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输出变压器阻抗计算

谈谈输出变压器---左增军输出牛是胆机的咽喉,其内在品质的优劣直接影响著整机的重放质量。

由于输出牛的专业性较强,加之考虑厂家的利益,故很少有刊物作高保真输出牛的介绍。

发烧友在评论某某胆机之输出牛时仅以外表或者品牌效应点评,甚至仅以个人听感为依据,缺乏对输出牛的定性的认识(虽然变压器所涉及的技术并不深,但一支高保真输出牛并非人人都能作得好的)。

另外各胆机生产厂所生产的输出牛可以说各具特色,各有千秋。

对于称得上“Hi-Fi” 级(严格地讲胆机的输出牛无法算Hi-Fi)的输出牛,一个厂家一个“味”,甚至一个批次一种音色。

当然在这“云云众生”众多的胆机中,也不乏有那不够Hi-Fi甚至失真较大,频率响应较窄的输出牛“滥竽充数”。

而我们业余发烧友又无“孙悟空”那“火眼金睛”,来识破那些“笨牛”。

本来不够Hi-Fi的“牛”,却奉为上品,那可就残了。

这里笔者给大家谈一谈胆机的输出牛及其业余测试方法,让大家对“牛”有一个定性的了解和认识,也让输出牛不在那么“牛气”。

一颗理想的Hi-FI输出牛要求其:1.初级电感(pri-inductor)为无穷大(infinite),以应付很低的低频信号;2.漏感(leakage)为零,分布电感(distributed inductance)、电容(distributed capacitance)为零,以便高保真的传输现代音乐的超高频信号;3.不产生各种形式的串联或并联谐振(resonance),以免使音频信号发生畸变(distortion);4.不产生任何非线性(nonlinear distortion)或相位延迟失真(phase-delay distortion)。

从变压器的原理上讲,现今无论何种形式的变压器均无法同时满足以上条件的。

首先说变压器要用铁心(core)做导磁媒体,其非线性失真一般很大。

再有若需诺大的初级电感(pri-inductor),其漏感(leakage)、分布电感、电容亦随之加大。

满足了第1项,就要损失第2项,互为矛盾。

且较大的初级电感又可使相位失真加大,动态范围(dynamicrenge)减小。

看到这里发烧友可能要问,照你的“牛”(谬)论,胆机就不能算Hi-Fi音响了?你是不是一个“恨胆狂”,然也,相反我是却个胆机迷,且快至如醉如痴之地步。

常言道“爱之深,则之切”。

本人对胆机并非盲目的崇拜,而是从其优点中找出可以改进的不足,无法改进的不足之处,才认为是“残缺的美”。

一只宽频响(freguency response)的输出牛,要求在满足高频的情况下,尽量增加初级电感,以使频响曲线向低端延伸。

亦或在满足低频的情况下,尽量减小分布电容(distributed capacitance)及漏感(leakage inductance)以使高频更靓。

但两者总是互为矛盾,故频响不可能很宽。

现今的输出牛大多采用高质量的铁心,特殊的线材及复杂的绕制工艺,已使频响宽度达到10Hz~20KHz±1.5dB(有的甚至更宽)。

根据现代“音乐频谱曲线”看,已能满足各种音乐信号的传输了。

不过荣幸的是,由于输出牛不可能传输更高的高频信号(即便能传输过去,相位也已延迟了很多,加之人耳的掩蔽效应也就不能感觉到),可将一些高频干扰如CD、DVD等数位音源本身固有的数位干扰“拒之门外”。

这就是用有输出牛的功放(胆机或石机),重播CD、VCD、DVD音乐要比石机“好听”许多(显得不那么刺耳)。

故有些名厂的石机也采用“牛”做输出如McIntosh(麦景图)。

有些中低档胆机之输出牛,干脆就只照顾低频,高频到那里一概不管。

此类胆机虽有充实的低频但高频暗淡,久听会感觉“闷”得难受(如今发烧友的耳朵已修炼的挑剔的很)。

现今的音箱好象在暗中为胆机弥补这“高频不足”,把音箱的高频做的较靓,甚至用高灵敏的号角单元,那种“不足”也就不显得那么突出了.一支宽频响的Hi-Fi输出牛,其电感漏感(leakage inductance)比(LL)很大(即较大的电感(inductor),极小的漏感)。

故通常用电感漏感比(LL)来衡量一个输出牛的优劣。

下面我给大家谈谈对输出牛具体的要求:初级电感(pri- inductor)L L=K·(Ra-r1)/2πfmin其中:Ra是放大器的最佳负载阻抗(optimum plate load),r1是输出牛的初级直流电阻。

K是一个系数,当要求频响曲线不均匀度为-3dB,或允许初级阻抗变化30%时,K=1;当要求-1dB或允许阻抗变化10%时,K=2;要求-0.5dB或允许阻抗变化5%时,K=3;fmin:所要求之最低频率。

初级漏感(pri-leakage inductance)LsLs=K·Ra- r1/2πfmax其中:fmax系所要求之最高频率,当允许初级阻抗变化30%时,K=0.8;允许变化10%时,K=0.5。

输出牛直流电阻单端(single-ended)输出牛,初级电阻r1=0.5·Ra(1-η);次级电阻r2= r1(N2/N1)推挽(push-pull)输出牛初级电阻r1=0.414·Ra-a(1-η)次级电阻r2=0.586·Ra-a(1-η)(N2/N1)其中:Ra系单端放大器(single-ended)最佳负载阻抗(optimum plate load);Ra-a系推挽放大器(push-pull)最佳负载阻抗;η为变压器的效率(efficiency),一般取0.75~0.9,功率越小η取值越低。

输出牛直流电阻不宜过大,否则将影响瞬态(transient)、解析力及动态范围(dynamic range)。

由于变压器中存在电抗(reactance)成分,其感抗(inductive reactance)随频率的变化而变化,使得其输入阻抗(input impedance)亦随之变化,一般中频段呈一定值不变。

而低频段,随频率的降低而急速下降,高频段又随频率的上升而升高。

当阻抗偏离放大器的最佳负载阻抗(optimum plate load)较多时,放大器将产生严重的波形失真,且输出功率亦下降。

故一般要求变压器的输入阻抗(input impedance)变化<30%。

另外,由于变压器本身存在有分布电感(distributed inductance)及分布电容(distributed capacitance),其相互作用将产生串联或并联谐振(resonance)。

发生谐振时,其输入阻抗(input impedance)趋向于零或无穷大(infinite)。

且无论是串联或并联谐振,其输出电压都可能出现峰值,使频响曲线变差。

为控制变压器在谐振(resonance)时输入阻抗的变化程度,保证平坦的幅频特性,应控制住变压器回路的Q值(这里Q值的含义是,感抗(inductive reactance)或容抗(capacitive reactance)与回路电阻之比。

Q值越大,其阻抗的变化程度也越大),选择合适的电感(pri-inductor)漏感、内阻及分布电容值。

另外,变压器初级电感的大小还与信号的动态范围(dynamic range)有关联,当信号幅度(amplitude)与响度(loudness)变化时,意味著铁心中的磁感应强度(induction density)和磁导率(permeance)在变化。

因而初级自感量也将随著信号幅度(amplitude)的变化而变化,当信号幅度(amplitude)较大时,很大的初级电感,引起波形失真加大。

而信号幅度较小时,铁心的磁导率(permeance)变小,自感量变小,将影响频率响应特性(freguencyresponse)。

再者,从减小相移失真(phase-delay distortion)的角度考虑,输出牛亦不能只为照顾低频而过分的加大初级电感(pri-inductor)。

由于铁心的磁饱和(magnetic saturation)程度与频率成反比,在低频段,铁心有可能工作在B-H曲线的饱和区,此时,因磁化电流(magnetizing current)的波形已严重失真,呈尖顶状,致使输出电压的波形也产生失真。

输出牛铁心的磁感应强度(induction density)越高,失真亦越大(这就是为何用EI 型铁心做输出牛,要比其他形式的如R型,C型及环型铁心还好,且EI铁心最好不用超高导磁率,带纹向的硅钢片)。

当输出牛中有直流磁化时(如单端输出牛,或推挽牛因两管电流相差较多,或两组绕组圈数不对称时),失真就更为严重。

为减小波形失真,常用的办法是在铁心(core)中垫入空气隙(air gap)SS(cm)=1.3×10 I·N1 I:磁化电流;N1:圈数根据计算,若推挽输出牛两管电流电流相差5mA以上(或者初级两臂圈数相差5%以上)时,就要留有气隙了(或者不将铁心插的过紧)。

输出变压器的简易测试节选首先是外观检查,我们明白输出变压器的关键在于线包的绕制方法和线材、绝缘材料的质量等因素,虽然不能拆开线包观看,但从外部测试结果也可以作出大致的判断。

第二步是测量线包的直流电阻,可以用万用表欧姆档测试。

推挽输出变压器要求两臂性能参数一致,因此绕制时也要对称,故可测量其B与P1,P2及B与G1,G2之间的直流电阻是否相等,如图1所示。

如果内部采用不对称绕法,是难以做到电阻相等的。

即使是对称绕法,若是人工绕制,万一不留神,将一边多绕或少绕一些圈数,也不是没有可能。

当然用不同型号的万用表测量出来直流电阻值不一定完全相同,但只要两半边电阻相等即可。

最好左右声道两只输出变压器的对应端电阻也相等。

欧博变压器初级线圈(P1~P2)的直流电阻实测数值为198Ω,次级直流电阻为0.4Ω(8Ω端)。

初次级直流电阻数值(铜损)的大小,直接影响变压器的效率,当然是越小越好。

但是,受到变压器体积的限制,又要求足够的电感量,所以必然初级线圈匝数要多,但导线直径又不能太粗,故直流电阻不可能太小。

第三步是测量变压器初次级匝数比,从而求出阻抗比。

方法是在变压器次级线圈(如8Ω端)加上交流电压U2,例如频率为50Hz,电压为1V。

然后用交流毫伏表或数字万用表测量初级P1~P2端之间的电压U1,则匝数比N=U1/U2。

本变压器实测数据如下:次级8Ω端电压U2为1V,初级P1~P2端电压为24V,B~G1间电压为5.27V。

由此可求得:N=24,还可以求出帘栅极的反馈系数:α=5.27/12=0.44。

变压器的效率η可由下式估算:η=N2RL/(N2RL+r1+N2r2)其中:RL~次级标称负载阻抗r1、r2~初级、次级线圈的直流电阻将实测数据代入上式,可求出效率η=91.4%初级等效阻抗可由下式求出:Rp~p=N2RL/η=5.04kΩ。

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