Содержание

Модели трансформаторов

Так как реальные трансформаторы являются сложными для анализа работы устройствами, то принято рассматривать упрощенные модели, которые раздельно описывают его работу в области низких и высоких частот.

На низких частотах трансформатор может быть представлен в виде идеального преобразователя, параллельно которому включена индуктивность L первичной обмотки реального трансформатора, напряжение на который подается от источника питания, сопротивление которого r_{источника} отличается от нулевого значения (рис. 5.19).

Рис. 5.19 Эквивалентная НЧ схема замещения трансформатора, учитывающая индуктивность первичной обмотки

Сопротивление источника питания и индуктивность первичной обмотки, которая имеет конечное значение, образуют фильтр нижних частот, частота среза которого определяется формулой:

Для данной схемы трансформатора более эффективная работа на низкой частоте будет обеспечиваться при снижении сопротивления источника питания. Например, для пентода EL34 значение r_а = 15 кОм, однако, при включении этого же самого пентода по схеме триода r_а = 910 Ом, а при использовании в схеме катодного повторителя r_k< 100 Ом.

К сожалению, данная модель применима только при условии малого сигнала. В усилителях мощности рабочие характеристики выходных ламп очень точно согласуются с импедансами нагрузок, а пониженное значение индуктивного сопротивления L_p на низких частотах приводит к тому, что часть тока полезного сигнала ответвляется в цепь, образованную L_p . При высоких уровнях сигнала более высокое значение ответвляющегося сигнала насыщает сердечник, что приводит к еще большему снижению индуктивности L_p, дальнейшее увеличение доли тока сигнала, протекающего по параллельной ветви, еще больше снижает величину тока, поступающего в нагрузку (громкоговоритель), то есть искажения в области низких частот возрастают в катастрофических масштабах. Таким образом, для усилителей мощности возникает требование, чтобы частота среза на уровне —3 дБ фильтра, включающего индуктивность L_p, определялась сопротивлением нагрузки R_H, а не анодным сопротивлением r_а, и преимущества использования лампы EL34 в схеме катодного повторителя совершенно не будут проявляться на полной выходной мощности усилителя.

После того, как установлена важность влияния сопротивления, необходимо получить и высокое значение индуктивности первичной обмотки. Оно может быть получено либо увеличением количества витков первичной обмотки, либо использованием материала сердечника, имеющего более высокое значение относительной магнитной проницаемости, μ_r. Хотя улучшение характеристик в области нижних частот может быть достигнуто за счет увеличения значения μ_r, этот фактор следует пока отложить до рассмотрения высокочастотных характеристик, а пока рассмотреть влияние обмотки. Индуктивность первичной обмотки может быть увеличена, если в обмотку добавить несколько витков, что приведет к снижению индуктивности рассеяния и паразитной емкости, приводя опять же к лучшим характеристикам трансформатора при работе в области высоких частот.

Использование материалов с более высокими магнитными характеристиками оказывается предпочтительнее, так как ширина полосы пропускания трансформатора (выраженная в октавах), BW_{(oктава)}, у которого согласованы сопротивления нагрузки и источника выражается:

Ширина полосы пропускания BW зависит от геометрии трансформатора и относительной магнитной проницаемости материала сердечника, но не от размеров и количества витков в обмотках. Если же все же остальные параметры остаются неизменными, то сердечник с более высоким значением μ_r, обеспечивает более широкую полосу пропускания трансформатора. Увеличение же значения m достигается либо выбором соответствующего материала, либо за счет использования сердечника, у которого сведен к минимуму воздушный зазор, например тороидального, либо же за счет использования вместе обоих факторов.

В области средних частот необходимо учитывать потери, вызванные омическим сопротивлением обмоток трансформатора, при этом обычно принято отражать элементы цепи вторичной обмотки трансформатора в составе схемы первичной обмотки (рис. 5.20).

Модель трансформатора для работы в области высоких частот выглядит гораздо сложнее (рис. 5.21).

Рис. 5.20 Эквивалентная схема замещения трансформатора для средних частот, учитывающая сопротивления обмоток

Рис. 5.21 Эквивалентная схема замещения трансформатора для высоких частот

В данной модели цепь первичной обмотки отображается в общей схеме со вторичной, а сопротивление источника, сопротивления первичной и вторичной обмоток рассматриваются в целом, не вдаваясь в детали.

Межвитковая емкость сначала была учтена как единая величина, а затем введена в эквивалентную схему в виде двух составляющих, также в схеме была учтена индуктивность рассеяния. Получившаяся в результате схема представляет классическую схему фильтра нижних частот, имеющего предельный спад частотной характеристики 18 дБ/октаву, а при соответствующем подборе значений компонентов схемы данная модель очень точно моделирует работу реального трансформатора на высоких частотах.

Так как модель представляет классический фильтр, то можно использовать основные положения, относящиеся к анализу работы данных фильтров. Одним из самых важных следствий, вытекающих из анализа, является то, что эффективность работы схемы в значительной степени зависит от величины сопротивлений элементов, подключенных к выходным клеммам схемы. Для обычного фильтра они образованы сопротивлениями источника и нагрузки, однако, в случае трансформатора необходимо дополнительно учитывать и паразитную емкость, вносимую нагрузкой.

Влияние нагрузки входного трансформатора звукоснимателя

При использовании повышающего трансформатора для головки звукоснимателя с подвижной катушкой приходится затратить много сил, чтобы определить оптимальное сопротивление нагрузки трансформатора перед тем, как подобрать точную нагрузку головки.

Если известно сопротивление источника в эквивалентной схеме трансформатора, можно определить оптимальную нагрузку для входного трансформатора. Следует очень осторожно относиться к мнению, что лучшие по качеству головки звукоснимателей характеризуются более высокими значениями сопротивления (из-за того, что более тонкий провод катушки снижает подвижную массу), так как замена головки почти наверняка может потребовать замены входного трансформатора. Будет при этом не только оказано влияние на частотную характеристику, но более высокое сопротивление головки может вызвать значительные потери в неизбежно существующем делителе напряжения, образованном сопротивление самой головки и приведенным сопротивлением нагрузки трансформатора.

Стоит рассмотреть следующий пример. Проигрыватель Sowter8055 первоначально был рассчитан на использование головки с сопротивлением 3 Ом, а чисто омическое сопротивление его оптимальной нагрузки составляло 2,7 кОм. Так как коэффициент повышения напряжения составлял 1:10, а импедансы преобразуются в отношении n², для головки с сопротивлением 3 Ом приведенное сопротивление составляло 27 Ом, что определяет уровень потерь значением 0,9 дБ. Замена головки с сопротивлением 3 Ом на головку с сопротивлением 10 Ом увеличивает уровень потерь до 2,7 дБ, что означает, что 1,8 дБ чувствительности оказались просто утраченными.

Важность влияния этих дополнительных потерь, составляющих 1,8 дБ, заключается в том, что поскольку уровень шума на входе усилителя остается неизменным, поэтому изменение сопротивления источника вызвало дополнительное снижение отношения сигнал/шум на величину 1,8 дБ. Это может быть скомпенсировано заменой входной лампы, так как увеличение крутизны входной лампы на 50% приводит к улучшению соотношения сигнал/шум на 1,8 дБ, однако, замена лампы довольно дорогое мероприятие, поэтому гораздо проще предотвратить ненужные потери перед усилением. Если бы имелась возможность увеличить нагрузочное сопротивление трансформатора, приведенное сопротивление для головки возросло бы, и тогда соотношение сигнал/шум улучшилось бы.

К сожалению, на высоких частотах каждый трансформатор подвержен резонансу, характеристики которого определяются в основном значениями индуктивности рассеяния и межвитковой емкости трансформатора. Увеличение нагрузочного сопротивления уменьшает ослабление, приводя к образованию пика на частотной характеристике и «звону». Однако, тщательный подбор параметров так называемой цепи Зобеля (Zobel), включаемой параллельно вторичной обмотке трансформатора может значительно уменьшить явление «звона» в схеме. Значения величин элементов, входящих в схему определяются экспериментально (рис. 5.22).

Рис. 5.22 Определение значений сопротивления и емкости элементов, образующих схему Зобеля

Для подбора этой цепи используется генератор прямоугольных импульсов, что позволяет в какой-то мере учесть частотные свойства реального сигнала. Использование делителя напряжений на выходе генератора прямоугольных импульсов преследует две цели:

• трансформатор необходимо питать от источника с точно таким же сопротивлением, каким обладает головка вместе с проводами звукоснимателя. Стандартные генераторы не обеспечивают выходное сопротивление 10 Ом, поэтому вводится делитель напряжения, обеспечивающий величину необходимого сопротивления;

* выходное напряжение стандартного генератора имеет слишком большое значение для используемого трансформатора, поэтому его следует ослабить минимум в 100 раз.

Точный расчет компонентов делителя напряжения не требуется, так как чисто технологические причины приводят к тому, что сопротивления катушек головок оказываются не совсем одинаковыми (разброс значений в 5% является обычным явлением). Более того, так как делитель напряжения должен еще и ослаблять выходное напряжение генератора в 100 раз, должно выполняться соотношение r_вых ≈ R_lower, то необходимо устанавливать значение резистора R_lower равным требуемому сопротивлению, и выбирать при этом ближайшее значение, обеспечивающее выполнение соотношения R_upper ≈ R_lower.

Известно, что трансформатор будет работать на нагрузку — лампу, обладающую входной емкостью, которая должна быть рассчитана, либо измерена. Хотя измерительные щупы осциллографа, имеющие пометку х 10, уменьшают емкость на наконечнике щупа, полностью они ее не исключают, поэтому при измерениях величина этой емкости также должна быть учтена. Можно вернуться к рассмотренному примеру. Трансформатор должен работать на триод ЕС8010, измеренная величина входной емкости которого составила 190 пФ. Щуп х 10 осциллографа Tektronix P6139A, используемого автором, имеет емкость наконечника 8 пФ. Поэтому в качестве нагрузочного использовался конденсатор, имеющий емкость 180 пФ (180 пФ + 8 пФ = 190пФ).

Маловероятно, что сопротивление резистора в цепи Зобеля будет превышать значение сопротивления основного нагрузочного резистора, поэтому использовался линейный потенциометр с сопротивлением 5 кОм.

Переменный конденсатор, который предназначался для использования в цепи Зобеля, был извлечен из безнадежно испорченного лампового радиоприемника УКВ-ЧМ диапазона. Как правило, воздушные переменные конденсаторы обеспечивают значение емкости от 300 до 500 пФ при полностью сомкнутых пластинах, однако в случае необходимости можно включать параллельно несколько подобных конденсаторов.

После того, как генератор был настроен на частоту следования прямоугольных импульсов 1 кГц, и обеспечивающего напряжение примерно 100 мВ размаха напряжения (пик-пик) на выходе трансформатора, резистор и конденсатор, образующие цепь Зобеля, могут подстраиваться одновременно таким образом, чтобы обеспечивать наименьшую из всех возможных вариантов длительность переднего фронта и плоской вершины импульса, наблюдаемого на экране осциллографа. Как правило, резистор влияет форму переднего фронта импульса, тогда как конденсатор влияет на амплитуду затухающего переходного процесса (или «звона»), накладывающегося на плоскую вершину наблюдаемого импульса. Определение оптимальных положений движков резистора и конденсатора оказывается на практике довольно простым делом.

После того, как были установлены оптимальные значения емкости и сопротивления, конденсатор и переменный резистор должны быть очень аккуратно выпаяны из схемы, а затем измерены из величины. Достаточно часто применяемый на практике цифровой комбинированный измерительный прибор (мультиметр), по утверждениям их изготовителей, в состоянии довольно точно выполнить подобную операцию, однако использование измерительного моста для измерения емкости конденсатора даст во всех случаях гораздо более лучший результат.

Информация

Продолжение