Главная СЭП



их идентификации потребуется анализ сте-реопанорамы, ощущения „воздуха зала" и пр.

Лирическое отступление. Полупроводниковый диод или кенотрон?

Цифра хуже, чем аналог. Лампа лучше, чем транзистор.

Луша. Лошади кушают овес и сено. А Кенотрон - он и есть кенотрон! Чем полупроводниковый диод-то хуже?

К. К. Действительно. Если некоторым коллегам удалось-таки доказать, что вакуумный усилительный прибор имеет преимущество перед полупроводниковым, то сделать это применительно к выпрямительным приборам в СЭП, думаю, будет чуть труднее. Конечно, можно накидать с десяток формул, не забыв волшебное „нетрудно показать", и. в общем, в очередной раз убедить доверчивого читателя в превосходстве кенотрона над полупроводниковым диодом. Однако на этот раз начнем издалека...

Первые неплохие УНЧ, которые старшее поколение помнит по довоенным немецким приемникам", конечно, были ламповыми, а СЭП - кенотронными. Иначе и быть не могло - не селеновым же столбом выпрямлять сотню-другую вольт! Кстати, ламповый усилитель работал в классе А. Двухтактная (пуш-пульная) схема была изобретена позже. То есть усилитель потреблял ток почти постоянный, лишь на большой громкости становившийся пульсирующим. Величина L, устанавливаемая после выпрямителя, могла быть очень большой (см. рис. 7): ниже средневы-

Сеть

Рис. 7. СЭП на основе кенотрона

прямленного выходное напряжение упасть не может. Но теперь напряжение было постоянным, не зависящим ни от потребления в очень широких пределах, ни от пульсации. Ток дросселя Z, тоже был практически постоянным и замыкался то через один диод, то через второй". Кенотрон практически безынерционен,

" Они появились у нас после войны.

Это было так давно, что иногда мне кажется, что сам ..пуш-пул" (push-pool, сказочный зверь тянитол-кай) был изобретен позже.

" Расчет, который оказывается не таким уж простым, показывает, что величина дросселя должна быть достаточно большой, чтобы его ток не прерывался в течение отрезка времени, где напряжение на нагрузке будет больше, чем на выходе моста (участок АС. рис. 1): LxxRjf, где 0=0.1-0.12. Для мощного лампового усилителя это дроссель порядка сотен миллигенри иа единицы ампер. Заметим, что масса дросселя пропорциональна запасаемой энергии U/2 и составляет немвлую величину: около одного килограмма на джоуль. Любители посчитать заметят, что конденсатором запасать энергию легче. Появление непрерывного тока дросселя заставляет LC-компонемту работать как нормальный ФНЧ, что легко решает проблему пульсации при сравнительно малых величинах (-200-300 мкФ).

и между моментами включения - выключения диодов нет ни зазора, ни перехлеста. Теперь заменим кенотрон на два полупроводниковых диода. Высоковольтный полупроводниковый диод, да еще давнего образца - вещь не шустрая, и мгновенно он закрыться не может, так как в его базе накоплен заряд неравновесных носителей (это касается и всевозможных селеновых и меднозакисных вентилей, навсегда ушедших на радиосвалку). Этот заряд может рекомбинировать (на что нужно время) либо рассосаться, но при этом диод проводит и в обратном направлении, чего у кенотрона отродясь не бывало: электроны летят от катода к аноду. Вторичная обмотка трансформатора на короткое время окажется закороченной, и в обмотках будет протекать значительный по величине сквозной ток. К счастью, напряжение при этом невелико - в сети ведь синус, а не прямоугольник.

Многие пытаются объяснить преимущества кенотронного выпрямителя именно отсутствием сквозного тока Мы же проработаем другую версию. Тенденция к повышению выходной мощности УНЧ возникла давно и отнюдь не связана с high end. Просто понадобилось озвучить большие площади. Кто может, вспомните „Усилитель для сельского радиоузла". Важно, что ламповый усилитель стал двухтактным, работающим чаще всего в режиме АВ. Казалось бы, какие преимущества несет новое решение: возрос КПД. выходной трансформатор упростился, погасли вечно светящиеся в классе А аноды! Но ток потребления перестал быть почти постоянным: мы вынуждены уменьшить дроссель и вернуться к тому, с чего начинали, - к импульсам дозарядного тока С. Только вот форма этого тока в случае полупроводникового диода н кенотрона будет принципиально различной. Диод способен пропустить, по существу, любой ток; ток дозаряда емкости практически ничем, кроме выведенной нами формулы для и паразитных г и L, не ограничен. Вредоносные импульсы встают во весь рост, выходное напряжение СЭП сильно зависит от токо-потребления и паразитных параметров. Кенотрон - типичный ограничитель тока. Это лишь поначалу его вольт амперная характеристика идет вверх - величина тока не превысит ток эмиссии катода! Импульсы тока сглаживаются, расширяются, выходное напряжение СЭП заметно снижается и в какой-то ме-

" В пользу этой версии говорит следующий факт. Инерционность полупроводникового диода своеобразна. Пока рассасываются носители, он действительно проводит в обратном направлении, и через обмотку течет сквозной ток. Но как только носители исчезают (20-25 мкс для плохих диодов и 100-200 для очень плохих), диод запирается почти мгновенно, буквально „с хлопком". Току, накопленному в индуктивности рассеивания трансформатора, некула при этом деться. Это приводит к возникновению дополнительной помехи, нмсино она способна попортить звук,

Действительно, из институтского курса электронных приборов известно, что напряжение на дноде пропорционально логарифму протекающего тока, то есть мало меняется с ростом последнего.

ре стабилизируется, меняясь вместе с током потребления по иному закону (см. рис. 8 и 9).

и,1 V


Рис. 8. „Неострые" импульсы тока кенотронной ОП (L„ не велико)

диод

кенотрон

кенотрон

Рис. 9. Снижение выходного напряжения СЭП с ростом тока нагрузки

Расширяется диапазон токов потребления, при которых напряжение питания усилителя изменяется в узких пределах.

В большинстве двухтактных ламповых усилителей легко удается обеспечить режим, при котором „молчащий" усилитель уже потребляет некоторый ток (рис. 9). величина которого обеспечивает требуемые условия работы кенотронного выпрямителя. С диодами этого достичь почти невозможно.

Итак, кенотрон действительно обладает преимуществами: стабильное питание и отсутствие импульсной помехи - весомый довод в пользу качества звука". Вот, похоже, и все.

Как работает трансформатор?

Луша. Вот как ты, К. К., думаешь: почитает читатель наши россказни о кенотронах, трансформаторах, выпрямителях - и прямиком побежит в магазин покупать аппаратуру? Или по-новому взглянет на имеющийся комплект, отыскав в нем скрытые доселе способности к выявлению музыкальных событий? Или вооружится паяльником и влезет под крышку аппарата?

К. К. Такая уж жизнь у нас пошла нынче, что слушать музыку, не задумываясь о технике, можно только в филармонии. А имеющий дома хоть какой-то hi-fi вынужден откуда-то черпать эти самые знания. Так пусть уж лучше из первых рук, а не от продавца в магазине.

По большому счету все трансформаторы одинаковые - каждый содержит провод и магнитопровод. Одна обмотка провода включена в электросеть, протекающий по ней ток создает переменное магнитное поле в магнитопроводе. А это поле возбуждает ЭДС во второй обмотке, так что при замыкании обмотки нагрузочной цепью в ней потечет ток. Это всем известно еще со школы, однако для анализа звуковых свойств трансформатора потребуется более тесное знакомство с основами его работы.

" Наша с К. К. задача - указать на возможные последствия изменения режима электропитания. В чем конкретно это проявляется в УНЧ, думаю, напишет М. А. (Сергеев).



Сеть 220 В


Начнем с режима холостого хода: пусть вторичная обмотка ни к чему не подключена.

/ магнитопровод

с ни к чему не С подключено

. Г""

провод провод

Рис. 10. Режим холостого хода трансформатора

Ясно, что, вставив вилку в розетку, мы должны быть уверены в отсутствии последствий. Иначе говоря, ток холостого хода должен быть чем-то ограничен. Я бы сказал даже больше: он должен быть мал, в идеальном случае - пренебрежимо мал, ведь к полезному току в нагрузке он не имеет никакого отношения. Это приводит к необходимости намотать на магнитопровод достаточно большое число витков первичной обмотки: чем больше витков, тем больше индуктивность L и сопротивление 2nfL холостого хода и тем меньше ток. Представим это в виде формулы;

где /=50 Гц, ш - число витков первичной обмотки, Y- коэффициент, зависящий от устройства магнитопровода, о котором самое время поговорить.

Оказывается, что все великое множество разновидностей магнитопроводов можно свести к двум типам:

1) магнитопровод в виде тора (бублика), обмотка намотана на магнитопровод (см. рис. Иа); назовем его магнитопроводом первого (I) типа;

2) обмотка в виде тора, магнитопровод „охватывает" обмотку (см. рис. 116); назовем его магнитопроводом второго (II) типа.

Между ними нет принципиальной разницы. В обоих случаях важно одно: трансформатор определенных размеров может передать ограниченную мощность.




Рис. 11. а) Магнитопровод I типа, 6) магнитопровод II типа

Попробуем разобраться в этом подробнее. Намотав на магнитопровод w витков, мы получим ток 1=и/2nfjw (выбор конкретного магнитопровода равнозначен заданию постоянной у), а также магнитное поле в магнитопроводе H=lw=U/iir/fw, соответствующее режиму холостого хода (р - тоже некоторая константа). Смысл последней формулы очевиден: так как магнитное поле Н должно быть малым (иначе сердечник „намагнитится", а точнее, „насытится"), то число витков W должно быть большим:

Радиолюбители со стажем знают, что еще в тридцатые годы справочники рекомендовали брать по 45 витков первичной обмотки на каждый вольт (а их 220!) при площади сечения магнитопровода 5=1 см-!

Такое количество витков займет на магнитопроводе довольно много места, иначе говоря, частично заполнит окно магнитопровода (в случае тороидального магнитопровода, например, окно представляет собой дырку от бублика (рис.На)). „Частично", потому что место нужно еще и для вторичной обмотки. Понятно, что при заданных размерах „окна" придется взять провод определенного сечения: не толще - иначе не влезет, и не тоньше - останется часть дырки, а это обидно.

Итак, число витков есть, сечение известно, значит, и сопротивление обмотки л, найти не проблема. Перейдем от режима холостого хода к рабочему режиму. Теперь во вторичной обмотке течет рабочий ток Естественно, что в токе первичной обмотки появится составляющая 1р=1р2П. где n=wj гг) - коэффициент трансформации. Заметим, что и i, создают близкие по величине (в идеальном случае - равные) и разнонаправленные магнитные поля: поле в сердечнике работающего трансформатора не отличается, таким образом, от поля на холостом ходу. Но самое важное - это то, что появятся потери энергии. В первичной обмотке выделится мощность:

Аналогично во вторичной обмотке:

Не отстанет и перемагничиваемый с частотой 50 Гц сердечник - в нем даже на холостом ходу выделится мощность Р. Суммарная выделяемая мощность Р, с одной стороны, при заданной конструкции будет однозначно связана с перегревом трансформатора (ДГ, разница между температурой трансформатора и температурой окружающего воздуха). С другой стороны, эта мощность однозначно связывается с передаваемой трансформатором мощностью Р=1.2 иВот и все: Р и ДГоказываются связанными известным соотношением. Большей передаваемой мощности будет соответствовать больший перегрев.

Главный вывод: выбор конструкции трансформатора (включая материал сердечника, обмоток, изоляции) и его размеров при заданных режиме охлаждения и величине перегрева однозначно определяет передаваемую мощ-


Всевозможные тороидальные сердечники, отнесенные нами к I типу. Поражает разнообразие ферромагериалов: пермаллой металлический и порошковый, феррит, альсифер


Типичный представитель сердечников II типа. Ш-образный сердечник относится к тому же типу - правда, чтобы это понять, требуется немного фантазии


Так и хочется намотать на такую штуку пару обмоток


Замечательный представитель семейства тороидальных трансформаторов. При массе 7 кг он отдает 500 Вт мощности



ность. Чем лучше трансформатор, тем большую (при прочих равных) мощность он передает. Хочешь передать большую мощность - либо увеличивай размеры трансформатора, либо улучшай конструкцию (а это дорого), либо усиливай охлаждение. Чудес не бывает. Кстати, трансформатор оказался наиболее „консервативным" звеном СЭП: если за последние 40 лет удельный габарит, скажем, электролитических конденсаторов снизился в десятки и даже сотни раз, то трансформаторы похудели от силы вдвое-втрое, да и то лишь самые лучшие.

Последствия

Луша, А теперь о звуке!

К. к. Пожалуйста. Только надо иметь в виду, что непосредственное влияние на звук, причем самостоятельное, трансформатор оказывает, когда...

Луша. Гудит! Это я поняла. А во всех остальных случаях, наверное, его надо рассматривать в комплексе с прочими узлами СЭП и усилителя.

К. К. Посмотрим. Не так давно мы потребовали, чтобы магнитное поле в сердечнике было малым. Большое магнитное поле насытит магнитный материал, после чего трансформатор перестанет соответствовать своему назначению. Током в 50 Гц большого поля не создать - на эту частоту трансформатор рассчитан. А вот если частоту взять пониже...

Луша. Где ж у нас в розетке другую частоту сыскать? Разве что 49.

К. К. Искать надо не в розетке, а в непостоянстве токопотребления УНЧ, особенно работающих в классе В, столь любимом всеми транзисторными усилителями. Итак, при постоянном потреблении ток вторичной обмотки постоянен по амплитуде. Но когда появляется усиливаемый сигнал, этот ток оказывается промодулирован по амплитуде. В качестве модулирующего воздействия выступает отфильтрованный (фильтр CRJ модуль тока АС, - понять это несложно.

Луша. Студент первого курса нарисовал бы вот такую картинку (см. рис. 12):

* Амплитуды

спектральных

составляющих

----

50Гц Частота

Рис. 1Z. Спектр тока потребления во вторичной обнотке Спектр сигнала с амплитудной модуляцией состоит из несущей (50 Гц) и боковых частот, которые, как известно, как справа, так и слева. Что касается „справа" - это не беда. А вот к „слева" трансформатор отнесется крайне настороженно.

К. К. Кстати, уважаемый читатель, заме-

Конечно, он не синусоидальный, а импульсный, как мы только что договорились. Но сейчас, как это принято в физике, мы рассмотрим процесс „по первой гармонике". Суть при этом не меняется, а математика упрощается.

чал ли ты, что иногда в усилителе вылетают предохранители? Иной раз погромче включишь - и ничего, а иногда даже при малом уровне раз - и вылетел. Вставишь предохранитель - все нормально, а дойдет дело опять до того самого коварного фрагмента - и все повторится опять.

Луша. Кто не замечал, может проделать весьма показательный опыт. Возьмите чужой усилитель и на частоте 25 Гц дайте громкости побольше!

К. К. Если величина фильтра Сй недостаточна, что-нибудь сгорит обязательно. Даже если ее достаточно, „подмагничиваемый" трансформатор уже не орел! (См. рис. 13.)

Амплитуды

спектральных

составляющих

50Гц 100Гц Частота

Рис. 13. Спектр тока вторичной обмотки при усилении сигнала 25 Гц. Получен в результате амплитудной модуляции несущей с частотой 50 Гц сигналом, частота основной гармоники которого вдвое выше, чем у тока нагрузки. Имеется постоянная составляющая во вторичной обмотке трансформатора

Самое обидное, что лучшие трансформаторы, тороидальные например, наименее стойки к подмагничиванию.

Луша. Оно и понятно: идеальный трансформатор вообше нестоек - в силу своей идеальности.

К. К. А слушатель отмечает что-то вроде: „пропала глубина и артикуляция баса"; „звучание натуральных инструментов на фоне глубокого баса теряет естественность" и т. п. Между прочим, поэтому (хотя и не только поэтому) измерительные диски делают так, чтобы 25 Гц и около там вообще не встречалось.

Постоянное подмагничивание -далеко не единственный враг трансформатора. Мы уже отмечали, что мощные импульсы подзаряда конденсатора резко осложняют его жизнь. Про потери и подсадку напряжения мы уже говорили, теперь разберемся с одним из следствий неидеальности трансформатора.

Как-то мы заметили, что рабочие магнитные поля первичной и вторичной обмоток почти равны и противоположны. Почти, но не равны. Это следствие неполной магнитной связи обмоток. Другое следствие - реально существующая паразитная L, третье - наличие внешнего магнитного поля трансформатора. Так вот, оказывается, что до поры до времени, пока импульсы / имеют терпимую вели-чинy трансформатор выступает как „линейное" устройство: вдвое громче звук - вдвое больше внешнее магнитное поле. А затем все резко меняется, и далеко не в лучшую сторону. Трансформатор превращается в передат-

" Для какого-то трансформатора терпимы 500 А. а какому-то и 25 достаточно - умереть не умрет, но смеяться перестанет! Замечу кстати, что чем лучше трансформатор(чем меньше L), тем больше импульсы и тем ему больнее-


Своеобразный ферритовый „бинокль" - основа совершенных высокочастотных трансформаторов. Куда наматывать обмотку, разберется читатель


Типичный трансформатор на Ш-образном сердечнике II типа. Сделано добротно и не для „массовой" аппаратуры. Масса 13 кг, отдаваемая мощность 600 Вт


Типовой серийно выпускаемый трансформатор с магнитопроводом I типа типа (разрезное ленточное „железо")


Типовой серийно выпускаемый трансформатор с магнитопроводом Птипа (разрезное ленточное „железо")



0 [1] 2 3 4


0.0198