Множество радиолюбителей и аудиофилов хотели бы иметь качественный ламповый усилитель. Современный ламповый усилитель имеет не только своеобразный, оригинальный внешний вид (фото 1), но и обеспечивает приятное звучание, высокую глубину сцены и хороший передний план, а при прослушивании фонограмм создает в помещении романтическую обстановку. При конструировании и изготовлении таких усилителей многие радиолюбители встречаются с трудностью изготовления выходного трансформатора. Об одной технологии изготовления выходных трансформаторов на тороидальных сердечниках рассказано в этой статье.
В радиотехнической литературе практически не раскрыта тема применения тороидальных трансформаторов в выходных однотактных каскадах УМЗЧ, хотя они имеют очень высокие технические показатели, а применяют обычно Ш-образные трансформаторы с немагнитным зазором и всевозможной кучей обмоток, порой соединенных самым причудливым образом.
Проблема применения тороидальных трансформаторов обусловлена высокой зависимостью магнитной индукции в сердечнике от внешнего поля, или, проще говоря, от тока в первичной обмотке.
На рис.1 показана кривая намагничивания сердечника Ш-образного трансформатора.
Крутизна кривой намагничивания сердечника (зависимость магнитной индукции поля — В в сердечнике от напряженности внешнего поля — Н) пропорциональна относительной магнитной проницаемости сердечника µ. Эта зависимость нелинейная. На рабочем участке крутизна более-менее неизменна, потом следует нелинейный участок, где с ростом Н уменьшается µ (рис.1).
В свою очередь, напрямую влияет на индуктивность первичной обмотки трансформатора и на коэффициент передачи трансформатора, в первую очередь, на низких частотах. С ростом тока в первичной обмотке растет и Н. Когда Н превысит определенное значение, µ начинает уменьшаться. Следовательно, будет уменьшаться индуктивность первичной обмотки. Это приведет к еще большему увеличению тока первичной обмотки, следовательно, увеличению Н и падению µ и трансформатор благополучно входит в насыщение.
В однотактных ламповых УМЗЧ класса А через первичною обмотку выходного трансформатора протекает постоянный анодный ток лампы, приводящий к подмагничиванию сердечника и, как следствие, к уменьшению µ для переменной составляющей анодного тока. Сердечник становится более магнитотвердым материалом, и индуктивность первичной обмотки падает, как результат, спад частотной характеристики на низких частотах. По идее, можно было бы увеличить количество витков первичной обмотки и повысить ее индуктивность, но это приведет лишь к дальнейшему падению (вследствие увеличения Н) и насыщению сердечника.
Из изложенного можно сделать вывод, что увеличением числа витков первичной обмотки обычного тора нельзя получить более высокое значение индуктивности первичной обмотки, а лишь насытить сердечник. Индуктивность первичной обмотки тора с подмагничиванием постоянной составляющей будет ниже аналогичной без подмагничивания.
В литературе, например в статье [1], рассматривались трансформаторы с немагнитным зазором в в сердечнике, который уменьшает µ этого сердечника. Нужное значение индуктивности первичной обмотки можно получить изменением количества витков и шириной зазора сердечника. Но практически, размер зазора для получения приемлемых результатов должен быть крайне небольшим — десятые доли миллиметра. Выполнить такой зазор на торе без специального оборудования в домашних условиях практически невозможно.
Задача создания выходного трансформатора на торе сводится к получению нужной индуктивности первичной обмотки при условии не введения трансформатора в режим насыщения.
Раздумывая над данной ситуацией, автор пришел к выводу, что для снижения магнитной проницаемости тора можно пойти по пути как введения зазора, так и попробовать решить проблему посредством увеличения магнитотвердости самого сердечника с помощью внешнего магнитного поля, поместив тор между двух постоянных магнитов в поперечное магнитное поле. Проще говоря, компенсировать подмагничивание сердечника, хотя бы частично, магнитным полем постоянного магнита.
На рис.2 показаны две петли гистерезиса сердечника опытного образца тороидального трансформатора: внутренняя — для обычного тора, внешняя — для тора в поперечном магнитном поле.
Вторым преимуществом такой конструкции является взаимодействие части обмотки тора с внешним магнитотвердым сердечником (магнитами), что приводит, в свою очередь, к увеличению индуктивности первичной обмотки и, как следствие, увеличению системы. В результате протекания одновременно этих двух процессов, значение магнитной проницаемости системы увеличивается. При этом сердечник становится сложнее ввести в режим насыщения.
В идеале, хорошо бы было намотать выходной тор на сердечнике, состоящем из двух торов, один магнитотвердый (магнит), а другой обычный (магнитомягкий).
В связи с тем, что автор не имеет опыта намотки, на радиорынке были приобретены силовые тороидальные трансформаторы (220/12 В). Первичные обмотки у них содержат приблизительно 1100 витков, а вторичные — 60 витков. Вторичные обмотки трансформаторов следует домотать до напряжения 20 В (на «холостом ходу»), добавив на трансформаторы по 30 витков.
Для изготовления одного выходного трансформатора было использовано три силовых, которые были соединены в соответствии со схемой рис.3.
Количество витков первичной обмотки выходного трансформатора однотактного лампового УМЗЧ приблизительно составляет 3000-5000, для получения должной индуктивности первичной обмотки.
Для получения оптимальной индуктивности первичной обмотки выходного трансформатора автор соединил последовательно первичные обмотки трех силовых трансформаторов и зажал торы между кольцевыми магнитами (фото 2) с помощью резьбовой шпильки и гаек. Получается немного громоздко, но работает отлично. Магниты можно изъять из сгоревших динамиков.
На рис.4 показаны АЧХ усилителя без цепей частотной коррекции при отсутствии магнитов в сердечнике (2) трансформатора и при их наличии (1).
Литература
1. Dr. Tom Hodgson. То Be, or Not To Be, Linear! The Single-Ended Transformer // Sound Practices -№10. — C.37-40.
Автор: Юрий Дьячук, с. Рай-Еленовка, Песочин, Харьковской обл.
Источник: Радиоаматор №11/12, 2014
