании витых магнитопроводов проявляются при меньших значениях индукции, хотя, после появления, нарастают медленнее.

Это явление объясняется тем, что магнитный поток концентрируется во внутренних витках магнитопровода, где длина силовой линии короче. В результате сердечник постепенно насыщается, начиная от внутренних слоев и заканчивая внешними. Внутренние слои оказываются насыщенными гораздо раньше внешних, что проявляется в виде небольшого искривления характеристики намагничивания железа даже при средней индукции 4000 — 6000 Гс. Более высокое качество железа витых сердечников несколько смягчает этот эффект, но полностью устранить не может.

Количество витков первичной обмотки можно определить и по другой формуле, исходя из условия обеспечения расчетной индуктивности:

где L1 требуемая индуктивность обмотки, Гн;

m — магнитная проницаемость материала сердечника при заданных ампер-витках постоянного подмагничивания.

Однако, практика показывает, что расчет по формуле (10) приводит к заниженному числу витков по сравнению с (8), а это недопустимо из-за резкого роста искажений на низких частотах вследствие насыщения магнитопровода.

Только при высокой нижней граничной частоте (более 100 — 150 Гц) формула (10) дает большее значение числа витков. Кроме того, она неудобна тем, что в расчет входит величина m , зависящая от ампер-витков постоянного подмагничивания, определить которую до экспериментального изготовления трансформатора можно лишь приблизительно по графикам соответствующих зависимостей [1], [3], [4].

Расчёт числа витков вторичной обмотки

Число витков вторичной обмотки рассчитывается как:

Расчёт диаметра провода

Диаметр провода (чистой меди) первичной обмотки:

Формула (13a) справедлива для расчета средней длины витка на броневом сердечнике (Рис. 1а), а формула (13b) — на стрежневом (Рис. Ч в), величина dk (см) — толщина материала каркаса.

Диаметр провода вторичной обмотки:

Если вторичная обмотка состоит из нескольких параллельно соединенных секций, то диаметр провода секции рассчитывают как:

Размещение обмоток трансформатора

После расчета обмотки необходимо проверить их размещение в окне магнитопровода. Наилучшим считается такое размещение, когда и первичная и вторичная обмотки укладываются в целое число слоев и полностью заполняют окно магнитопровода. Для достижения такого результата допустимо варьировать число витков и диаметр провода обмоток в небольших пределах (до _* 10%).

Заполнение окна магнитопроводаможно проверить по формулам:

где A1 , А2, Aиз — толщины первичной обмотки , вторичной обмотки и межобмоточной изоляции;

р1, р2 — число слоев первичной и вторичной обмоток;

d`1, d`2 -диаметры проводов с изоляцией первичной и вторичной обмоток;

dиз — толщина межслойной изоляции.

Индуктивность рассеяния трансформатора достаточной точностью определяется по формуле;

где l0 — средняя длина витка, см;

h’ — высота намотки слоя, см;

к — количество секций.

Для получения расчетной величины индуктивности рассеяния, обмотки трансформатора в большинстве случаев необходимо секционировать. Наиболее просто и эффективно выполнить послойное

Рис. 3 Пример размещения обмоток в окне магнитопровода (цилиндрическое секционирование)

(цилиндрическое) секционирование, когда обмотки наматываются на каркас частями, а в конце соединяются последовательно или параллельно. Чаще всего применяют последовательное включение секций первичной обмотки и параллельное — вторичной. Суммарное число секций первичной и вторичной k должно быть таким, чтобы индуктивность рассеяния LS, вычисленная по (17), не превышала найденную при электрическом расчете оконечного каскада. Один из вариантов размещения секций на каркасе приведен на Рис. 3. Необходимо помнить, что общее число секций первичной и вторичной обмотки должно быть нечетным, а крайние секции (т.е. непосредственно лежащая на каркасе и внешняя) должны принадлежать одной обмотке и иметь половинное число витков по отношению к внутренним секциям той же обмотки. Только в этом случае выполняется условие компенсации полей рассеяния соседних секций и индуктивность рассеяния будет соответствовать расчетной.

Если обмотка распределена на двух катушках (стержневые трансформаторы), то секции ее должны чередоваться от одной катушки к другой.

Это условие относится и к двухтактным трансформаторам, где обмотки каждого плеча обязательно должны иметь одинаковое число секций на одном и на другом стержнях магнитопровода.

Определение величины немагнитного зазора

Неотъемлемой конструктивной особенностью трансформатора выходного однотактного каскада является немагнитный зазор между частями магнитопровода. При его отсутствии постоянная составляющая анодного тока выходной лампы, протекающая через первичную обмотку, вызывает насыщение железа и, как следствие, происходит катастрофическое падение магнитной проницаемости и возрастание искажений, вносимых трансформатором. Зазор не позволяет магнитопроводу войти в насыщение от постоянного подмагничивания (поскольку он эквивалентен многократному увеличению длины магнитной силовой линии для постоянной составляющей магнитного потока) и, в то же время, не влечет за собой драматического снижения величины m . Оптимальным является такой немагнитный зазор, при котором индукция, соответствующая постоянной составляющей магнитного потока, находилась бы примерно на середине линейной части характеристики намагничивания. Для наиболее распространенных типов электротехнической стали величина зазора может быть ориентировочно определена по формуле:

I0 — ток постоянного подмагничивания, А;

lC — длина силовой линии, см.

Более точно величину зазора подгоняют экспериментально при номинальном токе подмагничивания, исходя из условий получения наибольшей выходной мощности на нижней граничной частоте и минимальных искажении при половине номинальной выходной мощности на той же частоте сигнала.

Поскольку теоретический расчет оптимального зазора достаточно сложен и требует значительного количества экспериментальных данных о качестве применяемого железа, то представляется более целесообразным использовать практический подбор зазора в готовом трансформаторе.

Паразитные ёмкости и методы борьбы с ними

В заключение следует обратить внимание на такие неприятные и неизбежные явления, как межобмоточная и распределенная емкости трансформатора. Совместно с индуктивностями обмоток (или их частями) и индуктивностями рассеяния, они образуют паразитные колебательные контуры, резонирующие в области верхних звуковых и ультразвуковых частот. Эти резонансы искажают частотную и фазовую характеристики трансформатора (набег фазы из-за распределенной емкости плохо сконструированного трансформатора на высших частотах может достигать 400° — 7000° и, кроме того, быть немонотонным). Радикального средства борьбы с этими явлениями нет, но уменьшить их можно следующими способами:

1. Равномерной плотной укладкой (виток к витку) обмоток трансформатора.
2. Использованием межслойной изоляции внутри секций каждой обмотки (бумага 0,05 — 0,1 мм).
3. Увеличение толщины межобмоточной изоляции (что несколько уменьшает коэффициент заполнения окна, зато существенно снижает междуобмоточную емкость).
4. Использование магнитопровода расчетного размера. (Увеличение габаритов трансформатора против необходимого введет к росту указанных емкостей, а увеличение длины витка — к росту Ls).
5. Укладка расчетного числа секций (непомерное увлечение секционированием резко увеличивает междуобмоточную емкость).

Пропитка катушки трансформатора различными компаундами имеет как достоинства, так и недостатки. К первым относится увеличение механической прочности и снижение резонансов конструкции. Ко вторым — увеличение паразитных емкостей и снижение частот паразитных электрических резонансов вплоть до звукового диапазона. Решение о пропитке трансформатора должно приниматься только после тщательного анализа всех “за” и “против”.

Заключение

И, наконец, хотелось бы напомнить, что выходной трансформатор — это клубок компромиссов. Не следует гнаться за идеальными параметрами и огромной массой: в 99% случаев улучшение одного параметра ведет к ухудшению нескольких других. Излишнее количество секций увеличивает межобмоточную емкость; излишнее число витков — индуктивность рассеяния и активное сопротивление. Таких примеров множество. При расчете задавайтесь разумными исходными параметрами и не делайте из трансформатора противовес для башенного крана. Не требуйте от трансформатора невозможного, но разумно используйте то, что он может предоставить.

Литература

1. Цыкни Г.С. Трансформаторы низкой частоты. М., Связьиздат, 1955.
2. Андронников Д.В. “Три электрода в один такт”. “Вестник А.Р.А.” No. 3, 1998 г.
3. Войшвилло Г.В. Усилители низкой частоты на электронных лампах. Изд. 2.
4. Белопольский И.И. Электропитание радиоаппаратуры. М., Энергия, 1965.
5. Лукачер. Расчет выходных трансформаторов, ж. Радиофронт No. 22 1935.

vt-tech.eu

Расчет и изготовление выходного трансформатора лампового умзч

Васильченко Е.В. г.Казань Расчет и изготовление выходного трансформатора лампового УМЗЧ. В грамотно рассчитанном усилителе дымка над образом должна иметь консистенцию сиреневого тумана. Предисловие и оговорки. Предлагаемый материал содержит программу расчета, описание программы, небольшой обзор материалов и технологий, рекомендации по изготовлению трансформаторов, литературные отступления. Основой фактического и справочного материала являются [1] монография Войшвилло “Усилители низкой частоты” издания 1953г. и [2] Р.Х.Бальян “Трансформаторы малой мощности”:Ленинград, Судпромгиз, 1961г. “Выходные трансформаторы” Г.Цыкина в формировании концепции не участвовали. Все рекомендации опираются исключительно на личный опыт и литературные источники, в части, не противоречащей убеждениям автора. Материал ни в коей мере не претендует на полноту описания предмета. Автор не гарантирует отсутствие грубых ошибок и заблуждений. Влияние различных технологических приемов на качество звука принципиально не обсуждается. Свойства выходного трансформатора зависят от большого набора физических и технологических параметров. В расчет любого трансформатора кроме абсолютно точных формул входят поправочные коэффициенты, которые всегда привязаны к технологии. В серийном производстве поправки учитываются очень аккуратно, а повторяемость высока. В любительской практике, как правило, отсутствует возможность “введения ОС” в технологический процесс. Ситуация часто усугубляется отсутствием информации о свойствах магнитопровода. В этих условиях результат трудно предсказать. Это касается вообще всего любительского творчества (sic, не паяние “платок” из Радио). Повторяемость и устойчивость результатов в серийном производстве гораздо важнее теоретически достижимого потенциала схемы. Резюмируя 3 абзаца нытья, отвечу на вопросы английского радио: -Может ли усилитель “гаражной” сборки звучать лучше общепризнанного эталона, стоящего в 100-1000 раз больше?? -Категорическое “Да”. – Возможно ли рентабельное тиражирование этого результата в серии?? -Наверняка нет. А если серьезно, то целью опуса является попытка коллективно разобраться во взаимосвязях внутри черного ящика, у которого на входе имеются некоторые параметры. Программа Выходной трансформатор реализована в среде MS EXCEL. Основное назначение программы – это расчет выходного трансформатора двухтактного триодного усилителя без ООС. Такой усилитель прощает многие ошибки расчетов, изготовления, регулировки и является хорошим инструментом для настройки звукового тракта. Расчеты в этом случае содержат минимальное количество эмпирических величин и являются точными. В основу программы положен алгоритм, заимствованный из монографии Войшвилло Усилители низкой частоты. (1) с некоторыми поправками: Инженерный расчет трансформатора ведется “от ТУ”. В любительской же практике – “от свалки”, т.е. от того, что удалось найти. Поэтому входными данными расчета наряду с АЧХ, сопротивлениями нагрузки и мощностью являются конструктивные параметры сердечника. Выходными параметрами расчета являются количество витков и толщина провода обмоток. Попутно вычисляются индуктивность первичной обмотки и ее индуктивность рассеяния: величины, влияющие на АЧХ усилителя. Поделив вторую на первую, получим конструктивный параметр sigma. Оценка реализуемости трансформатора производится по величинам sigma и Kok- коэффициент заполнения окна медью. Таким образом, программа может быть использована для оценки возможностей сердечника. С помощью функций MS EXCEL можно исследовать зависимости выходных параметров от конструктивного исполнения трансформатора. В файле книги “TRANSFO.XLS” есть все необходимые данные и формулы для расчетов как выходных, так и других трансов- переходных и силовых, однако прозрачной методикой снабжен только расчет двухтактных выходников. Остальные описания находятся в стадии подготовки к публикации. Отступление по поводу сердечников. Вообще говоря, трансформатор можно изготовить на железе любой формы. На практике почти всегда используется Ш железо. Говорят так дешевле. Возможно. Но не очевидно. На одном из заводов, где я заказывал трансы, самыми дешевыми получаются тороидальные. В них меньше деталей, меньше операций, меньше меди. К DIYer’ам это конечно отношения не имеет. Было бы заманчиво использовать О-железо в выходниках. С легкой руки Р.Х.Бальяна в производстве этих сердечников применяется холоднокатаная лента толщиной 0.08 мм типа Э350 по старому ГОСТу (по новому не каждый технолог вспомнит) с изоляцией оксидной пленкой, образовавшейся при вакуумном отжиге, с вакуумной пропиткой, коэффициент заполнения сердечника железом до 0,95 индукция насыщения 19000 Гс. При аккуратной намотке можно довести коэффициент заполнения окна медью до 0,45 но… . Малейший разбаланс плеч 2-тактного усилителя (далее РР) приведет к значительному смещению петли гистерезиса и превышению индукции вплоть до насыщения. Добавим проблемы с секционированием обмотки. Большое количество межслойной изоляции быстро съедает окно, а щечки чтобы разделить область намотки на сектора не поставишь – в станок не влезет. Все это не касается только циклотрона. В циклотроне ток покоя через первичную обмотку не течет, ему легче, да и витков там меньше. Так что спорить о вкусе бананов будем с теми, кто их ел, т.е. Хоменко’s BAT. А мы вернемся к броневым сердечникам, проще к букве Ш. Железо толще 0,35мм в выходниках практически не применяют. Слово “практически” здесь означает: в целях высококачественного звуковоспроизведения. В руках у любителя наиболее вероятно могут оказаться выходники от ТУ-50 и тому подобной кинотеатральной техники, часто пробитые и/или промокшие. Железо там использовано горячекатаное Э42 (это по еще более древнему ГОСТу), т.е. максимальная магнитная индукция 14000 Гс. Подобные же сердечники можно встретить и в промышленной аппаратуре. Использовать можно. Большинство промышленных трансформаторов малой мощности изготовлялось по нормали НО.666.000 с полной высотой окна и с уменьшенной высотой окна. Данные приведены ниже. Есть еще сердечники ШУ с уширенным ярмом по нормали НИО. 010.005. Они применяются для низковольтных трансформаторов на 50 Гц. Железо в них использовано Э41. Для силовиков пойдет. В этой табличке для примера приведены все три вида Ш железа. Габарит/Вид Ш 25 х 40 с полной высотой окна Ш 25 Х 40 с уменьшенной высотой окна ШУ 26 х 39 с уширенным ярмом a 25 25 26 h 62,5 37,5 53 Эти нормали ориентированы на получение силовых (!) трансформаторов наименьшей стоимости (отсутствуют отходы при штамповке пластин, оптимальный баланс между стоимостью меди и железа и т. п.). Кроме этих нормалей существуют и другие, СТ-360А, например. Многие наверняка встречали звуковые трансформаторы с “увеличенной” высотой окна. Какая форма сердечника лучше подходит для выходника? Не знаю. Однако расчеты (да и здравый смысл) подсказывают, чем меньше обмотка выступает из сердечника, тем меньше Sigma= индуктивность рассеяния/ индуктивность обмотки. В этом смысле “длиннозубые” сердечники лучше. Однозначных выводов о целесообразности применения ленточных разрезных сердечников предложить не могу, поэтому приведу только факты. Ленточные магнитопроводы ШЛ, ПЛ, ОЛ изготавливают по нормали НО.666.002 . из ленты Э350 (в основном) толщиной 0,08;0,15;0,2 мм. или из Э310-Э330 толщиной 0,35-0,5 мм. ПЛ применяют при больших мощностях потому, что относительная площадь охлаждения у них больше. Это длинное предисловие сделано для того, чтобы читатель мог недрогнувшей рукой вписать в ячейки на странице КОНСТР значения переменных Вm, lc , mu, lz, взяв их из соответствующей таблицы или высосав из пальца [соответствующего]. В программе расчета для хранения входных и выходных используются именованные переменные. Это сделано для повышения читабельности формул. Значения входных данных вводятся вручную. Раньше для этого служили раскрывающиеся окна со ссылками на списки значений, но после смены версии EXCEL окна стали бутафорскими и их можно удалить или вставить заново, сопоставив со списками (столбцы Lxx-Txx). При вводе значений из таблицы параметров трансформаторов нужно быть внимательным к единицам измерений, т.к. в таблицах миллиметры, а в формулах – сантиметры. Рекомендации [1] по поводу выбора значений некоторых переменных: кпд рекомендуется выбирать исходя из мощности усилителя для Рвых 1:-10 10:-100 кпд 0,7-0,8 0,75-0,85 0,84-0,93 Кпд – это тот параметр, подбирая который можно добиться требуемой расчетной АЧХ на краях диапазона в сложных случаях. Выбор кпд влияет на толщину провода и размеры обмотки Ra берется из расчета выходного каскада и на практике составляет около 4-6 Ri для триода Fn Это частота среза усилителя по уровню -3дБ на максимальной мощности, наиболее влиятельный параметр, 10 Гц получить почти невозможно т.к. Fv получается очень низкой. Нижняя частота среза усилителя определяется постоянной времени выходной цепи ReqL1 ., где L1-индуктивность обмотки. Реально индуктивность получается значительно больше, чем требуется, см. ячейку AD11 . Это связано с ограничением максимальной индукции (см. топик mu). В ячейке AF11 лежит частота среза усилителя, определенная при условии малой мощности. Если попытаться заставить усилитель работать на частоте 20 Гц при полной мощности, то индукция в сердечнике должна достичь величины, указанной в яч. AF12 со всеми вытекающими последствиями. Спасает то, что в нормальных условиях (без улучшайзеров в тракте), на 20 Гц никогда не бывает 0 дБ. Этот вычислительный эксперимент показывает причину того, почему выходники разных производителей по-разному ведут себя на низких частотах. Дело в том, что для получения более-менее широкой полосы приходится ограничивать полносигнальную полосу снизу величиной 30-35 Гц. Итак, число, записанное в ячейке Fn, очень сильно влияет на выходные данные расчета и довольно сильно влияет на звук, полученный от усилителя. Самое обидное то, что связь между числом Fn и воспроизведением НЧ неоднозначна. Fv – частота верхнего среза по уровню -3 дБ, параметр справочного характера, при его вводе вычисляется конструктивный параметр Sigma, который показывает насколько трудно будет сделать трансформатор. Sigma = 0,1- это как у сетевого транса Sigma=0,01 – придется секционировать обмотку, изменять конфигурацию магнитопровода, уменьшать толщину провода и изоляции и т.п. Sigma =0,0025 – трудно. Получившуюся частоту среза можно увидеть в яч.AF18. Это достаточно условная величина, которая совпадет с реальной частотой, только если готовая обмотка будет иметь те же геометрические размеры, что и рассчитанные. Это бывает не часто, все зависит от технологии изготовления. Для получения практически значимых результатов ФОРМУЛЫ ДОЛЖНЫ БЫТЬ ИЗМЕНЕНЫ В СООТВЕТСТВИИ С ТЕМ, КАК БУДЕТ НАМАТЫВАТЬСЯ ОБМОТКА! СМ. ТАКЖЕ топик dis и технологию. a –параметр, показывающий распределение активного сопротивления между первичной и вторичной обмотками. При а=0,5 сопротивление первичной обмотки равно приведенному (деленному на n) сопротивлению вторички. При а=0,25 – втрое меньше. Это делается в целях уменьшения падения напряжения на первичке. m – количество промежутков между секциями первичной обмотки. Секционирование уменьшает собственную емкость и индуктивность рассеяния обмотки. Разделить первичку можно либо послойно- это будут цилиндрические секции, либо подобно средневолновой магнитной антенне на дисковые сектора. Первый способ чаще употребляется в усилителях класса А , второй -в классе В. Дело в том, что в классе В половинки обмотки работают поочередно, поэтому на частоту среза влияет взаимная индуктивность рассеяния между всей вторичкой и половинкой первички. Цилиндрические секции применяют при высоких напряжениях. Bm – Максимальная магнитная индукция в сердечнике. Еще одна компромиссная величина, выбор которой является балансированием между размером сердечника и нелинейными искажениями на НЧ. Рекомендации [1] таковы: Рвых, Вт 1 3 10 30 100 300 1000 3000 Вм, кГс 4 5 7 8 9 9 10 11 lz– толщина немагнитного зазора, используется в расчете трансформатора однотактного (SE) усилителя. Заметим, что при сборке сердечника РР трансформатора как из пластин Ш, так и из половинок ПЛ всегда остается зазор. Толщина его составляет в среднем 0,05 мм. mu – магнитная проницаемость сердечника. В РР и SE расчетах это очень разные вещи. В SE мю зависит от aW0-числа ампервитков на 1 см длины сердечника трансформатора. Поскольку нахождение числа ампервитков является целью расчетов, то приходится пользоваться либо методом последовательных приближений, либо графоаналитическим методом по [1]. Подробнее об этом ниже. В РР – расчете мю является постоянной величиной, правда, зависящей от амплитуды переменного магнитного поля. Может показаться странным, но количество витков не зависит от мю. Факт есть факт: В определяющую формулу для числа витков не входит магнитная проницаемость. Число витков ограничено снизу двумя условиями. Первое – индуктивность должна быть не менее заданной величины. В эту формулу мю входит. Второе – индукция не должна превышать заданную величину. В интересующем нас диапазоне мощностей это условие более жесткое, оно и применяется при расчете. ВНИМАНИЕ! В случае применения программы для расчета нетипичных для УМ трансформаторов, например малые мощности или малые напряжения, надо обязательно проверить оба условия. Вот они: W1> SQRT(79700000*L1*lc/(mu* Qc)) ; SQRT -square root W1> EDS*100000000/(4,44*Qc*Fn*Bm) Для Р [1] рекомендует выбирать мю при индукции в 100 раз меньшей максимальной Вм, мотивируя тем, что “ НЧ составляющие сигнала при их уровне на 40 дБ ниже номинального практически не прослушиваются”. Конец цитаты. Без комментариев. Конец абзаца. dis – толщина изоляции . Количество изоляции влияет на размеры обмотки. Для упрощения расчетов предполагается, что после каждого слоя провода кладется слой изоляции толщиной dis. Если это не так (см. технологический) раздел , то надо изменить формулы расчета толщины обмотки в ячейках АД13-АЕ16. Кроме того, в ячейках лежат формулы обратного расчета: по количеству витков и получившейся после намотки толщине рассчитывается индуктивность рассеяния готовой катушки. Вводить числа надо вручную прямо в формулы по образу ячейки АД15 . Толщина должна быть в сантиметрах. Собственная емкость обмотки не учитывается!!!, поэтому будем осторожны в оценках. Kok- Коэффициент заполнения окна медью. Важны технологический параметр. В нашем случае служит для оценки достоверности расчета после проведения оного и для оценки реализуемости трансформатора до того. При анодном напряжении до 300 В в Ш- и П- трансформаторах Кок бывает порядка 0,15-0,25, в силовиках до 0,35. При Ua Имя переменной Значение Ед. Измер. кпд кпд трансформатора, влияет на толщину провода и размер обмотки Индуктивность рассеяния первичной обмотки для секционированной обмотки с количеством секций m+1 Гн Индуктивность рассеяния для дисковой обмотки Гн AF7 Gконстр- конструктивный параметр, являющийся обобщенной характеристикой геометрических размеров трансформатора Пояснения к расчету Расчет транса для РР триодного усилителя класса А. Простейший случай Задать значения в ячейках АА2-АА21. Ознакомиться с ячейками AF6 и AF7. В первой лежит параметр Gэл, во второй- Gконстр. Всегда должно выполняться условие Gконстр>Gэл, причем, на мой взгляд, с хорошим запасом. (Не жалейте железа!.. хорошего усилителя должно быть много) Если неравенство не выполняется, либо снизить требования по входным электрическим параметрам, либо подобрать больший трансформатор. В таблице Ш трансов для этого есть столбец Gк. Проверить ячейки Кок и Сигма на предмет здравого смысла, см. соответствующие топики выше. Посмотреть ячейки АД10,AF12 , АF13, АF18 на предмет соответствия результата условиям задачи. Если что-то не устраивает попробовать подобрать требуемый параметр, изменяя в небольших пределах входные данные. Это можно делать как вручную, так и с помощью функции EXCELL “подбор параметра” из меню Сервис SE расчет осложняется тем, что ключевой параметр – число ампервитков на см длины магнитной силовой линии, является с одной стороны искомым, с другой стороны- влияющим на на ход расчета, т.е. входным. Расчетные формулы для режима SE, лежащие на листе КОНСТР, являются скорее рудиментами методики [1], чем рабочими инструментами. Мне с большим трудом удалось заставить звучать SE-усилитель на EL34 в триодном режиме с трансформатором по этой методике. В ближайшем будущем я радикально изменю алгоритм. Эта работа уже началась в ячейках АА24–АЕ31. Расчет будет очищен от непонятных коэффициентов, неявных допущений и выложен на суд критики. Технология Наиболее важные для DIYer’a моменты, связанные с процессом изготовления транса, -это выбор каркаса, способа намотки, подбор обмоточных и изоляционных материалов, сборка сердечника и всего трансформатора. Рассмотрим по порядку появления в тексте. Каркас с щечками необходим практически всегда. Исключения- низковольтные, точнее низкопотенциальные обмотки. Основанием для такой рекомендации является опыт работы с усилителями на 50-150 Вт. При анодном напряжении 600-800 Вольт нередко случается пробой между анодной обмоткой и сердечником. Наличие щечек облегчает жизнь. Щели и зазоры в картонных каркасах закрываются изоляцией. Таблица из [1]. Толщина, мм Анодное напряже-ние, кВ Крайние щеки Средние щеки изоляции между обмотками гильза каркаса высокого напряжения Зазор между каркасом высокого напр. и обмоткой низкого напр. Расстояние от крайней щеки до края каркаса 0,25 1,5-2,5 1,5-2 0,3-0,5 – – – 0,5 2,5-3,5 2-2,5 0,5-0,8 – – – 10-12 8-10 4-5 – 6-8 6-8 18-25 Единственный комментарий к источнику 45-летней давности -слишком большой запас прочности, по крайней мере для напряжений ниже 1 кВ. Способ намотки -виток к витку, не допуская западания витков между слоями намотки. Расчет предполагает одну секцию вторички, намотанную толстым проводом. На самом деле обычно вторичка тоже состоит из секций, количество их m, сечение провода в m раз меньше чем получилось в расчете, а количество витков расчетное. Секции соединяются параллельно. Расчет толщины обмотки в этом случае нужно скорректировать. В SE трансе обычно вполне достаточно разбить первичку на 2 части, т.е. m=2, цилиндрические обмотки, в РР триодном усилителе класса А достаточно m=3 или 4, тоже цилиндрические секции. В классе В лучшие результаты дает комбинированное секционирование: в середине каркаса вклеивается дополнительная щечка, а половинки первички наматываются в разных направлениях. Кроме того половинки дополнительно разбиваются на 2-3 секции см. рисунок. Обмоточный провод . Если в ближайшем магазине не удастся купить серебряный провод от Кондо, придется пользоваться тем, что есть. Скорее всего это будет один из проводов общего применения. Более подробную и точную информацию нужно искать в справочниках. Влияние на звук не обсуждается. Марка Характеристика диаметры, мм Пробивное напряжение изоляции провода соответственно росту размеров, В Применение ПЭЛ С лакостойкой масляной эмалью 0,05-2,44 300-1250 При требованиях малой стоимости, при отсутствии повышенных требований по надежности ПЭЛШО, ПЭЛШД С эмалью и одним или двумя слоями шелка 0,05-2,1 250-1000 При требовании повышенной механической прочности и отсутствии требований по дешевизне Изоляция – это очень важный компонент успеха. Примененная изоляция довольно сильно влияет на свойства трансформатора, в частности на класс нагревостойкости, тропикоустойчивости и т.п. В реальной жизни самопальщика могут использоваться самые немыслимые изоляционные материалы. Рассмотрим наименее экзотические из них. Самые употребляемые материалы -это бумага, стекло- и лакоткань, лавсан. Некоторые их свойства приведены в таблице. Название марка толщина пробивная электрическая прочность, кВ/мм При толщине, мм В исходном состоянии После перегиба Кабельная бумага К 0,08; 0,12; 0,17 0,16 20 4 Гетинакс В, Ав,Вв,Гв >0,2 1-3 33-25 Как и сколько укладывать? Цитата из [2]: “Слоевая изоляция прокладывается при намотке катушек либо через слой , либо через несколько слоев. Через каждый слой изоляция прокладывается в случае применения провода с низкокачественной витковой изоляцией , при диаметрах провода свыше 0,4 мм, или в особо ответственных случаях. Прокладку через несколько слоев применяют при намотке катушек проводами с высокопрочной эмалью или при наличии дополнительной наружной оплетки, причем суммарное напряжение в неизолированных слоях составляет 20-30% от электропрочности витковой изоляции провода.” Для облегчения жизни приводится таблица из [12 , из которой можно определить количество слоев межобмоточной и корпусной изоляции. Диаметры проводов 0,4-1 1-1,5 >1,5 марка бумаги КТН К-08 К-12 К-17 3600 6 6 6 6 Испытательное напряжение, фигурирующее в таблице, примерно втрое превышает рабочее напряжение обмотки. Концы обмоток закрепляют либо хб нитками, либо петлей из матерчатой изоляции, уложенной за несколько витков до окончания намотки. Тонкие провода припаивают к имеющемуся на каркасе лепестку или гибкому монтажному изолированному проводу. Место пайки изолируют. Толстые провода обычно выводят одев изоляционную трубку (ПВХ, Ф-4, кембрик и т.п.). Намотанную катушку лучше пропитать, желательно в вакууме (хорошая шутка получилась!). Пропиточных материалов в производстве трансформаторов используется превеликое множество – в зависимости от области применения. Пропитка трансформатора сильно увеличивает срок его службы, и уменьшает акустический шум. Бумага попадает в класс нагревоустойчивости А (самый слабый класс, температура до 105 градусов) только при условии пропитки. Можно посоветовать пропитывать катушки горячим церезином (парафином), а также глифталевыми , алкидными или полиэфирными лаками. Без вакуума лак проникает неглубоко и правильнее будет назвать этот процесс покраской. В ответственных случаях лучше пропитывать обмотку в процессе намотки. С использованием эпоксидки, разведенной растворителем 646 или дибутилфталатом, умельцы получают даже 100-киловольтные обмотки (это для электрошокеров, там искра сантиметров 5 нужна). Сборка. Делать или не делать немагнитный зазор в РР-трансформаторе? Причин, побуждающих к первому может быть 3: Возможный разбаланс плеч при эксплуатации в результате старения ламп и появление разностного тока. В усилителях на лампах вроде 6С33С это может быть проблемой. Оценить негативные последствия появления подмагничивающего тока в принципе можно оценить с помощью формул, уже имеющихся на листе расчета SE-транса. Нужно только не запутаться. Принадлежность к фирме Partridg’a . Неудовлеворенность в духовной сфере . Посему ограничимся общими напоминаниями. Шихтованые РР-трансформаторы собираются впрекрышку. После сборки нужно простучать сердечник со всех сторон на деревянной или текстолитовой киянкой на ровной поверхности, чтобы минимизировать зазор до тех самых 0,05 мм. Торцы пластин следует изолировать от металлических конструкций. Если для стяжки трансформатора используется кожух, то в него вкладывается полоса кабельной бумаги соответствующей ширины. Если стяжка производится шпильками через отверстия в углах, то на шпильки накручивается бумажная гильза. Экраны из толстого магнитомягкого железа, закрывающие обмотку с обоих сторон, весьма желательны. Обязательную в домашних условиях операцию склеивания половинок сердечника ПЛ/ШЛ эпоксидкой (желательно с добавкой ферромагнитного порошка ПМ-1) на производстве частенько заменяют общей пропиткой собранного и стянутого трансформатора лаком МЛ или УР 231. Кажется, всё. Жду отклика h(t-t0).

ex.kabobo.ru

Программа расчета выходного трансформатора однотактного каскада

Пока я работал над намоткой выходного трансформатора для однотакта на пентоде 813 http://klimanski.com/?p=2932, пришлось немного доработать сделанную мной программу в формате Excel. Она в равной степени подходит и для триодов, и для пентодов.  В ней сведены данные по четырем наиболее известным методикам расчета:

1. Valve Hart http://www.valveheart-bg.com/theory/transformer.html

2.  Д. Андронников. Выходной трансформатор. Почти просто, но недешево. http://vt-tech.eu/ru/articles/lamps/53-otputtrans.html

3. и 4.  Формулы расчета минимального количества витков по Г.В.Войшвилло “Усилители низкой частоты на электронных лампах”, 1959 год. Стр. 559 -593. http://www.zzxm.narod.ru/VOY/v_522_603.djvu

5. Мной выведенная ( конечно, из давно известных в физике ) формула исходя из значения максимального тока Im ( берется из нагрузочной прямой по ВАХам ). Вот пример как найти Im.

Для проверки, справа от количества витков, вычисленных по этим формулам, приведена рассчитанная ( по взятой из той же книги Войшвилло формуле ) индуктивность.

Рядом приведена величина индуктивности с учетом немагнитного зазора lz и отличается только множителем в знаменателе ( 1 + lz*u/lc ), где lz – немагнитный зазор, u – магнитная проницаемость, lc – длина магнитной линии. Все приведенные расчетные значения индуктивности первички оказываются значительно ниже, чем фактически измеренные. Однако надо понимать, что изменение индуктивности любой катушки с сердечником – это нетривиальная задача. Читайте на эту тему публикацию http://klimanski.com/?p=2228 или обсуждение этой темы на форуме http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic=2705.0 . Например, намотанный мной выходной трансформатор при замерах китайским измерителем индуктивности ( на 100 Гц ) имел 65 Гн, а на частоте 50Гц и подаче 5 вольт RMS индуктивность оказывается уже 104 Гн. А расчетное значение индуктивности первички исходя из программы – всего 35 Гн.

Так выглядит программа – внешний вид

Вот ссылка на эту программу в Excel формате,  можете ее скачать и пользуйтесь на здоровье !
d182d180d0b0d0bdd181_d180d0b0d181d187d0b5d182_813_d0bdd0bed0b2d18bd0b91

Из полученных пяти значений W1 выбираем наибольшее ( или нами выбранное ) и помещаем его в зеленую ячейку. После этого справа от нее смотрим полученные проверочные значения максимальной индукции на 20 и 30 Гц ( они не должны превышать допустимое значение Вm в ячейке E31 ), а также фактически полученную “расчетную” индуктивность первички, и сравниваем эти величины с заданными ( минимальная индуктивность первички задана в ячейке Е20 ). Если они оказываются в рамках, то на этом расчет заканчиваем. Если нет – пробуем корректировать исходные данные для достижения нужного результата.
Рассчитанный по этой программе и намотанный мной на железе ОСУ0,63 выходной трансформатор  к лампе 813 показал неплохое соответствие реалиям. Получилось даже с небольшим запасом.
Пока в программе нет информации о секционировании – как правило все программы предлагают секционирование для триодов ( минимизация индуктивности рассеяния ), забывая, что то, что триоду хорошо, для пентода – смерть, поэтому вопрос секционирования пока не поднимаю.
Небольшое отступление об исходных данных.
1. КПД трансформатора ( ячейка Е12 ). От правильного выбора этого значения будет зависеть диаметр провода. Поэтому, не выбирайте это значение слишком маленьким – иначе вы запроектируете изначально трансформатор с высокими потерями и высоким активным сопротивлением обмоток, что приведет к ухудшению отдачи на НЧ.
2. Коэффициент обратной связи ООС. Если ООС не планируется, ставьте 1. А иначе, этот коэффициент равен ( 1 + bKo ) из формулы для расчета ООС.
3. Максимальная индукция Bm ( ячейка Е31 ). Выбирается исходя из магнитных свойств имеющегося железа. Для большинства разновидностей железа линейный участок линии В – Н редко простирается выше 8000 Гс, поэтому для однотактов рекомендуют эту цифру не превышать. Чем ниже ( с запасом ) выбрать это значение, тем будут меньше искажения на НЧ, однако при этом будут непомерно расти габариты трансформатора. Значение Вm можно определить экспериментально, методика есть в упомянутой выше ссылке нр 2 на статью Андронникова.
4. Магнитная проницаемость железа. Самая трудно поддющаяся измерению величина. Все дело в том, что мю железа не является величиной постоянной и очень сильно зависит от напряженности магнитного поля. Для однотактов, в которых есть немагнитный зазор, магнитная проницаемость, как правило, оказывается ниже чем начальная мю ( в отсутствии магнитного поля ) и приблизительно ее можно оценить по графику:

Значение LI2 можно прочесть в ячейке E34. Также, для определения мю можно воспользоваться графиком из публикации Васильченко, значения aWo можно взять из ячейки Е37.

Кроме уже упомянутых выше, в расчетах мне очень помогли следующие источники:

1. Цыкин Г.С. “Трансформаторы низкой частоты”, 1955, гл 13 – 15. http://www.zzxm.narod.ru/CYK/TR/g14.djvu.
2. Васильченко Е.В. http://spbaudio.narod.ru/kazan.htm
3. Программа Андрея Тощева http://andy.kis.ru/mytrans0.php
4. Кризе С. Расчет выходных трансформаторов.
5. Зинин Ю. Определение длины воздушного зазора в трансформаторах и дросселях
http://kit-e.ru/articles/powerel/2009_05_82.php

Также выражаю благодарность Александру Резвой, который отозвался на мою публикацию и помог в проведении вычислений и намотки.
Планирую сделать такую же программку для двухтакта – пока только в классе А – для этого нужны минимальные переделки.
Только прошу относиться к моему скромному труду снисходительно – я ничего нового не изобрел, только обобщил уже известные данные и привел их к удобному для пользования ( как мне кажется ) виду. Также надо помнить, что вообще – расчет выходных трансформаторов – это клубок компромиссов, и большинство формул основанны на импирике, поэтому к полученным данным нужно относиться с известной долей осторожности. Если возникнут вопросы или вы заметите ошибки, пожалуйста пишите на электронный адрес, указанный а разделе About.

Дополнено 12 августа 2014 года

программа дополнена опцией выбора сразу трех вариантов сопротивления нагрузки, что очень помогает при проектировании выходного трансформатора с несколькими выходными выводами.

opt_se_design

И еще отвечу на возникающие вопросы. Число витков в поле h49 ( залитое зеленым )  вы выбираете сами, исходя из данных расчета по вариантам расчета из полей H 28 – 32 .  Выбираем или максимальное значение, или то, которое подбором  в конечном итоге обеспечивает в ячейке J41 минимальную индуктивность первички заданную в ячейке E20.

Дополнено 24 марта 2015 года.  Из практических соображения и для упрощения расчета, изменена формула подсчета толщины немагнитного зазора, введены некоторые пояснения к расчету ( взята из методика Андронникова ).

opt_se_design_21

Должен сказать, что этот алгоритм выдержал несколько проверочных намоток и всегда давал очень неплохое соотвествие с конечным результатам.

*****************************************************************************************

klimanski.com

У начинающих радиолюбителей – ламповиков часто возникают вопросы о правильности расчетов выходных трансформаторов

О расчетах выходных трансформаторов.

У начинающих радиолюбителей – ламповиков часто возникают вопросы о правильности расчетов выходных трансформаторов. Расчет по разным методикам (разных авторов) приводит к значительному разбросу параметров выходного транса. Разница в коэффициенте трансформации и количестве витков бывает в 2 и более раз.

И это заводит в тупик.

При расчете трансформатора определитесь, что вы хотите получить.

Возьмем основные параметры усилителя:

1.P-Мощность.

2.Fн- нижняя воспроизводимая частота.

3.Fв- верхняя воспроизводимая частота.

4.Кг- коэффициент гармоник.

5.Кдемп- коэффициент демпфирования.

Все эти параметры зависят от выходного трансформатора (считаем схему неизменной и без ООС).

Получение высоких значений некоторых параметров входит в противоречие с другими.

Например, для получения большего значения Кдемп и уменьшения Кг приходится жертвовать мощностью.

Получить рекордные показатели по всем параметрам, к сожалению не получится.

Упрощенно вопрос сводится к выбору – либо мощность, либо качество.

Рассмотрим, от чего зависят параметры.

P(мощность) зависит от выбора коэффициента альфа (отношение сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению лампы), чем он меньше, тем больше мощность. В некоторой степени от активного сопротивления обмоток. Чем сопротивление меньше, тем меньше потерь и больше мощность.

Fн(нижняя частота) зависит от индуктивности первичной обмотки, которая в свою очередь зависит от типа железа, его объема и количества витков.

Для снижения fн увеличиваем индуктивность, следовательно объем(массу) железа и увеличиваем количество витков.

Fв(верхняя частота) зависит от типа железа, толщины пластин и способов намотки.

Для повышения выбираем более тонкие пластины и секционируем обмотку.

Кг(коэффициент гармоник) зависит от выбора рабочей точки и сопротивления нагрузки.

При увеличении сопротивления нагрузки Кг уменьшается, но уменьшается и мощность.

Кдемп(коэффициент демпфирования) равен альфа (если не учитывать активного сопротивления обмоток). Для его увеличения выбираем большее значение альфа, но это опять ведет к снижению мощности.

 Можно подвести некоторый итог.

Определитесь, что вы хотите получить? Максимальную мощность или высокое качество?

При расчете, прежде всего, нужно определится с величиной альфа и Fн.

Для однотактных усилителей (согласно учебникам) рекомендуется величина альфа 2-4.

Максимальная мощность получается при альфа равном 2.

Максимальное качество при альфа равном 4 и более, но при этом снижается мощность.

Некоторые конструкторы, например Ю.Макаров выбирает альфа равное 10-30.

Улучшаются все качественные показатели, но при этом значительно снижается мощность.

Выбор за вами- мощность или качество?

Я предлагаю компромиссный вариант с переключением части первичной обмотки.

Об этом можно прочитать И волки сыты и овцы тоже.

 http://sergeev21.narod.ru/trd.htm

Советую также почитать

Расчет однотактного триодного усилителя (статья А.И.Манакова и В.Юхневича)

Упрощенный расчет вых. трансформаторов

Расчет выходных трансформаторов 1

Расчет выходных трансформаторов 2

 

sergeev21.narod.ru