Содержание

Определение параметров неизвестного трансформатора

Совершенно случайно читателю в руки может попасть старый выходной трансформатор, который, судя по внешнему виду, должен обладать неплохими характеристиками, однако полностью отсутствует информация, что же все-таки скрывается внутри его. К счастью, можно достаточно просто идентифицировать параметры старого выходного трансформатора, имея в распоряжении только цифровой универсальный вольтметр, так как их проектирование всегда следует строго определенным правилам.

Перед тем как приступать к проверке, необходимо зарисовать схему всех имеющихся на трансформаторе внешних соединений и перемычек, а затем удалить их. (Использование цифрового фотоаппарата для этих целей оказывается весьма плодотворным.) Несомненно, первичная обмотка должна иметь отвод от средней точки, чтобы обеспечить возможность использования трансформатора в двухтактной схеме, также на этой обмотке могут быть дополнительные отводы для обеспечения ультралинейного режима работы. Как правило, сопротивление обмотки на постоянном токе, замеряемое омметром между крайними точками обмотки, будет составлять максимальное значение сопротивления среди всех полученных значений и может колебаться от 100 до 300 Ом. Если обнаружена обмотка с подобным значением сопротивления, то, практически во всех случаях, можно считать, что идентифицированы клеммы трансформатора А₁ и А₂ соответствующие крайним точкам первичной обмотки.

У трансформаторов высокого качества первичная обмотка наматывается симметрично, то есть сопротивления между крайними выводами А₁ и А₂ и средней точкой высоковольтной обмотки всегда равны, поэтому следующим шагом является определение вывода, для которого сопротивление между ним и выводами А₁ и А₂ было бы равным половине сопротивления между крайними точками первичной обмотки. Однако более дешевые модели трансформаторов могут оказаться изготовленными не столь тщательно, поэтому сопротивления между двумя половинами обмотки могут не оказаться абсолютно равными между собой.

Так как для изготовления первичной обмотки трансформатора без всяких исключений используется провод одного сечения, то отвод, который расположен на витке, составляющем 20% от общего количества витков между центральным высоковольтным отводом и выводом А₁ либо А₂, (конфигурация для отбора полной мощности усилителя), будет иметь и сопротивление, составляющее 20% от величины сопротивления между крайним выводом А₁ или А₂ и центральным отводом первичной обмотки. Если же трансформатор был предназначен для усилителя более высокого качества, то наиболее вероятным расположением этого отвода будет виток, соответствующий 47% сопротивления между этими же точками (конфигурация усилителя мощности, обеспечивающая минимальные искажения).

Вторичная обмотка, скорее всего, также будет иметь четное число выводов, либо будет иметь один отвод. Следует помнить, что в эпоху расцвета электронных ламп сопротивления громкоговорителей составляли либо 15 Ом (громкоговорители высшего качества), либо 4 Ом, поэтому параметры выходных трансформаторов были оптимизированы для этих значений импедансов.

Наиболее распространенным вариантом является использование двух идентичных секций, в которых обмотки используются последовательно включенными для сопротивления громкоговорителей 15 Ом, либо параллельно для сопротивлений 4 Ом (в действительности, 3,75 Ом). Если после того, как определена первичная обмотка трансформатора, обнаружены две обмотки, имеющие сопротивления по постоянному току порядка 0,7 Ом каждая, то, скорее всего, имеется стандартный образец трансформатора.

В трансформаторах высокого качества вышеизложенная идея получила свое дальнейшее развитие, когда вторичную обмотку представляют четыре идентичные секции. Включенные последовательно, они используются для согласования с нагрузкой 15 Ом, однако, будучи все включенными параллельно, они согласуют нагрузку 1 Ом. Это связано не с тем, что были доступны громкоговорители с импедансом 1 Ом (эпоха создания плохих по качеству кроссоверов пока еще не наступила), а с тем, что большая степень секционирования обмотки позволяла получить трансформатор более высокого качества. Поэтому следует искать четыре обмотки с приблизительно одинаковыми сопротивлениями по постоянному току и равными по величине примерно 0,3 Ом. Также необходимо иметь в виду, что помимо того, что контактное сопротивление зонда может составить очень значительную долю при проведении измерений очень малых сопротивлений (что вызывает настоятельную необходимость иметь не только чистый, но и надежный контакт), но также и то, что обычный 41/2 разрядный цифровой вольтметр не обеспечивает достаточной точности при измерениях таких малых значений сопротивлений, поэтому зачастую приходится строить догадки и предположения.

Если после идентификации первичной обмотки установлено, что все остающиеся обмотки оказываются соединенными вместе, то в наличии имеется вторичная обмотка с отводами, наибольшая величина сопротивления которой измеряется между выводами 0 Ом и (допустим) 16 Ом. При условии, что отсутствует отвод обмотки, согласующий сопротивление 8 Ом, то наименьшие значения сопротивления по постоянному току от любого из этих выводов будет являться отводом 4 Ом, а точка с сопротивлением 0 Ом окажется ближайшей к отводу 4 Ом (как правило, во вторичных обмотках с межвитковыми отводами стремятся использовать для отвода 4 Ом более толстый провод). Если же следует ожидать наличия отвода 8 Ом, то идентифицировать отводы следует с использованием метода измерений на переменном токе, который будет описан ниже.

Если назначение некоторых обмоток не удается определить, то, вероятнее всего, они предназначены для обратной связи, возможно действующей на катоды индивидуальных выходных ламп, либо для организации межкаскадной обратной связи.

В любом случае их более точная идентификация может быть проведена позже, так как следующим шагом будет определение коэффициента трансформации, а затем по полученным результатам определение импеданса первичной обмотки трансформатора.

Внимание. Несмотря на то, что при точном выполнении нижеприведенных измерений они не должны представлять опасности для сохранности выходного трансформатора, на выводах трансформатора могут возникнуть представляющие опасность для жизни человека напряжения. Поэтому, если возникают любого рода сомнения относительно имеющегося профессионального опыта, необходимого для выполнения описанных ниже измерений, то следует сразу отказаться от попыток их выполнения.

Выходные трансформаторы ламповых схем предназначены для снижения напряжения с нескольких сотен вольт до десятка вольт в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, поэтому приложение сетевого напряжения к выводам первичной обмотки А₁ и А₂ не представляет для трансформатора никакой угрозы. При условии, что выводы А₁ и А₂ были определены правильно, следует подать сетевое напряжение непосредственно на выводы А₁ и А₂ и измерить напряжение на вторичной обмотке, чтобы определить коэффициент трансформации (или отношение количества витков первичной и вторичной обмоток). Строго говоря, в целях безопасности рекомендуется подавать не сетевое напряжение, а пониженное напряжение от ЛАТРа.

Тестирование трансформатора следует выполнять в следующем порядке:

• установите в сетевой шнур предохранитель с наименьшим из имеющихся значением тока плавкой вставки, например, предохранитель, рассчитанный на ток 3 А, окажется достаточным, но использование предохранителя на 1 А будет предпочтительнее;

• присоедините к сетевой вилке (желательно с заземляющим контактом) три коротких гибких провода. В силу очевидных причин они получили название «провода самоубийцы» и поэтому, когда не используются, должны храниться отдельно и под замком;

• припаяйте луженый наконечник на конец провода, помеченного ярлыком «земля», и привинтите наконечник к металлическому шасси трансформатора, используя специальные зазубренные шайбы, обеспечивающие очень хороший электрический контакт;

• припаяйте фазный провод к выводу А₁, а провод нейтрали (нуля) к выводу А₂;

• убедитесь, что положение всех соединительных перемычек на вторичной об мотке зарисовано, после чего они все удалены;

• установите вид измерений цифрового вольтметра «переменное напряжение» и подключите его к выводам вторичной обмотки;

• убедившись, что шкала прибора находится в пределах видимости, включите в розетку сетевую вилку. Если на приборе сразу же не появятся результаты измерений, выдернете вилку из розетки. Если прибор фиксирует наличие на-

пряжения во вторичной обмотке, величину которого можно определить, дождитесь стабилизации показаний прибора, запишите полученный результат, выключите сетевое питание и отключите вилку от сетевой розетки;

• проверьте величину сетевого напряжения, для этого подключите цифровой вольтметр к выводам А₁ и А₂ трансформатора и включите повторно сетевое напряжение. Спишите показания прибора.

После этого можно определить коэффициент трансформации «N», используя следующее простое соотношение между напряжениями:

На первый взгляд эта процедура не покажется очень значительной, но следует помнить, что импедансы пропорциональны квадрату коэффициента трансформации, N², следовательно, зная величину N можно определить импеданс первичной обмотки, так как уже известен импеданс вторичной.

Пример

Из всех многочисленных проводов у трансформатора имеется пять проводов, которые оказались электрически соединенными между собой (результаты были получены, когда проводились измерения электрического сопротивления с использованием цифрового тестера). Максимальное значение сопротивления между двумя проводами составляет 236 Ом, следовательно, выводы этих проводом могут быть помечены как А₁ и А₂. После того, как одни щуп цифрового тестера оставался подключенным к выводу А₁, было обнаружен второй провод, имеющий сопротивление 110 Ом. Полученное значение достаточно близко к значению сопротивления 118 Ом, чтобы эта точка могла оказаться выводом от центральной точки первичной обмотки трансформатора. Поэтому данную обмотку можно идентифицировать, как высоковольтную обмотку трансформатора. После этого следует переместить один из щупов цифрового тестера к среднему отводу высоковольтной обмотки и измерить сопротивления относительно двух оставшихся выводов. Значение сопротивления для одного вывода составило 29 Ом, а для второго было равно 32 Ом. Учитывая, что (29 Ом : 110 Ом) = 0,26, а (32 Ом: 118 Ом) = 0,27, можно с достаточной уверенностью предположить, что эти выводы используются в качестве ультралинейных отводов для получения максимальной мощности (то есть составляют примерно 20% обмотки). Один из выводов, для которого сопротивление относительно вывода А, имеет меньшее значение, представляет отвод к сетке 2 лампы V₁, g_2(V1) а второй отвод — к сетке 2 лампы V₂, g_2(V2) (рис. 5.23).

Вторичная обмотка имеет только две секции, поэтому, скорее всего, они предназначены для подключения нагрузки 4 Ом. Это предположение затем подтверждается измерениями сопротивлений обмоток секций, для первой из них оно составило 0,6 Ом, а для второй 0,8 Ом, что совпадает с типичными значениями для обмоток, предназначенных для согласования нагрузок 4 Ом.

Рис. 5.23 Идентификация обмоток трансформатора с неизвестными параметрами

При подключении трансформатора к сети было зафиксировано сетевое переменное напряжение 252 В, а напряжение на вторичных обмотках составляло 5,60 В. Подставляя полученные значения в формулу для расчета коэффициента трансформации, получим:

Импедансы обмоток изменяются пропорционально N², поэтому отношение импедансов первичной обмотки к импедансу вторичной составляет 45² = 2025. Так как напряжение на вторичной обмотке измерялось на секции 4 Ом, импеданс первичной обмотки должен составлять (2025 х 4 Ом) = 8100 Ом. Такой результат является вполне допустимым, так как измерения с использованием сетевого напряжения 252 В и частотой 50 Гц могли сдвинуть рабочую точку ближе к области насыщения, что привело к погрешностям определения параметров, Поэтому полученное значение можно округлить до 8 кОм.

Далее необходимо определить начало и конец обмоток каждой из секций вторичной обмотки трансформатора. Это выполняется подключением только одного провода между одной и второй секциями, включая, таким образом, обмотки секций последовательно. После подачи напряжения на первичную обмотку, получим удвоенное значение напряжения на вторичной обмотке, по сравнению с индивидуальным напряжением на каждой. То есть напряжения двух секций дополняют друг друга и следовательно, подключенными оказались конец обмотки первой секции к началу обмотки второй, поэтому можно обозначить вывод секции, где кончается соединительный провод, как « + », а другой конец, как «—». Однако в случае, если напряжение на вторичной обмотке будет отсутствовать, то это будет означать что обмотки в двух секциях включены встречно друг другу, поэтому оба вывода можно будет обозначить, либо как « + », либо как «—».

После того, как все идентичные по характеристикам секции были определены, и для них определены точки начала обмоток, могут измеряться напряжения на всех оставшихся обмотках, быть определены для них коэффициенты трансформации, либо относительно первичной обмотки, либо относительно вторичной, в зависимости от того, какой способ окажется удобнее. Начиная с этого момента наиболее удобным оказывается использование схемы с кратким пометками, так, например, получение двукратного увеличения напряжения вторичной обмотки является очень показательным, так как этот факт может означать либо наличие секции с отводом от средней точки, либо отводы 4 Ом и 16 Ом.

Основные причины выхода из строя трансформаторов, в тракте звуковых частот

Трансформаторы относятся к электронным компонентам с наиболее длительным сроком службы, достигающим 40 и более лет. Все же иногда они могут выходить из строя. Обмотки трансформатора выполняются из провода, который может выходить из строя при протекании через него слишком высоких токов, а изоляция провода может оказаться пробитой, если напряжения, приложенные к обмоткам, превысят допустимые значения.

Наиболее частым случаем, при котором отказывают выходные трансформаторы, является такой, когда он вынужден работать на усилитель в режиме перегрузки. Это может произойти в двухтактном усилителе, когда одна выходная лампа полностью отключена (например, вышла из строя), а вторая работает с явной перегрузкой. Индуктивность рассеяния той половины трансформатора, которая должна пропускать ток отключенной лампы, стремиться поддерживать ток этой половины обмотки неизменным, что влечет за собой появление значительных перенапряжений в первичной обмотке (прежде всего за счет ЭДС самоиндукции), приводящих к пробою межвитковой изоляции. Процесс изменения напряжения на индуктивной обмотке во времени, характеризуется следующим дифференциальным уравнением:

Так как при разрыве тока, его производная стремится к бесконечности di/dt ≈ ∞, возникающая ЭДС самоиндукции развивает напряжение на полуобмотке в цепи вышедшей из строя лампы, значительно превышающее значение высоковольтного источника питания, которое способно легко пробить межвитковую изоляцию.

Также пробой изоляции может быть вызван неправильными условиями эксплуатации аппаратуры. Так. например, если в трансформатор проникла влага, то изоляция (в качестве которой чаще всего используется специальная бумага) становится более проводящей, что значительно увеличивает вероятность ее пробоя.

Также существует опасность выхода из строя выходного трансформатора в случае работы усилителя на громкоговорители, сопротивление которых значительно ниже необходимого. В этом случае, при больших уровнях громкости, токи, текущие через обмотки трансформатора, могут оказаться существенно превышенными.

Еще одна специфическая проблема в ряде случаев возникает в не очень качественных усилителях, например таких, которые одно время широко применялись для электрогитар. В силу того, что скорость нарастания тока при перегрузке очень высока, а качество выходного трансформатора, используемого в усилителях для электрогитар, как правило, не очень хорошее, то высокие значения индуктивности рассеяния могут привести к возникновению таких высоких значений напряжений (эдс самоиндукции) на обмотках, что не исключается возникновение внешней электрической дуги. При этом сам трансформатор мог быть спроектирован таким образом, чтобы благополучно выдержать подобное случайное перенапряжение. Напряжение, необходимое для возникновения электрической дуги, в некоторой степени зависит от степени загрязнения пути, по которому она развивается, поэтому загрязнения (особенно проводящие) снижают это дуговое напряжение. Именно поэтому углеродные следы, остающиеся от прежних дуговых процессов, несомненно, приводят к снижению напряжения, необходимого для возникновения нового дугового процесса.

Несмотря на то, что для развития дуги необходимы высокие напряжения, однажды возникнув, она может поддерживаться гораздо более низкими напряжений. Например, ксеноновая лампа, используемая в небольшом кинопроекторе, должна возбуждаться разрядом конденсатора, заряженным до нескольких сотен вольт, однако после возникновения разряда для поддержания электрической дуги необходимо напряжение всего 26 В и ток 75 А. Если в усилителе возникает электрическая дуга от анода, то путь ее развития всегда связан с точкой, имеющей очень низкое сопротивление относительно земли, так как высокое значение сопротивления, например, резистора сеточного смещения, либо катодного резистора, будет ограничивать величину тока, приводя к гашению дуги. Выводы подогревателей ламп непосредственно связаны с землей через центральный отвод низковольтной обмотки, поэтому наиболее вероятным местом для развития дуги является промежуток между анодом и выводами подогревателей электронных ламп, так как единственным ограничивающим фактором является сопротивление источника низковольтного напряжения.

Если известно, что усилитель может оказаться подверженным высоковольтным разрядам и дуговым процессам, то возможным решением проблемы (в зависимости от типа усилителя) будет включение в схему резистора, гасящего возникающую дугу, на участке между центральным отводом низковольтного (накального) источника и точкой нулевого потенциала высоковольтного источника. Например, использование (проволочного) резистора марки W/W_c сопротивлением 4,7 кОм и мощностью 6 Вт. Однако «плавающий» низковольтный источник питания может в этом случае вызвать возникновение проблем, связанных с фоновыми шумами сети питания, в частности, из-за плохого качества спиралей накала (разводка, изолирующая обмазка, замыкания на шасси).

Рассмотрим и некоторые другие механизмы повреждения трансформаторов.

Слишком большой ток, проходящий через выходную лампу, может вызвать температурный уход эмиссии сетки, расплавление внутренних элементов конструкции лампы, вызывая прохождение тока чрезмерной силы через выходной трансформатор, приводящий к повреждению первичной обмотки. Простейший способ избавиться от данной проблемы, это визуальное наблюдение за усилителем. Если анод лампы становится вишнево-красным, необходимо немедленно выключить усилитель. Выходные каскады ламповых усилителей очень редко оснащаются плавкими предохранителями, отчасти из-за того, что нелинейный характер сопротивления плавкого предохранителя может вызвать дополнительные искажения, но часто также и из-за того, плавкий предохранитель не успевает перегреть достаточно быстро, чтобы успеть защитить выходные лампы.

В отличие от выходных, слаботочные входные и междукаскадные трансформаторы обычно повреждаются механически. Они весьма хрупкие, к тому же они наматываются очень тонким проводом, который легко рвется. В силу этого они требуют очень аккуратного обращения.

Трансформаторы, помещенные в экраны из магнитных материалов (например, из так называемого мю-металла), требуют очень осторожного обращения, их нельзя ронять, так как сильные механические воздействия нарушают доменную структуру магнитного материала, заметно снижая эффективность такого экрана. Например, на разделительном трансформаторе производства корпорации БиБиСи, предназначенном для работы с уровнями сигналов —45дБ, имелось специальное предупреждение на экранирующем кожухе, специально предостерегающее от приложения к нему механических воздействий.

Материалы магнитных сердечников могут деградировать со временем (это, например, оказалось причиной повреждений во время складского хранения силового трансформатора контрольного монитора), а автору совсем недавно довелось увидеть ряд дросселей и трансформаторов, отклонения характеристик которых от нормы могли быть объяснены только некачественным материалом магнитных сердечников. Это соображение всегда должно незримо присутствовать при выборе, который необходимо сделать между запасной частью, предусмотренной регламентом выполнения работ, либо немного более дорогой, но только что изготовленной.

Информация

Продолжение