Проектируем выходной трансформатор для лампового усилителя

Введение

Источник питания усилителя, которому в многочисленных публикациях, описывающих конструкции ламповых усилителей, часто посвящается три слова “особенностей не имеет”, может оказывать существенное влияние на качество звука. Можно выделить четыре основных фактора, объясняющих это влияние при неудачной конструкции источника:

1. Источник питания может способствовать проникновению в питаемое устройство помех из сети и возникновению сетевой мультипликативной помехи.
2. Элементы источника питания сами могут генерировать помехи в очень широком диапазоне частот (от звукового диапазона до радио частот).
3. Через нелинейные элементы источника питания протекают сигнальные токи.
4. В нестабилизированных источниках изменение нагрузки может приводить к значительным колебаниям выходного напряжения, приводящих к нарушению работы усилительных каскадов.

Перечисленные выше причины не являются новостью и давно известны (как и методы их устранения) проектировщикам высокочувствительной и измерительной аппаратуры, но часто не учитываются при проектировании источников питания для аудио аппаратуры.

В High-End аудио технике мелочей не бывает. Поэтому в данной статье я хочу напомнить вам об этой проблеме и попытаюсь показать механизм возникновения искажений и помех, обусловленных источником питания, и методы их уменьшения.

Некоторые рекомендации, приведенные ниже, целиком справедливы и для транзисторных устройств, хотя основное внимание будет уделено ламповым схемам. Рассматривать источник питания мы будем по направлению распространения мощности – начнем силовым трансформатором и закончим выходным фильтром

Устройство и принцип работы усилителя звука

Усилителем звука называется комплект деталей, установленный на плате, с входом и выходом, для работы которого необходим внешний источник питания. Усилитель мощности (УМ) всегда расположен на выходе, поэтому его называют оконечным.

Такое устройство может усиливать:

• частоту звука в целом (УЗЧ);
• низкую частоту (УНЧ);
• мощность высокой частоты (УМЗЧ).

Выполняется как часть (функциональный блок) аппаратуры или самостоятельное устройство.

Для больших антенн и громкоговорителей требуются усилители с высоким коэффициентом усиления (десятки или даже сотни кВт). Он достигается одновременным повышением тока и напряжения. Эти устройства бывают бестрансформаторные и трансформаторные.

Самый распространенные в быту ламповые трансформаторные усилители. В профессиональном оборудовании трансформатор используется, если необходимо сгладить звенья длинной проводки, разведенной по сравнительно большой площади.

Основной недостаток использования в усилителе звука трансформатора – увеличение габаритов и веса.

УМЧЗ усиливает сигналы, содержащие информацию о звуке в телемеханике, вычислительной и измерительной технике, дефектоскопии. В этот вид усиливающей аппаратуры кроме УМ устанавливается предварительный усилитель с эквайзером или регулятором тембра и громкости. Его предназначение – доведение напряжения и мощности до показателей, необходимых для функционирования оконечного УМ, подключенного к модулятору приемника, наушникам, колонкам.

УНЧ встраиваются в радиотрансляционное, звукозаписывающее и звуковоспроизводящее оборудование, в том числе в транспортных средствах.

Выход усилителя звука (УЗ) может быть одно- или двухкаскадный, работающий в одном из трех режимов:

• А (однотактный) – транзисторы и лампы расположены в линейном порядке, УЗ без режимов ограничения тока, перенасыщения;
• В (двухтактный) – все активные элементы воспроизводят однополярный сигнал практически без искажений, нелинейные искажения компенсируются транзисторами или лампами;
• АВ (двухтактный) – промежуточный режим между А и В;
• D – для работы в ключевом режиме путем преобразования входного сигнала в ШИМ-импульсы, управляемые выходным ключом, звук восстанавливает выходной LC-фильтр.

Цепи накала

Оптимальная организация цепей накала ламп показана на рисунке 17. Такое подключение позволяет снизить уровень фона и помех в предварительных каскадах усиления не только для ламп прямого накала (такое включение обязательно), но и для ламп с подогревным катодом. Аналогичным образом организуются накальные цепи и для мощных выходных ламп.

Рисунок 17

Иногда, во входных каскадах для ламп с подогревным катодом, среднюю точку накальной обмотки подключают не к общему проводу, а к источнику положительного напряжения (50 ÷ 70 V). Это позволяет разорвать паразитные связи между нитью накала и катодом, что приводит к снижению уровня фона.

При использовании ламп прямого накала во входных каскадах, для дальнейшего уменьшения уровня фона, цепи накала питают постоянным током. Следует отметить одну особенность такого питания накала лампы. Использование постоянного тока приводит к неравномерности распределения потенциалов на катоде и участок катода с более отрицательным потенциалом изнашивается быстрее. В старой аппаратуре можно было встретить специальный переключатель для изменения полярности напряжения накала.

В настоящее время наблюдается тенденция использования мощных генераторных и регулирующих ламп в качестве выходных. Эти лампы требуют большой мощности накала и характеризуются значительным изменением сопротивления нити накала при прогреве. Также, большое изменение сопротивления характерно для ламп прямого накала с вольфрамовым катодом. По данным приведенным в , сопротивление нити накала может измениться в два три раза. Непосредственное подключение цепи накала такой лампы к трансформатору вызовет значительный бросок тока, что приводит к возникновению значительных тепловых деформаций и преждевременному разрушению катода.

Если Вы хотите продлить жизнь своим дорогостоящим выходным лампам, необходимо использовать пусковые цепи ограничивающие бросок тока через нить накала.

Самым простым решением вопроса будет включение дополнительного сопротивления последовательно с нитью накала, которое замыкается после предварительного прогрева.

Тестирование аудиотрансформаторов

Тестирование звукового трансформатора может понадобится по ряду причин. В первую очередь работу проводят перед началом его использования, чтоб понять, достаточные ли показатели обеспечиваются дросселем, обмотками и другими механизмами.

Если трансформатор работает качественно, то разница в музыке незаметна, возникает характерное ламповое мягкое звучание. Но если есть неисправности, то по звуку их легко заметить, так как возникает перекос с сторону средних частот. В то время как низкие не ярко выражены, сигналы поступают не так регулярно, как требуется.

Тестирование обязательно проводится с учетом техники безопасности. После проведения предварительных защитных мер собирается оборудование. К числу приборов, при помощи которых тестируются трансформаторы, относят:

• паяльная станция со стабильными температурами;
• вольтметр цифровой;
• осциллограф для измерения емкости, индуктивности и сопротивления;
• 2-3 запасных провода и тому подобное.

При проведении тестирования смотрят на марку, если речь идет не о варианте самостоятельной сборки. Варианты от непроверенных производителей гудят и шумят даже при подаче нормированной нагрузки. Если бренд трансформатора проверенный, то оборудование никаких сигналов не подает и остается прохладным. Проверяют в обязательном порядке после обмотки паянные соединения, термисторы, диоды, провода, переключатели и транзисторы.

Активная колонка и блок питания схема стандартного трансформаторного модуля напряжения для усилителя

Блок питания схема, которая показана ниже, представляет собой источник напряжения для относительно мощного усилителя низкой частоты. Такой БП потребовался мне на замену импульсного источника питания, который был установлен в колонке-мониторе. Проработал он к сожалению недолго и благополучно вышел из строя. После чего я пришел к выводу, что источники питания такого типа уступают по надежности устройствам выполненным на основе силовых трансформаторов.

Подготовка к изготовлению блока питания

Сначала я хотел заняться ремонтом импульсника, но подумав решил, что реанимировать его будет сложнее и дороже, чем изготовить новый трансформаторный блок питания схема которого меня вполне удовлетворяла. К тому же необходимые компоненты для его построения у меня были в наличии. Хотя запчасти были и не новые, а БУ, но вполне работоспособные. Единственное, на что я потратил некоторую сумму денег, так это приобрел для нового блока питания приличный корпус.

Что касается импульсного источника, который был у меня установлен в колонке-мониторе, то почитал на форумах о нем комментарии, где сообщалось, что данная модель инвертора напряжения была изначально неправильно спроектирована.

Поиск причины выхода из строя ИИП

Прежде чем приступать к сборке нового блока питания, я все же решил найти причину, по которой сгорел импульсный ИП. На представленном фото показан вышедший из строя преобразователь, раннее стоявший в активной колонке. Оказалось, что пара резисторов R4 и R3 прилично нагревалась.

Такой нагрев резисторов оказывал тепловое воздействие на электролитические конденсаторы установленные вблизи этих резисторов. В следствии этого, электролит в конденсаторе просто испарился и он перестал работать. Помимо всего прочего сгорели еще IRF840, мощные транзисторы 2N5551 и 2N5401, установленные на выходе конденсаторы тоже сгорели. Также крякнулись выпрямительные диоды и плавкий предохранитель.

Блок питания схема для мощного УНЧ

Новая схема блока питания — представляет собой стандартный двухполупериодный выпрямитель, в данной конструкции вместо мостовых сборок применяются выпрямительные диоды по отдельности с установленными на них емкостными шунтами. В цепи первичной обмотки, задействован обыкновенный сетевой фильтр, конденсатор поставил тот, что был в наличии.

В оригинальном варианте каждая клемма в аудио колонке получает напряжение питания от двух источников: +/- 36v, 1А, обеспечивает питанием микросхему LM3886, с последующей передачей на сабвуфер. Силовой тракт +/- 18v, 1A подается на LM2876, для запитки высокочастотного динамика. Так как я не смог найти требующийся по габаритам тороидальный трансформатор, пришлось поставить два тора.

Характеристики трансформаторов

Эти трансы имеют на выходе следующие значения переменного напряжения: на одном из них вторичная обмотка выполнена в два плеча по ~30v со средней точкой и током 2,5А, а после выпрямления и фильтрации напряжение получается +/- 42v в режиме холостого хода, без нагрузки. Другой трансформатор, также имеет вторичную обмотку с выводом средней точки, но напряжение уже такое: два плеча по ~14v и ток 3,5А, что обеспечивает схему напряжением после выпрямителя +/- 20v при холостом ходе.

Соединительные коннекторы поставил советского производства DIN-5, которые широко использовались в радиотехнике отечественного производства, но исправно служат до сих пор.

Разъемы для питания и светодиоды в акустической колонке я смонтировал на вырезанной из пластика пластине, а затем с внутренней стороны покрыл черной краской.

Акустическая система выдает сейчас очень приличное звучание. Пытался определить разницу в работе относительно импульсного источника питания и стандартного трансформаторного блока в усилителе. Каких либо отличий не заметил, но трансформаторый блок питания надежнее и проще в эксплуатации.

Предыдущая запись Микросхема напряжения работающая при разряженном аккумуляторе

Следующая запись Блютуз колонка: руководство изготовления акустики за 8 долларов

Какой трансформатор нужен

При покупке, аренде или изготовлении УЗ учитывается требуемая мощность и вид акустической системы.

Какая мощность лучше, определить достаточно сложно. Все зависит от личных предпочтений. Кому-то в квартире требуется 500 Вт, кто-то способен озвучить большой зал при 200 ваттах. Важна так же чувствительность акустики и грамотность специалиста, который будет сидеть за пультом.

Не менее важны такие параметры, как чистота звука и надежность оборудования, но определить их можно только косвенно.

При выборе достаточно учесть, что мощность усилителя должна быть выше мощности акустической системы. В противном случает УЗ не сможет обеспечить необходимые для работы колонок условия.

Расчет параметров

Усилители и акустика для использования в быту работают на комфортной громкости, равной 5-10% от мощности, указанной в техдокументации. При использовании профессионального оборудования показатель увеличивается до 40-60%.

Слушать что-то при максимальной мощности просто невозможно, так как звук сильно искажается. То есть, при покупке профессионального усилителя на 1 киловатт необходимо учесть, что во время работы будет использоваться примерно 300 Вт на усиление звука, при потреблении электроэнергии 700 Вт.

Бытовой прибор на 200 Вт отключится при мощности 100 Вт (если имеется встроенная система защиты). На максимуме он способен работать всего несколько секунд при озвучивании громких звуков (например, выстрелов при просмотре фильма).

Цена будет зависеть от качества колонок: чем оно выше, тем меньше может быть мощность усилителя.

Как выбрать подходящий

Основной ориентир – цель покупки усилителя. При питании от автономного генератора акустика должна быть максимально чувствительная, усилитель с высоким КПД (желательно класса «Д»).

При питании от электросети выбор шире, так как ограничивается качеством акустики, площадью и личными предпочтениями. Цена будет зависеть от качества колонок – чем оно выше, тем меньше может быть мощность усилителя.

Возможные схематические решения

Обычно используются трансформаторы вида с немагнитным зазором. Проблема использования заключается в зависимости сердечника от внешнего поля, показателей индуктивности первички.

Однотактный

Если растет показатель тока на первичной обмотке, то проницаемость будет уменьшаться, а намагниченность увеличиваться. Индуктивность внутреннего слоя понизиться. Это способствует тому, что оборудование начинает работать в режиме насыщения.

Однотактные ламповые усилители дают возможность через тс протекать току, который вызывает намагничивание. Крепеж более мягкого материала невозможен, кроме того, не поможет решить проблему и увеличение витков первички — насыщение сердечника продолжится. Нужные показатели индуктивности достигаются путем смены количества витков и увеличения ширины зазора.

Двухтактный

Проблема создания двухтактного трансформатора идентичная — получить необходимые показатели индуктивности обмотки, но не допустить входа в режим пресыщения.

Для этой цели используется методика создания зазора, а также увеличение твердости магнитной стороны сердечника. Последний помещают в поперечное магнитное поле, которое выступает в роли магнита для середины.

Проведение питания таким образом решает сразу несколько проблем. В первую очередь повышает индуктивность первички. Это означает, что и увеличивается значение магнитной проницаемости. Сердечник не перемещается в режим пресыщения и стабильно работает. Тор наматывается на детали, при этом один является магнитомягким, а другой твердым.

Основные характеристики

Перед тем как намотать выходной трансформатор для 6П14П следует более подробно ознакомиться с его конструкцией, имеющей следующие характеристики:

• В состав преобразователя входят две обмотки, представляющие его первичную и вторичную многосекционные катушки.
• Трансформатор для лампового устройства наматывается на сердечнике Ш30.
• Толщина набора его пластин составлять 36 мм.

Для размещения обеих катушек выходного трансформатора под двухтакт на 6П14П размеры его рабочего окна необходимо выбрать не менее чем 60 на 30мм.

При таких конструктивных данных преобразователя его намоточные параметры принимают вполне конкретные значения, которые рассматриваются в следующем разделе.

Намоточные характеристики выходного трансформатора

Для того чтобы намотать выходной трансформатор для двухтактного усилителя на 6П14П потребуется изготовить двойной каркас, искусственно разделенный специальной перегородкой.

Расположение намоточных секций на каркасе трансформатора для ламп 6П14П, а также схема подключения первичной и вторичной обмоток изображены на фото.

Каркас первичной обмотки имеет шесть одинаковых по размеру секций, каждая из которых содержит по 300 витков. Вторичная катушка поделена на 4 отделения, содержащие по 44 витка.

Последовательность намотки

Последовательность их намотки своими руками выглядит так:

• В первую очередь наматываются витки в секциях каркаса, обозначенных на фото номерами 1,8,2,7,3.
• После этого частично намотанная конструкция снимается со станка и разворачивается на 180 градусов.
• На следующем этапе работ продолжается намотка оставшихся секций, пронумерованных цифрами 4,9,5,10,6.

Все отделения первичной обмотки выходного трансформатора для лампового усилителя на 6П14П соединяются между собой по последовательной схеме. В отличие от нее вторичная катушка состоит из двух половинок, включенных последовательно, каждая из которых содержит в своем составе две параллельно подсоединенные секции.

Последнее означает, что при секционном построении вторичной обмотки упрощается ее согласование с нагрузками различной величины.

Кроме того, данный подход к намотке катушек своими руками позволяет получить симметричную схему с малым коэффициентом индуктивного рассеяния. Благодаря этому собранный каскад отличается прекрасными АЧХ и ФЧХ характеристиками.

Выходной трансформатор на 3,6 ком

Подходит для однотактников на тех же лампах (6С4С, ГУ50 и пр.)
Первичка – 2400 витков ПЭВ-2 0,35 мм. Три секции по 5+10+5 слоёв, в
каждом слое 120 витков. R акт – 108 ом.
Вторичка тем же проводом 120 витков, отвод для 4-х ом от 85-го витка.
Две секции по четыре параллельных слоя. Всего восемь параллельных
слоёв.
R акт вторички – 0,7 ома. Приведённое – 280 ом.
КПД – 89%.
И ещё один выходной трансформатор для однотактника.
Кто-то скажет 2400 витков – мало. Согласен. Но ведь и сопротивление
первички надо бы удерживать хотя бы в пределах 100 ом.Вот ещё один вариант — компромиссный.
Первичка – 3120 витков провода ПЭТВ-2 0,315 мм. Три секции (6+12+6
слоёв по 130 витков в слое). R акт – 182,5 ома.
Вторичка – 113 витков ПЭТВ-2 0,41 мм, отвод от 80-го витка для
4-хомной нагрузки.
Две секции по шесть параллельных слоёв. Всего – двенадцать
параллельных вторичек.
R акт вторички – 0,33 ома. Приведённое – 250 ом.
Приведённое к аноду сопротивление первички – 6,53 ком.
КПД = 93,4%.
Такой транс работал у меня с УО186 (Ri = 1,1 ком).

Варианты схематических решений

Самый простой усилитель класса низких частот состоит из двух одинаковых транзисторов, подключенных через эмиттер (биполярный транзистор), и выходного трансформатора, первичная обмотка которого состоит из 2-х одинаковых половин. Питание из внешнего источника на транзисторы подается через первичную обмотку.

На один транзистор подается положительное, на второй – отрицательное напряжение, которое периодически меняется на противоположное. Транзисторы работают поочередно, поэтому прибор называется двухтактным. Токи суммируются к обмотке, оконечный трансформатор выдает более низкие и мощные колебания.

Для повышения мощности в схему включаются резисторы, снимающие напряжение смещения с транзисторов. На трансформатор ток подается через половинки вторичной обмотки, соответствующие половинкам первичной. Высокие частоты на выходе отделяет конденсатор. Для питания такого УЗ можно использовать сетевой блок питания или батарейки.

В двухтактном УМЧЗ 2 трансформатора: входной (предварительный) и выходной (оконечный), напряжение на транзисторы подается из первого. Один транзистор открывается, второй остается закрытым, через какое-то время положение меняется на противоположное. Для питания требуется блок из резисторов, конденсаторов, сетевого фильтра, силовых транзисторов, переключающих напряжение.

Проектировка печатной платы

Спроектирована печатную плата усилителя через онлайн-программное обеспечение.

Эта печатная плата предназначена для одного канала, поэтому если делаете стереоусилитель, то нужно собрать две одинаковые платы.

Советы по разводке печатной платы

Существует четыре основных принципа, которые учитывайте при разработке печатной платы УМЗЧ:

1. Ток, протекающий через проводник, создает магнитное поле которое может генерировать ток в параллельном проводнике.
2. Ток, протекающий в проводящей петле, создает магнитное поле. Величина тока пропорциональна площади внутри петли.
3. Индуктивность препятствует протеканию тока. Длинные и тонкие дорожки имеют большую индуктивность чем короткие, толстые.
4. Конденсатор последовательно с индуктивностью создает резонансный контур.

Дорожки ведущие к неинвертирующей петле входа и обратной связи, должны быть проложены далеко от источника питания и аудиовыхода, чтобы предотвратить появление сильных токов в слаботочных дорожках. Если прокладка дорожек с малым током вблизи путей с сильным током неизбежна, используйте их под углом 90 °, но никогда не параллельно.

Если разместите клеммы для цепей с высоким и низким током на противоположных сторонах печатной платы, их будет проще расположить далеко друг от друга.

Поскольку заземление питания и сигнальное заземление необходимо держать раздельно, на нижней стороне печатной платы есть две плоскости заземления которые не связаны электрически. Одна земля несет заземление питания, а другая земля несет заземление сигнала. На верхней стороне печатной платы пути источника питания, выход и цепь Зобеля проложены через плоскость заземления. Трассировки контуров входа и обратной связи проходят через плоскость заземления сигнала.

Чтобы уменьшить влияние индуктивности, лучше чтоб все пути были как можно короче

Это особенно важно для развязывающих конденсаторов блока питания, контура обратной связи и Зобеля. Все они размещены как можно ближе к контактам микросхемы, чтобы сократить длину

Особенности конструкции

Передача энергии между обмотками в трансформаторах осуществляется за счет воздействия создаваемого магнитного поля. В зависимости от типа согласующего устройства оно может иметь разную конструкцию:

1. Устройства для работы с низкочастотным электрическим сигналом обычно наматывают на броневых или стержневых сердечниках из электротехнической стали. Именно такие устройства применяются в усилителях и звуковоспроизводящей аппаратуре. Габаритные размеры зависят от передаваемой мощности, но обычно они не отличаются большими значениями.

1. Для высокочастотных согласующих трансформаторов чаще всего применяют тороидальные сердечники из ферромагнитных веществ. Они имеют форму кольца с прямоугольным сечением.
2. Отдельные виды ВЧ согласующих устройств могут быть выполнены по принципу воздушных трансформаторов. Простейший пример — петля из коаксиального кабеля, которая устанавливалась при подключении антенны к основному проводу. Существует вариант и распечатанных непосредственно на плате маломощных трансформаторов согласующего типа.

Для обмоток применяют изолированный медный провод круглого сечения, диаметр которого подбирается на основании расчета. Допускается и намотка проводниками прямоугольной формы, но только при сечении более 5 мм2. В качестве дополнительной изоляции применяется нанесение 2 слоев специального лака.

Похожие записи:

Как подключить светильник с датчиком движения Как сделать проектор своими руками? Usb Как установить дхо на ваз 2110 и подключить к проводке Темброблок Лекция 2. основные элементы механизмов роторного типа