Проектируем выходной трансформатор для лампового усилителя.

Часть первая.

Каждый радиолюбитель, пожелавший собрать ламповый усилитель, сталкивается с вопросом, а какой же ТВЗ ему применить для своей конструкции?
Как рассчитать, как намотать или заказать трансформатор по расчётным данным?
Ведь в интернете он наверняка вычитал, что ТВЗ – это чуть ли не самый главный элемент всего устройства. И от его качества и параметров зависит в целом качество звука всего усилителя.

Так какие же параметры важнее всего в выходном трансформаторе? Как их рассчитать?
Этому и будет посвящена данная статья.
В ней нет ничего нового. Все данные для расчётов взяты из учебников 50 х годов прошлого столетия. А я лишь постараюсь «простым , доступным языком», изложить их здесь с учётом того, что современные носители звука используют полный звуковой диапазон от 20 Гц до 20 кГц, а наш усилитель и ТВЗ в том числе должен с запасом как вниз, так и вверх перекрывать этот диапазон.

Итак, Его величество – выходной трансформатор.
Какие же параметры выходного трансформатора главней всего?
Да практически все. Это:

- КПД - η

- Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток r1 и r2,

- Ra = R~ = Ra~ - полное сопротивление анодной нагрузки, т.е. нагрузка, на которую будет нагружена лампа во время работы с вашим ТВЗ и подключенной к нему акустикой.

- а - коэффициент «альфа», отношение Ra/ Ri, сопротивления нагрузки к внутреннему сопротивлению лампы в рабочей точке.

- L - индуктивность первичной обмотки,

- Ls - индуктивность рассеяния,

- n - коэффициент трансформации

- Rвых – выходное сопротивление усилителя, определяется внутренним сопротивлением выбранной лампы и параметрами выходного трансформатора.

- Кд – коэффициент демпфирования. Отношение Rн / R вых. Сопротивления нагрузки (динамика) к выходному сопротивлению усилителя.Чем он больше, тем лучше, и при определённых значениях и более, ваш усилитель будет одинаково хорошо звучать с любой по сложности импеданса акустикой.

Итак, для примера я выбираю лампу 300В одного из производителей. Её предельно допустимые электрические параметры следующие:
Ua = 450 вольт,
Ia = 100 ma.
На её ВАХах с помощью программы «TubeCurve» строю нагрузочную линию (обозначена красным).

Согласно своим желаниям. Определяю режим работы лампы.

Ua = 400,53 V,

Ia = 91,78 ma,

Ug1 = – 80 V

Pa = 36,76 watt,

Ra = 5,99 kOm,

Ri = 0,67 kOm,

Pout = 6,304 watt,

КНИ = 2,586%.
Не превышает предельно допустимых.

Это можно проделать и вручную, распечатав ВАХи принтером на листе бумаги.
Определяем коэффициент «Альфа» = а – коэффициент нагрузки.
а = Ra / Ri = 5,99 kOm / 0,67 = 8,94

Многие могут возразить: Ведь коэффициент «Альфа» выбирается 3 – 5 Ri.
Отвечу: альфа = 3 - не "хайэнд", альфа = 5-7 - неплохо, альфа = 9-10 - для особых гурманов.
Не причисляю себя к особым гурманам, поэтому выбрал режим неплохой, но очень близкий к последним.
Если вы заметили, я ещё данным режимом потерял немного выходной мощности.
Лампа 300В обычно без труда выдаёт 8 ватт при анодной нагрузке 2,5 – 3 кОм.
Хочу заверить, что потеря мощности ввиду увеличения анодной нагрузки, практически не заметна по слуховым ощущениям. Да и на 6 ватт мне вряд ли когда доведётся эту лампу слушать.

Далее: определяем коэффициент трансформации .

Сопротивление моей нагрузки (динамика) Rn = R2 = 8 Ом.
Отсюда n = √ 8 / 5990 = 0,0365, или Ктр = 27,36.

Расчёт целесообразней всего начинать от КПД – коэффициента полезного действия.
Многие именитые могут заявить: «Да плевать нам на этот КПД, подумаешь, потеряем немного выходной мощности, мы в "хайэнде" за мощностью не гоняемся!»
При этом забывают, что КПД зависит напрямую от активных сопротивлений r1 и r2, это во-первых, а во-вторых - от этих же сопротивлений зависит R вых оконечного каскада усилителя.
Чему же равен КПД? (η)

Вычисляем:  КПД =  27,36 * 27,36 * 8 Om / 5990 Om =0,99.
Пусть вас не пугает эта цифра. Она говорит только о том, что мы на правильном пути.
Пугать должна цифра 0,85 или даже 0,8. А мы, от идеального трансформатора перейдём к более реальному и зададимся КПД = 0,95. Можно взять и больше, но габариты такого трансформаторы будут неимоверно увеличиваться в размерах. О чём каждый может потом посчитать...

Леонид Пермяк с «Хаенд – борды» составил и любезно предложил график определения R вых. % выходного сопротивления усилителя от КПД трансформатора и выбранного коэффициента «Альфа».

Тогда, при КПД = 0,95 и «Альфа» = 0,89 R вых = 17% от нагрузки 8 Ом.
R вых = 1,36 Ом. И это очень хорошее значение для нагрузки 8 Ом.
Хочу отметить, что этот результат не точный. Он прикидочный, чего нам ожидать.
После вычисления активных сопротивлений первичной и вторичной обмоток, получим более точный результат выходного сопротивления.
Кд (коэффициент демпфирования) при этом будет = 8 / 1,36 = 5,88.

Для нагрузки 4 Ом, R вых. Должно быть меньше 1 ома.
А как же нам получить эти 1, 36 Ом ??? Для этого вычислим максимально допустимое сопротивлений первичной r1 и вторичной r2 обмоток.

r1 = 0,5 * 5990 * (1 – 0,95) = 149, 75 Ом. Вполне выполнимая задача. И она благодаря высокому выбранному Ra - сопротивлению анодной нагрузки.

r2 = 0,5 * 8 * (1 – 0,95) / 0,95 = 0,21 Ом.

Итак, максимально допустимые активные сопротивления первичной и вторичной обмоток равны 149,75 Ом и 0,21 Ом соответственно. Меньше эти значения могут быть. Это приведёт к улучшению параметров всего ТВЗ. А увеличение этих значений – к ухудшению.

Теперь можно вычислить, какое будет R вых. усилителя.

R вых. = 0,21 + (670 Ом + 149,75 Ом)/ 27,36 ² = 1,17 Ом. Замечательный результат.
Выходное сопротивление уменьшилось, значит увеличится коэффициент демпфирования.
Далее вычисляем минимально необходимую индуктивность первичной обмотки L1 для нижней частоты. Для этого воспользуемся формулой сопротивления эквивалентного генератора для нижней частоты.

r1 – активное сопротивление первичной обмотки;

r2 - активное сопротивление вторичной обмотки;

r’2 = r2 * Ктр² - активное сопротивление вторичной обмотки, приведённое к первичной цепи;
R’2 = R2 * Ктр² – сопротивление нагрузки, приведённое к первичной цепи.
R2 – сопротивление нагрузки (динамика). Вычисляем Rэн.

(Ri + r1) = 670 + 149,75 = 819,75
r'2 = 0,2 * 27,36² = 149,71
R'2 = 8 * 27,36² = 5988,56
(r'2 + R'2) = 6138,27
тогда,
Rэн = 819,75 * 6138,27 / 819,75 + 6138,27 = 723,17 Ом.

Вычисляем минимально необходимую индуктивность первичной обмотки L1.

Приняв Fн=10Гц и спад на этой частоте -3 дБ (выражение под квадратным корнем при спаде – 3 дБ = 1, Мн – коэффициент частотных искажений ), вычисляем минимально допустимую индуктивность первички:

L1 = 723,17 / 6,28 * 10 = 11,52 Гн. Округлю до 12 Гн.

Кто-то может возразить, что уж больно мала получилась индуктивность первичной обмотки. Она должна быть как минимум раза в 3 больше. Но, параллельно первичке (и приведённой к ней нагрузке) у нас прежде всего подключено Ri лампы, равное в данном случае 670 Ом. И оно хорошо демпфирует первичку, от которой теперь уже не требуется большой L1.

Потому-то я и старался применить лампу с маленьким Ri - чтобы не потребовалось большой индуктивности и многих витков первички.
Применённая мной формула Rэн есть выражение для двух параллельно соединённых сопротивлений - Ri и Ra c учётом паразитных активных сопротивлений.

Однако, в этой бочке мёда есть и ложка дёгтя. И выражается она в том, что норма на спад величиной -3 дБ слишком слабая. Дело в том, что если на какой-то НЧ-частоте такой спад, то ощутимый спад начинается где-то на декаду выше этой частоты, т.е., если такая норма заложена на частоте 10 Гц, то начало спада - где-то на 100 Гц.
Вот картинка, только из очень древней книги:

Именно поэтому, для того, что бы получить «полноценную» частоту 40 Гц, многие ГУРУ, рассчитывают ТВЗ для нижней частоты Fн = 5 – 6 Гц.
Не буду пересчитывать на Fн = 5 Гц и продолжу расчёт как задумал. А каждый желающий может это проделать самостоятельно, и посмотреть что из этого вышло.

Продолжение следует.