胆单端输出变压器的讨论及测试

胆单端输出变压器就是一个铁芯加初次级线圈, 初次级圈数比就是电压比, 初次级圈数比的平方就是阻抗比, 初次级圈数的反比就是电流比了. 看起来很简单, 让我们看看是不是这样.

输出变压器是由铜部份(绕组) 及铁部份(铁芯) 所组成, 两个部份对声音都有影响, 先讲铁芯, 它是一种合金, 主要由铁,镍, 钴及矽(硅) 等组成, 不同成份对磁特性都有影响继而影响音效, 高质量变压器铁芯合金的比例及加工细节都是商业秘密, 不容易得知,但都离不开基本原理.
变压器铁芯都是由钢锭轧成薄片厚度一般大约是 0.25 mm左右, 以减低涡流电效应. 再经冲床冲成EI型, 或冲成长短不一再叠成 C 型,也有卷成圆型再切成两半成C 型,俗称 C core. 看图:
opt_05

加工分为冷轧和热轧, 热轧的钢片因为温度高,分子的流动性仍然很强,较没有方向性, 所以热轧的钢片较适合冲成EI 型, 因为磁力线在E型钢片内会作90度偏转. 冷轧的钢片因为温度低, 分子的流动性己减弱, 只能顺看轧的方向成型,较有方向性, 所以冷轧的钢片较适合顺着轧的方向冲成长短不一并叠成C 型,也有卷成圆型再切成两半成C 型, 因为磁力线在C core钢片内是顺着方向走的, 请看图:
opt_01

因为没有磁力线90度偏转关系,C core一般来说效果效好, 所以近年很流行用C core铁芯造单端输出变压器, 以至后来DIY产生了一种错觉, 认为EI不好,C core一定错不了, 形成市场上重C core而轻EI 的覌点.
再说铁芯的频率响应, 先不管绕组, 金属是由结晶体组成, 结晶体的型状是由合金分子结构决定的, 结晶体的大小是由熔化温度下降至凝结温度的速度决定的, 下降速度越慢,结晶体越大, 下降速度越快, 结晶体越小, 地壳上的温度下降可长达数十万年, 结晶体长度可达一米, 下图是一个边长25mm的金属结晶体在地壳中经数万年温度下降所形成:
opt_02

在工厂内铁芯材料的熔化温度下降至凝结温度一般是数至十小时不等以控制结晶体的大小在微米级的范围, 请注意用温度下降控制结晶体的大小与冷轧热轧是两种不同的工序. 最极端的例子是以每秒钟温度下降一百万度以形成纳米级极小的晶体, 称为非晶合金(Amorphous alloy), 据说高频响应极佳,因为晶体越小质量越小,高速磁抖动容易跟上绕组高频讯号, 这种合金的输出变压器高频响应可达100KHz, 而微米级晶体的输出变压器高频响应大约60KHz 到80KHz. 这是铁芯的最高响应频率, 与绕组无关, 也就是铁芯结晶体份子的最高磁抖动频率. 无论绕组如何了得, 都不会得到超过此最高磁抖动频率的响应. 下图A是绕组没有电流分子磁力分布不定向,B是正向电流磁化,C是反向电流磁化:
opt_03

既然晶体越小质量越小,高频响应越高, 都采用非晶合金(Amorphous alloy) 造输出变压器便行了吗, 但事物不会一面倒, 祗能取平衡奌. 在听感上, 非晶合金(Amorphous alloy) 输出变压器高频亮丽但低频量感不足,中频不够厚. 但做得好的微米级晶体的输出变压器较平均, 中频厚及低频好(与磁滞特性曲线有关), 高频亦可达50KHz已不错,最后是看个人取舍。
一般来说, 绕组本身是没有频率上限的, 祗是潜布电容量使高频响应以6 db倍频程滚降, 即使如此,其工作频率仍远高于铁芯, 所以输出变压器的高频响应上限是由铁芯特性所决定的, 要知道变压器的技术规格, 首先要做的就是测量铁芯的最高响应频率.
.

.
上世纪二战后四十年代至七十年代初是真空管的黄金时代(golden ages of vacuum tubes), 大量的输出变压器需求造就很多研发并生产质量极高的铁芯片统称矽钢片, 七十年代末半导体在工业应用上淘汰了真空管, 晶体管扩音机大行其道, 高质输出变压器铁芯矽钢片需求下降造成停止研发,八十年代大功率高速半导体普及化,高速开关电源成本低需求大, 矽钢片厂都转向研发高速开关电源铁芯片, 高品质输出变压器产量少,以至九十年代矽钢片生产厂都不接单, 因为技术要求高而订购量少, 不合经济效益. 输出变压器生产厂用完了铁芯存货后都陆续停产. 有厂家干脆把牌子卖掉, 也有搬到东南亚投产, 质量就不保证了. 上世纪原装西电WE 171A, Tango X10SF 及Tamura F2013 都是殿堂级胆单端输出变压器,早己停产, 存货亦于十多年前售完, 现在能拿下都是天价. 下图是Tamura F2013:
opt_07

近代输出变压器生产厂用的都是标准规格铁芯片如M6, Z11, Oriental Hi B等,效果亦不差.

一粿输出变压器好不好听由两组数据决定,一组是硬数据即物理特性数据,有客覌标准。另一组是软数据即耳朵感受数据,无法测量,其中有主覌因数也有客覌因数,比例因人的听觉与修养而异。个人认为硬数据好比大厦的基楚,软数据好比大厦的上层,没有良好基楚,再美丽的大厦也会倒塌,那就是说,良好的听感都是建立在过硬的物理特性技术数据上.
.

.
要测量铁芯的最高响应频率及其他重要数据, 要借助一个数学模型, 称为理想变压器, 它的初次级线圈直流电阻为零即铜损为零, 没有潜布电容量, 祗留下电感量, 铁损为零, 初次级线圈交连糸数为1, 没有泄漏电感即能将初级线圈的能量100%交到次级线圈, 没有任何损失, 频应无限大. 实际上不存在, 祗是一个概念. 因为没有能量损失, 初次级之间负载可互相反射,输出变压器的初级及次级绕组都有潜布电容量, 在次级绕组的喇叭负载及潜布电容量是可以反射到初级绕组的,请看图:
opt_08

再加上初级绕组潜布电容量,变压器本身不消耗能量,等于不存在,看图:
opt_09

接上内阻50Ω讯源,因为低内阻,625PF电容不会把高频傍路,看图:
opt_11

在8Ω电阻接上示波器,便可测出铁芯的最高工作频率.这种测试,并未考虑静态屏流的因素,但是如果变压器的工作范围在磁滞特性曲线的线性区内,即使有静态屏流的存在,结果有差别但不会相差太远,所以还是有参考价值的, 这方法主要是方便快速, 最终还是要在机上实試的。
.

.
要了解磁滞特性曲线,先造一个实验:
图1是线圈未接电源,铁芯没有磁力,指南针不动:
opt001

图2是线圈接上电源,铁芯有磁力,指南针偏转:
opt002

图3是线圈接上反向电源,铁芯有磁力,指南针反向偏转:
opt003

图4是线圈脱离电源,铁芯还有剩磁,指南针保持偏转:
opt004

.
磁滞特性曲线问题,说白了就是铁芯的剩磁问题,剩磁越大声音越差,看图:
opt_18

电流由O点开始正向电流增加磁埸强度也增加至+Max点, 接着电流咸少磁埸强度也咸少, 但到达 A点电流已下降至0但仍然有磁埸强度(剩磁),直至反向电流增加到B点才抵消了剩磁,反向电流增加磁埸强度也增加至-Max点, 接着电流咸少磁埸强度也咸少, 但到达 C 点反向电流已下降至0但仍然有磁埸强度(剩磁),直至正向电流增加到D点才抵消了剩磁,正向电流增加磁埸强度也增加至+Max点即完成了一个周期,如果没有剩磁,磁滞特性曲线将会是一条直线,亦即是理想变压器,看图:
opt_19

要进一步了解输出变压器的规格要看铁芯磁滞特性曲线,需要 10Hz 450V 200ma的低频交流电源,举例一粿输出变压器初级电感 50H 阻抗10KΩ,最大屏流100ma,最大输出功率40W:

初级绕组可承受最高交流电压等于 10Kx40W 开平方即 632V RMS
2×3.1416x60x50=18.85KΩ (初级绕组对60Hz市电阻抗)
632/18.85=33.5ma RMS 即初级绕组峰值电流+/- 47.4ma

如果利用60Hz市电初级绕组最高交流电压632V RMS得出最大峰值电流+/-47.4ma, 但规格最大静止屏流100ma工作时峰值屏流达200ma,如果频率降至14.2Hz 632V RMS则最大峰值电流刚好+/-200ma, 那就能看到实际工作范围的铁芯磁滞特性曲线.如果频率再降至10Hz则450V RMS就行了.看图:
opt_20

空气隙的计算:
一条直导线在真空中有一安培直流电通过,以导线为中心半径一米的圆周上的磁埸强度为:
2x〖10〗^(-7)Tesla
半径一米的圆周周长为 2π, 两个数字相乘:
2πx2x〖10〗^(-7)
= 4πx〖10〗^(-7) H/M 这个常数是真空导磁率,
看图:
opt_21

空气导磁率跟真空导磁率是一样的就不加以区别了,变压器铁芯导磁率是空气导磁率的数千倍,具体数字要看铁芯材料,铁芯材料导磁率可以测量出来而空气导磁率则是一个常数,知道这两个导磁率,铁芯尺寸及静态屏流就可精密算出空气隙的大小.

说了半天,100KHz讯号产生器,示波器,10Hz 450V低频电源,还有测量铁损的交流瓦特表,失真仪及精密LCR电桥等,一般业余条件的DIY爱好者未必齐备,为了让DIY普及化,这里提出一个要求,如果祗用一台数字万用表及一台可调电源变压器,给出一个实物铁芯材料,什么资料数據也没有,能否一定程度上相当准确算出初次级圈数及空气隙尺寸给一只指定的管子例如2A3使用? 答案是可以.
.

.
在使用一台数字万用表及一台可调电源变压器计算初次级圈数及空气隙尺寸之前, 先要了解三件事情:

1: 有效斜率, 就是铁芯磁场强度与绕组电流的比值, 看图:
opt_22

不同铁芯材料的有效斜率都不同, 是变压器初级绕组电感量计算的依据. 试图用一个通用公式去函盖不同的铁芯材料, 算出来的结果要靠碰运气.

2. 导磁系数, 就是铁芯材料导磁率与空气导磁率相比的倍数, 例如一种铁芯材料的导磁率是空气导磁率的一千倍, 导磁系数等于 1000.

3. 等效气隙, 在绕组电流不变的条件下, 能使铁芯材料磁场强度下降到原来的一半(亦即电感量下降到原来的一半)的气隙厚度.
等效气隙=铁芯磁路长/导磁系数 请看下表:
opt_23
.

.
让我们用一个实例来说明:
找来一个变压器, 先把外壳拆开, 再取出第一片钢片, 然后把线圈架取出, 看图:
opt_26

测量边长及舌阔以计算铁芯磁路长及铁芯截面积:
opt_26_1
opt_26_2

把原来的绕组拆掉, 用 0.3mm漆皮线重新绕 1200圈, 并装回铁芯, 不需要气隙, 看图:
opt_27

再找來一台数字万用表及一台可调电源变压器:
opt_27_1

把绕组串一粿 100Ω欧姆电阻接上可调电源变压器输出端子, 看图:
opt_28

100Ω欧姆电阻的作用是用欧姆定律計算绕组电流, 因为祗用一台数字万用表測量电压, 结果看下图:
opt_29

画出电压电流曲线:
opt_30

图中看出当绕组电压超过200V后电流急速增加, 即开始远离理想线进入非线性区,这显示铁芯材料开始磁饱和,为了保持线性响应,要限制绕组电流不可超过34.2MA (RMS),即绕组电压不可超过200V (RMS),这里已反映了铁芯材料的有效斜率.

导磁系数公式如图:
opt_31

L是铁芯磁路长(米)= 0.15
V是绕组电压 = 200
A是铁芯截面积(平方米)= 0.000625
I是绕组电流=0.0342
N是绕组圈数=1200
F是市电频率 = 60
算出导磁系数 = 2059

計算等效气隙
=铁芯磁路长/导磁系数
=150/2059= 0.073 mm

绕组阻抗 = 200V(RMS)/34.2MA(RMS) = 5848 欧姆
绕组电感 = 5848/(2×3.1416×60) = 15.51 H 亨利
绕组峰值电流 = 34.2MA(RMS)x 1.4142 = 48.36 MA
最大静態屏流 = 绕组峰值电流/2 = 24.18 MA ( 峰值电流是静態屏流的两倍)
绕组圈数 = 1200
等效气隙 = 0.073 mm

.

.
根据绕组电感(15.51 H 亨利), 最大静态屏流(24.18 MA) ,绕组圈数(1200)及等效气隙(0.073mm)这四项资料便可算出所需圈数.

假设我们需要的是最大静态屏流 40 MA, 初级绕组电感量 25H. 阻抗比 5K: 8 OHM
40MA/24.18MA=1.654倍
1200圈/1.654=725.5圈 (基本圈数)
基本圈数电感量 = 15.51H/ (1.654×1.654)=5.67H
25H/5.67H=4.41倍
725.5圈x4.41=3199圈 (初级绕组)
3199圈/25=128圈 (次级绕组)
空气隙 = 0.073mmx(4.41-1)= 0.249 mm
初级圈数电感量变为 5.67Hx(4.41×4.41)= 110.27H
空气隙 0.249 mm 再把电感量降为
110.27H/4.41= 25H
设计完成.

再假设我们需要的是最大静态屏流 50 MA, 初级绕组电感量 25H. 阻抗比 2.5K: 8 OHM
50MA/24.18MA=2.067倍
1200圈/2.067=580.5圈 (基本圈数)
基本圈数电感量 = 15.51H/ (2.067×2.067)=3.63H
25H/3.63H=6.89倍
580.5圈x6.89=4000圈 (初级绕组)
4000圈/17.68=226圈 (次级绕组)
空气隙 = 0.073mmx(6.89-1)= 0.43 mm
初级圈数电感量变为 3.63Hx(6.89×6.89)= 172.32H
空气隙 0.43 mm 再把电感量降为
172.32H/6.89= 25H
设计完成.

从这两个例子可以看出同一铁芯材料, 即使电感量要求相同,最大静态屏流越大初级圈数要越多铜线也要越粗,说明了静态屏流越大的单端输出变压器为何越大及越贵.设计者不能任意加大静态屏流因为绕组最大尺寸受铁芯材料窗口所限制.

这一个实例采用如下设计:
最大静态屏流 40 MA
初级绕组电感量 25H
阻抗比 5K: 8 OHM
3200圈 (初级绕组)
128圈 (次级绕组)
空气隙 0.249 mm
初级绕组用0.2mm漆皮线绕3200圈, 次级绕组用三股0.5mm漆皮线并绕128圈, 分三层, 两层初级绕组夹着一层次级绕组,看图:
opt_32

至于绕制过程很多网站都有详尽资料, 这里就不赘了. 至于实际空气隙即0.249/2=0.124mm因为磁力线会通过空气隙两次,所以厚度是计算值的一半便可. 成品看图:
opt_33

以下是完成及试音情况,DIY RCA 245茄子管功放推天朗Tannoy SGM12X 喇叭:

opt_35_1

实际上这是一只片厚 0.5mm 电源变压器的铁芯, 假如设计准确, 整体效果也不太差, 祗是高音段受涡流损耗影响而空气感弱一奌而已.
opt_35

一个胆单端输出变压器的频率响应由铁芯材料及绕组潜布电容及泄漏电感所决定, 而输出变压器的失真则是由磁滞特性曲线所决定, 磁滞特性曲线失真主要体现在两奌:

1. 剩磁失真, 请看图:
opt_36_1

剩磁越强, 抵消剩磁的中和电流越大, 剩磁失真系数也越大.

2. 峰值失真, 请看图:
opt_36_2

越接近磁饱和, 峰值偏差越大峰值失真系数也就越大.

剩磁失真及峰值失真首先体现在初级绕组的激磁电流,继而影响输出讯号,初级绕组的激磁电流失真很容易在示波器上看到,对于输出讯号的影响在示波器上不容易看得出来,但耳朵却听得出来,剩磁失真及峰值失真体现在低频重播时特别明显,高超的绕线技术只能减低潜布电容及泄漏电感以改善高频响应,对改善此两种失真无能为力.

但也并不是办法全无,上述变压器绕组设计方法说明了一个铁芯材料可以绕制出不同规格, 祗要符合该计算原則便可.其中绕组圈数,初级电感量及空气隙厚度三个参数概互相牵制又互相配合,造成不同规格.在多种不同规格中,总有一种是特别合适该铁芯材料的,称为最优规模,不同的铁芯材料的最优规模都不同.正规的变压器厂都设有实验室试验取得最优规模数据,此外尚有最佳铜损比例设计理论配合最优规模以取得最佳效果,间单地说就是要针对不同的磁滞特性曲线对症下药,上世纪各大名厂量产数十年, 早已吃透,加上高质量铁芯材料来源优势. DIY绝不容易,剩磁失真及峰值失真体现在低频重播时特别明显,而低频重播偏偏是音响感动的重要一环,所以输出变压器铁心的磁滞特性曲线是重奌,DIY如果要制作高质单端输出变压器,不要停留在经验公式上.

总结:
一顆优质单端输出变压器的成功由三方面组成,一是高质铁芯材料,二是真正到位的绕组及空气隙设计,三是高超的绕线工艺,缺一不可,所以优质的单端输出变压器卖这么贵是有道理的.

优质的单端输出变压器既然卖得这么贵,它能给我们什么?
答案是如果配合直热三极管得宜,会得到音响感动的效果.

(全文完)
.

.
附录文件:

胆单端输出变压器的磁滞回路曲线

电子管放大器输出变压器的基本概念

输出变压器制造商实现了他们的多层绕组技术,并声称这是良好音质的商业秘密。
实际情况是,变压器铁芯扮演着更重要的角色。 我估计铁芯可以提供70%的音质,而绕组只能提供30%的音质。管输出变压器实际上是两个独立的线圈绕在一个铁芯上。初级绕组连接到管子,次级绕组连接到扬声器。(欧姆阻抗匹配)

初级线圈将能量作为磁通量形式传递到铁芯(步骤1),并且铁心将能量传递回次级线圈回到电能(步骤2)。问题是一些铁芯不是线性响应。 这意味着,即使主要訊源是纯正弦波,铁心中的磁通量都不是纯正弦波,导致次级侧失真。

此外,铁芯会将一定比例的磁能转化为热能,这也称为磁滞铁损。 显着的滞铁损,显然会降低高频响应。使用示波器设置可以看到铁芯磁滞回路曲线,磁滞回路曲线面積迅越小越好。
 
 

 
 
电力变压器的实际例子见下图:

磁滞回路曲线

hyspower1

磁化电流波形畸变(下曲线)

hyspower2

北美洲真空管收音机输出变压器的磁滞回路曲线。

us2

us1

欧洲真空管收音机输出变压器的磁滞回路曲线。

tele2

Tamura F 2013 输出变压器的磁滞回路曲线,该回路曲线几乎是一条具有最小回路面积的直线,极接近理想变压器磁滞特性曲线,低频重播无敌,高频出色,以保证音质。
f20132

opt_19

f20131

谢谢你的拜访 !
 
 

 
 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>