КАК РАБОТАЮТ ЗВУКОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Norman H. Crowhurst
Эта статья была, вероятно последней, написанной Норманом Кроухeрстом, и мы печатаем ее в память о нем, несмотря на то, что он не возвращался к написанию второй части. В следующем выпуске GA, мы перепечатаем его статью из АЕ, которая изначально появилась в апреле 1957 (с. 54) как своего рода продолжение. См. некролог в GA 1/91, с. 35 для биографической информации. Ред. Glass Audio.
Говорят, знакомство порождает презрение. Я бы сказал, что презрение порождает знакомство!
Я начал разрабатывать трансформаторы и другие элементы с «железным» сердечником более 60-ти лет
назад. Так что вопросы, которые мне задают, помогают мне видеть в среднем человеке недостаток
понимания относительно того, как они работают, тогда как мне это «очевидно»!
Первичная индуктивность, индуктивность рассеяния, емкость обмотки; как эти величины реагируют
с импедансом ламп и другими элементами схем, например, громкоговорителями или микрофонами —
остается глубокой тайной для большинства аудиофилов, в то время как мне это знакомо. Так что
я начну сначала, как кто-то предложил Алисе в Стране чудес.
Теория трансформатора
Сначала схема, куда Вы подключаете ваш трансформатор: мы идеализируем как ее, так и его; затем
мы рассмотрим недостатки обоих. Везде, где Вы поставите трансформатор, он работает от сопротивления
источника на сопротивление нагрузки.
Начнем со входа: микрофон или любое другое устройство в качеcтве источника подключено к
первичной обмотке трансформатора. Источник имеет сопротивление. Вторичная обмотка подключена к
другому сопротивлению. Во времена ламп это было сетка, теперь это может быть что-нибудь другое,
вроде перехода база-эмиттер у транзистора, или даже больший импеданс, чем сетка лампы — полевой
транзистор (рис. 1).
Межкаскадные трансформаторы теперь не очень-то в моде — и верно, имеются лучшие
способы — но там, где они используются, они должны работать аналогично: между двумя различными
сопротивлениями (импедансами).
Выходные трансформаторы работают от сопротивления источника, которым может быть триод,
пентод, нечто среднее — подобно пентоду или тетроду, работающему в ультралинейном режиме или
что-нибудь еще. Их разработка может быть усложнена такими вещами как класс-AB, но мы придем к
этому позже. Все они подключены к сопротивлению, которое мы считаем активным, но более вероятно,
что это одна или более звуковых катушек громкоговорителей, или почти все, что угодно, кроме
активного сопротивления!
В теории трансформаторов понятие источника включает в себя понятие «генератора». Трансформатор
видит это как источник «сигнала» (звукового), с которым должна работать вся остальная схема.
Сложные теории предлагают выбор эквивалентов генератора: источник напряжения или тока. Каждый из
них является подходящим в различных ситуациях. Но начнем с источника напряжения, он проще
в понимании.
Отсутствие магнитодвижущей силы*
Рис. 2 показывает схему, использующую эквивалент генератора напряжения. Считается, что внешняя
по отношению к трансформатору схема состоит из эквивалентных сопротивлений (позже мы это распишем
полнее). Строчная «r» — это сопротивление источника, в то время как прописная «R»
— нагрузка на выходе (иногда удобно поменять их местами). Мы начнем с этого и объясним, что
каждая часть означает в типовых схемах.
Нам не доступен совершенный трансформатор, но мы можем понять, что реальный с реальными дефектами,
включенный соответствующим образом, лучше совершенного. Итак, что сделал бы совершенный трансформатор?
Даже это многие плохо понимают, так что простите меня за урок, если Вы его уже знаете. Сердечник
совершенного трансформатора не испытывает действия намагничивающего тока. Считается, что этого тока
просто нет. Фактическая первичка потребляет крошечный намагничивающий ток для установления напряжения
на обмотке. Но теоретически совершенный транс дает нам отсутствие намагничивания. Первичные и вторичные
напряжения непосредственно пропорциональны их соответствующим числам витков (рис. 3).
Совершенный трансформатор
Теперь наступает первый сложный момент. Потому что теоретически в совершенном
трансформаторе именно это «отсутствие» намагничивания производит требуемое число вольт на виток
(или витков на вольт), так что присутствие тока в двух обмотках должно быть совершенно сбалансировано.
Если в одной обмотке нет тока, то его нет и в другой. Мы имеем только напряжения, но не ток.
Предположим, коэффициент трансформации равен 20:1. Итак, если на одной обмотке 20 V, то на другой
— 1 V. Теперь предположим, что вторичная (1 V) обмотка подключена к схеме, которая потребляет 50 mA.
Это должно быть сбалансировано первичным током в 20 раз меньшим (по количеству витков), так что
первичная должна потребить ток в 1/20 от 50 mA, что составляет 2,5 mA. Давайте интерпретировать
это в терминах импеданса.
Сопротивление нагрузки, потребляющей 50 mA при 1 V, должно быть 20 Ом. Чтобы сбалансировать это,
первичная потребляет 2,5 mA при 20 V (рис. 4). Таким образом в первичной это выглядит как 8 кОм**,
что в 400 раз больше 20 Ом вторичной нагрузки, вызывающей это.
Итак, совершенный трансформатор умножает сопротивление на квадрат отношения витков. Напряжение
умножено на отношение витков, а ток делится на отношение витков. В действительности он скорее
трансформирует сопротивление, чем напряжение или ток. Измените вторичную нагрузку на 40 Ом, и
первичная будет выглядеть как 16 кОм вместо 8.
Приведение к первичной
Как мы увидим позже, совершенный трансформатор трансформирует реактивные значения типа
индуктивности и емкости таким же способом. Он также работает обоими способами. Я только что описал
наиболее очевидный: он отражает сопротивление нагрузки обратно умноженным на квадрат отношения
витков. Он также и таким же образом отражает сопротивление источника вперед, на сопротивление
нагрузки. Цифры могут пояснить, что это означает (рис. 5).
Реальная нагрузка в 20 Ом отражается на первичку как 8 кОм, т. е. умноженная на квадрат отношения
витков, равный 400 : 1. Предположим, что цепь анода (или что является источником для первички)
эквивалентна 2 кОм. Величина взята как пример, нагрузочные линии лампы сообщат Вам истинное
значение. Трансформатор делает так, что 2 кОм выглядят как 5 Ом на вторичной — это 2000, поделенные
на квадрат отношения витков.
В целях разработки далее удобно думать о совершенном трансформаторе как о перемещении всего
«на одну и ту же сторону», если бы такая была. После этого станем думать о том, как дефекты
реального трансформатора влияют на его работу.
Наша нагрузка 20 Ом, как договорились. Если мы относим все к первичке, то это 8 кОм. Мы думаем о
первичной индуктивности, индуктивности рассеяния, емкости обмоток, оптимальном секционировании,
как управлять специальными выходными каскадами, обо всех этих вещах, приводя все к первичке.
Что это означает
Вернемся к рис. 2, повторенному на рис. 6 с некоторыми дополнениями. Дефекты реального
трансформатора помещают дополнительные эквивалентные «компоненты» в схему несколькими способами.
Сначала мы определим первичную индуктивность. Это ток, собственно и создающий передачу энергии из
первичной во вторичную обмотки, но взамен намагничивающий сердечник, и порождающий потери, он в
нашем совершенном трансформаторе отсутствует. Это похоже на шунтирующую индуктивность между
источником и нагрузкой.
Присутствие этого тока может иметь много эффектов, но пока мы будем думать о низкочастотном
склоне, а в другие проблемы, обусловленные намагничивающим током, вникнем позже. На отметке в -3 дБ
индуктивное сопротивление первичной обмотки равно параллельно соединенным сопротивлениям источника
и нагрузки.
Смотрите, что это означает! Пусть источник — 2 кОм, а нагрузка — 8 кОм, параллельное соединение
из тех двух рисунков дает 1,6 кОм — немного меньше источника. Индуктивность, имеющая на частоте
20 Гц сопротивление в 1,6 кОм, приблизительно равна 12,75 Гн.
Дополнительная осторожность при разработке
Теперь предположим, что тот же самый усилитель используется с пентодом или тетродом, который
по-прежнему работает на 8 кОм-ную нагрузку, но внутреннее сопротивление источника равно (снова те
нагрузочные линии) 100 кОм, что в параллель составит около 7,4 кОм, не намного меньше нагрузки.
Это означает, что переход на пентод или тетрод отодвинет точку -3 дБ у того же самого трансформатора
на 92,5 Гц, что, согласитесь, является совершенно различным в сравнении с триодом***.
Если высокочастотный склон обусловлен емкостью обмотки, то произошло бы то же самое ограничение.
20 кГц-овый спад (в первом случае) теперь опустился бы до 4,3 кГц****. Но если ВЧ-спад обусловлен
только индуктивностью рассеяния, то характеристика может оказаться более приличной. Как так? Мы
доберемся до поведения трансформатора на ВЧ позднее, а сейчас индуктивность рассеяния приводит к
спаду в 3 дБ, когда общее индуктивное сопротивление равняется последовательной сумме r и R, а не
параллельной. Первичная индуктивность уже не имеет никакого значения, так что мы убираем ее из
схемы (рис. 7). С 2 кОм-ным источником индуктивность рассеяния будет производить спад на 3 дБ,
когда ее индуктивное сопротивление составит 10 кОм.
Если это происходит на 20 кГц (для первого случая), то увеличение сопротивления источника до 100
кОм отодвинет спад, где индуктивность рассеяния имеет сопротивление в 108 кОм, к отметке в 3 дБ до
270 кГц! На практике все не так просто, потому что мы учитывали либо емкость обмотки, либо
индуктивность рассеяния, выступающую единственной причиной ВЧ спада, другую же вообще не принимали
во внимание. Все не так просто. Мы преуспеем в том и многом другом, но в следующий раз. Эффективность,
мощность, специальное секционирование для обеспечения хорошей характеристики передачи в таких режимах,
как класс -В и -АВ или ультралинейное включение — все взывает к дополнительной осторожности при
разработке.
Прежде чем закончить это первое введение, я хочу подготовить Вас к кое-чему: использование
более дорогостоящих способов в вашей работе — не всегда лучше. Меня спрашивали: «Лучше иметь
много секций обмотки или мало?» Иногда более простое расположение лучше, если оно сделано
правильно. Кроме того, трансформатор может выполнять специальные забавные функции (подобно
встроенному фильтру) который лучше чем тот, который вы использовали в ином случае.
* Магнитодвижущая сила (м. д. с.) или намагничивающая сила (н. с.), скалярная величина,
характеризующая намагничивающее действие электрического тока, проходящего по виткам катушки
с железным сердечником. Измеряется в амперах или ампер-витках. Если предположить отсутствие
тока в витках, тогда в идеализированной модели остается оперировать лишь импедансами. — Прим. ред.
«Вестника».
** Из элементарной арифметики: 20 V : 2,5 mA = 8000 Ом. — Прим. ред.
*** Частота в 92,5 Гц взялась из предположения, что трансформатор по первому примеру имеет
индуктивность первички 12,75 Гн. Вот этот-то трансформатор при работе с пентодом и даст точку
перегиба в НЧ диапазоне, равную f = 7,4 k / 2p . L = 92,5 Гц. — Прим. ред.
**** Из формулы, определяющей полюс интегрирующего звена (см. рис. 7) f=1/(2