Трансформаторы для УМЗЧ

Одной из самых популярных радиолюбительских конструкций являются усилители мощности звуковой частоты УМЗЧ. Для качественного прослушивания музыкальных программ в домашних условиях чаще всего используются достаточно мощные, 25…50Вт/канал, как правило, стереофонические усилители.

Столь большая мощность нужна вовсе не для того, чтобы получить очень большую громкость: усилитель, работающий вполовину мощности, позволяет получить более чистое звучание, искажения в таком режиме, а они есть даже у самого лучшего УМЗЧ, практически незаметны.

Хороший мощный УМЗЧ собрать и наладить достаточно сложно, но это утверждение справедливо, если усилитель собирается из дискретных деталей, – транзисторов, резисторов, конденсаторов, диодов, может быть, даже операционных усилителей. Такая конструкция под силу достаточно квалифицированному радиолюбителю, который уже собрал не один и не два усилителя, спалив на первых опытах не один килограмм мощных выходных транзисторов.

Современная схемотехника позволяет избежать таких материальных, а главное, моральных затрат. Чтобы собрать достаточно мощный и качественный УМЗЧ, можно купить одну–две микросхемы, добавить к ним несколько пассивных деталей, спаять все это на небольшой печатной плате, и, пожалуйста, перед Вами УМЗЧ, который заработает сразу же после включения.

Качество воспроизведения будет весьма неплохим. «Лампового» звука получить, конечно, не удастся, но многие фирменные, а, тем более, китайские усилители, останутся позади. Ярким примером такого решения проблемы высококачественного звучания можно считать микросхему TDA7294.

Двухполярное напряжение питания микросхемы имеет очень большой диапазон ±10…±40В, что позволяет получить от микросхемы мощность свыше 50Вт на нагрузке 4Ω. Если такая мощность не требуется, достаточно просто несколько понизить питающее напряжение. Выходной каскад усилителя выполнен на полевых транзисторах, что обеспечивает хорошее качество звука.

Вывести микросхему из строя очень непросто. Выходной каскад имеет защиту от КЗ, кроме того имеется также тепловая защита. Микросхема, как усилитель, работает в классе AB, коэффициент полезного действия которого 66%. Поэтому, для того, чтобы получить выходную мощность 50Вт, потребуется источник питания мощностью 50/0,66=75,757Вт.

Собранный усилитель устанавливается на радиатор. Для уменьшения габаритов радиатора совсем неплохо, чтобы тепло от радиатора отводилось вентилятором. Для этих целей вполне подойдет небольшой компьютерный кулер, например, от видеокарт. Конструкция усилителя показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Усилитель на микросхеме TDA7294

Здесь следует отметить небольшую особенность микросхемы TDA7294. У всех подобных мощных микросхем задняя металлическая спинка с отверстием для крепления к радиатору соединена с общим проводом схемы. Это позволяет закреплять микросхему на металлическом корпусе усилителя без изолирующей прокладки.

У микросхемы TDA7294 эта крепежная деталь электрически соединена с выводом отрицательного полюса источника питания, вывод 15. Поэтому, изолирующая прокладка с теплопроводной пастой КПТ-8, просто необходима. Еще лучше, если микросхема устанавливается на радиатор вообще без прокладки, только с теплопроводной пастой, а сам радиатор изолируется от корпуса (общего провода) усилителя.

Рисунок 2. Типовая схема включения TDA7294

Об усилителях на микросхеме TDA7294 можно рассказывать очень много, и те несколько строчек, что были написаны выше, вовсе не претендуют на полноту информации. Данный усилитель упоминается лишь для того, чтобы показать, какой мощности может понадобиться трансформатор, как определить его параметры, ведь статья-то называется «Трансформаторы для УМЗЧ».

Часто бывает, что создание конструкции начинается с создания макетных экземпляров, питание которых производится от лабораторного блока питания. Если схема оказалась удачной, то начинаются выполняться все остальные «плотницкие» работы: изготавливается корпус или используется подходящий от подобного промышленного устройства. На этой же стадии изготавливается блок питания и выбирается подходящий трансформатор.

Так какой нужен трансформатор?

Чуть выше было рассчитано, что мощность источника питания должна быть не менее 75 ватт, и это лишь для одного канала. Но где сейчас можно встретить монофонический усилитель? Теперь это, как минимум, двухканальный аппарат. Поэтому для стереофонического варианта потребуется трансформатор мощностью не менее ста пятидесяти ватт. На самом деле это не совсем так.

Такая большая мощность может потребоваться лишь в том случае, если будет усиливаться синусоидальный сигнал: вот просто подали на вход синусоиду и сидим, слушаем. Но долго слушать однообразное заунывное гудение, вряд ли доставит удовольствие. Поэтому нормальные люди чаще слушают музыку или смотрят фильмы со звуком. Вот тут и сказывается отличие музыкального сигнала от чистой синусоиды.

Реальный музыкальный сигнал синусоидой не является, а представляет собой сочетание больших кратковременных пиков и долговременных сигналов небольшой мощности, поэтому средняя мощность, потребляемая от источника питания, получается намного меньше.

Рисунок 3. Реальная мощность звукового сигнала. Средние уровни (желтая линия) синусоидального и реального звукового сигналов при одинаковых максимальных уровнях

Как рассчитать блок питания УМЗЧ

Методика расчета блока питания приводится в статье «Расчет блока питания для усилителя мощности», которую можно найти по ссылке,

http://www.interlavka.narod.ru/stats03/blok_pitaniy.htm Автор статьи Андрей Данилов.

В статье приводятся соображения по выбору параметров блока питания, там же можно скачать программу для расчета блока питания с учетом особенностей воспроизводимых музыкальных программ. Программа работает без установки в системе, достаточно просто распаковать архив. Результаты работы программы сохраняются в текстовом файле, который появляется в папке, где находится программа расчета. Скриншоты работы программы показаны на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Ввод данных в программу расчета

Расчеты выполнены для блока питания собранного по схеме, показанной на рисунке 5.

Рисунок 5. Блок питания УМЗЧ. Результаты расчета

Таким образом, для двухканального усилителя мощностью 50Вт с нагрузкой 4Ω потребуется трансформатор мощностью 55Вт. Вторичная обмотка со средней точкой с напряжениями 2*26,5В с током нагрузки 1А. Вот из таких соображений следует выбирать трансформатор для УМЗЧ.

Казалось бы, что трансформатор получился слабоват. Но, если внимательно почитать упомянутую чуть выше статью, то все становится на свои места: автор достаточно убедительно рассказывает, из каких критериев следует исходить при расчете блока питания УМЗЧ.

Тут можно сразу задать встречный вопрос: «А если мощность имеющегося под рукой трансформатора окажется больше, чем по расчету?». Да ничего страшного не произойдет, просто трансформатор будет работать вполсилы, не будет особо напрягаться и сильно греться. Естественно, что выходные напряжения трансформатора должны быть те же, что получились по расчету.

Габаритная мощность трансформатора

Совсем нетрудно заметить, что чем мощнее трансформатор, тем больше его размер и вес. И это нисколько не удивительно, ведь есть такое понятие, как габаритная мощность трансформатора. Другими словами, чем больше и тяжелее трансформатор, тем больше его мощность, тем больше мощность подключаемой к вторичной обмотке нагрузки.

Расчет габаритной мощности по формуле

Чтобы определить габаритную мощность трансформатора достаточно простой линейкой измерить геометрические размеры сердечника, а затем, с приемлемой точностью, рассчитать все по упрощенной формуле.

P = 1,3*Sc*So,

где P – габаритная мощность, Sc=a*b – площадь сердечника, So=c*h – площадь окна. Возможные типы сердечников показаны на рисунке 5. Сердечники, собранные по схеме ШЛ, называются броневыми, в то время, как сердечники ПЛ стержневыми.

Рисунок 6. Типы сердечников трансформаторов

В учебниках электротехники формула для расчета габаритной мощности имеет вид устрашающий, и куда более длинный. В упрощенной формуле приняты следующие условия, присущие большинству сетевых трансформаторов, просто некоторые усредненные значения.

Считается, что КПД трансформатора 0,9, частота сетевого напряжения 50Гц, плотность тока в обмотках 3,5А/мм2, магнитная индукция 1,2Тл. При этом коэффициент заполнения медью 0,4, а коэффициент заполнения сталью 0,9. Все эти величины как раз и входят в «настоящую» формулу для расчета габаритной мощности. Как и всякая другая упрощенная формула, эта формула может дать результат с ошибкой процентов в пятьдесят, такова расплата за упрощение расчета.

Здесь достаточно вспомнить хотя бы про КПД трансформатора: чем больше габаритная мощность, тем выше КПД. Так трансформаторы мощностью 10…20Вт имеют КПД 0,8, а трансформаторы 100…300Вт и выше имеют КПД 0,92…0,95. В таких же пределах могут изменяться и другие величины, входящие в «настоящую» формулу.

Формула, конечно, достаточно простая, но в справочниках существуют таблицы, где «все уже подсчитано до нас». Так не надо усложнять себе жизнь, и воспользоваться уже готовым продуктом.

Рисунок 7. Таблица для определения габаритной мощности трансформатора. Значения рассчитаны для частоты 50Гц

Третья цифра в маркировке сердечников ПЛ обозначает параметр h – высота окна, как показано на рисунке 6.

Кроме габаритной мощности, в таблице также имеется такой важный параметр, как число витков на вольт. Причем, наблюдается такая закономерность: чем больше размер сердечника, тем меньше число витков на вольт. Для первичной обмотки это число указано в предпоследней колонке таблицы. В последней колонке указано число витков на вольт для вторичных обмоток, которое несколько больше, чем в первичной обмотке.

Это различие связано с тем, что вторичная обмотка расположена дальше от сердечника (керна) трансформатора и находится в ослабленном магнитном поле, нежели первичная обмотка. Чтобы компенсировать это ослабление приходится несколько увеличивать количество витков вторичных обмоток. Здесь вступает в силу некоторый эмпирический коэффициент: если при токе во вторичной обмотке 0,2…0,5А число витков умножается на коэффициент 1,02, то для токов 2…4А коэффициент увеличивается до 1,06.

Как определить число витков на вольт

Многие формулы в электротехнике являются эмпирическими, полученными методом многочисленных опытов, а также проб и ошибок. Одной из таких формул является формула для расчета числа витков на вольт в первичной обмотке трансформатора. Формула достаточно проста:

ω = 44 / S

тут, вроде, все понятно и просто: ω – это искомое число витков/вольт, S – площадь сердечника в сантиметрах квадратных, а вот 44, – это, как утверждают некоторые авторы, постоянный коэффициент.

Другие авторы подставляют в эту формулу «постоянный коэффициент» 40 или даже 50. Так кто же прав, а кто нет?

Чтобы ответить на этот вопрос следует несколько преобразовать формулу, вместо «постоянного коэффициента» подставить букву, ну, хотя бы K.

ω = K/S,

Тогда вместо постоянного коэффициента получается переменная величина, или, как говорят программисты, переменная. Эта переменная может принимать различные значения, естественно, в каких-то пределах. Величина этой переменной зависит от конструкции сердечника и марки трансформаторной стали. Обычно переменная K находится в диапазоне 35…60. Меньшие значения этого коэффициента приводят к более жесткому режиму работы трансформатора, но облегчают намотку, за счет меньшего количества витков.

Если трансформатор предназначается для работы в высококачественной аудио аппаратуре, то K выбирают по возможности выше, как правило, 60. Это поможет избавиться от наводок с частотой сети идущих от силового трансформатора.

Теперь можно обратиться к таблице, показанной на рисунке 7. Там есть сердечник ШЛ32X64 с площадью 18,4 см2. В предпоследней колонке таблицы указано число витков на вольт для первичной обмотки. Для железа ШЛ32X64 это 1,8 витков/В. Чтобы узнать, какой величиной K руководствовались разработчики при расчете этого трансформатора, достаточно произвести несложный подсчет:

K=ω*S = 1,8*18,4 = 33,12

такой маленький коэффициент позволяет утверждать, что качество трансформаторного железа хорошее или просто стремились к экономии меди.

Да, таблица это хорошо. Если есть желание, время, сердечник и обмоточный провод, остается только засучить рукава и намотать требуемый трансформатор. Еще лучше, если есть возможность купить подходящий трансформатор или достать его из собственных «стратегических» запасов.

Трансформаторы промышленного изготовления

Когда-то советская промышленность выпускала целую серию малогабаритных трансформаторов: ТА, ТАН, ТН и ТПП. Эти аббревиатуры расшифровываются как, трансформатор анодный, анодно-накальный, накальный и трансформатор для питания полупроводниковой аппаратуры. Вот именно трансформатор марки ТПП может оказаться наиболее подходящим для рассматриваемого выше усилителя. Трансформаторы этой модели выпускаются мощностью 1,65…200Вт.

При расчетной мощности 55Вт вполне подойдет трансформатор ТПП-281-127/220-50 мощностью 72Вт. Из обозначения можно понять, что это трансформатор для питания полупроводниковой аппаратуры, порядковый номер разработки 281, напряжение первичной обмотки 127/220В, частота питающей сети 50Гц. Последний параметр достаточно важный, если учесть, что трансформаторы ТПП выпускаются также на частоту 400Гц.

Рисунок 8. Параметры трансформатора ТПП-281-127/220-50

Ток первичной обмотки указан для напряжений 127/220В. В таблице ниже указаны напряжения и токи вторичных обмоток, а также выводы трансформатора, на которые эти обмотки распаяны. Схема всего многообразия трансформаторов ТПП одна: все те же обмотки, все те же номера выводов. Вот только напряжения и токи обмоток для всех моделей трансформаторов разные, что позволяет подобрать трансформатор для любого случая.

На следующем рисунке показана электрическая схема трансформатора.

Рисунок 9. Электрическая схема трансформаторов ТПП

Для блока питания двухканального усилителя мощностью 50Вт, пример расчета которого был приведен чуть выше, потребуется трансформатор мощностью 55Вт. Вторичная обмотка со средней точкой с напряжениями 2*26,5В с током нагрузки 1А. Совершенно очевидно, что для получения таких напряжений, потребуется соединить синфазно обмотки 10 и 20В, и в противофазе обмотку 2,62В

10+20-2,62=27,38В,

что почти соответствует расчету. Таких обмоток получается две, которые соединяются последовательно в одну со средней точкой. Соединение обмоток показано на рисунке 10.

Рисунок 10. Соединение обмоток трансформатора ТПП-281-127/220-50

Первичные обмотки соединены в соответствии с технической документацией, хотя можно воспользоваться и другими отводами, что позволит точнее подобрать выходные напряжения.

Как соединить вторичные обмотки

Обмотки 11-12 и 17-18 соединены синфазно – конец предыдущей обмотки, с началом следующей (начало обмоток обозначается точкой). В результате получается одна обмотка с напряжением 30В, а по условиям задачи требуется 26,5. Чтобы приблизиться к этому значению, к обмоткам 11-12 и 17-18 в противофазе подключена обмотка 19-20. Это соединение показано синей линией, получается одна половина обмотки со средней точкой. Красной линией показано соединение другой половины обмотки, показанной на рисунке 5. Соединение точек 19 и 21 образует среднюю точку обмотки.

Последовательное и параллельное соединение обмоток

При последовательном соединении лучше всего, если допустимые токи обмоток равны, таким же будет и выходной ток для двух и более обмоток. Если ток одной из обмоток меньше, именно он будет выходным током полученной обмотки. Такое рассуждение хорошо, когда имеется принципиальная схема трансформатора: просто паяй перемычки и меряй что получилось. А если схемы нет? Об этом будет рассказано в следующей статье.

Допускается также параллельное соединение обмоток. Здесь требование такое: напряжение обмоток должно быть одинаковым, а соединение синфазным. В случае трансформатора ТПП-281-127/220-50 возможно соединить две 10-ти вольтовые обмотки (выводы 11-12, 13-14), две 20-ти вольтовые обмотки (выводы 15-16, 17-18), две обмотки по 2,62В (выводы 19-20, 21-22). Получится три обмотки с токами 2,2А. Соединение первичной обмотки выполнено в соответствии со справочными данными трансформатора.

Вот так хорошо все получается, если данные трансформатора известны. Одним из немаловажных параметров трансформатора является его цена, которая в немалой степени зависит от фантазии и наглости продавца.

Рассмотренный в качестве примера трансформатор ТПП-281-127/220-50 у разных продавцов интернете предлагается по цене 800…1440 рублей! Согласитесь, что это будет дороже самого усилителя. Выходом из такого положения может стать использование подходящего трансформатора добытого из старой бытовой аппаратуры, например, от ламповых телевизоров или старых ЭВМ.

Борис Аладышкин

Читайте также по этой теме: Как определить параметры неизвестного трансформатора