|
A kimenő-transzformátor méretezése.
Bozó Balázs
Jelen cikkben a kimenő-transzformátor méretezését próbálom meg bemutatni. Sokkal inkább közérthető módon, mint sem kitérve a speciális esetekre, és meg sem próbálom kimeríteni a Hi-Fi, illetve High End követelményeknek megfelelő kimenő tervezést. Már csak azért sem, mert ezek java része több évi kísérletezés, és tapasztalat után szokott a gyártó és a fémjelzett márka titkos receptjévé válni és nem kevés esetben a gyártóra jellemző „hangot” eredményezni. Ne felejtsük azonban el, hogy a bárminemű képlet alapján megtervezett kimenő – hacsak nagyon nem számoltunk el valamit – a bejövő jel hatására kimenő jelet fog produkálni, magyarul megszólal. Itt inkább arra hívnám fel a figyelmet, hogy a megszólalás milyensége az amiért sokat kell dolgozni, és ami a szememben értéket adhat egy ilyen sokszor művészi alkotásnak. A művészet és a tapasztalat hatása tehát nem abban rejlik, hogy működő képes kimenőt tervezzünk, hanem sokkal inkább abban, hogy tervezhetjük a kimenőnk hangját és viselkedésének karakterét. És itt megint érdemes lenne megjegyeznem, hogy sok esetben a hang karakterére sokkal nagyobb befolyással bírnak, a választott vasanyag tulajdonságai és a réz vagy ezüst huzal tulajdonságai mint a méretezéshez használt képlet. Itt is elmondható általános irányelvnek, hogy a réznek, és a vasaknak jót tesz ha kicsit pihennek felhasználás előtt. A kicsit itt természetesen olyan 30 évet szokott jelenteni, de minél öregebb annál jobb. Ezt azért érdemes átgondolni, mert a korai vasak és réz kábelek nem mindenben tudtak olyan technikai paramétereket mint a maiak. Tehát – mint általában minden tervezés – ez is kompromisszumos megoldásokat eredményez. Ami azt is jelenti, hogy nincs univerzális, „Joly-Joker” megoldás. Előforduló hiba szokott lenni, hogy az "Öreg szaki" akit megbíztunk kimenőnk elkészítésével éppenséggel nem pont abban a trafóban járatos mint szeretnénk. Általában a Push-Pull és inkább a hangszer erősítők voltak akkoriban elterjedtek, tehát tapasztalata és tudása inkább ennek megfelelő szokott lenni. Ha ezt felmérjük egy sor gondtól megszabadulhatunk még időben! De nézzük végre a képleteket és az alapokat.
Miért van rá szükség?
Az erősítő kimeneti körében található végerősítő cső, mint a hangszóró szempontjából az áramforrás. Ahhoz, hogy ezt az áramforrást maximálisan ki tudjuk használni, vagyis hogy a lehető legnagyobb nyereséget érhessük el, illeszteni kell a fogyasztóhoz (hangszóró). Az analógiát felhasználva azt gondolnánk, hogy az ideális illesztés akkor következne be, amikor a cső belső ellenállása megegyezik a hangszóró impedanciájával (váltakozó áramú ellenállás). A végerősítő cső azonban egy speciális áramforrás. Ezért nem a belső ellenállásával megegyező esetben ideális a hatásfoka, hanem ennél kisebb értéknél, amit optimális illesztő ellenállásnak nevezünk. Ennek megállapításakor azt veszik figyelembe, hogy a cső maximális teljesítményt adjon le, de minimális torzítás mellett. Általában a cső katalógusok ezt megadják. (Természetesen általános esetre, amitől ha eltérünk ezt ismét meg kell határoznunk.) A katalógusokban a cső belső ellenállását Ri vagy Rb-vel jelölik, míg az optimális illesztő ellenállást Ra / Ropt jelölik. A hangszórók impedanciája többnyire szintén megadott, ismert. (Azért ez megérdemelne egy külön cikket is :) A példa kedvéért vegyük alapul a 300B triódát, mint végerősítő cső, és a 8 Ohmos impedanciájú hangszórónkat illesztenénk hozzá. A példa szerinti trióda optimális illesztő ellenállása 3000 Ohm, míg a hangszórónk csak 8. Ezt az impedancia illesztést hidalhatjuk át egy úgynevezett impedancia illesztő transzformátorral, ami ebben a speciális illesztési feladatban kimenő-transzformátor néven ismert. Segítségével tehát a végerősítő cső a hangszórót mint számára ideális ellenállást fogja „látni”.
A kimenő-transzformátor méretezésének szempontjai.
A feladatból is jól látható, hogy a méretezése jelentős mértékben eltér a hálózati transzformátorok méretezésétől. Ennek oka a vele szembeni követelményekben keresendő. A kimenő-transzformátor vasmagját nem szabad a telítésig mágnesezni, mint a hálózati trafókét szokásos. Ennek oka a vas telítésekor keletkező torzítások. Bár meg kell jegyezni, hogy néhány hangszer erősítő jellegzetes hangját pont ez a torzítás okozza. Ha ilyet, után építünk ne felejtsük el azt, hogy hasonló torzítást csak azonos vasanyagú magtól várhatunk el!
A kimenő-transzformátor primer tekercsén egyenáram folyik keresztül, ez a vasmagot előmágnesezi és torzítást okoz. Ennek elkerülésére a transzformátort légréssel látjuk el. A légrés nagysága döntően befolyásolja a transzformátor viselkedését. Meghatározása ezért lényeges tervezési momentum. Természetesen a légrés az ellenütemű meghajtással dolgozó transzformátoroknál elhagyható hiszen azonos áramok kioltják egymás előmágnesező hatásait.
A hálózati transzformátorokat csak a hálózat frekvenciájára kell méretezni, míg a kimenők a vélhető szempontjaink szerint természetesen minél szélesebb sávban és a teljes sávban jó átvitelt kell biztosítania.
A primer tekercs induktív ellenállása párhuzamosan kapcsolódik a végerősítőcsővel, ami így söntölő hatást fejt ki. Ez az induktív ellenállás a frekvenciával egyenes arányban változó érték, ezért a primertekercs induktivitása a mélyhangokra jelent veszélyt, amit a méretezésnél figyelembe kell venni. Általánosságban ezt az optimális illesztő ellenállás 70%-ban szokták meghatározni a legalacsonyabb, átvinni kívánt frekvencián.
A szükséges vaskeresztmetszet meghatározása.
A méretezést kezdjük praktikus okokból a vas keresztmetszetének meghatározásával. Itt kettő képletet is megemlíthetünk amiket attól függően érdemes használni, hogy a kimenő-transzformátort milyen erősítőbe kívánjuk alkalmazni. Tehát az első esetben (és inkább ellenütemű erősítőkben való felhasználásra) qv=10·√(2P/fa) [cm2]; Ahol a qv a vasmag keresztmetszet, a P a végerősítő csőből kivehető maximális váltóáramú teljesítmény. fa a legalacsonyabb átvinni kívánt frekvencia. Vagy a másik képlet szerint (ezt javasolnám együtemű erősítőkhöz) qv=20·√(P/fa); [cm2] a betűk jelentése a már fentebb ismertetett képlet szerinti. Esetleg ha érdekes lehet akkor részletezhetjük is, hogy miképpen alakul ez a képlet egy általános megoldásban:
qv=√( (P·G·106)/(fa·B·Is) );
A betű elnevezések a már ismertetett jelentéssel bírnak illetve a G a vas és a réz súly együtthatója szokásos értéke 1-1,5.
A B a vas mágneses indukciója Gausban (10KGs=1T). Szokásos értéke 4%-os szilíciumos vasnál 2000-16000Gs. Kisebb teljesítményű trafóknál ez lehet 4000Gs, míg 25W felettieknél 5000Gs értékűre szokták választani. A legjobb persze ha magunk határozhatjuk meg a vas hiszterézis görbéjének egyenes szakaszát figyelembe véve. Minél magasabbra vesszük ezt az értéket annál nagyobb vasveszteséggel számolhatunk illetve melegedéssel, de például gitár erősítőknél a szokásos érték 10000 – 12000Gs bár ez sávhatároltságot és torzításokat eredményez ugyan, de a jellegzetes hangját is adja egy-egy ilyen erősítőnek. Ha jobb vasanyagot használunk megengedhetjük a magasabb indukciós értéket is. A mai hyperszil, vágott, amorf magoknál vagy más ritka földfémekkel szennyezett vasanyagoknál nem ritka a 20000Gs érték sem, anélkül, hogy számottevő torzítás lépne fel.
Is a huzalban megengedett áram sűrűség. Szokásos értéke 1,5 – 2,5 [A/mm2], de esetenként előfordulhat a 3A/mm2 is.
Ha egy általános megoldást választunk 5000Gs és 4% szilíciumos vasat, egyszerűsödik képletünk, a fentebbi qv=20·√(P/fa)-ra. Természetesen a tényleges keresztmetszetet a vashoz kell igazítanunk és itt befolyásoló tényező lehet a felhasznált vasmag típusa is.
Határozzuk meg a primer tekercs induktivitását.
Lp=(1/ωa)·(Ra⊗Rb);
ahol a ωa a szokásos 2π·fa. Ellenőrizzük le, hogy az így meghatározott induktivitás nem lehet kisebb az Ra 70%-ánál (vagy amit mi meghatároztunk).
Miután ezt tisztáztuk (a későbbiekben nem részletezem ennyire) ki kell számítanunk a primer menetszámot. (A primer tekercs a végcső felöli tekercs). Az alábbi egyenletből határozható ez meg:
Ua= qv·4,44·B·np·fa·10-8;
A gyakorlatban azonban az alábbi képletek használatosak. A primer tekercs menetszámát tehát, meghatározza a közepes erővonal hossz a vasban, a légrésben és a fentebb kiszámolt keresztmetszet.
np=1500…2000·√(10·Lp·ll/qv)
légréses transzformátornál, míg légrés nélküli esetben
np=9000·√(Lp·lv/µo·qv).
A betűk jelentése: np a primer tekercs menetszáma, Lp a primertekercs induktivitása [H]. ll erővonal hossz a légrésben [mm]. lv erővonalhossz a vasban [mm], µo a vas kezdeti permeabilitása (450 4%-os szilíciumos vasnál). qv a számított vas keresztmetszet.
A fentebbi egyenletet átrendezve számítsuk ki a számított menetszámmal a vasban fellépő mágneses indukció mértékét ami nem haladhatja meg az általunk (a fentebbi szempontokat figyelembe véve) meghatározottakat.
B=(Ua/(4,44·np·fa·qv))·108.
Ha ez nem megfelelő, növeljük vagy a primer menetszámot vagy a vas keresztmetszetet. A szükséges légrés kiszámítására számos egyenlet létezik, de a gyakorlatban jól használható a ll=(qv·np2)/(8·106·lp) [mm]. A képlet betűinek jelentése, ll a légrés hossza mm-ben, a qv a vasmag keresztmetszete cm2-ben, és az Lp a primer önindukció. A légrés méretezésénél természetesen jó, ha figyelembe vesszük, hogy nem mindegy mekkora légrést írunk elő a túl kicsi légrés megvalósíthatatlan a gyakorlatban. Vegyük figyelembe továbbá, hogy a különböző anyagok nagyon eltérően érzékenyek az egyenáramú előmágnesezésre. Ennek az a következménye, hogy minden anyagra más az egy meghatározott egyenáramú mágnesezésnél optimális légrés arány. Ezt leginkább kísérletekkel szokás megállapítani, ha a használt vas adatlapja nem tartalmazza.
Határozzuk meg a szekunder tekercs menetszámát is.
Először is, az áttétel meghatározásával kell kezdenünk. á = np/ns = √(η·Ra/Zh). Ahol az á az áttétel a primer és a szekunder között, az np a primer menetszám, az ns a szekunder menetszám. A η a kimenő-transzformátor hatásfoka. Ha a csatolás a primer és a szekundertekercs között 100%-os lenne a szekunder oldalon lévő hangszóró impedanciája a primer oldalra a menetszámok négyzetével transzformálódna át. Sajnos ez a veszteségek miatt nem így van ezért kell figyelembe vennünk a transzformátorunk hatásfokát. Ez jellemzően nagyobb transzformátoroknál és precíz készítésnél 80 – 95% míg közepes méretűeknél 65% - 85% vagy a kisebb trafóknál az 50% - 70%-ot éri csak el. Az Ra a cső optimális illesztő ellenállása, míg az Zh a hangszóró impedanciája [Ω]. Az áttétel ismeretében kiszámíthatjuk a szekunder tekercs menetszámát.
ns= np/á.
A tekercsek huzalátmérőinek számítása.
A tekercsek huzalátmérőinek számításakor illik a csúcsáramok miatt az effektív érték helyett a csúcsértékkel számolni, ami az előbbi √2 szerese. A tekercsek huzal átmérőit az alábbi egyenletből számíthatjuk ki.
d= t·√I [mm].
Ahol a d a huzal átmérője mm-ben. A t értékét a megengedett áramsűrűség határozza meg. Szokásos értékei 0,7 2,5A/mm2 esetén, 0,8 2A/mm2, valamint 0,9 1,5A/mm2 esetén. Minél vékonyabb huzalt használunk annál nagyobb veszteséggel számolhatunk, de természetesen a vastagságnak ésszerű határt kell szabnunk, hiszen a tekercselési tér adott. A szekunder tekercs esetében azonban feltétlenül vegyük figyelembe, hogy a tekercs ohmos ellenállásán ne vesszen el a teljesítmény több mint 8-10%-a.
Amint kiszámoltuk a szükséges adatokat még hátra van az, hogy mindez befér e a kívánt ablakméretbe. Vegyük számításba, hogy az ablakméretnek csak 60%-át tudjuk tekercsel kitölteni, a többi helyet kényszerűségből a csévetest, és a tekercsek közötti szigetelés fogja elfoglalni. A szekunder tekercsek közé nem szoktak szigetelést helyezni, de a primer tekercsek közé kétsoronként tehetünk.
Kimenő-transzformátorunk a méretezési szempontjaink szerint alakult. Ha ismerjük a szórt indukció mértékét kiszámíthatjuk a transzformátorunk felső határfrekvenciáját. Ezt az alábbi egyenletből határozhatjuk meg:
2π·ff = (Rb+Ra) / (Lp·σ).
Ahol az ff a felső határ frekvencia a σ pedig a szórt induktivitás. A szórt induktivitásra jelentős hatással van a tekercsek elrendezése. Általánosságban a primer tekercset is és a szekunder tekercset is több felé szokás osztani. A primer tekercseket természetesen a menet számainak figyelembe vételével sorba kapcsolva szokták osztani, míg a szekunder tekercset párhuzamos kapcsolással osztják, ami azt jelenti, hogy a menetszámaik azonosak (figyelem teljesen azonosak!) de a keresztmetszetük az osztásnak megfelelően csökkentve. (Figyelem a keresztmetszet!) Természetesen minél több részre osztottuk annál jobb átvitelre számíthatunk. A tekercsek elosztása persze jelentősen befolyásolja a kialakuló kapacitásokat. Az ábrákon igyekszem bemutatni a kialakítható tekercselési elrendezéseket.
A Push – Pull vagy ellenütemű erősítők kimenői.
A Push – Pull vagy ellenütemű erősítők kimenőinél a méretezés hasonló. Abból indulhatunk ki, hogy az egy csőre jellemző Ra értéket megduplázzuk. Gyakran ezt az értéket is megadják a katalógusok, ha számítani lehet a cső ellenütemű felhasználására. Pl. EL34 esetén. Ezt Ra-a jelöléssel szokták illetni. Ekkor a primertekercs közép leágazásos kivitelben készül, ahová a tápegység + pontja kerül. A pentódák és sugártetródák esetében meg szokták még adni a katalógusok, vagy adatlapok az Ultra Linear megcsapolás ideális mértékét. Ez többnyire 25-35% környékére esik. Mivel a csövek beállításában az azokon átfolyó áram ellentétes, így a vasat előmágnesező egyenáram (a két cső szimmetriája esetén) kioltja egymást, így a légrés használata mellőzhető és felesleges. Érdemes még megemlíteni, hogy a Push – Pull kapcsolásokat gyakran alkalmazzák párhuzamosan kapcsolt végcsövek esetén is. Ekkor az Ra értéke a felére csökken. Tehát a Paralell Push – Pull kapcsolásokban az Ra-a értéke az alkalmazott végcső Ra értékének a fele majd annak a kétszerese lesz, azaz az eredeti Ra érték. Ne feledkezzünk meg azonban a dupla áramról!
Elkészítés, kivitel.
A fentebbi ábrán bemutatom a kimenőtranszformátor szokásos elkészítésének módozatait. Mind az együtemű, mind a Push-Pull, illetve Paralell Push-Pull erősítők kivitelezhetőek a rajzon szereplő mind három módszer szerint. Mivel a Push-Pull kimenők bekötése tűnik bonyolultabbnak ezért a rajzokon inkább azt tüntettem fel. Láthatóan a kimenők szinte kizárólag osztott kivitelben készülnek, amikor is a primer tekercsei közé készítik a szekunder tekercset. Ezt a technikát nem csak a jobb csatolás megvalósításáért érdemes alkalmazni, hanem a kisebb szórt kapacitások és indukciók elérésének érdekében is. Mint láttuk a fentebbi képletben a szórások jelentősen befolyásolják a frekvencia menetet is. Ugyanakkor, a gyakorlatban nem mindig a legbonyolultabb a legjobb megoldás és ipari kivitelben gyakran kivitelezhetetlen is. Az ábra a) részén a rétegesen osztott kimenőt láthatjuk. A b) és a c) ábrákon a szimetrikusan osztott kimenőket ábrázoltam. A c) esetében megjegyzendő, hogy a primer 10-nél nagyobb osztása már csak ront az eredményeken. Az a) és b) esetekben természetesen több osztás is lehetséges, az ábrák csak tájékoztató jellegűek. Segítség képpen bele írtam a tekercsekbe a szükséges kalkulációt, így magunk is alakíthatjuk elrendezésünket. A d) és az e) ábra részleteken a tekercsek bekötése látható. A d) esetében az AB vagy a tisztán B osztályban működő erősítők kimenőinek javalt bekötése, míg az e) inkább A osztályú erősítőknél ajánlható. Az f) részleten a vertikálisan osztott tekercselés látható, ami a fojtó tekercsek világában ismert eljárás. Ezt úgy kell elképzelni, hogy a kimenő tekercseit nem csak rétegekben oszthatjuk hanem a rétegen belül is. Ennek alkalmazása rendszerint a két fokazat közötti, úgynevezett illesztő vagy inter-valve transzformátoroknál általános.
Megépítésnél illetve tervezésnél ne hagyjuk figyelmen kívül azt a tényt, miszerint minél több részre osztjuk kimenőnk tekercseit, annál nagyobb helyet foglalnak el a szigetelések, és egyébb nem hasznos rezet tartalmazó térrészek vasmagunk ablakában. A transzformátorok kivitelezésében további nehézséget szokott eredményezni a légrés kivitelezése. A legjobban az M magok esetében biztosítható a légrés. A sokkal könnyebben lemezelhető EI magoknál rendszerint a lemezek egyoldalról történő behelyezésével adódó légrésre szokták méretezni a transzformátorokat, ha azonban ez nem elegendő a kívánt légrést úgy alakítják ki, hogy a légrés vastagsága felének megfelelő prespán vagy más szigetelő (nem mágnesezhető) anyagot tesznek a szintén egyoldalról lemezelt E és I tagok közé. A Hi-Fi-sták azután kedvükre próbálgathatják a légrésbe különböző anyagok viselkedését. A hangra jelentős befolyással van a légrés mérete. A napjainkban elterjedő hyperszil magok összehúzásakor keletkező légrés is bele számítandó a hasznos (vagy haszontalan) légrésbe. Sajnos speciális eszközök nélkül minden összerakásnál könnyen más és más értékek adódhatnak, ezzel más és más hangot is produkálva.
A transzformátorhoz használt vasanyagok jelentősen befolyásolják a transzformátor tulajdonságait, viselkedését. Kimenő-transzformátornak a hálózati transzformátorokhoz használt lemezek nem használatosak. Kimenő-transzformátorhoz a 4%-os vagy több szilíciumot tartalmazó lemezek használatosak. Minél több a szilícium annál jobb, de annál könyebben törik, nehezítve ezzel a vasalást. Itt érdemes megemlítenem, hogy nem csak a vas anyagát ötvöző vagy szennyező anyagok tulajdonságai döntőek, hanem a lemezeket sajtolásuk után milyen eljárásoknak vetik alá. Ezeknek az eljárásoknak a célja a sajtoláskor keletkező a lemezek szélén a sajtoló szerszám által okozott rácsszerkezet roncsolódás helyreállítása. A hálózati, illetve annak megfelelő igénybevételű transzformátorok esetén persze erre többnyire nem fordítanak gondot, egy speciális vasmag anyagnál annál inkább. Nem akarom részletezni a szemcseorinetált, vagy a vágott, vagy az amorf anyagok tulajdonságait, már csak azért sem mert én sem nagyon tudom. Annyi bizonyos, hogy szinte új dimenziókat nyitnak mind a transzformátor méretezésében, mind az eredményezett hang minőségében. A lemezek vagy a mag anyagát alkotó lemezek vastagsága szintén döntő befolyással bír. Itt persze a minél vékonyabb lemezek eredményezik a részletgazdagabb hangot. Egy alkalommal sikerült belecsöppennem egy trafó tesztbe amikor is 0,05 és 0,01-es lemezű, de amúgy azonos felépítésű trafók versengtek. Megdöbbentő volt hallani a vékonyabb lemezű mag részletgazdagságát, pedig a "gyengébb" is már nagyon jónak számított. Végezetül néhány trafó lemez adata:
| Anyag | ρ | µ0 | µmax | Gauss |
| Mumetal | 62 | 30000 | 130000 | 8500 |
| Permalloy A | 20 | 12000 | 90000 | 11000 |
| Permalloy B | 45 | 2000 | 15000 | 16000 |
| Permalloy C | 60 | 16000 | 75000 | 8000 |
| Cr Permalloy | 65 | 12000 | 60000 | 8000 |
| Mo Permalloy | 55 | 20000 | 75000 | 8500 |
| 45 Permalloy | 45 | 2700 | 23000 | 16000 |
| Megaperm | 97 | 3300 | 68000 | 9300 |
| Hipernick | 46 | 3000 | 70000 | 15500 |
| 4%-os szilícium | 55 | 450 | 8000 | 19500 |
ρ: ellenállása mikrohm cm-ben, µ0: kezdeti permeabilitás, µmax: maximális permeabilitás.
|
