FIDELITY Знання: Вихідний трансформатор
FIDELITY Знання: Вихідний трансформатор
Вихідний трансформатор є одним із центральних компонентів підсилювача, безперечно, основним елементом за масою. Томаш Лаховський з Toroidy допомагає нам зрозуміти, що саме він робить, як він це робить і чи є альтернативи звичному EI-трансформатору.
Здатність підсилювача обслуговувати навантаження динаміків залежить в першу чергу від фактора демпфування, тобто співвідношення його вихідної імпедансії до входу динаміка – чим нижча вихідна імпедансія підсилювача, тим жорсткіше він подає свою напругу до динаміка, і тим менше коливання в його імпедансній кривій впливають на частотний діапазон. Якщо ми врахуємо, що типовий динамік має вхідну імпедансію від 4 до 8 Ом, а лампа може мати вихідну імпедансію близько 1,5 кОм, швидко зрозуміло, що лампи не можна безпосередньо використовувати для кінцевого підсилення.
Лампові підсилювачі виглядають так, як вони виглядають, не без причини. Щоб змусити динаміки працювати, їх екстремально висока вихідна імпедансія повинна бути знижена до корисного рівня за допомогою вихідних трансформаторів. У цьому кінцевому підсилювачі, Air Tight ATM-1E, вони перебувають за їх відповідними ламповими парами в сірих “силах”.
Тут в гру вступає вихідний трансформатор: він за своєю функцією нагадує трансмісію, яка через електромагнітну індукцію передає електричну потужність з первинної обмотки на вторинну обмотку, перетворюючи при цьому напругу та силу струму. Якщо первинна обмотка має менше витків, ніж вторинна, напруга на виході зростає пропорційно співвідношенню витків (вона трансформується), тоді як сила струму зменшується на те саме співвідношення. Тому вихідна потужність завжди відповідає вхідній – за вирахуванням втрат передачі, які в добре сконструйованих трансформаторах відносно невеликі, і ми для простоти тут їх не розглядаємо.
У наведеному прикладі ми говоримо про підвищувальний трансформатор; для нашого лампового підсилювача ми повинні працювати в протилежному напрямку і тому нам потрібен понижувальний трансформатор, первинна обмотка якого має в кілька разів більше витків, ніж вторинна, тим самим знижуючи напругу і пропорційно збільшуючи силу струму. Оскільки потужність залишається незмінною, а імпеданс за законом Ома розраховується як напруга поділена на силу струму, зниження напруги призводить до зменшення вихідної імпедансії – і voilà, саме це нам і потрібно.
EI-трансформатори
У цій схематичній демонстрації добре видно “E”- та “I”-форми ламінованих листів, з яких складається трансформаторне ядро.
Щоб це добре працювало, трансформатор, як зазначалося раніше, повинен бути добре сконструйований. Добре сконструйований означає, що магнітне поле, яке індукується первинною котушкою і яке справа індукує напругу на вторинній котушці, повинно максимально використовуватися. Обгортаючи котушки довкола залізного ядра, яке має в десятки разів більшу магнітну проникність, ніж повітря, можна ефективно зосередити магнітне поле та направити його у вторинну котушку. Первинні та вторинні обмотки обгортаються не поруч, а одна в одну. Завдяки просторовій близькості можна досягти хорошої магнітної зв’язки та фактично змусити магнітне поле рівномірно проникати в обидві обмотки, що мінімізує втрати.
Щоб полегшити магнітному полю зворотний шлях, по обидва боки обгорнутого залізного ядра можна додатково встановити по одному не обгорнутому стрижню та з’єднати три стежки вгорі та знизу поперечною балкою. Результат – залізне ядро, яке має форму “квадратної вісімки”. Оскільки воно зазвичай складається з елемента у формі “E”, на середній стежці якого накладаються обмотки, після чого вісімка закривається установкою балки у формі “I”, цю найбільш поширену форму вихідних трансформаторів називають “EI-ядро”.
На відміну від повітряних котушок, трансформатор зі залізним ядром набагато ефективніший і може бути компактнішим – однак ядро, по суті, стає в заваді, адже магнітне поле, яке його проходить, використовує частину своєї енергії для індукування вихрових струмів, що призводить до зменшення ефективності трансформатора через тепло. Щоб вирішити цю проблему, скористалися фактом, що втрати від вихрових струмів пропорційні квадрату товщини ядра: якщо зменшити його товщину вдвічі, втрати знижуються до чверті. Виготовляючи ядро з сотень тоненьких, електрично ізольованих пластин, в яких можуть виникати лише мікроскопічно малі вихрові струмки, можна зменшити втрати до частини того, що стало б траплятися з масивним ядром.
Зверху та знизу затиснуті
Проблему ефективності, таким чином, вдається в значній мірі усунути, але існує ще одна проблема – проблема смуги частот: трансформатор діє як нижній фільтр, нижня частота зрізу якого залежить від індуктивності первинної обмотки – чим вища ця частота, тим нижчі частоти передаються, а високу індуктивність здебільшого досягають через велику кількість витків. Однак це має недолік – через велику кількість витків формуються ємності між обмотками, які, в свою чергу, створюють ефект низькочастотного фільтра та обмежують смугу частот. Використовуючи більше ядро, можна досягти більшої індуктивності з такою ж кількістю витків і, таким чином, отримати бажану нижню частоту зрізу без падіння кривої передачі в чутному діапазоні. Однак, як більшість фанатів лампових підсилювачів болісно усвідомлює, зазвичай потрібен дуже великий і важкий трансформатор, щоб покрити весь чутний спектр.
Ось погляд на вихідний каскад лівого каналу підсилювача Canor Virtus I2. Праворуч від вихідної лампи розташований EI-трансформатор для виходу. Тут добре видно окремі шаруваті листи залізного ядра. Однією з переваг цього конструктиву є проста конструкція: котушки (тут в синій обгортці) намотуються на тримач, який надягається на середній стержень “E”. “I” закриває форму і завершує структуру ядра.
Одностороннє навантаження
У підсилювачах з однією лампою проблема посилюється тим, що явище магнітного насичення: індукція відбувається внаслідок зміни магнітного потоку в ядрі, що для підсилювачів з двома лампами не є проблемою, оскільки музика є змінним струмовим сигналом. Магнітизується альтернуючи в обидві сторони, і ядро коливається навколо не магнітизованого стану. Однак, для цього необхідне правильне налаштування: позитивні та негативні елементи підсилення повинні мати якомога менший зсув між своїми холостими струмами, щоб сума була нульовою і ядро в стані спокою не магнітизувалося. У підсилювачах з однією лампою одне з підсилювальних елементів обслуговує обидві половини сигналу – це можливо лише якщо в стані спокою він утримується на відносно високому постійному струмі (дорівнює холостому струму), який дає сигналу простір для зсувів в обох напрямках на характеристиці.
Цей холостий струм безперервно магнітить трансформаторне ядро в одному напрямку – якщо у нього висока магнітна проникність, він наближається до насичення, тобто збільшенню магнітного потоку. Якщо він має передавати музичний сигнал, який коливається в обидві сторони, у нього бракує зарядки вгору, і він більше не може коректно передати позитивну половину. Це призводить до спотворення, особливо в басовій частині, де амплітуди особливо великі. Рішення, як часто буває, є компромісом: між елементами “E” і “I” ядра зберігається визначений зазор, що знижує проникність ядра і забезпечує його стабільну роботу з постійним струмом, не наближаючись до насичення. Оскільки проникність є критично важливою для індуктивності, ця нечутливість до постійного струму викликає гіршу ефективність і меншу смугу частот – ядро потребує ще більше витків або ще більшого ядра.
Трансформатор Toroidy: Кільце зі щілиною
Кільцеві трансформатори значно перевершують EI-вариант щодо втрат магнітного поля та смуги частот – однак їх важко використовувати з повітряним зазором, що робить їх невідповідними для застосування як вихідний трансформатор. Toroidy розробила запатентований процес, який дозволяє виконати цю на перший погляд неможливу операцію. Як це звучить в кінці? Просто послухайте підсилювачи сестринського бренду Toroidy Fezz.
Оскільки кільцеві трансформатори завдяки своїм обмоткам, які повністю охоплюють ядро, потребують значно меншої кількості витків для такої ж індуктивності, вони обіцяють можливість зробити вихідний трансформатор набагато компактнішим та легшим. Найголовніше, зменшені ємності дозволяють отримати значно більшу смугу частот. Однак для підсилювачів з одною лампою виникає конструктивна проблема: оскільки їх ядро не збирається з двох частин, а формуються з однієї безперервної пластини, як спіральна пружина в механізмі години, то необхідний повітряний зазор вважається едва-лі не здійсненним, оскільки насправді всі відомі методи розрізання ядра викликають коротке замикання між ламінованими шарами. Toroidy розробили метод, за допомогою якого можливо створити мікроскопічно малий повітряний зазор у трансформаторному ядрі, не порушуючи ізоляцію між окремими ламінованими шарами. Результат – трансформатор, який, завдяки своїй вищій проникності, вимагає більше зусиль при розробці топології підсилювача для уникнення насичення, але при цьому здатний забезпечувати смугу частот від 8 герц до 150 кілогерц і більше.
Наші щирі подяки Томашу Лаховському з Toroidy.
sklep.toroidy.pl
Стаття FIDELITY Знання: Вихідний трансформатор вперше з’явилася на FIDELITY online.
January 2, 2026 at 08:44AM
Залишити відповідь