ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ И РЕКОМЕНДАЦИИ
Не случайно в этой книге вопросам технологии изготовления трансформаторов уделено особое внимание. Практика создания большого числа ламповых УЗЧ и анализ их работы показали, что именно трансформаторы являются основным источником нелинейных и частотных искажений и по существу ограничивают как полосу пропускания усилителя, так и минимально достижимое значение коэффициента нелинейных искажений.
Чтобы уяснить, в чем именно выражается это влияние, придется немного коснуться теории. Вспомним главное условие передачи электрической энергии без потерь (точнее — с минимально возможными потерями). Оно состоит в том, что внутренние сопротивления источника и потребителя должны быть равны. Если при этом речь идет о передаче энергии не на какой-либо одной частоте, а в некоторой полосе частот, то очевидно, что это равенство должно удовлетворяться для любой частоты в пределах указанной полосы.
Возьмем обычный однотактный оконечный каскад на ламповом триоде с трансформаторным выходом, нагруженный на активную нагрузку R. Принципиальная схема такого каскада показана на рис. 50. Там же дана и эквивалентная схема (без учета влияния источника питания), где лампа представлена в виде генератора с приведенным внутренним сопротивлением г. Здесь и далее будем рассматривать предельно упрощенную модель и анализировать элементарную эквивалентную схему.
Будем считать, что внутреннее сопротивление лампы определенным образом пересчитано во внутреннее сопротивление генератора г и что в первом приближении коэффициент трансформации трансформатора n = 1. Очевидно, что условием оптимальной передачи энергии будет равенство г = R.
Рассмотрим соотношения, которыми автор в течение многих лет пользовался при создании различных УЗЧ.
Исходной посылкой для вывода основных формул является cле-дующая: наивыгоднейшей нагрузкой оконечной лампы, обеспечивающей максимум неискаженной отдачи, является нагрузка Ra, равная двойному внутреннему сопротивлению лампы:
Ra=2Ri,
где Ri — внутреннее сопротивление лампы (для переменного тока).
При наличии выходного трансформатора и работе на активную нагрузку
Ra=(n^2)*Ra,
где n — коэффициент трансформации выходного трансформатора.
В этом случае условие оптимальной передачи выглядит следующим образом:
Ra’=(n^2)*Ra=2Ri.
Отсюда получаем формулу для определения оптимального коэффициента трансформации:
n=sqrt((2Ri)/Ra).
Для облегчения поиска нужного коэффициента трансформации на рис. приведен график, по которому этот коэффициент определяется практически мгновенно. Величина Ri является справочной паспортной. Для ламп, рекомендуемых в книге, эти данные имеются в табл. 1. Для других ламп, если этого параметра нет в справочнике, его можно определить (в килоомах) по двум другим паспортным параметрам:
Ri=u/S
где u — коэффициент усиления лампы; S — крутизна ее характеристики, мА/В.
Если г >> R, что бывает практически всегда, поскольку нагрузкой любого УЗЧ является акустическая система, громкоговорители которой имеют сопротивление порядка единиц ом, то положение легко исправить подбором необходимого коэффициента трансформации выходного трансформатора. Собственно, это и есть одна из двух задач, решаемых трансформатором: отделение полезной переменной составляющей сигнала от ненужной постоянной составляющей и согласование низкого активного сопротивления нагрузки со сравнительно высоким внутренним сопротивлением лампы.
При расчете реального выходного трансформатора не возникало бы никаких проблем, если бы трансформатор работал только на какой-нибудь одной частоте (безразлично какой) и использовался в однотактной схеме. На практике же мы имеем как раз обратное — почти все современные УЗЧ выполняются с двухтактными оконечными каскадами и работают в очень широком диапазоне частот 20 Гц…20 кГц. Отношение граничных частот составляет 1:1000, что создает принципиально различные, а порой и противоречивые, взаимоисключающие условия работы трансформатора. Следовательно, изменяются и предъявляемые к нему требования.
В чем суть этих противоречий? Для некоторой средней частоты рабочего диапазона (скажем, 1000 Гц) индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора много выше ее активного (омического) сопротивления, определяемого исключительно длиной и диаметром обмоточного провода.
Например, для типичного «усредненного» трансформатора промышленного лампового радиоприемника индуктивность первичной обмотки находится в пределах 10…15 Гн, а активное сопротивление 500…800 Ом. На частоте 1000 Гц индуктивное сопротивление такой обмотки xl составляет 62 кОм, и поэтому активным сопротивлением обмотки (500…800 Ом), включенным последовательно с ее индуктивным сопротивлением, можно просто пренебречь — потери на нем составляют около 1 %.
Однако на крайней нижней частоте рабочего диапазона (а он даже для самых лучших и дорогих моделей радиоприемников не опускался ниже 60…80 Гц) индуктивное сопротивление обмотки составляет всего 3,5 кОм, поэтому на активной составляющей полного сопротивления обмотки теряется уже 20% полезного сигнала.
Если же мы захотели использовать такой трансформатор в современном усилителе, где нижняя граница рабочего диапазона составляет 20 Гц, то на этой частоте потери сигнала достигли бы уже 70%, т.е. сигнал с частотой 20 Гц воспроизвести вообще бы не удалось.
Так что же надо делать, чтобы решить эту проблему? Ответ очевиден: необходимо увеличить индуктивность первичной обмотки и в то же время уменьшить ее активное сопротивление. Увеличить индуктивность можно, увеличив число витков обмотки и снизив потери в магнитопроводе трансформатора. Но с увеличением числа витков растет и активное сопротивление обмотки, а нам нужно, чтобы оно уменьшалось. Уменьшить сопротивление обмотки при увеличении числа ее витков можно только одним путем — увеличением сечения (диаметра) обмоточного провода, но тогда для размещения обмотки на каркасе потребуется больше места, а это повлечет за собой увеличение габаритных размеров трансформатора.
Какие же реальные значения индуктивности первичной обмотки и ее активного сопротивления могут считаться приемлемыми для современного УЗЧ с нижней границей полосы пропускания 20 Гц? Если задаться максимальным допустимым значением потери сигнала на нижней частоте диапазона 10%, то расчеты дадут L = 40 Гн при г=500 Ом
XL = 2 пfL= 6,28 х 20 х 40 = 5 кОм; г = 0,5 кОм; г = 0,1 XL.
Конструктивный расчет такого «теоретического» трансформатора с учетом того, что для двухтактной схемы первичных обмоток должно быть две, а не одна, дает значение 1500…2500 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром (по меди!) 0,44…0,51 мм для первичной обмотки и 50…150 витков провода диаметром 0,8…1,2 мм — для вторичной. Для того чтобы эти обмотки разместились на каркасе, размер его окна должен быть примерно 20х50 мм, что приводит к необходимости применять трансформатор с сечением магнитопровода не менее чем 10…12 см при выходной мощности усилителя всего 10… 15 Вт. Для усилителей с выходной мощностью 40 Вт сечение соответственно увеличивается до 15…18 см .
Для сравнения напомним, что такой пакет железа (сечением 30х63 мм) имел… силовой трансформатор телевизора «Рубин-102» мощностью 150 Вт! Такова сегодня цена за реальную нижнюю границу полосы пропускания усилителя 20 Гц.
Теперь поговорим о цене другого показателя — неидентичности данных двух половинок первичной обмотки, намотанных традиционным, неизменно применявшимся в промышленном производстве методом -одна на другой. Давайте внимательно рассмотрим разрез каркаса катушки выходного трансформатора, показанный на рис. 52. На каркас вначале наматывалась одна половина первичной обмотки, затем следовал один или несколько слоев изоляции, а после нее наматывалась вторая половина обмотки (для упрощения картины не будем учитывать наличие вторичной обмотки). При этом совершенно очевидно, что длина первого витка (у основания каркаса) была значительно меньше длины последнего витка второй половины обмотки. Однако слово «значительно» в данном случае неприемлемо: нас интересует количественная сторона вопроса.
Для начала, чтобы не загружать читателя громоздкими вычислениями, обратимся к простейшим арифметически-геометрическим расчетам. Из рисунка видно, что длина самого первого (внутреннего) витка составляет 4+3+4+3=14 см, а последнего (внешнего) — 7+8+7+8=30 см. Нас, однако, интересуют длины не двух крайних витков, а сравнительные длины средних витков в первой и второй половинах обмотки, поскольку они прямо пропорциональны значениям активных сопротивлений этих двух половин. Из того же рисунка видно, что они составят l1 = 4+5+4+5 = 18 см и I2 = 6+7+6+7 = =26 см. Поскольку вся обмотка намотана одним и тем же проводом, соотношение активных сопротивлений двух ее половинок будет таким же, т.е. при общем сопротивлении в 500 Ом нижняя половинка будет иметь сопротивление r1 = 200 Ом, а верхняя — г2 = 300 Ом.
Еще раз оговоримся, что этот расчет достаточно приближенный, но даже он приводит к следующему результату: если в оконечном каскаде применены два триода с анодным током 100 мА каждый при напряжении источника 120 В (например, лампы 6С19П), то в результате падения напряжения на постоянном активном сопротивлении обмоток
U1=Ia*r1=0,1×200=20B; U2=Iar2=0,lx300=30B
на аноде первой лампы останется 120 — 20 = 100 В, а на аноде второй -120-30 =90 В.
Таким образом, при классической методике намотки трансформатора и абсолютном равенстве числа витков двух половинок первичной обмотки напряжения на анодах двух оконечных ламп будут различаться на 10%, что, конечно же, исключит возможность получения нелинейных искажений в пределах 1 %.
Такова цена «классической» технологии намотки выходного трансформатора. К этому следует добавить, что и индуктивности обеих половинок обмотки окажутся неодинаковыми, поскольку в формулу индуктивности многослойной цилиндрической катушки входят диаметры нижнего и верхнего витков, а они для двух половинок обмотки окажутся разными.
Но для чего мы так подробно рассматриваем все эти вопросы, вместо того чтобы просто привести конкретные конструктивные и намоточные данные трансформаторов? С единственной целью: чтобы, во-первых, радиолюбитель понял, что предъявляемые к конструированию трансформаторов требования, с которыми он дальше столкнется, отнюдь не являются неоправданными или чрезмерными, и, во-вторых, чтобы при изготовлении трансформаторов он неуклонно следовал нашим указаниям и рекомендациям.
Перейдем к практической стороне дела. Начнем с выбора типа магнитопровода для выходных трансформаторов. С точки зрения качества работы трансформатора форма его железного магнитопровода не имеет существенного значения, но с позиции удобства намотки лучше использовать О-образные ленточные разрезные магнитопроводы стержневого типа. В этом случае на каждом из двух стержней размещают два совершенно одинаковых каркаса с двумя абсолютно идентичными обмотками, что в принципе исключает разницу в электрических данных этих обмоток.
Намотка каждой из двух катушек в этом случае не требует никаких специальных действий и выполняется на обычном намоточном станке с «водилом» (укладчиком витков) и счетчиком точного числа витков, позволяющим осуществлять плотную рядовую послойную намотку «виток к витку». Наматывать катушки внавал недопустимо.
Поверх половинки первичной обмотки на каждой из двух катушек наматывают таким же образом половину витков вторичной обмотки, а после сборки трансформатора обе половины как первичной, так и вторичной обмотки соединяют последовательно. Такой трансформатор является идеальным в отношении полной идентичности симметричных частей его обмоток и имеет незначительные внешние поля рассеяния.
Можно изготовить хороший выходной трансформатор и на шихтованном броневом магнитопроводе из отдельных Ш-образных пластин, однако его изготовление более трудоемко и требует выполнения дополнительных операций.
Первая трудность связана с самим магнитопроводом. Прежде всего нужно учесть, что пластины толщиной 0,5 мм для наших целей непригодны. Максимальная допустимая толщина 0,35 мм, а если железо будет 0,2 мм — еще лучше.
Собрав пакет необходимой толщины, следует прибавить к нему еще не менее 10% дополнительных резервных пластин (и перемычек) про запас. Все пластины и перемычки необходимо с двух сторон покрыть из пульверизатора любой нитрокраской или жидким цапонлаком, после чего тщательно высушить (на воздухе, на солнце или в духовке). Эта мера нужна для сведения к минимуму потерь в магнитопроводе на токи Фуко. После этого каждую пластину и перемычку надо обследовать на предмет отсутствия на них заусениц и зазубрин, которые в процессе сборки пакета могут нарушить (процарапать) защитный слой лака или краски. Обнаруженные дефекты можно устранить с помощью надфиля, мелкого наждачного круга или ножа. Еще лучше заменить дефектные пластины из числа резервных.
Следующая проблема — секционированный каркас. Скорее всего, ни один из промышленных вам не подойдет, особенно если он неразборный. Но прежде, чем вы приступите к самостоятельному изготовлению каркаса, нужно остановиться на одном из трех вариантов намотки, показанных на рис. 53. Вариант а предполагает наличие каркаса, разделенного точно пополам дополнительной внутренней щечкой на всю высоту окна. В этом случае в каждой секции наматывается по одной половинке первичной обмотки, поверх которой после нескольких слоев изоляции (кабельной бумагой или лакотканью) в каждой секции укладывается ровно половина витков вторичной обмотки. Секции первичной и вторичной обмоток (разумеется, поврозь) соединяют последовательно.
В варианте б средняя щечка делается меньшей высоты — вровень с половинками первичной обмотки. После их намотки укладываются два-три слоя изоляции кабельной бумаги во всю ширину каркаса, и сверху, также во всю ширину каркаса, наматывается без разрыва вся вторичная обмотка.
И наконец, вариант в предусматривает разбивку каркаса на три одинаковые секции. В двух крайних секциях наматывают половинки первичной обмотки, а в средней секции — всю вторичную обмотку. С электрической точки зрения все три варианта равноценны, поэтому конструктор может остановить свой выбор на любом из них.
Пластины магнитопровода собирают встык, без зазора, поскольку в двухтактных схемах подмагничивание постоянным током отсутствует. Собранный трансформатор желательно подвергнуть влагозащитной обработке, осуществить которую в домашних условиях довольно просто. Для этого в железной банке из-под консервов или любой другой подобной посуде (кастрюльке, миске), внутри которой может поместиться целиком или хотя бы частично выходной трансформатор, нужно растопить и хорошо прогреть воск, парафин, стеарин или промышленный церезин. Трансформатор опускают в банку и выдерживают в ней 2…3 мин, непрерывно подогревая расплав.
После полного остывания (до комнатной температуры) застывшие потеки, если они мешают креплению трансформатора, можно осторожно удалить деревянной или пластмассовой лопаточкой (но не стальным ножом!). Если есть возможность, готовый трансформатор перед установкой на шасси желательно поместить в сплошной металлический кожух-экран. Это необходимо сделать, чтобы исключить воздействие его электрических и магнитных полей на лампы, открытый печатный монтаж, оперативные регуляторы и соединительные провода и тем самым предотвратить возникновение неконтролируемых паразитных обратных связей.
Далее мы приведем конструктивные данные магнитопроводов и электрические данные обмоток для всех описанных в книге усилителей, а также намоточные данные рекомендуемых силовых трансформаторов и дросселей фильтров.
Однако сразу предупреждаем, что точное повторение приводимых данных с точностью до одного витка и использование рекомендованных диаметров намоточного провода не всегда оптимально, а в отдельных случаях могут привести к тому, что все обмотки не поместятся в окне каркаса.
Дело в том, что используемые радиолюбителями пакеты магнитопроводов могут очень сильно, иногда в несколько раз, различаться между собой по качеству трансформаторной стали, что приводит к получению разной индуктивности при абсолютно одинаковом числе витков катушек, а следовательно, к неоптимальному режиму оконечных ламп по отдаваемой неискаженной мощности.
Коэффициент заполнения окна обмотками также зависит от многих данных: от типа применяемых обмоточных проводов (ПЭ, ПЭЛ, ПЭВ-1, ПЭВ-2 и т.д.), имеющих при одном и том же диаметре по меди (например, 0,2 мм) реальные наружные диаметры от 0,215 до 0,235 мм; от типа и толщины изоляции между слоями и обмотками (папиросная, конденсаторная, кабельная бумага, лакоткань, мелованая бумага, ватман); от количества слоев такой изоляции; от плотности намотки и степени натяжения провода; от полноты заполнения каждого слоя намотки витками и ряда других факторов. Несколько важных советов:
1. Выбирайте магнитопроводы, выполненные из высококачественных сортов трансформаторной стали.
2. Наматывая обмотку, сделайте два-три отвода в ее начале или конце с шагом в 5% от общего числа витков. Это дает возможность при необходимости подобрать наиболее оптимальное число витков.
3. Наматывайте обмотки только рядовым способом, плотно укладывая виток к витку от щечки до щечки каркаса, не оставляя по краям пустых мест.
4. Обязательно после каждого слоя обмотки делайте изоляционную прокладку из тонкой (папиросной или конденсаторной) бумаги так, чтобы витки следующего ряда не проваливались около щечек каркаса в нижние слои.
5. Избегайте применения обмоточных проводов большего диаметра, чем указано в описании. В противном случае обмотки могут не поместиться в окне каркаса и трансформатор придется перематывать. Имейте в виду, что применение провода чуть меньшего диаметра заметно не повлияет на параметры усилителя, но зато будет гарантировать, что все обмотки уместятся в окне каркаса.
Высококачественные ламповые УЗЧ.