Узлы ламповых усилителей класса Hi-End (часть 5)

Рейтинг:  5 / 5

Подробности

Категория: УМЗЧ на лампах

Опубликовано: 19.03.2017 19:57

Просмотров: 4882

Андрей Семёнов, г. Киев

(Продолжение. Начало см. в (часть 1-4) и  РА 1-4/2015)

Диаметр провода для первичной обмотки без учета толщины изоляции (здесь и далее все диаметры и толщины в мм):

d₁ = 0,015 √[(N₁ I₀)/r₁], мм

где I₀ - это средняя длина витка обмотки (см. рис.30):

• для броневого магнитопровода Io = 2у₁ + 2у₂ + 8dK + 2,5b;

• для стержневого магнитопровода I_Q = 2у₁ + 2у₂ + 8dK+1,1b,

где dK - толщина материала каркаса катушки трансформатора [мм].

Диаметр провода вторичной обмотки без учёта изоляции:

d₂=d₁√n.

В случае, если применяется секционированная вторичная обмотка, состоящая из К параллельных секций, диаметр провода в каждой секции составит:

d_2ceкц = d₂/√К

На рис.32 показаны 2 варианта конструкции каркаса катушки для трансформатора с броневым или стержневым магнитопроводом. Такие каркасы можно изготовить самостоятельно или из электротехнического картона, или из другого изоляционного материала (гетинакса, текстолита и т.п.).

Проверка размещения обмоток в окне магнитопровода

Итак, теперь определены количество витков и диаметр провода в каждой из обмоток трансформатора. Проверим, разместятся ли они в окне трансформатора (см. рис.30).

Число витков в одном слое обмотки м = (h - 2dK) /d_изол, где d_изол - диаметр провода в изоляции.

Число слоев обмотки: р = N / м.

Толщина обмотки: а=1,2[рd_изол+δ(р-1)]

где δ - толщина межслойной изоляции, как правило, 0,05...0,15 мм

Суммарная толщина всех обмоток и каркаса катушки:

a_Σ = а₁ + а₂ + 2δк + δ_межобм

где δ_межобм -толщина межобмоточной изоляции.

Оптимальным считается такое размещение обмоток, при котором первичная и вторичная обмотки почти полностью заполняют окно трансформатора. Поэтому, если a_Σ составляет 0,35...0,47 b (см. рис.30), для стрежневого трансформатора содержащего 2 катушки, или 0,7...0,95b для броневого трансформатора, то обмотки поместятся в окне магнитопровода. Если обмотки не поместились, то допустимо изменять число витков в них и/или диаметр провода на 7...10%.

Следует отметить, что такая методика расчёта не позволяет неопытному радиолюбителю с первой попытки создать очень хороший выходной трансформатор. Дело в том, что важно не только правильно произвести расчёт, но и верно выбрать число секций каждой обмотки, и качественно выполнить обмотки, а это вопрос опыта. К тому же важнейший элемент трансформатора - это его сердечник. Поэтому, если будет использоваться сердечник из толстых пластин, которые изготовлены из низкокачественной стали, имеющей большие вихревые потери, то высококачественный звуковой трансформатор из него точно не получится.

Однако рассчитанный по приведенной выше методике трансформатор всё равно будет работать, и порой УМЗЧ с ним будет звучать лучше, чем с хвалёными фирменными трансформаторами параметры которых, в рекламных целях, практически всегда завышают.

Табличная методика расчёта выходного трансформатора.

В случае когда ко вторичной обмотке трансформатора подключена АС с сопротивлением Rни трансформатор имеет коэффициент трансформации п (т.е. отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки), то сопротивление первичной обмотки трансформатора переменному току можно определить из соотношения:

Ra = Rн/(n²ɳ),

где ɳ. - это КПД трансформатора.

Эту величину также называют сопротивлением нагрузки приведенным к цепи первичной обмотки, либо приведенным сопротивлением нагрузки. Как уже отмечалось ранее, для лампы работающей в определенном режиме, оптимальное сопротивление нагрузки приводится в её справочных данных. В случае если величина сопротивления нагрузки неизвестна, а так часто бывает, когда лампа используется в режиме, отличающемся от рекомендованного, то эту величину можно определить приблизительно в зависимости от параметров лампы в заданном режиме.

Для расчёта трансформатора по приводимой ниже методике должен быть задан ряд параметров:

Рн - мощность отдаваемая каскадом в нагрузку;

Iо - величина тока покоя лампы;

fн - нижняя рабочая частота;

Мн - коэффициент частотных искажений на нижней рабочей частоте;

rн - сопротивление нагрузки каскада, или Ra (оптимальное приведенное сопротивление каскада), или Ri (внутренне сопротивление лампы в данном режиме).

Трансформатор для однотактного каскада:

Однотактные ламповые УМЗЧ работают в классе А. При этом через первичную обмотку трансформатора протекает ток покоя лампы, что вызывает постоянное подмагничивание сердечника трансформатора, которое приводит к уменьшению магнитной проницаемости сердечника и уменьшению индуктивности обмотки. Оптимальное сопротивление нагрузки лампы составляет:

Ra = a*Ri.

При этом коэффициент а составляет 2...5 для триодов и 0,07...0,15 для пентодов и лучевых тетродов.

Коэффициент трансформации составит:

N=w₂/w₁=√[Rн/(Ra*ɳ)].

КПД выходных трансформаторов малой мощности обычно принимают равным 0,55...0,8. Причём, чем меньше мощность трансформатора, тем ниже его КПД.

Минимально допустимую индуктивность первичной обмотки трансформатора, при которой коэффициент частотных искажений не превысит Мн, на нижней рабочей частоте, определяется как:

L₁ = 159 Ra/[fн√((Mн)²-1)].

Если задана неравномерность АЧХ -3 дБ (что соответствует коэффициенту частотных искажений Мн равному 1,41) то:

L₁ = 159 Ra/fн.

Габариты сердечника трансформатора выбирают в зависимости от выходной мощности каскада:

Qc • Qo = А • Рн [в см³],

где:

Qc - площадь сечения керна сердечника, см²; Qo - площадь окна сердечника, см² А - принимается равным 10 для триода, и 20 -для пентодов и лучевых тетродов.

Применение в выходном каскаде отрицательной обратной связи позволяет уменьшить значение коэффициента А в 1,5...2 раза.

Для удешевления трансформатора рекомендуется использовать сердечники у которых Qc и Qo примерно одинаковые. В этом случае:

Qc = √(A • Рн) [в см²].

Для  получения  необходимой  индуктивности первичной обмотки трансформатора число её витков должно составлять:

W₁ = D√(L₁^.Iс/Qс)

Значение коэффициента D, в зависимости от тока подмагничивания трансформатора и требуемой величины индуктивности первичной обмотки приведены в табл.1.

Амплитуда переменного напряжения на первичной обмотке трансформатора:

U_M1=√(2 Pн Ra)

Среднеквадратичное значение напряжения на обмотке будет в √2 раз меньше.

Максимальная индукция в сердечнике составит:

Вмакс = 2,25 10⁷ U_M1 / (fн Qc W₁.

В случае если В макс превышает величину в 7000 Гс (что бывает практически всегда), то число витков первичной обмотки составит:

w₁ = 3,2 10³ U_M1/(fн Qc).

Диаметр провода первичной обмотки:

d₁ = 0,025 √lo [мм].

Число витков вторичной обмотки:

d₂ = 0,8 d₁/√n.

Для уменьшения влияния постоянного подмагничивания в сердечник трансформатора вводится немагнитная прокладка. Величину зазора, создаваемого такой прокладкой, определяют для стального сердечника:

d₃  =0,62 10^-6 W₁ Io [mm],

для сердечника из пермаллоя: d₃= 1,16 10^-6 W₁ Io [mm].

Расчёт конструкции каркаса трансформатора и размещения на нём обмоток производят по методике описанной выше.

Трансформатор для двухтактного каскада:

Ламповые двухтактные выходные УМЗЧ могут работать или в режиме А или в режиме АВ. Режим В не применяется из-за больших нелинейных искажений. При расчёте полагаем, что в УМЗЧ используются две выходных лампы одинакового типа и с одинаковыми параметрами.

При работе в режиме А оптимальное приведенное сопротивление нагрузки между анодами ламп составит Raa = 2 ^. Ra. При этом Ra определяется также как для однотактного каскада.

При работе к классе АВ величину Raa можно определить по характеристикам лампы, либо взять из справочника.

Мощность в нагрузке усилителя будет равна удвоенной мощности, отдаваемой каждой из ламп.

Расчёт выполняется по приведенным выше формулам для однотактного каскада, в которых Ra заменяется на Raa. Отличие состоит лишь в определении числа витков первичной обмотки. Для сердечника выполнен из стали:

w₁ =450V(L₁-lc/Qc).

Для сердечника выполнен из пермаллоя:

w₁ = 200 √(L₁^.Iс/Qс).

Отвод делается от середины первичной обмотки. Пластины сердечника собирают без зазора вперекрышку. При использовании витого сердечника немагнитная прокладка не используется.

 Трансформатор для ультралинейного  каскада:

Такой трансформатор может использоваться как в однотактном, так и в двухтактном УМЗЧ. Расчёт трансформатора производится по приведенным выше формулам для однотактного или двухтактного трансформатора. В трансформаторе делается дополнительный отвод от первичной обмотки. При этом коэффициент р = wэ/wa (он показывает соотношение витков обмотки экранной сетки к виткам анодной обмотки) выбирается 0,22...0,25 для ламп типа 6П6С и 0,43...0,45 для ламп типа 6ПЗС и 6П14П. В данном случае необходим подбор оптимального значения этого соотношения витков. Для этого в трансформаторе делается несколько отводов в первичной обмотке.

Практические конструкции выходных трансформаторов.

Однотактный выходной каскад на лампе 300В:

 Трансформатор для УМЗЧ на триоде с прямым накалом типа 300В (показан на рис.28), можно изготовить самостоятельно.

 Для этого необходим магнитопровод  ШЛ50х40 (например, от трансформатора типа ОСМ). Такой трансформатор имеет следующие основные параметры:

• площадь сечения сердечника               20см²;

• окно без каркаса                                35х90мм;

• окно с каркасом                                31x85 мм;

• средняя длина магнитной линии        330 мм;

• средняя длина витка                            320мм. Для УМЗЧ,  показанного  на рис.28,  такой

трансформатор рассчитывается, по приведенной выше методике, на ток la равный 90 мА. При этом индуктивность его первичной обмотки должна составлять 20 Гн. Количество витков первичной обмотки - 3200, количество витков вторичной обмотки - 150. Толщина немагнитной прокладки -0,18 мм.

Схема выполнения обмотки трансформатора приведена на рис.33.

 Первичная обмотка трансформатора включает в себя 4 одинаковых секции: 1А, 1В, 1C и 1D. Каждая такая секция содержит по 800 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,35 мм. Таким образом, в сумме первичная обмотка содержит 3200 витков.

Вторичная обмотка состоит 5 секций. При этом секции 2В, 2С и 2D содержат по 150 витков, а секции 2А и 2Е - по 75 витков каждая.

Конструктивно секции 2А и 2Е включены последовательно, и затем параллельно так же параллельно включенным секциям 2В, 2С и 2D. Таким образом, 150 витков вторичной обмотки получаются включением параллельно 4 секций каждая из которых содержит по 150 витков. Вторичная обмотка намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,9 мм.

УМЗЧ с таким трансформатором имеет следующие основные характеристики:

1.  Выходная мощность                                 3 Вт.

2.  КНИ                                                     1...1,1%.

3. Диапазон рабочих частот                   от 40 Гц до 19 кГц.

4.  НеравномерностьАЧХ                             1 дБ.

 Казалось бы, выходная мощность 2,5...3 Вт- это мало. Однако, при использовании такого УМЗЧ с акустической системой с чувствительностью 90. ..96 дБ такой мощности вполне достаточно для озвучивания комнаты с площадью 16...20 м².

Использование серийных трансформаторов:

 Возможно использование готовых трансформаторов от старой ламповой техники. Так неплохие результаты дает использование модернизированного трансформатора типа ТВЗ 1-9 от лампового телевизора УНТ-47/59/61. Для модернизации трансформатор разбирается, перебирается для получения минимальных зазоров между пластинами. Затем его немагнитная прокладка заменяется тонкой чертежной калькой. Заключительная операция — трансформатор погружается в жидкий парафин и немного «проваривается» в нём. Достоинство такой методики доработки это то, что исключается наиболее трудоемкий процесс при изготовлении трансформатора - трансформатор не надо перематывать В итоге такой трансформатор, при использовании в УМЗЧ, показанном на рис.16, позволяет получить следующие характеристики УМЗЧ:

1.  Выходная мощность                     2,2...2,5 Вт.

2.  КНИ                                                     0,8...1%.

3. Диапазон рабочих частот от 35...40 Гц до 18...19,5 кГц.

4.  Неравномерность АЧХ                 1,5...2,5 дБ.

Диапазон рабочих частот и КНИ зависит от качества изготовления ТВЗ 1-9.

Надо отметить, что при использовании в таком УМЗЧ трансформатора TW6SE (который указан на рис.16) он обеспечивает лучшие показатели, в частности более широкую полосу пропускания.

Узлы ламповых усилителей класса Hi-End Скачать все части в одном файле Word.

(Продолжение следует)

PA 5'2015