Конструкция выходных трансформаторов

Информация о материале
Категория: Radioamator i Krótkofalowiec
Опубликовано: 22.02.2021, 06:33
Автор: Grzegorz Makarewicz
Просмотров: 6809

КОНСТРУКЦИЯ ВЫХОДНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Радиолюбитель и радист Польши, 24 декабря 1974 года, № 12.

Еще довольно много ламповых усилителей низкой частоты, построенных радиолюбителями, особенно с большей мощностью. Выходной трансформатор - наиболее сложный элемент в проектировании и изготовлении. Об этом свидетельствуют запросы и просьбы о помощи в расчетах, поступающие в редакцию. Кратко изложенные здесь основные принципы проектирования трансформаторов, предназначенных для изготовления в любительских условиях, должны удовлетворить пожелания заинтересованных читателей..

Принципы проектирования низкочастотных трансформаторов в любительских условиях несколько отличаются от применяемых в промышленности. В первую очередь определяется примерно, какое ядро ​​необходимо для проектируемого усилителя. Затем ищется более или менее подходящий сердечник, и после его приобретения производятся дальнейшие расчеты обмотки. После установления примерных данных о необходимых обмоточных проводах закупаются провода с диаметрами, подобными выбранным, и только затем окончательно определяется количество витков отдельных обмоток..

Основные соотношения, связывающие явления в трансформаторе, вытекают из следующей формулы:

Etr = 6,28⋅f⋅n⋅Q⋅B⋅10-4        (1)

в которой:

  • Etr - амплитуда наведенной в первичной обмотке обратной электродвижущей силы, примерно равной амплитуде подаваемого напряжения [V],
  • f - частота [Hz],
  • Q - поперечное сечение сердечника [cm2],
  • n - количество витков обмотки,
  • B - самое высокое значение индукции в сердечнике [T].

Величина обратной электродвижущей силы связана с переменным напряжением на оконечном каскаде усилителя и зависит от мощности и рабочего сопротивления. Самая высокая и самая низкая частота полосы пропускания является результатом предположений. Максимально допустимое значение индукции в сердечнике не должно превышать 0,6 Тл. Для трансформаторов усилителя Hi-Fi рекомендуется брать 0,4Тл. В приведенной формуле остались два неизвестных: поперечное сечение жилы (Q) и количество витков (n). Сечение жилы определяем приблизительно по формуле:

в которой:

  • Pwy - выходная мощность усилителя.

Насколько это возможно, мы стремимся построить трансформатор с большим поперечным сечением сердечника, что позволит уменьшить количество витков в обмотках. Это важно как из-за нежелательной индуктивности рассеяния трансформатора, так и из-за степени сложности его изготовления. В трансформаторах, состоящих из листов с отверстиями для крепления болтов, необходимо проверить, чтобы поперечное сечение жилы возле болтов было не меньше, чем у основной колонны.

Упрощенные схемы замены трансформатора показаны на рис. 1. Для самой низкой частоты следует учитывать влияние индуктивности первичной обмотки трансформатора, которая подключена параллельно соответствующей нагрузке усилителя. В большинстве случаев именно необходимость получения достаточно большого значения этой индуктивности определяет количество витков первичной обмотки. На средних частотах (предполагается, что 1000 Гц) важную роль играет только сопротивление обмоток. На высоких частотах заметно влияние индуктивности рассеяния, величина которой зависит от количества витков, схемы обмотки трансформатора и ее качества. Эта индуктивность в сочетании с межобмоточными емкостями создает фильтр нижних частот, ограничивающий полосу пропускания трансформатора.


Рисунок 1. Упрощенные эквивалентные трансформаторные системы.
a - эквивалентная схема для самых низких частот,
b - эквивалентная схема для средних частот,
c - эквивалентная схема для больших частот (высокие частоты и ультразвук).

r1 - сопротивление первичной обмотки,
r'2 - сопротивление вторичной обмотки перенесено на первичную сторону,
Zob - сопротивление нагрузки,
Z'ob - сопротивление нагрузки, передаваемое на первичную сторону,
L1 - индуктивность первичной обмотки,
Lr1, L'r2 - индуктивность рассеяния обмотки.

В хорошо сделанных трансформаторах частота среза составляет около 100 кГц. В любом случае она должна иметь значение в несколько раз превышающее принятую верхнюю частоту полосы пропускания усилителя.

Используя формулу (1) и подставляя в нее соответствующие значения до сечения жилы, определяем количество витков n.

Затем, используя формулу (3) и принимая минимально необходимую индуктивность первичной обмотки L1, вычисляем количество витков n1. Сравним значение n и n1. Для дальнейших расчетов берем большее значение.

Формула для расчета приблизительного количества витков с учетом индуктивности выглядит следующим образом:

в которой:

  • n1 - количество витков первичной обмотки,
  • L1 - индуктивность первичной обмотки [H],
  • lr - средняя длина пути магнитного потока в сердечнике [cm],
  • μr - магнитная проницаемость сердечника; для трансформаторной стали и выходных трансформаторов μr = 500,
  • Q - поперечное сечение жилы [см2].

Индуктивность первичной обмотки должна быть такой, чтобы реактивное сопротивление обмотки на самой низкой частоте полосы пропускания было больше рабочего сопротивления оконечного каскада усилителя, которое можно выразить формулой:

в которой:

  • fd - самая низкая частота полосы пропускания [Hz],
  • Ror - рабочее сопротивление последней ступени (в случае двухтактных систем от анода до анода или от коллектора до коллектора).

Энергоэффективность выходного трансформатора η должна быть высокой и составлять η = 0,80 ÷ 0,90. Это зависит в первую очередь от сопротивления обмоток r1 и r2. Соответствующие практические шаблоны:

Для усилителей класса А:

Для усилителей класса B:

в которой:

  • Zob - сопротивление громкоговорителя (громкоговорителя) [Ω].

Диаметр обмоточного провода (без изоляции) рассчитывается по формуле:

в которой:

  • d - диаметр обмоточного провода [мм],
  • lm - длина провода в обмотке [м],
  • r - сопротивление обмотки [Ω].

Коэффициент трансформации трансформатора зависит от импеданса нагрузки и КПД трансформатора. Соответствующая формула расчета:

Рассчитанное количество витков, сопротивления обмоток и диаметры проводов мы рассматриваем как предварительные данные, которые подлежат корректировке после приобретения проводов и проектирования корпуса, на который мы будем наматывать обмотки. Как правило, обмотки делятся на секции. Первичная обмотка может иметь 4, 6 или 8 секций. Секции первичной обмотки должны иметь четное количество слоев - только тогда концы секций окажутся на внешней стороне корпуса и можно будет вывести их наружу. Чаще всего это касается участка вторичной обмотки, хотя в этом случае при необходимости проще произвести внутренние соединения.

В случае усилителей класса A и AB1 мы стремимся получить низкое значение индуктивности рассеяния между первичной и вторичной обмотками. Допускается наматывать первичную обмотку, как показано, например, на рис. 2а. Для усилителей класса B и AB2 следует позаботиться о том, чтобы обеспечить хорошую связь между каждой первичной половиной и всей вторичной обмоткой, поскольку первичные половины асимметричны. Пример расположения секций показан на рис. 2b.


Рисунок 2. Схемы расположения секций обмотки трансформатора.
1 - секции одной половины двухтактной обмотки,
2 - секции второй половины двухтактной обмотки,
3 - секции вторичной обмотки.

После того, как корпус изготовлен, проводится тест на определение количества витков в одном слое. Исходя из этого, можно определить количество витков секции и схему обмотки всего трансформатора, скорректировав общее количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно.

Пример
(Этот пример включает расчет трансформатора для лампового усилителя, описанный в выпуске 9/1974 нашего ежемесячного журнала. В книге, из которой взята схема усилителя, приведены только электрические данные рекомендованного трансформатора без расчетных данных. Более подробно правила расчета трансформаторов описаны в книгах: G. Cykin - Усилители электрических сигналов, WK Warszawa, и A. Witord - Любительские электроакустические усилители, WK Warszawa.)

Следует спроектировать трансформатор для лампового усилителя мощностью 35 Вт. Рабочее сопротивление ступени из ПП (от анода до анода) по каталогу составляет 4000 Ом. Полоса пропускания усилителя 40 Гц ÷ 15000 Гц. Импеданс нагрузки 4 Ом. Мы предполагаем, что допустимая индукция составляет B-0,6 Тл..

1) Желаемое сечение сердечника трансформатора: 

2) Мы купили сердечник с размерами центральной колонны 50х50 и окна 25х75. Мы предполагаем, что поперечное сечение жилы составляет 23 см2.

3) Предварительно рассчитываем:

- из условия индукции в сердечнике (формула 1):

В приведенной выше формуле, зная мощность усилителя и рабочее сопротивление, значение Etr рассчитывается следующим образом:

- от условия к индуктивности, предполагая L1 = 20H:

получаем примерно 2000 витков. 

- межобмоточная передача:

- сопротивление первичной обмотки:

- сопротивление вторичной обмотки:

- диаметр намоточного провода - при средней длине катушки 0,26 м и 2000 витков:

что дает значение d1 = 0,35. 

4) Нам удалось купить проволоку ø0,40 и ø0,8 в эмали..

Склеенный из картона корпус имеет размеры, указанные на рис. 3. Без намотки для намотки трансформаторов, а только импровизированное устройство собственной разработки - выбираем довольно простую схему намотки: первичная обмотка - 4 секции, вторичная обмотка. - три секции, соединенные параллельно (рис.4).


Рисунок 3. Размеры корпуса - каркас трансформатора (пример расчета)

Испытание обмотки показало, что в одном слое секции первичной обмотки содержится в среднем 60 витков. Берем 8 слоев на секцию, всего 480 витков. Четыре секции первичной обмотки будут иметь в общей сложности 1920 витков. Вторичная обмотка будет состоять из 3-х секций, намотанных по всей ширине корпуса (в один слой), по 64 витка в каждой. Эти секции будут подключены параллельно.


Рисунок 4. Схема обмотки выходного трансформатора (пример расчета)

Еще раз проверяем, верны ли расчеты и поместится ли обмотка в корпус. Первичная обмотка (16 слоев обмотки) занимает около 8 мм, вторичная обмотка (3 слоя обмотки) - менее 4 мм. Поскольку свободное пространство в корпусе составляет 21 мм, имеется минимум 9 мм для изоляционных прокладок, чего более чем достаточно при условии, что они плотно намотаны и прокладки изготовлены из конденсаторной бумаги или специальной трансформаторной бумаги. Между первичной и вторичной обмотками трансформатора следует использовать лучшую изоляцию из клеенки или тонкого картона, пропитанного бакелитовым лаком, шеллаком или другой хорошей изоляционной средой..

Для полной симметрии обмотки 1 и 2 намотаны в одном направлении, а обмотки 3 и 4 - в противоположном. Только тогда аноды (коллекторы) выпадут в конце самой верхней секции.

Несколько дополнительных комментариев. В случае покупки провода ø0,35 мм корпус - с намоткой на 2000 витков и такой же схемой намотки - не будет должным образом укомплектован. Затем можно использовать систему из 4 первичных секций (450 витков в 6 слоях) с общим числом витков 1800, оставив прежнюю систему вторичной обмотки. В качестве альтернативы можно рассмотреть альтернативу увеличения первичной обмотки до 2400 витков, изменив схему (и провод) вторичной обмотки. Увеличение количества витков выгодно, потому что индуктивность первичной обмотки (L1) будет увеличиваться при небольшом ухудшении других параметров..

A.W.