IZHODNI TRANSFORMATORJI ZA Hi-Fi CEVNE OJAČEVALNIKE
Transformator, kot je znano, omogoča menjavo velikosti napetosti in obenem jakosti toka v vezju skozi katerega teče izmenični tok. On igra zelo značajno vlogo v elektro in radiotehniki.
V področju N. F. ojačanja mora transformator zadovoljiti večje zahteve kot v uporabi v industrijske namene, pa je njegova izvedba zelo otežkočena, tako da se mora napraviti dosti kompromisov v nasprotujočih si zahtevah.
Princip dela transformatorja
slika 1
Prvo se spomnimo na princip delovanja transformatorja. Ko teče skozi nek vodnik tok izziva v okolici pojavo magnetnega polja po katerem se obrača magnetna igla. Vodnik se torej obnaša kot magnet. Če je vodnik v obliki cilindrične tuljave se magnetno polje koncentrira v njej in vpliva skoraj enako na vse točke tuljave. Pravimo da gre za enakomerno magnetno polje, vendar se magnetne silnice spajajo na zunanji strani tuljave.
slika 2
V primeru da je tuljava v obliki obroča (toroid) ne obstojajo izven tuljave magnetne silnice, ker imajo možnost spajanja v krožnem prstanu ki ga sestavlja tuljava. Vsota linij magnetnih silnic, ki prehajajo skozi neko površino povzroča t.i. magnetni fluks skozi to površino.
slika 3
Fluks se lahko izrazi z magnetnim tokom proizvedenim z razliko magnetnega potenciala, t. i. magnetomotorne sile, ki bi krožil skozi neko sredino, ki njegovem prehodu predstavlja večji ali manjši upor. Ta magnetna upornost se imenuje reluktanca.
Tako nastali magnetni krogi sledijo iste zakone kot električni krogi, pa se tudi za magnetne kroge lahko postavi Ohmov zakon. Magnetomotorna sila je enaka zmnošku skupnega fluksa in ekvivalentne reluktance kroga. Reluktance vezane serijsko se seštevajo a paralelne se izračunavajo isto kot ohmske upornosti. Magnetomotorna sila je odvisna od števila navojev navitja in toka skozi njih; ona je sorazmerna tem faktorjem in se njihov zmnožek označuje z Amper-ovoji.
Kar se tiče reluktance je ona sorazmerna dolžini magnetnega kroga, obratno sorazmerna njegovem preseku in nazadnje sorazmerna faktorju 1/m, kjer se z m označuje t. i. elektromagnetna prevodnost sredine skozi katero teče fluks (1/m je analogno upornosti v električnem krogu). Z m se označuje permeabiliteta kroga.
Za zrak velja: m = 1. Pri železnih jedrih varira m od 50 - 200.000 v odvisnosti od sestave magnetne legure. Železo je torej 50 - 200.000 krat boljši prevodnik za magnetni fluks, zato vidimo zakaj uporabljamo železno pločevino za izdelavo transformatorjev (slika 2).
Če je tok skozi navitje enosmeren sta magnetno polje in fluks konstantna. Pri izmeničnem toku pa se polje in fluks menjata v istem ritmu izmeničnega toka.
Izračun N. F. transformatorja
Sedaj pa preidimo na izračun in gradnjo niskofrekvenčnega transformatorja. V najpreprostejši obliki je transformator sestavljen iz dveh navitij navitih okorog železnega jedra sestavljenega iz pločevine specialnih legur (slika 2 in 3). Na prvo navitje se priklopi izvor toka in to je primar, na drugo navitje se priklopi potrošnik in se imenuje sekundar.
Ko skozi primarno navitje teče tok nastane v njem magnetno polje, a fluks ki ga proizvaja, prehaja skozi magnetni krog iz železa, ki je boljši prevodnik fluksa kot zrak.
Če se tok menja (n. pr. izmenični) bo tudi fluks izmeničen in bodo spremembe fluksa inducirale v sekundarnem navitju elektromotorno silo. Če na sekundar priključimo nek potrošnik bo skozi njega stekel tok.
Če fluks popolnoma preide na sekundar (recimo da ni magnetnih izgub), bo inducirana napetost na vsakem navoju sekundarja ista kot na vsakem navoju primarja ker je fluks sorazmeren s številon navojev primarja (sorazmeren je magnetomotorni sili), a inducirana napetost je sorazmerna spremembam fluksa povzročenih s spremembo toka skozi eno periodo.
Med sekundarno inducirano napetostjo Us in magnetizacijsko promarno napetostjo Up je torej isti odnos kot med številom navojev sekundarja Ns in številom navojev primarja Np.
Us / Up = Ns / Np = n
V slučaju, da sekundarno navitje ni sklenjeno s potrošnikom je jakost toka odvisna samo od impedance primarnega navitja, ki predstavlja navadno tuljavo z železnim jedrom. Poznano je da ima vsako navitje določeno samoinduktivnost ki več ali manj upočasnjuje pretok izmeničnega toka. Magnetno polje, ki nastane zaradi pretoka električnega toka, proizvaja v navitju inducirano napetost nasprotne smeri in zmanjšuje tok v navitju. Torej je vpliv samoinduktivnosti pri enosmernem toku samo prehodnega karakterja, dočim je pri izmeničnem toku stalno prisotna.
Koeficient samoinduktivnosti cilindrične tuljave je definiran s tem približnim obrazcem:
L = ( 1,25 / 108 ) * N2 * S * m / l
N = število navojev, S = presek jedra v cm2, m = permeabilnost železnega jedra in l = dolžina poti magnetnega polja skozi železno jedro. Brez zračne reže predstavlja l srednjo dolžino v cm srednje linije silnic v magretnem krogu. Če obstoja zračna reža širine e je dolžina enaka l + me.
Za primarno navitje je potrebna čim manjša upornost, da bi se čim bolj zmanjšale izgube, ki se pretvarjajo v toploto. Reaktanca samoinduktivnosti 2pfLp je ta ki povzroča tok v praznem teku (f je frekvenca toka). Če se na primar priključi napetost U je tok podan z enačbo:
in če zanemarimo Rp potem je:
Lp je odvisen od kvadrata števila navojev in preseka železnega jedra. Če želimo čim manjše izgube v praznem hodu mora biti vrednost toka I čim manjša tudi na najnižji frekvenci f za katero je reaktanca 2pfLp tudi najmanjša. To vse skupaj pogojuje odgovarjajoče število navojev in presek jedra v magnetnem krogu.
Vrednost Lp je odvisna od permeabilnosti m magnetnega kroga. Videli smo da ta faktor pokaže kolikokrat je železo boljši prevodnik fluksa od zraka.Čim večja je permeabilnost m, tem večja bo Lp. Za določeno vrednost L lahko menjamo N in S če se uporabi železna pločevina večje permeabilitete medtem ko vse ostalo ostane isto.
Na višjih frekvencah je tok v praznem teku zelo mali, ker je reaktanca 2pfLp ki omejuje tok velika zaradi velike frekvence f. Torej je od najnižje frekvence odvisna Lp, oziroma število navojev primarja v odvisnosti od dimenzij železnega jedra, ker je prav na tej frekvenci tok praznega teka največji.
Magnetno polje je sorazmerno z amperskimi-ovoji, to je zmnožku števila ovojev in toka v Amperjih. Ker je fluks za obe navitji (primar in sekundar) isti, bodo tudi amper-ovoji na obeh straneh isti. Če ima sekundar manjše število navojev in iste amper-ovoje, bo tok skozi sekundarno navitje večji.
Med tokovi obstaja torej isti odnos kot je med napetostmi, samo je obraten. Iz tega sledi:
Us / Up = Is / Ip = Ns / Np = n
( U = napetost na navitjih, I = tok skozi navitja, N = število navojev, indeksa s in p označujeta sekundar in primar, n pa označuje odnos transformacije )
Če ni izgub velja: Up * Ip = Us * Up; celotna moč privedena na primar je odvedena na potrošniku.
Kaj se zgodi ko se na sekundar priključi potrošnik? Videli smo da se na krajih sekundarnega navitja pojavi inducirana napetost. Ta napetost Us proizvede v potrošniku tok Us / R, če je potrošnik ohmski upor. Ker je tok v sekundarju induciran je po zakonu indukcije nasproten toku ki ga je proizvedel. Smer sekundarnega toka je takšna da ustvarja magnetno polje obratno polju ki ga ustvarja primarni tok. Fluksa nastala v obeh navitjih sta si nasprotna in se uničujeta in tako je transformator brez izgub, saj tako izgine vpliv samoindukcije, ki je zavirala primarni tok (delovanje primarnih amper-ovojev kompenzira sekundarne amper-ovoje).
V resnici obstojajo izgube različne vrste kot toplota zaradi upornosti primarja in sekundarja in je tako napetost na sekundarju manjša. Izmenični fluks povzroča določeno samoinduktivnost in pomik faze, ki so v resnici vzrok teh sprememb.
Če pogledamo razmerja Up / Ip in Us / Is, ki v resnici predstavljajo impedance Zp izvora in Zs potrošnika ugotovimo, da velja za idealen transformator: Zs = n2 * Zp.
Poglejmo to na primeru:
Predpostavimo da je: Up = 100 V , Ip = 1 A in n = 5
Torej je: Zp = 100 V / 1 a = 100 Ohm
Vemo da je: Us = n * Up in da je: Is = Ip / n ;
torej: Us = 5 * 100 V = 500 V in Is = 1 / 5 = 0,2 A ;
nato pa: Zs = 500 V / 0,2 A = 2500 Ohm;
Torej 2500 Ohm = n2 * 100 Ohm = 52 * 100
Vidimo da ima transformator trojno sposobnost. Transformira napetost, tok in impedanco. Prav v tej zadnji vlogi je uporabljen v nizkofrekvenčni tehniki.
Če rabimo za optimalno delovanje izvora impedanco 5000 Ohm a imamo potrošnik s samo 12,5 Ohm moramo za pravilno obremenitev izvora med njim in potrošnikom vgraditi transformator:
n2 = 5000 / 12,5 = 400 in je rezultat tega n = 20
Torej imamo že dva elementa za izračun transformatorja. Impedance ki jih je treba prilagoditi dajo vrednost n, a najnižja frekvenca pogojuje najmanjšo vrednost samoinduktivnosti da bi se omejil tok praznega hoda na ugotovljeno vrednost.
Vrnimo se sedaj na magnetni krog. Skozi njega ne more teči fluks neomejene velikosti. Če je magnetno polje, ki proizvaja fluks, premočno, se železno jedro zasiti, t. j. do določene vrednosti polja vsako njegovo povečanje ne povečuje več fluksa. Permeabiliteta železa se zmanjšuje inizničuje tako da železno jedro ni več boljši prevodnik od zraka in sile polja nimajo več vzroka teči po jedru. Nastajajo torej magnetne izgube z ene strani, z druge strani pa izginja prednost množenja s faktorjem m Torej, magnetno kolo mora biti sestavljeno tako, da ne postane zasičeno v normalnih pogojih dela.
S povečanjem preseka železnega jedra S se število silnic po kvadratnem centimetru zmanjšuje, pa se lahko gostota teh silnic po cm2 dozira, tako da ne pride do zasičenja.
Polje je sorazmerno amper-ovojem primarja Np * Ip. Np ki pogojuje tok v praznem teku je odvisen od Up, torej Np * Ip je odvisen od primarne kakor tudi sekundarne moči, ki je po učinku približno ista. Čim je moč, ki jo mora transformator transformirati večja, tem večji je presek jedra.Kar se tiče dolžine magnetnega kroga težimo da je čim krajša, vendar je to pogojeno z navitjem ki ga moramo nekam naviti.
Z naraščanjem frekvence rastejo tudi izgube v magnetnem krogu, torej rastejo tudi izgube fluksa. Da bi fluks, ki teče skozi sekundarno navitje, imel približno isto vrednost kot primarni se obe navitji navijata na istem telesu, tako da je veza med njima čim močnejša. Zaradi zmanjšanja kapacitivnosti navijamo tako da se sekundar navija med primarnim navitjem.
Videli smo da izgube fluksa delujejo isto kot izgube samoinduktivnost, a ona lahko pride v resonanco s kapaciticivnostjo navitja. Z zmanjšanjem izgub in kapacitivnosti se zvišuje tudi resonantna frekvenca, ki tako leži daleč od zvočnih frekvenc.
V nizkofrekvenčni tehniki se pojavlja še en problem pri prilagoditvi zvočnika na izhodni ojačevalnik z eno cevjo. Pri tem pride do motnje pri delu transformatorja zaradi enosmernega anodnega toka cevi skozi transformator. Pri prehodu enosmernega toka skozi navitje se ustvarja permanentni magnetno polje, ki se superponira izmeničnemu magnetnemu polju izmeničnega toka nizke frekvence. Zato lahko hitro pride do zasičenje jedra. Da bi se to zasičenje preprečilo naredimo zračni precep v jedru, s tem se zmanjša fluks; vendar se s tem zmanjša tudi samoinduktivnost in učinek na nizkih frekvencah. Če zaradi tega povečamo število navojev povečamo tudi število amper-ovojev, kar zopet izniči izboljšanje. Razna vezja v Push-Pull vezju in sistemi cevi v seriji, uporabljena v kvalitetnih ojačevalnikih, odklanjajo vpliv pretoka enosmernega toka v primarju in s tem tudi omogočajo kvalitetnejšo reprodukcijo.
Do sem smo, čeprav na kratko, obravnavali vlogo in delo transformatorja v ojačevalniku, kakor tudi faktorje ki vplivajo na njegovo delovanje. Sedaj preidimo na primer resničnega izračuna.
Še prej poglejmo dve ekvivalentni shemi transformatorja za nizke in visoke frekvence.
Na nizkih frekvencah ustvarja samoinduktivnost primarja Lp preko svoje iduktivne upornosti vezo s potrošnikom. Ona ne sme delovati kot shunt na potrošnika, ampak morajo biti skupne izgube čim manjše. Zato mora biti njena impedanca 2pfLp mnogo večja kot impedanca potrošnika.
Pri višjih frekvencah je ta pogoj še vedno zadovoljen, vendar delovanje samoindukcije preprečuje prehod toka v potrošnik in to tem več čim višja je frekvenca. Na ekvivalentnih shemah opažamo da je narisano samo eno navitje, ker je mogoče ob manjšem posploševanju primar in sekundar obravnavati kot eno navitje.
Če z n označimo razmerje transformacije je tok Is na sekundarju Ip / n, a zaradi toplote izgubljena moč na sekundarju je: rs * I2 ali rs / n2 * I2 . To se pravi, da lahko rs obravnavamo kot primar z pripombo da velja rs / n2 . Moč izgubljena v toploti v obeh navitjih računamo tako: (rp + rs / n2) * I2. Navitje, ki bi bilo ekvivalentno obema bi imelo upornost rp + rs / n2.
Sedaj pa gremo v resnici na izračun transformatorja v Push-Pull vezavi za izhodni ojačevalnik z dvema elektronkama EL 84. Napetost napajanja EL 84 je 250 V pri toku 48 mA. Notranja upornost teh cevi je 38 kOhm, a optimalno breme je 4,8 kOhm.
Če je impedanca samoinduktivnosti primarja ista kot impedanca izvora so izgube moči 3 dB (zmanjša se za polovico). Če določimo frekvenco za katero so te izgube sprejemljive, n.pr. 16 hZ, lahko izračunamo samoinduktivnost ali induktivno upornost primarnega navitja. Od anode do anode je breme vezano notranji upornosti obeh cevi 2 x 38 kOhm.
Ekvivalentna upornost je:
(76 kOhm * 9 kOhm) / (76 kOhm + 9 kOhm) = cca 8000 Ohm
Na 16 hZ mora biti 2pfLp = 8000 Ohm
Lp = 8000 / (2 * 3,14 * 16) = 80 H
Če želimo dobiti moč 8 W izračunamo za jedro iz silicijeve pločevine po formuli:
Za pločevino v obliki dvojnega C z orientiranimi zrni velja:
Pri zadnjem primeru je S = 4,2 cm2.
Dve jedri oblike presekane črke T bosta zadovoljili te pogoje, saj je njihov presek 4,66 cm2. Dolžina linije silnic v magnetnem krogu je 16,3 cm, ampak moramo računati tudi zračno režo 0,03 cm. Ti podatki nam zadostujejo za izračun števila navojev primarja.
Če pri delu našega tranformatorja računamo s permeabiliteto m = 5000, kar je zmerna vrednost imamo:
l = 16,3 cm; me = 5000 * 0,003 cm = 15 cm
Tok 48 mA zahteva lakirano žico premera 0,15 mm. (Tabela debelin in dovoljenih obremenitev lakirane žice)
Če uporabimo zvočnik impedance 16 kOhm bo razmerje n izračunano tako:
(zaokroženo navzgor)
Torej je število navojev sekundarja:
Za sekundar bomo izbrali žico katere presek je 25 krat večji od primarne a to je 0,75 mm. Tranformator se navija simetrično in po sekcijah (sandwich). Lahko se vsak pol-primar razdeli v dva dela, vmes pa navijemo pol-sekundar. Naslednja še boljša možnost je vsak pol-sekundar razdeliti na tri dele, vmes pa navijemo pol-primar. Način navijanja je nazorno narisan na spodnjih dveh slikah.
Na vsako polovico tuljavnika lahko navijemo polno število sekundarnih navojev, potem pa obe polovici vežemo paralelno, kar nam omogoči navijanje s tanjšo žico (0,55), ki jo je lažje navijati. Vendar se pri paralelnem vezanju mora paziti na isto napetost na koncih, kar pogojuje popolnoma iste mehanske in geometrijske pogoje.
Velikost induktivne upornosti je težko določiti. Njo moramo meriti, a izračunamo lahko vrednost ki jo ne sme prekoračiti pri določeni visoki frekvenci. Če želimo da pade izhodna moč na polovico šele pri 40 kHz mora biti na tej frekvenci impedanca samoinduktivnosti največ enaka vrednosti notranje upornosti v seriji z impedanco potrošnika:
(2 * 38 kOhm) + (2 * 4,5 kOhm) = 85kOhm
Lf * 2p * 40.000 = 85.000 Ohm
Lf = 340 mH
Ta maksimalna vrednost se redko doseže, pa vrednost Lf ponavadi ne preseže 60 mH.
Kar se tiče visokih frekvenc, vidimo, da z določenimi prijemi pri navijanju navitja transformator funkcionira popolnoma dobro daleč nad obsegom slišnih frekvenc. Situacija je delikatnejša pri nizkih frekvencah, ker se dogaja da teče skozi transformator enosmerni tok, če ne pazimo na izravnavo enosmernih tokov obeh cevi. Pretok toka 10 mA skozi transformator lahko zmanjša induktivno upornost primarja na polovico, torej se podvoji frekvenca na kateri pade izhodna moč na polovico (32 Hz namesto 16 Hz v našem primeru).
Kakor vidimo predstavlja gradnja nizkofrekvenčnega transformatorja kompromis med zahtevami za nizke frekvence (večje število navojev, velik presek jedra) in zahtevami za visoke frekvence (malo število navojev zaradi škodljivih kapacitivnosti, mali volumen jedra ker so izgube sorazmerne z njim). Največjo težavo pa povzročajo lastnosti železa v magnetnem polju ki se ne menjajo linearno.
Veza med dvema pol-primarjema Push-Pull transformatorja igra veliko vlogo v ojačevalnikih z izhodnjo stopnjo v klasi AB ali B. V trenutku ko je tok na ničli proizvede samoinduktivnost med dvema polovicama primarja induciran tok, ki upočasnjuje padanje glavnega toka. To se lepo vidi na osciloskopu v obliki malega vrha kot izobličenje.
Kompromisom pri gradnji nizkofrekvenčnega transformatorja se ne moremo izogniti. Če bi se uporabi transformatorja izognili z uporabo visokoimpedančnih zvočnikov, bi kljub temu bila izhodnja stopnja izpostavljena vplivom spremembe impedance zvočnika v odvisnosti od frekvence. V tem primeru izgubimo možnost kombinacij, ki jih omogoča izhodni transformator.
Po mojem je najboljša (pa tudi najdražja) rešitev gradnja dveh ločenih ojačevalnikov (z EL84) za levi in desni kanal za srednje in visoke tone in posebnega ojačevalnika (z EL34) za skupne base.
Druga cenejša rešitev je Push-Pull-Parallel ojačevalnik v katerem je impedanca transformatorja samo četrtina vrednosti kot pri klasičnem ojačevalniku.