Projektowanie transformatorów

Wstęp

Jeżel dotarłeś do tego miejsca, to prawdopodobnie zamierzasz mimo wszystko zaprojektować własny transformator... Mogą pomóc Ci w tym dwa arkusze kalkulacyjne do transformatorów wzmacniaczy przeciwsobnych i z pojedynczą lampą. Arkusze są zrobione za pomocą "Star Office" i implementują zależności z poradnika Antoniewicza[1]. Konwencja jest taka: kolejno wypełniamy żółte pola, a arkusz podpowiada kolejne ruchy na pomarańczowych. Poniższy tekst jest ilustracją dla arkusza do transformatorów przeciwsobnych, ale identycznie "obsługuje się" oba arkusze.

Projektowanie

Pierwszy ruch - otwieramy arkusz, a następnie wprowadzamy...

Dane wejściowe

Określamy pasmo (Fd i Fg), które chcielibyśmu osiągnąć. Ostrożnie, gdy będziemy zbyt łakomi wyjdzie nam ogromny transformator. Impedancja obciążenia charakteryzuje głośniki, których będziemy używać. Impedancja anodowa, moc wyjściowa i prąd spoczynkowy to wartości określane w czasie projektowania. Dla typowych układów pracy można je znależć na kartach katalogowych lamp. Jeżeli sam robiłeś projekt na podstawie charakterystyk lamp, to nie ma sensu bym tłumaczył co oznaczają... Rezystancję wewnętrzną lampy znajdujemy w danych katalogowych (jeżeli potrafimy, to możemy też odczytać z charakterystyk...)

Stałe materiałowe

Dopuszczalna amplituda indukcji magnetycznej zależy od materiału rdzenia i dopuszczalnych zniekształceń. Dla typowej stali krzemowej i bardzo wysokiej jakości zakładamy 1000Gs. Dla typowego wzmacniacza HiFi, który rzadko będzie grał pełną mocą można założyć 2000Gs. Przy 5000Gs, minimalnej częstotliwości i pełnej mocy zniekształcenia nieliniowe mogą już osiągnąć 20%, wartość taką przyjmiemy dla wzmacniacza gitarowego, który powinien zapewnić pewną kompresję sygnału. Gdy stosujemy zwijane blachy anizotropowe dla wzmacniaczy HiFi przyjmujemy wartość o połowę mniejszą. Przenikalność materiału rdzenia - zwykle około 400 dla typowej stali krzemowej, 600 dla blach zwijanych. Pozostałych danych raczej nie ruszamy.

Parametry transformatora

Arkusz podpowie nam jakie powinny być podstawowe parametry transformatora i jak dużego rdzenia potrzebujemy. Wymiary obrysowe to pole powierzchni przekroju środkowej kolumny rdzenia razy pole powierzchni przekroju okna.

Do transformatorów HiFi zawsze można zastosować większy rdzeń - otrzymamy lepszy transformator. Dla gitarowców - raczej trzymajmy się tych wymiarów.

Teraz drugi ruch - szukamy rdzenia. O ile nie mamy już czegoś czekającego w szufladzie biurka.

Wymiary zdobytego rdzenia

Mamy już rdzeń i karkas (to szpulka, na której nawija się uzwojenia), albo zastanawiamy się czego szukać. Oglądamy i mierzymy nasz rdzeń i wpisujemy:

• Pole powierzchni przekroju środkowej kolumny rdzenia
• Średnią długość jednego zwoju
• Długość drogi strumnienia magnetycznego w rdzeniu

Program zaproponuje nam:

• Liczbę zwojów w poszczególnych uzwojeniach
• Minimalną średnicę drutu

Teraz rzeci ruch - planujemy uzwojenia.

Wykonane uzwojenie

To najtrudniejszy etap, musimy wykazać trochę inwencji...

Szacujemy wymiary uzwojenia i grubość przekładek. Dobieramy liczbę zwojów uzwojeń i grubość drutu, obserwując jak zmienia się indukcyjność pierwotna, rozproszenia i impedancja obciążenie widziana w anodzie przez lampę. Staramy się przy tym by:

• Indukcyjność pierwotna była większa od wymaganej (możemy też obserwować dolną częstotliwość graniczną)
• Indukcyjność rozproszenia była mniejsza od wymaganej (możemy też obserwować górną częstotliwość graniczną). Arkusz podaje dwie wartości: dla uzwojenia bez podziału na sekcje i dla prostego podziału:

1/4 wtórnego

1/2 pierwotnego

1/2 wtórnego

1/2 pierwotnego

1/4 wtórnego

• Impedancja w anodzie była zbliżona do wymaganej
• Do tego dobrze by było by liczba zwojów była wielkrotnością pełnych warstw

Jeżeli nie udaję się osiągnąć założonych parametrów, to musimy albo zastosować większy rdzeń, albo przyjąć węższe pasmo przenoszenia i zacząć wszystko od początku.

Jeżeli indukcyjność rozproszenia jest tylko trochę za duża można próbować innego podziału na sekcje, ale wykracza to trochę poza zakres tej stronki...

Czwarty ruch - sprawdzamy co nam wyszło

• Jeżeli powierzchnia uzwojeń podawana przez program jest znacząco większa od powierzchni okna rdzenia, to prawdopodobnie uzwojenie się nie zmieści. Potrzebujemy większego rdzenia i zaczynamy wszystko od początku.
• Jeżeli się zmieści, to i tak trzeba narysować szkic uzwojeń i sprawdzić czy na pewno. Nie ma nic boleśniejszego niż nawinięcie transformatora tylko po to, by stwierdzić, że ostatnia warstwa drutu nie wchodzi...
• Jeżeli zostaje wolne miejsce, to mamy szczęście. Możemy:

• Nawinąć większą liczbę zwojów. Będziemy mieli lepsze pasmo od dołu.
• Sprytnie podzielić uzwojenia na więcej sekcji. Będziemy mieli lepsze pasmo od góry.
• Przy wzmacniaczu przeciwsobnym - zastosować taki podział na sekcje, by poprawić symetrię uzwojeń, co zmniejszy zniekształcenia.
• Zastosować grubszy drut. Będziemy mieli większą sprawność i lepsze tłumienie rezonansów głośnika.
• Zrobić to wszystko jednocześnie...

Oczywiście każda decyzja sprowadza nas spowrotem do trzeciego ruchu. Powtarzamy cykl aż do momentu gdy uważamy, że zaprojektowaliśmy idealny transformator.

O czym nie było...

Mimo, że cały proces wydaje się skomplikowany, to jest to raczej jego wersja. Nie wspomnieliśmy nawet o pojemnościach własnych i wzajemnych uzwojeń (mogą mieć znaczenie szczególnie przy pentodach), o indukcyjności rozproszenia między połówkami uzwojenia przeciwsobnego (ma znaczenie szczególnie w klasie B), czy o indukcyjności rozproszenia pomiędzy sekcjami uzwojenia pierwotnego (ma znaczenie we wzmacniaczach "ultra-linear") i pewnie jeszcze o paru innych rzeczach, o których nie wiemy lub akurat nie pamiętaliśmy...