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输出变压器

输出变压器(转贴)

功率放大器利用电子管或晶体管,来产生激励扬声器需要的功率。电子管实际上是一种输入和输出阻抗都很高的器件。由于扬声器是低阻抗元件,因此必须有某种手段来把高输出阻抗电子管的功率传输给低阻抗的扬声器。通常使用的是音频输出变压器,而这必须是高质量的,否则费尽心思去提高放大的质量便会前功尽弃。

另一方面,晶体管的输入和输出阻抗都具有低阻抗的特性,并且已设计出一些无音频输出变压器电路,可以将晶体管功率放大器直接偶合到扬声器。在许多场合下,可以把输出电路设计得能在一定的输出负载范围内,与一个固定的电阻性负载匹配得很好,输出均匀而失真很小。但是,在负载可变的条件下,就难于很好地与晶体管直接匹配,因而此时晶体管音频电路的最好匹配方式是使用音频输出变压器。

在功率放大器中,成本最高对设计限制最大的因素就是音频输出变压器。音频输出变压器被公认为是放大器中最重要的元件,又由于它与扬声器系统有密切的联系,因而我们必须首先加以考虑。它是Hi-Fi系统中要求最严格的元件之一。位于输出级前面的低电平放大级,如果采用现代设计的阻容偶合放大器,可以很方便地取得极好的频率响应和低损耗。但输出电路处于较大功率电平,失真的机会就多了,如果没有使用Hi-Fi音频输出变压器,就会使在放大器前面部分精心设计而取得的所有优点都化为乌有。

在选择放大器、放大器配套元件或电路结构时,音频输出变压器质量的考虑和研究应放在首要地位。此外,Hi-Fi音响发烧友常常采用Hi-Fi音频输出变压器,试验它们的性能。这样的实验往往能导致性能的重大改进,并且往往使频响调整得合乎每个人的要求。虽然设计和装配这些元件自然是专业人员的事,但Hi-Fi音响发烧友不免非常关心:是什么因素使得Hi-Fi音频输出变压器的要求变得如此严格,是什么因素使得Hi-Fi音频输出变压器的价格如此昂贵,竟然在他的Hi-Fi音响预算中占了那么大的比例。对此,下面简短地叙述一下在选择Hi-Fi音频输出变压器方面的一些最重要的因素。

Hi-Fi音频输出变压器的符号及其基本原理,同任何一个把功率从电源偶合到负载的变压器毫无二致。然而,与普通的电源变压器不同,Hi-Fi音频输出变压器要在一个频率范围内(而不是恰好在电力频率)保持很高的效率,而且还不应使原来信号的波形变样。

根据Hi-Fi音频输出变压器实际电路及等效电路,很容易明了Hi-Fi音频输出变压器性能的各种影响因素。这个等效电路是由电感与电阻并联而构成的,据此可分析任何一种因素的影响。这个等效电路并不完整,因为还有来自绕组分布电容、绕组之间的电容以及绕组到地的电容影响。由于Hi-Fi音频输出变压器所带负载很大(低阻抗),因此,除非是设计得非常粗劣,电容可以忽略不计的。等效电路包括两个部分:(1)初级部分,包括初级电路产生的影响;(2)反射部分,相当于次级反射到初级所造成的影响。这样偶合的阻抗都是用圈数比来“变换”的新值的;阻抗变换比是圈数比的平方。这就是每个次级的反射电阻和电感都要乘以n2的原因。

绕组电阻Rp与Rs
    
正如等效电路所示,这些电阻与驱动源串联,相当于增加了驱动源的内阻抗。在大电流的情况下(输出功率大),电阻越大,其两端的电压降越大,于是电压调整作用越差。由于电流通过电阻要消耗功率,故这些电阻代表变压器的功率损耗,降低了变压器的效率。考虑到电阻过大会带来不良影响,因此在符合一定尺寸、重量、偶合系数下,要用尽可能粗的导线。

泄漏电感Lp和Ls
    
泄漏电感也起着与驱动源串联的作用。电感对于信号所呈现的电流的电抗大小由频率而定,它等于2πFL。低频时,其泄漏电抗可忽略不计,但在高频时,则应将其减到最小,否则就会影响频率响应。泄漏电感是由于一个绕组的磁通没有和另一个绕组相连所引起的感应作用。在良好的Hi-Fi音频输出变压器中,通过精心设计变压器的机械外形、安装方式以及铁心上绕组的取向,它的泄漏电抗被减到最小。有时,初级和次级是互绕在一起的,即先绕几圈初级,接着绕几圈次级,然后再绕几圈初级,等等。显然这种工艺是很费事的而且这就是质量良好的Hi-Fi音频输出变压器之所以价格昂贵的一个原因。

铁芯损耗
    
铁芯损耗有两种。涡流是铁芯材料中产生的一种电流,这与导体受磁力线的切割而产生的电流相似。铁芯材料具有一定的电阻,因而耗散了一部分功率,这部分功率白白浪费于使铁芯发热。正是为了减少涡流,铁芯才用许多迭片(薄片)而不是用整块金属构成的,穿过铁芯的磁通因而被各个迭片分成许多很小的部分;由于这一点,再加上铁芯电阻因迭片很薄而增大的事实,使得它的涡流比整块金属大大地减少了。迭片越薄(保持铁芯总量相同时),涡电流损耗就越小,但制造费用也就越高。另一种铁芯损耗是由磁滞造成的,由于铁芯材料力图保持剩余的磁场,因而对变压器作用所必须的正负磁通变化起着作用。磁滞是铁芯材料的一种性能。用于Hi-Fi音频输出变压器铁芯材料应该经过精心选择的,所用铁芯材料损耗要最小,电阻率应尽可能高,以减小涡流。

涡流和磁滞损耗对Hi-Fi音频输出变压器性能的影响是一样的,相当于在Hi-Fi音频输出变压器输入端跨接一个分流电阻,铁芯损耗越大,等效电阻越小,因而分路作用越大。

初级电感
在Hi-Fi音频输出变压器能正常工作之前,铁芯中必须建立起磁场,并加以保持。这就是初级电感的职能。正是由于电感的作用,才使空载电流限定在一个合理的数值。如果初级感抗低的话,就会导致输入信号分路。感抗与频率成正比(XL=2πFL),故在低频时产生的分路作用最严重。因此,它是限制低频响应的一个因素。

实际影响Hi-Fi音频输出变压器性能的因素
上面的讨论,只是泛泛地谈了Hi-Fi音频输出变压器性能的主要影响因素,从Hi-Fi的角度来说,我们感兴趣的是这些因素如何影响实际Hi-Fi音频输出变压器的性能,这种影响可以从两个等效电路中比较清楚的看出来,其中,一个等效电路只示出在高频频率时的主要影响因素,另一个等效电路示出在低频频率时的主要影响因素。在较好的音频输出变压器中,铁芯损耗可忽略不计,所以在这里不加讨论。此外,正如前述,分布电容和其他电容对高阻抗的级间变压器来说是很重要的。而这里因涉及的阻抗相当低,所以可忽略不计。

合成泄漏电抗是对高频发生影响的重要因素。如果等效合成泄漏电抗LA过大,那么高频率的输入电压大部分加在LA上,而不是加到负载上。同时,LA大了将导致输出信号发生相移,并产生相位失真。当初级与次级的偶合系数接近于1,泄漏电抗LA就越小。Hi-Fi音频输出变压器的制造厂家,使用线圈互绕这个方法来减少泄漏电抗LA。

初级电感是对低频有影响的重要因素,由于它的电抗在高频时很大,以至于可以把它视为开路,高频率电路中不包括电抗LM。然而到达某一低频,电抗LM很小。足以对反射负载起明显的分路作用。这就意味着在低频时要发生损耗和相移。基于这种理由,Hi-Fi音频输出变压器的制造者,力图采用尽可能多的圈数。然而这样一来,就更难于避免出现泄漏电感。因此必须两者兼顾。对Hi-Fi音频输出变压器细心地使用互绕的方法和选择好机械尺寸及形状。这两个方面都可以做得比一般变压器好得多。

没有几个系统敢保证它的变压器规格是最优的,也很少有人坚持付出很多钱去买最好的系统。在价格比较适中的音频输出变压器中,制造者对有关性能并不是总能明确给出的。例如有时就不注明在规定的频率范围内的响应的衰落如何。如果衰落取为2分贝或小于2分贝,那么规定的这个频率范围才有效。实际响应曲线是以400赫兹时响应作为参考基准的相对响应曲线。也就是说尽管在各种具体的实际工作条件下输出电平能各不相同,但是,为了只比较频率响应而不比较总输出,我们把Hi-Fi音频输出变压器与普通音频输出变压器在400赫兹时的响应(也就是整个频率范围的中间部分)画在同一根线上。清注意,如果把衰落点取在5分贝或10分贝处;规定的频率范围就可以扩大许多。

有些说明书,则不说明初级两半绕组间的平衡容差。如果两者不平衡,就会产生与不平衡程度成比例的失真。此外,不平衡将导致铁芯中来自两个绕组的磁通失去平衡;磁通不平衡将可能引起过载和铁芯饱和,并伴有磁过载失真、交流声和过热。

输出变压器的测试
检查输出变压器的主要特性可按下列步骤进行:

1、               检查相对重量。重的变压器不一定是好的变压器。但是良好的Hi-Fi音频输出变压器一定是重的。低频响应的好坏取决于铁芯的体积。虽然铁芯材料的效率近来的确已有大大的进步,可是要在50赫兹时良好工作,仍然必须使用笨重的铁芯。你只要看一看再提一提著名的Hi-Fi音频输出变压器,那你就会对这种Hi-Fi音频输出变压器到底多笨重有一个概念,你也就能够进行比较了。

2、               装进放大器中去试。如果条件控制的好,使听到的任何失真都是由音频输出变压器产生的。那么,用耳朵听当然是测试方法。如果不用听觉试验而用其他测试方法,就得动用测试设备。为了进行实验室方式的测试,则应事先了解所用放大器的特性。因为诸如输出管不平衡或者放大器的其他固有的缺陷都会产生失真,这种失真有可能错误地怪罪于音频输出变压器。如果放大器的这些特性已经搞清楚了,则可把音频输出变压器暂时接到放大器上,连续测试失真幅度和频率响应。通过这些测试方法,可同时检查出不平衡和其他的缺陷。

3、               用阻抗电桥进行更高级的测试。在放大器中接入待用的音频输出变压器并不是很方便,也许你正在安装你的第一个放大器,手头上没有标准放大器可用,但你又想在安装前购买和检查音频输出变压器。在这种情况下,有几种测试方法可供你判断音频输出变压器是否良好,尽管这些测试不能作出完美的分析。这些测试方法叫做阻抗电桥测试法。测试步骤如下:

A、 首先检查有否不平衡。音频输出变压器如果严重不平衡,就是不合用的,因此就不必要作进一步的测试。在次级绕组开路的情况下,测量每一半初级绕组的电阻和电感,这一半与那一半绕组的实测值之差的百分数,就是不平衡的百分数。不平衡为1%算是好的,5%还凑合,更大的百分数就是差的了。

B、检查初级总电感。这个测试之所以合理,看一下测试方法也许会更清楚一些。在该等效电路中,如果移去负载,(相当于次级开路)便可看出,电路中的电感只有初级电感和初级泄漏电感。即使是比较差的音频输出变压器,其泄漏电感也远远低于初级电感,所以在测试中可忽略不计。因此,在次级开路的条件下测量初级引线两端的电感,是一种合理的检测初级电感方法。然而因为电桥测量是用低音频电平信号进行的,故未曾检查高音频电平信号时的电感。在信号幅度增大的情况下电感是否仍然保持不变,取决于铁芯的胜任程度。如果铁芯的重量、容积和材料合乎要求,那么电桥测量测出的电感数值就能准确地反映初级电感的大小。

C、 检查泄漏电感。这是通过将次级绕组短路并重测初级绕组上的总电感来进行的,因为短路负载以相当小的n2LS值对初级电感分路,所以实际上测得的恰好是电路中的泄漏电感。

频率响应通常是指输出下降3分贝处所对应的两个频率之间的频率范围。这两个极限频率是:⑴低频极限频率,在这个频率处,初级电感的感抗值等于负载的阻抗;⑵高频端极限频率,在这个频率处,泄漏电抗等于负载阻抗。例如,如果负载的阻抗为6000Ω,为了使低频衰落达到50HZ,初级电感至少应为19H,用相同的负载阻抗,若泄漏电感为95mH时,频率响应为10k HZ,而若泄漏电感为63mH时,频率响应将达到15k HZ。
 
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