Методика расчета и конструирования выходных трансформаторов НЧ ламповых усилителей.

Комплектующие, радиокомпоненты / Электрика, электроника / Трансформаторы, индуктивности
Administrator
4 237
19-12-2016, 13:53
0

Приведенная методика была представлена в Радио № 3 за 1967 г. Чтобы выходной каскад усилителя НЧ отдавал в нагрузку наибольшую мощность при ограниченном уровне нелинейных искажений, сопротивление нагрузки должно иметь определенную величину, зависящую от внутреннего сопротивления ламп или транзисторов и режима их работы. Для ламповых каскадов сопротивление нагрузки должно быть порядка тысяч Ом, для транзисторных - десятков или сотен Ом. Сопротивление же звуковой катушки динамического громкоговорителя обычно не превышает 10 Ом. Поэтому нагрузку подключают к усилителю через выходной трансформатор (понижающий).
Если к вторичной обмотке выходного трансформатора, имеющего коэффициент трансформации (отношение числа витков вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки) n, подключен громкоговоритель с сопротивлением звуковой катушки R_н , то первичная обмотка будет представлять собой для переменного тока сопротивление R_а = R_н/(n² к.п.д.). Это сопротивление называется сопротивлением нагрузки, приведенным к цепи первичной обмотки, или просто приведенным сопротивлением нагрузки. Оптимальная величина сопротивления нагрузки для ламп, работающих в определенном режиме, приводится в справочниках по лампам. Если же величина сопротивления нагрузки неизвестна, например при работе лампы в режиме, отличающемся от рекомендованного, то ее можно определить ориентировочно в зависимости от внутреннего сопротивления лампы при этом режиме.
Сердечники выходных трансформаторов имеют ту же конструкцию и обозначаются так же, как, сердечники силовых трансформаторов.
Принятые обозначения
R_н - сопротивление нагрузки (звуковой катушки громкоговорителя), Ом.
R_а - приведенное сопротивление нагрузки в цепи анода, кОм.
R_аа - приведенное сопротивление нагрузки между анодами двухтактного каскада,
кОм.
R_i - внутреннее сопротивление лампы в данном режиме, кОм.
P_н - можность, отдаваемая в нагрузку, Вт.
I₀ - ток покоя лампы, мА.
Q_с - площадь сечения керна сердечника, см².
Q_о - площадь сечения окна сердечника, см².
l_с - длина магнитной линии сердечника, см.
w₁ - число витков первичной обмотки.
w₂- число витков вторичной обмотки.
n - коэффициент трансформации.
к.п.д - коэффициент полезного действия трансформатора.
L₁ -индуктивность первичной обмотки, Гн
f_н - нижняя граничная частота, Гц.
М_н - коэффициент частотных искажений на этой частоте.

Расчет выходного трансформатора
При расчете должны быть заданы мощность, отдаваемая выходным каскадом нагрузке Pн, сопротивление нагрузки (громкоговорителя) R_н, оптимальное приведенное сопротивление для каскада R_а или R_аа или внутреннее сопротивление лампы R_i в данном режиме, нижняя граничная частота f_н, коэффициент частотных искажений на этой частоте М_н и величина тока покоя ламп I₀
Трансформатор для однотактного лампового каскада
Однотактные выходные каскады УНЧ работают исключительно в режиме А, при этом через первичную обмотку трансформатора протекает ток покоя лампы, вызывающий постоянное подмагничивание сердечника, в результате магнитная проницаемость материала сердечника и индуктивность обмотки уменьшаются.
Оптимальное сопротивление нагрузки лампы можно определить по формуле: R_а = аR_i, кОм, для триодов а=2...2, для лучевых тетродов и пентодов а = 0,07...0,15. Коэффициент трансформации: n = w₂/w₁ = 0,032 (R_н/(R_а к.п.д.))^0,5. К.п.д. трансформатора малой мощности может быть принят в пределах 0,55...0,8. Чем меньше мощность трансформатора, тем его к.п.д. ниже.
Минимально возможное значение индуктивности первичной обмотки трансформатора, при котором коэффициент частотных искажений Мн на нижней граничной частоте fн не превышает заданного, определяется по формуле: L₁ = 159 R_a/ (f_н (М_н² -1)^0,5), Гн, если коэффициент усиления на частоте f^н падает до 0,707 от коэффициента усиления на средних частотах, то L₁ = 159 R_a/ f_н , Гн. Сердечник трансформатора выбирается в зависимости от мощности. Размеры его определяют исходя из условия: Q_сQ_о = A P_н , см⁴. А = 10 - для триода; А =20 - для пентода и лучевого тетрода. Если в выходном каскаде применена отрицательная обратная связь, значение А уменьшается. При глубокой отрицательной обратной связи значение А берется в два раза меньше указанного.
С целью уменьшения габаритов трансформатора и экономии материалов рекомендуется принимать Q_с = Q_о, тогда Q_с = (A P_н)^0,5, см².
Число витков первичной обмотки трансформатора из условия получения необходимой индуктивности обмотки: w₁ = D (L1 lc/Qc)^0,5, значения коэффициента D даны в таблице.

L₁ I₀², Гн мА²	D
102	480
103	530
104	600
105	685

Амплитуда переменного напряжения на первичной обмотке: Um₁ = (2 Р_н R_a)^0,5, В.
Максимальная индукция в сердечнике: В_m = 2,25 107 Um₁/(f_н Q_с w₁), Гн.
Если В_m больше 7000 Гн, число витков первичной обмотки определяется по формуле:
W₁ = 3,2 103 Um₁/(f_н Q_c).
Диаметр провода первичной обмотки: d₁ = 0,025 (I₀)^0,5, мм.
Число витков вторичной обмотки: w₂ = nw₁.
Диаметр провода вторичной обмотки: d₂ = 0,8 d₁/(n)^0,5 , мм.
Чтобы уменьшить влияние постоянного подмагничивания, сердечник трансформатора собирают с зазором, толщина прокладки зазора:
d_з = 0,62 10-6 w₁ I₀, мм - для стали;
d_з = 1,16 10-6 w₁ I₀, мм - для пермаллоя.
Трансформатор для двухтактного лампового каскада
    Двухтактные выходные каскады работают или в режиме А, или в режиме АВ. Режим В ввиду больших нелинейных искажений применяется только в мощных усилителях (50 Вт и выше).
   При режиме А оптимальное приведенное сопротивление нагрузки между анодами ламп равно R_aa = 2 R_a (R_a определяется как для однотактного каскада). При режиме АВ величину R_aa находят в справочниках или определяют по характеристикам ламп.
Мощность в нагрузке равна удвоенной мощности, отдаваемой одной лампой.
Число витков первичной обмотки равно:
w₁ = 450 D (L₁ l_c/Q_c)^0,5 - для сердечника из трансформаторной стали;
w₁ = 200 D (L₁ l_c/Q_c)^0,5 - для сердечника из пермаллоя.
   Отвод делается от середины обмотки. Остальной расчет выполняется по формулам, приведенным для однотактного каскада, R_a заменяется на R_aa. Пластины сердечника двухтактного трансформатора собирают вперекрышку без зазора.
Трансформатор для ультралинейного (сверхлинейного) каскада
Расчет трансформатора выполняется по формулам, приведенным для соответствующего однотактного или двухтактного каскада. Коэффициент р = w_э/w_а, показывающий отношение числа витков обмотки экранной сетки к числу витков анодной обмотки, выбирается в пределах 0,22...0,23 для ламп типа 6П1П и 6П6С и 0,42...0,45 для ламп типа 6П14П и 6ПЗС.