В рубрике "Железо" будут рассматриваться расчеты, конструирование и поведение магнитных материалов, применяемых в зву-котехнике. В серии статей зарубежных авторов и отечественных специалистов раскроются практические рекомендации, подкрепленные понятной теорией. Считается, что магнитные материалы -вещи известные, однако, в прикладном отношении далеко не всегда очевидные.
      Начнем эту серию статей со взгляда на теорию и работу на практике трансформаторов питания, или кому нравится - силовых/сетевых, далее просто трансформаторов. Это относительно несложные устройства в сравнении с выходными, и внимание аудиофи-лов к ним часто поверхностное. Порою можно услышать небрежное заявление: "Все, что тебе требуется от силовика, чтоб он имел 360-0-360 вольт при токе 200 тА, 4 ампера по обмотке 6,3 V и 3 ампера по обмотке 5 V для кенотрона. От такого заявления любитель часто теряется в вопросе выбора хорошего трансформатора или следует ошибочным мнениям о магнитных материалах. Так как поступить?
      В идеализированной модели трансформаторы довольно просты. Нам требуется, чтобы трансформатор либо повышал, либо понижал напряжение, поданное на первичную обмотку. Как и все трансформаторы, это устройство, работающее на соотношениях. Если на первичке 100 витков, включенных в 120 V сеть, а вам требуется 360 V на вторичной обмотке, то на ней должно быть уложено 300 витков провода, т.е. соотношение 1:3. Чтобы получить 5 V, сетевое напряжение должно быть понижено посредством уменьшения числа витков во вторичке. Точное значение - 4,166 витка для 5 V. В идеальном случае соотношение витков равно отношению напряжений в первичной и вторичной цепи трансформатора.
      Этот простой расчет предполагает проводники с нулевым сопротивлением.Следовательно, сечение провода абсолютно не важно и для удобства может быть бесконечно малым. Но, но... мы находимся в реальном мире и вынуждены сталкиваться с различными электрическими и магнитными феноменами, которые разбивают нашу модель вдребезги. В реальных материалах всегда существуют потери, и медь, являясь одним из лучших материалов по проводимости, все-таки препятствует электрическому току. Подобным образом и в магнитных материалах возникают потери.
      Из-за сопротивления медного провода не все напряжение сети участвует в трансформации, чтобы затем повысится или понизиться. Часть его упадет (и безвозвратно) на проводе, путешествуя из конца в конец. Сигналом такой непродуктивности послужит тепло. Потеря напряжения переродится в повышение температуры. Витки или пластины стали также страдают потерями, которые не учитываются в идеализированной модели. По ней предполагается бесконечная проницаемость и то, что сердечник не должен быть в насыщении (перегружен). Реальные трансформаторы не таковы, к сожалению.
      Назначение такой идеальной модели - демонстрация скрытой простоты устройства и своевременная информация, когда возникают отклонения от идеального случая. Но в жизни-то вам не удастся купить идеальный трансформатор.
      На одной из аудиовыставок последних лет мы сравнили звучание транзисторного усилителя знаменитой фирмы с ламповым усилителем на 211-м триоде довольно приличного качества. К моему удивлению ламповый звучал в точности как транзисторный. Я ожидал от триода большего. Вероятно, это произошло из-за применения в нем обратной связи. Ясно, чтобы возвысить качество однотактного усилителя "над толпой", необходимо оптимизировать проект в целом и качество каждого элемента в отдельности. Еще недостаточно использовать только триод.
      Однако, если такой трансформатор получить невозможно, то каким должен быть реальный? Первое и самое главное: напряжение на вторичной обмотке должно быть точно таким, какое нам требуется. Из ранее приведенного примера допустим, что нужно 360-0-360 V при максимальном токе 200 мА. Нам также хочется, чтобы изменение напряжения было бы минимальным, когда схема окажется недогруженной (когда потребление меньше 200 мА, например, на малом сигнале в режиме АВ). Другими словами, хотелось бы, чтобы напряжение оставалось относительно неизменным во всех случаях. Такое поведение трансформатора называется "коэффициентом регулирования по напряжению". Многие устройства имеют выраженный провал по напряжению при полном токе. Хорошо спроектированный и правильно выполненный трансформатор должен обладать минимальными изменениями выходного напряжения.должен обладать минимальными изменениями выходного напряжения.
      Дальше, нам хотелось бы, чтобы он оставался относительно холодным. Затем мы желаем, чтобы размеры его были по возможности небольшими при желаемой мощности. И, наконец, наш трансформатор не должен стоить больших денег. Посмотрим на некоторые параметры, заявляемые в рекламе изданий, связанных со звукотехникой. Мягко говоря, это довольно "обманчивые" характеристики и аргументы в их сторону такие же. Исследовав эти "ошибочки", мы можем разработать стройную систему оценок важнейших качеств трансформатора при выборе или изготовлении.
      Один из моих приятелей заключил, что самодельщики предпочитают покупать трансформаторы, учитывая их вес: чем тяжелей, тем лучше. Другой - производитель качественной звукотехники заявил, что деньги следует отдавать по принципу - трансформатор должен быть горячим. Широко распространено мнение, что приобретать следует трансформаторы военного производства. Логика построена на том, что мол "вояки" имеют неограниченный бюджет и идут на создание лучших элементов; так что купив их на "блошином" рынке, вы имеете в самом деле"убойное" изделие. Но наиболее живучее заблуждение состоит в том, что трансформатор с двойным/тройным запасом по току будет гораздо лучше того, который имеет норму для схемы, что у вас на руках. Вот это действительно опасное заблуждение.
      Начнем с категории веса. Положим, что вы хотите больше за те же деньги. Но на сколько больше? Частенько трансформатор имеет тяжелый магнитопровод лишь потому, что он сделан из железа низкого качества, которого требуется много при данной мощности. В Штатах качество железа нормировано от М6 до М55. Чем ниже номер, тем меньше потери в сердечнике, измеряемые в ваттах на фунт веса железа (у нас соответственно в Вт/кг - Ред.). Такой порядок (снизу вверх) обусловлен величиной магнитного сопротивления, у М6 оно ниже, чем у всех остальных. Таким образом, чтобы получить одинаковую мощность, при прочих равных параметрах, М19 потребуется больше, чем М6. С увеличением номера индукция насыщения падает все ниже и ниже. Даже если вы работаете на малом уровне магнитной индукции (В), то искажения петли гистерезиса окажутся все равно выше, чем у качественной стали, находящейся в тех же условиях.
      Однако, это вовсе не значит, что вы должны браковать трансформаторы, если они тяжелые. Может оказаться, что одни из М6 тяжелые, другие из М19, М22 или М27 рассчитаны так, чтобы обеспечить приемлемые результаты. Будет большой ошибкой делать выбор, основанный единственно на весе железа, без учета всех остальных параметров. Мы должны знать коэффициент регулирования, ожидаемый рост температуры, каким образом нормировался ток при данном напряжении и какая магнитная индукция будет при этом и т.д. и т.п. Так что не покупайте трансформатор по соображениям веса, это может оказаться уловкой производителя (М19 - М27 стоит от 40% до 70% дешевле, чем Мб при одном весе) и большой тяжелый трансформатор может иметь плохие интегральные параметры.
      Следующее заблуждение: теплее трансформатор - деньги потрачены не зря. В самом деле, зерно правды в этом есть, если при этом вы не требуете хорошего коэффициента регулирования, малых магнитных искажений и тому подобное. К примеру, авиационная техника увязывает максимально высокую температуру трансформатора с требованием возможно малых размеров и веса. Но для наших аудио проектов, таких, как построение усилителя на триоде 300В, эта практика не окажется разумной. Чтобы разогреть трансформатор, мы можем поступить следующим образом: использовать худшее железо, или малый диаметр провода в обмотках, либо заставим работать железо при очень высоких значениях индукции. В конце концов трансформатор станет горячим. Но как долго он проживет? Если в нем применены изолирующие материалы класса В (до 105°С), когда температура корпуса повышается до 70°С на полной мощности, то в этом случае мы ходим по острию ножа. Но и в этих условиях он еще поработает. А принудительное охлаждение обеспечит ему некоторый запас по безопасности. Следует помнить, что внутри трансформатора существуют точки локального перегрева, температура которых выше поверхностной на 15°-20°С. В авиационной технике идут на разогрев, поскольку применяемые изоляционные материалы выдерживают 155С-180:С и даже 220°С. Здесь есть прямой резон поступиться некоторыми параметрами во имя размеров и веса.
      В большинстве трансформаторов для быта и в индустриальных используются материалы для температур 105°С или 130°С, что достаточно для устройства, спроектированного без серьезных ошибок. Если производитель указывает температуру нагрева, стоит поискать трансформатор, у которого разогрев выше окружающей температуры в пределах 35°- 55°С. Устройства с диапазоном перегрева 55°-75°С менее подходящи, но если другие параметры приемлемы, то сгодятся и они. Проходите мимо тех, у которых нагрев более 75°С выше окружающей среды. И опять же, не основывайте свой выбор только на одном критерии - выбирайте по совокупности характеристик.
      Теперь дадим оценку наиболее часто встречаемому заблуждению: чем больше запас по току имеет трансформатор, тем лучше. По нашей идеализированной модели отношение напряжений равно отношению витков. Но если вы намотаете повышающий трансформатор в соответствии с моделью, то повышение напряжения будет меньше, чем ожидалось. Почему так? Да потому, что всегда присутствуют потери в меди и потери в стальных пластинах сердечника. Насколько они малы, зависит от качества железа и толщины набора, сечения и длины провода, лака и пропитки, типа и качества изоляции, механической стяжки магнитопровода и многих других факторов. Основные же определители потери в меди и железе.
      На практике можно компенсировать падение напряжения увеличением числа витков. Нужно лишь слегка увеличить соотношение витков на вольт. Такая подгонка вычислима при учете нескольких факторов, имеющих связь с величиной тока в обмотках: потерь в меди и в железе и роста температуры (сопротивление проводника и потери в сердечнике возрастают с ростом температуры). Нам требуется подсчитать потери при полной нагрузке, чтобы трансформатор отдавал нужное напряжение с хорошим регулированием. Величины токов в формулах должны быть реальными, при максимально жестких условиях, создаваемых схемой. Если будет допущен неоправданный "оптимизм" по величинам потребляемых токов, то ожидайте "сюрпризов" от напряжений на вторичных обмотках. Положим, что пользователь заложился на 400 мА вместо требуемых 200 мА из старого нашего примера. О'кей, это сразу потребует значительных изменений в конструкции. Магнитопровод станет больше сечением и потребуется увеличение сечения провода как по первичке, так и по вторичной обмотке, чтобы скомпенсировать I*I*R потери. Коэффициент регулирования такого трансформатора при токе нагрузки в 400 мА останется практически тем же, что у трансформатора с меньшими размерами на ток 200 мА. Пользователь окажется прав только в одном случае, когда будет нагружать больший трансформатор не на 400 мА,а на 200 тА. Тогда действительно не возникнет проблем с провалом напряжения, как часто это происходит с КIТ-овыми трансформаторами Dyna*.
      Перезаложив требования по току наш друг рискует получить напряжение гораздо большее, чем схема требует для оптимальной работы. Увеличение числа витков на вольт с целью компенсации для 400 мА трансформатора будет выше, тем для 200 мА трансформатора, тоже с компенсацией. Следовательно, он может получить лучшее регулирование и более холодный корпус, но при этом выходное напряжение при токе 200 мА будет гарантировано выше, чем ожидалось. И не только анодные, но и все вторичные окажутся выше, т.к. потери в меди (т.е. падение напряжения, вызванное прохождением тока по проводнику с определенным сопротивлением) по первичной обмотке будут меньше, чем закладывались для компенсации. Окончательной ценой такой ошибки может быть уменьшение надежности долговечности работы ламп конденсаторов и других деталей и даже нарушение режимов схемы Так что благоразумнее будет использовать грамотно рассчитанный трансформатор с точными значениями напряжений при реальных токах данной схемы.
      Несколько замечаний о запасе по току. Нормированный ток для трансформатора я считаю понятиемтием растяжимым, этакой "эластичной" цифрой. Если производитель заявляет, что его трансформатор обеспечит 300 мА нагрузки и никакой другой информации больше, то нам для оценки его качества этой характеристики явно недостаточно. Допустим, что он даст 300 мА, но при этом нагреется до 90°С да с таким провалом выходного напряжения, что окажется неприемлемым для использования в данной схеме. Т.е. с заведомо плохим коэффициентом регулирования. Чтобы реально оценить трансформатор, нужно как минимум знать повышение температуры и изменение напряжения от полной нагрузки до ее отсутствия. "Гарантии" по току колеблются от весьма умеренных, консервативных до дико оптимистических. Постарайтесь быть осторожнее в оценках. Если пара устройств имеет одинаковые напряжения и токи, попытайтесь также уяснить, как они сконструированы в отношении регулирования по напряжению, нагрева, магнитной индукции и т.д. Не используйте параметры этой пары для обобщений на весь класс устройств пока не получите представление о них настолько, насколько это возможно. Вот несколько параметров, на которые следует обратить внимание при выборе трансформатора и держаться этих величин:
    - повышение температуры на 40°-50°С;
    - материал стали из Мб;
    - сечение проводника (медного) из расчета 600-1000 круговых мил на ампер (чем больше, тем лучше).
    1 кр. мила - 5,0670748*10-6 см2; 1000 мил = 0,5067 мм2';
    - коэффициент регулирования т.е. изменение напряжения s диапазоне 3-6% при полной нагрузке по отношению холостому ходу;
    - изолирующие материалы;
    - индукция магнитного потока до 15 кГаусс (1.5 Т);
    - хорошая механическая сборка;
    - электростатический экран между первичной и вторичными обмотками;
    - трансформатор должен быть спроектирован на ток, требуемый для вашей схемы.
      Только не подходите чересчур строго с этим списком к выбору трансформатора, так как существуют приличные конструкции, в которых не выдерживаются один-два параметра. В общем виде данный перечень - индикатор качественных показателей трансформатора.
      Наконец несколько комментариев к трансформаторам, используемым в оборонной промышленности. Многие самодельщики заблуждаются, полагая, что изделия эти чем-то лучше индустриальных или бытовых трансформаторов. На самом же деле Mil T-27 (Американский стандарт, нормирующий требования к силовым трансформаторам) диктует требования к внешним параметрам и виду. Они достаточно специфичны: механическая прочность к ударам и вибрациям, щелочным и кислотным воздействиям, негорючесть, устойчивость к действию грибков, работа на больших высотах и др. В отношении электрических параметров: регулирование по напряжению, запас по току, повышение температуры, материал сердечника и допустимая магнитная индукция, про все это стандарт умалчивает.
      Конечно, пока уполномоченные контракторы (по-русски военпреды) не представят список качественных параметров, нам нужных, устройство должно содержать в паспорте только сведения о долговечности (определяемую материалами изоляции), величину утечки и минимальные сведения о сопротивлении изоляции. Приобретая трансформатор для своего очередного проекта, полезно посмотреть на некоторые моменты в статье, особенно на "индикаторы качества". В определенных случаях требуется даже больше информации. К примеру, в статье не задеты очень важные темы по выпрямлению и фильтрации переменного напряжения. Об этих весьма важных вопросах поговорим позднее.
      Между тем... Удачных конструкций!

ОТ РЕДАКЦИИ.

      Поскольку статья была адресована американским самодельщикам, то в ней соответственно использованы некоторые моменты, неизвестные для российских самодельщиков. Железо Мб - М55 нам недоступно, поэтому требуется указание на марки тестированные, хотя чаще всего марка стали вовсе не известна и мы надеемся на авось.
      Для американцев не мыслима задача по намотке трансформатора, зато в наших условиях можно изготовить бескомпромиссный по качеству прибор, удовлетворяющий всем перечисленным выше требованиям. В отечественной литературе уделено достаточно внимания конструированию трансформаторов, однако, за математикой и графиками часто не уяснить сути. Мы постараемся продолжить нужную тему в следующих выпусках "Вестника".
BECTHИK A.P.A.