膽單端輸出變壓器的討論及測試

膽單端輸出變壓器就是一個鐵芯加初次級線圈, 初次級圈數比就是電壓比, 初次級圈數比的平方就是阻抗比, 初次級圈數的反比就是電流比了. 看起來很簡單,讓我們看看是不是這樣.

輸出變壓器是由銅部份(繞組) 及鐵部份(鐵芯) 所組成, 兩個部份對聲音都有影響, 先講鐵芯, 它是一種合金, 主要由鐵,鎳, 鈷及矽(矽)等組成, 不同成份對磁特性都有影響繼而影響音效, 高質量變壓器鐵芯合金的比例及加工細節都是商業秘密, 不容易得知,但都離不開基本原理.
變壓器鐵芯都是由鋼錠軋成薄片厚度一般大約是0.25 mm左右, 以減低渦流電效應. 再經沖床衝成EI型, 或衝成長短不一再疊成C 型,也有捲成圓型再切成兩半成C 型,俗稱C core. 看圖:
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加工分為冷軋和熱軋, 熱軋的鋼片因為溫度高,分子的流動性仍然很強,較沒有方向性, 所以熱軋的鋼片較適合衝成EI 型, 因為磁力線在E型鋼片內會作90度偏轉. 冷軋的鋼片因為溫度低, 分子的流動性己減弱, 只能順看軋的方向成型,較有方向性, 所以冷軋的鋼片較適合順著軋的方向衝成長短不一併疊成C 型,也有捲成圓型再切成兩半成C 型, 因為磁力線在C core鋼片內是順著方向走的, 請看圖:
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因為沒有磁力線90度偏轉關係,C core一般來說效果效好, 所以近年很流行用C core鐵芯造單端輸出變壓器, 以至後來DIY產生了一種錯覺, 認為EI不好,C core一定錯不了, 形成市場上重C core而輕EI 的覌點.
再說鐵芯的頻率響應, 先不管繞組, 金屬是由結晶體組成, 結晶體的型狀是由合金分子結構決定的, 結晶體的大小是由熔化溫度下降至凝結溫度的速度決定的, 下降速度越慢,結晶體越大, 下降速度越快, 結晶體越小, 地殼上的溫度下降可長達數十萬年, 結晶體長度可達一米,下圖是一個邊長25mm的金屬結晶體在地殼中經數万年溫度下降所形成:
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在工廠內鐵芯材料的熔化溫度下降至凝結溫度一般是數至十小時不等以控制結晶體的大小在微米級的範圍, 請注意用溫度下降控制結晶體的大小與冷軋熱軋是兩種不同的工序. 最極端的例子是以每秒鐘溫度下降一百萬度以形成納米級極小的晶體, 稱為非晶合金(Amorphous alloy), 據說高頻響應極佳,因為晶體越小質量越小,高速磁抖動容易跟上繞組高頻訊號, 這種合金的輸出變壓器高頻響應可達100KHz, 而微米級晶體的輸出變壓器高頻響應大約60KHz 到80KHz. 這是鐵芯的最高響應頻率, 與繞組無關, 也就是鐵芯結晶體份子的最高磁抖動頻率. 無論繞組如何了得,都不會得到超過此最高磁抖動頻率的響應. 下圖A是繞組沒有電流分子磁力分佈不定向,B是正向電流磁化,C是反向電流磁化:
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既然晶體越小質量越小,高頻響應越高, 都採用非晶合金(Amorphous alloy) 造輸出變壓器便行了嗎, 但事物不會一面倒, 祗能取平衡奌. 在聽感上, 非晶合金(Amorphous alloy) 輸出變壓器高頻亮麗但低頻量感不足,中頻不夠厚. 但做得好的微米級晶體的輸出變壓器較平均, 中頻厚及低頻好(與磁滯特性曲線有關), 高頻亦可達50KHz已不錯,最後是看個人取捨。一般來說, 繞組本身是沒有頻率上限的, 祗是潛布電容量使高頻響應以6 db倍頻程滾降, 即使如此,其工作頻率仍遠高於鐵芯, 所以輸出變壓器的高頻響應上限是由鐵芯特性所決定的, 要知道變壓器的技術規格, 首先要做的就是測量鐵芯的最高響應頻率.
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上世紀二戰後四十年代至七十年代初是真空管的黃金時代(golden ages of vacuum tubes), 大量的輸出變壓器需求造就很多研發並生產質量極高的鐵芯片統稱矽鋼片, 七十年代末半導體在工業應用上淘汰了真空管, 晶體管擴音機大行其道, 高質輸出變壓器鐵芯矽鋼片需求下降造成停止研發,八十年代大功率高速半導體普及化,高速開關電源成本低需求大, 矽鋼片廠都轉向研發高速開關電源鐵芯片, 高品質輸出變壓器產量少,以至九十年代矽鋼片生產廠都不接單, 因為技術要求高而訂購量少, 不合經濟效益. 輸出變壓器生產廠用完了鐵芯存貨後都陸續停產. 有廠家乾脆把牌子賣掉, 也有搬到東南亞投產, 質量就不保證了. 上世紀原裝西電WE 171A, Tango X10SF 及Tamura F2013 都是殿堂級膽單端輸出變壓器,早己停產, 存貨亦於十多年前售完, 現在能拿下都是天價. 下圖是Tamura F2013:
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近代輸出變壓器生產廠用的都是標準規格鐵芯片如M6, Z11, Oriental Hi B等,效果亦不差.
一粿輸出變壓器好不好聽由兩組數據決定,一組是硬數據即物理特性數據,有客覌標準。另一組是軟數據即耳朵感受數據,無法測量,其中有主覌因數也有客覌因數,比例因人的聽覺與修養而異。個人認為硬數據好比大廈的基楚,軟數據好比大廈的上層,沒有良好基楚,再美麗的大廈也會倒塌,那就是說,良好的聽感都是建立在過硬的物理特性技術數據上.
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要測量鐵芯的最高響應頻率及其他重要數據, 要藉助一個數學模型, 稱為理想變壓器, 它的初次級線圈直流電阻為零即銅損為零, 沒有潛布電容量, 祗留下電感量, 鐵損為零, 初次級線圈交連糸數為1, 沒有洩漏電感即能將初級線圈的能量100%交到次級線圈, 沒有任何損失, 頻應無限大.
實際上不存在, 祗是一個概念. 因為沒有能量損失, 初次級之間負載可互相反射,輸出變壓器的初級及次級繞組都有潛布電容量, 在次級繞組的喇叭負載及潛布電容量是可以反射到初級繞組的,請看圖:
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再加上初級繞組潛布電容量,變壓器本身不消耗能量,等於不存在,看圖:
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接上內阻50Ω訊源,因為低內阻,625PF電容不會把高頻傍路,看圖:
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在8Ω電阻接上示波器,便可測出鐵芯的最高工作頻率.這種測試,並未考慮靜態屏流的因素,但是如果變壓器的工作範圍在磁滯特性曲線的線性區內,即使有靜態屏流的存在,結果有差別但不會相差太遠,所以還是有參考價值的, 這方法主要是方便快速, 最終還是要在機上實試的。
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要了解磁滯特性曲線,先造一個實驗:
圖1是線圈未接電源,鐵芯沒有磁力,指南針不動:
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圖2是線圈接上電源,鐵芯有磁力,指南針偏轉:
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圖3是線圈接上反向電源,鐵芯有磁力,指南針反向偏轉:
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圖4是線圈脫離電源,鐵芯還有剩磁,指南針保持偏轉:
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磁滯特性曲線問題,說白了就是鐵芯的剩磁問題,剩磁越大聲音越差,看圖:
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電流由O點開始正向電流增加磁埸強度也增加至+Max點, 接著電流咸少磁埸強度也咸少, 但到達A點電流已下降至0但仍然有磁埸強度(剩磁),直至反向電流增加到B點才抵消了剩磁,反向電流增加磁埸強度也增加至-Max點, 接著電流咸少磁埸強度也咸少, 但到達C 點反向電流已下降至0但仍然有磁埸強度(剩磁),直至正向電流增加到D點才抵消了剩磁,正向電流增加磁埸強度也增加至+Max點即完成了一個週期,如果沒有剩磁,磁滯特性曲線將會是一條直線,亦即是理想變壓器,看圖:
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要進一步了解輸出變壓器的規格要看鐵芯磁滯特性曲線,需要 10Hz 450V 200ma的低頻交流電源,舉例一粿輸出變壓器初級電感 50H 阻抗10KΩ,最大屏流100ma,最大輸出功率40W:

初級繞組可承受最高交流電壓等於 10Kx40W 開平方即 632V RMS
2×3.1416x60x50=18.85KΩ (初級繞組對60Hz市電阻抗)
632/18.85=33.5ma RMS 即初級繞組峰值電流+/- 47.4ma

如果利用60Hz市電初級繞組最高交流電壓632V RMS得出最大峰值電流+/-47.4ma, 但規格最大靜止屏流100ma工作時峰值屏流達200ma,如果頻率降至14.2Hz 632V RMS則最大峰值電流剛好+/-200ma, 那就能看到實際工作範圍的鐵芯磁滯特性曲線.如果頻率再降至10Hz
則450V RMS就行了.看圖:
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空氣隙的計算:
一條直導線在真空中有一安培直流電通過,以導線為中心半徑一米的圓周上的磁埸強度為:
2x〖10〗^(-7)Tesla

半徑一米的圓周周長為 2π, 兩個數字相乘:
2πx2x〖10〗^(-7)
= 4πx〖10〗^(-7) H/M

這個常數是真空導磁率, 看圖:
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空氣導磁率跟真空導磁率是一樣的就不加以區別了,變壓器鐵芯導磁率是空氣導磁率的數千倍,具體數字要看鐵芯材料,鐵芯材料導磁率可以測量出來而空氣導磁率則是一個常數,知道這兩個導磁率,鐵芯尺寸及靜態屏流就可精密算出空氣隙的大小.

說了半天,100KHz訊號產生器,示波器,10Hz 450V低頻電源,還有測量鐵損的交流瓦特表,失真儀及精密LCR電橋等,一般業餘條件的DIY愛好者未必齊備,為了讓DIY普及化,這裡提出一個要求,如果祗用一台數字萬用表及一台可調電源變壓器,給出一個實物鐵芯材料,什麼資料數據也沒有,能否一定程度上相當準確算出初次級圈數及空氣隙尺寸給一隻指定的管子例如2A3使用? 答案是可以.
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在使用一台數字萬用表及一台可調電源變壓器計算初次級圈數及空氣隙尺寸之前, 先要了解三件事情:

1. 有效斜率, 就是鐵芯磁場強度與繞組電流的比值, 看圖:
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不同鐵芯材料的有效斜率都不同, 是變壓器初級繞組電感量計算的依據. 試圖用一個通用公式去函蓋不同的鐵芯材料, 算出來的結果要靠碰運氣.

2. 導磁係數, 就是鐵芯材料導磁率與空氣導磁率相比的倍數, 例如一種鐵芯材料的導磁率是空氣導磁率的一千倍, 導磁係數等於 1000.

3. 等效氣隙, 在繞組電流不變的條件下, 能使鐵芯材料磁場強度下降到原來的一半(亦即電感量下降到原來的一半)的氣隙厚度.
等效氣隙=鐵芯磁路長/導磁係數 請看下表:

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讓我們用一個實例來說明:
找來一個變壓器, 先把外殼拆開, 再取出第一片鋼片, 然後把線圈架取出, 看圖:
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測量邊長及舌闊以計算鐵芯磁路長及鐵芯截面積:
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把原來的繞組拆掉, 用 0.3mm漆皮線重新繞 1200圈, 並裝回鐵芯, 不需要氣隙, 看圖:
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再找來一台數字萬用表及一台可調電源變壓器:
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把繞組串一粿 100Ω歐姆電阻接上可調電源變壓器輸出端子, 看圖:
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100Ω歐姆電阻的作用是用歐姆定律計算繞組電流, 因為祗用一台數字萬用表測量電壓, 結果看下圖:
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畫出電壓電流曲線:
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圖中看出當繞組電壓超過200V後電流急速增加, 即開始遠離理想線進入非線性區,這顯示鐵芯材料開始磁飽和,為了保持線性響應,要限制繞組電流不可超過34.2MA (RMS),即繞組電壓不可超過200V (RMS),這裡已反映了鐵芯材料的有效斜率.

導磁係數公式如圖:
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L是鐵芯磁路長(米)= 0.15
V是繞組電壓 = 200
A是鐵芯截面積(平方米)= 0.000625
I是繞組電流=0.0342
N是繞組圈數=1200
F是市電頻率 = 60
算出導磁係數 = 2059

計算等效氣隙
=鐵芯磁路長/導磁係數
=150/2059= 0.073 mm

組組阻抗 = 200V(RMS)/34.2MA(RMS) = 5848 歐姆
繞組電感 = 5848/(2×3.1416×60) = 15.51 H 亨利
繞組峰值電流 = 34.2MA(RMS)x 1.4142 = 48.36 MA
最大靜態屏流 = 繞組峰值電流/2 = 24.18 MA ( 峰值電流是靜態屏流的兩倍)
繞組圈數 = 1200
等效氣隙 = 0.073 mm

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根據繞組電感(15.51 H 亨利), 最大靜態屏流(24.18 MA) ,繞組圈數(1200)及等效氣隙(0.073mm)這四項資料便可算出所需圈數.

假設我們需要的是最大靜態屏流 40 MA, 初級繞組電感量 25H. 阻抗比 5K: 8 OHM
40MA/24.18MA=1.654倍
1200圈/1.654=725.5圈 (基本圈數)
基本圈數電感量 = 15.51H/ (1.654×1.654)=5.67H
25H/5.67H=4.41倍
725.5圈x4.41=3199圈 (初級繞組)
3199圈/25=128圈 (次級繞組)
空氣隙 = 0.073mmx(4.41-1)= 0.249 mm
初級圈數電感量變為 5.67Hx(4.41×4.41)= 110.27H
空氣隙 0.249 mm 再把電感量降為
110.27H/4.41= 25H
設計完成.

再假設我們需要的是最大靜態屏流 50 MA, 初級繞組電感量 25H. 阻抗比 2.5K: 8 OHM
50MA/24.18MA=2.067倍
1200圈/2.067=580.5圈 (基本圈數)
基本圈數電感量 = 15.51H/ (2.067×2.067)=3.63H
25H/3.63H=6.89倍
580.5圈x6.89=4000圈 (初級繞組)
4000圈/17.68=226圈 (次級繞組)
空氣隙 = 0.073mmx(6.89-1)= 0.43 mm
初級圈數電感量變為 3.63Hx(6.89×6.89)= 172.32H
空氣隙 0.43 mm 再把電感量降為
172.32H/6.89= 25H
設計完成.

從這兩個例子可以看出同一鐵芯材料, 即使電感量要求相同,最大靜態屏流越大初級圈數要越多銅線也要越粗,說明了靜態屏流越大的單端輸出變壓器為何越大及越貴.設計者不能任意加大靜態屏流因為繞組最大尺寸受鐵芯材料窗口所限制.

這一個實例採用如下設計:
最大靜態屏流 40 MA
初級繞組電感量 25H
阻抗比 5K: 8 OHM
3200圈 (初級繞組)
128圈 (次級繞組)
空氣隙 0.249 mm
初級繞組用0.2mm漆皮線繞3200圈, 次級繞組用三股0.5mm漆皮線並繞128圈, 分三層, 兩層初級繞組夾著一層次級繞組,看圖:
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至於繞製過程很多網站都有詳盡資料, 這裡就不贅了. 至於實際空氣隙即0.249/2=0.124mm因為磁力線會通過空氣隙兩次,所以厚度是計算值的一半便可. 成品看圖:
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以下是完成及試音情況,DIY RCA 245茄子管功放推天朗Tannoy SGM12X 喇叭

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實際上這是一隻片厚 0.5mm 電源變壓器的鐵芯, 假如設計準確, 整體效果也不太差, 祗是高音段受渦流損耗影響而空氣感弱一奌而已.
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一個膽單端輸出變壓器的頻率響應由鐵芯材料及繞組潛布電容及洩漏電感所決定, 而輸出變壓器的失真則是由磁滯特性曲線所決定, 磁滯特性曲線失真主要體現在兩奌:

1. 剩磁失真, 請看圖:
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剩磁越強, 抵消剩磁的中和電流越大, 剩磁失真係數也越大.

2. 峰值失真, 請看圖:
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越接近磁飽和, 峰值偏差越大峰值失真係數也就越大.

剩磁失真及峰值失真首先體現在初級繞組的激磁電流,繼而影響輸出訊號,初級繞組的激磁電流失真很容易在示波器上看到,對於輸出訊號的影響在示波器上不容易看得出來,但耳朵卻聽得出來,剩磁失真及峰值失真體現在低頻重播時特別明顯,高超的繞線技術只能減低潛布電容及洩漏電感以改善高頻響應,對改善此兩種失真無能為力.但也並不是辦法全無,上述變壓器繞組設計方法說明了一個鐵芯材料可以繞製出不同規格, 祗要符合該計算原則便可.其中繞組圈數,初級電感量及空氣隙厚度三個參數概互相牽制又互相配合,造成不同規格.在多種不同規格中,總有一種是特別合適該鐵芯材料的,稱為最優規模,不同的鐵芯材料的最優規模都不同.正規的變壓器廠都設有實驗室試驗取得最優規模數據,此外尚有最佳銅損比例設計理論配合最優規模以取得最佳效果,間單地說就是要針對不同的磁滯特性曲線對症下藥,上世紀各大名廠量產數十年, 早已吃透,加上高質量鐵芯材料來源優勢. DIY絕不容易, 剩磁失真及峰值失真體現在低頻重播時特別明顯, 而低頻重播偏偏是音響感動的重要一環, 所以輸出變壓器鐵心的磁滯特性曲線是重奌, DIY如果要製作高質單端輸出變壓器,不要停留在經驗公式上.

總結:
一顆優質單端輸出變壓器的成功由三方面組成,一是高質鐵芯材料,二是真正到位的繞組及空氣隙設計,三是高超的繞線工藝,缺一不可,所以優質的單端輸出變壓器賣這麼貴是有道理的.

優質的單端輸出變壓器既然賣得這麼貴,它能給我們什麼?
答案是如果配合直熱三極管得宜,會得到音響感動的效果.

(全文完)
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附錄文件:

膽單端輸出變壓器的磁滯迴路曲線

電子管放大器輸出變壓器的基本概念

輸出變壓器製造商實現了他們的多層繞組技術,並聲稱這是良好音質的商業秘密。
實際情況是,變壓器鐵芯扮演著更重要的角色。我估計鐵芯可以提供70%的音質,而繞組只能提供30%的音質。管輸出變壓器實際上是兩個獨立的線圈繞在一個鐵芯上。初級繞組連接到管子,次級繞組連接到揚聲器。 (歐姆阻抗匹配)

初級線圈將能量作為磁通量形式傳遞到鐵芯(步驟1),並且鐵心將能量傳遞回次級線圈回到電能(步驟2)。問題是一些鐵芯不是線性響應。這意味著,即使主要訊源是純正弦波,鐵心中的磁通量都不是純正弦波,導致次級側失真。

此外,鐵芯會將一定比例的磁能轉化為熱能,這也稱為磁滯鐵損。顯著的滯鐵損,顯然會降低高頻響應。使用示波器設置可以看到鐵芯磁滯迴路曲線,磁滯迴路曲線面積迅越小越好。
 
 

 
 
電力變壓器的實際例子見下圖:

磁滯迴路曲線

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磁化電流波形畸變(下曲線)

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北美洲真空管收音機輸出變壓器的磁滯迴路曲線。

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歐洲真空管收音機輸出變壓器的磁滯迴路曲線。

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Tamura F 2013 輸出變壓器的磁滯迴路曲線,該迴路曲線幾乎是一條具有最小迴路面積的直線,極接近理想變壓器磁滯特性曲線,低頻重播無敵,高頻出色,以保證音質。
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謝謝你的拜訪 !
 
 

 
 

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