PDFDrukujEmail

TRANSFORMATORY AUDIO

Technika transformatorowa w urządzeniach audio odchodzi w zapomnienie. Jedyna pozostała gałąź to wzmacniacze i procesory lampowe. Przyczyną eliminacji transformatorów z toru sygnałowego są w głównej mierze wprowadzane zniekształcenia sygnału, wysoki koszt wykonania, często kłopotliwe duże wymiary i waga, nie wspominając o problemach z wyeliminowaniem wpływu zakłóceń oraz wzbudzeń. W dobie półprzewodników i cyfrowego przetwarzania sygnałów, rola transformatora została bezpowrotnie zepchnięta na margines.

Pierwotnie transformator w technice audio wykorzystywany był w celu dopasowania impedancji, zapewnienia izolacji galwanicznej pomiędzy źródłem i odbiornikiem sygnału, symetryzacji lub odwrócenia/przesunięcia fazy sygnału. Obecne były w każdym wzmacniaczu i mikserze sygnałowym, znacząco wpływając na wagę i cenę tych urządzeń. W czasach obecnych transformator spotkamy w obwodach końcówki mocy lampowego wzmacniacza gitarowego, gdzie pełni rolę przekładnika wysokiej impedancji lamp elektronowych (kilka kilkadziesiąt kOhm) do niskiej impedancji odciążającego głośnika/kolumny (pojedyncze Ohm).

Kolejnym miejscem gdzie transformator nie dał się „wyrugować” jest „Dibox”, czyli urządzenia pozwalające na odseparowanie galwaniczne i dopasowanie źródła sygnału i odbiornika. W procesorach sygnałowych z górnej półki gdzie główną miarą jest jakość a nie koszt, spotkamy go w obwodach wejściowych i wyjściowych. Nie zastąpiony jest również w klasycznych aplikacjach mikrofonowych zapewniając dopasowanie impedancyjne, wykorzystanie zasilania phantom oraz separację galwaniczna. Podstawowe parametry każdego transformatora to indukcyjność uzwojeń oraz przekładnia, a także oporność uzwojeń dla prądu stałego. Najczęściej spotykane wartości parametrów dla transformatorów mikrofonowych i liowych zestawione są w tabeli poniżej.

Indukcyjność uzwojeń Przenoszony poziom sygnału Pasmo przenoszenia Impedancja źródła Impedancja obciążenia Przekładnia Rezystancja uzwojeń
0,1 do 150 Henr  -20 do +15dBu   20 do 35000 HZ  200 lub 600 Ohm dla transformatorów mikrofonowych; 2200 do 10000 Ohm dla transformatorów liniowych 200 lub 600 Ohm dla transformatorów mikrofonowych; 2200 do 10000 Ohm dla transformatorów liniowych   1:1, 1:3, 1:4, 1:10  50 do 1000 Ohm

Pierwszy z parametrów odpowiada za szerokość przenoszonego pasma od dołu, im większa indukcyjność, tym niższą częstotliwość przeniesie transformator bez zniekształceń i tłumienia. Indukcyjność jest określana według definicji :

(źródło: Wikipedia)

Indukcyjność określa zdolność obwodu do wytwarzania strumienia pola magnetycznego Φ powstającego w wyniku przepływu przez obwód prądu elektrycznego I. Oznaczana jest symbolem L. Jednostką indukcyjności jest henr (H). Ze strumieniem indukcji magnetycznej Φ i natężeniem prądu I związana jest wzorem

 

Każda zmiana strumienia obejmowanego przez obwód, także tego wytworzonego przez ten obwód, wywołuje powstanie siły elektromotorycznej indukcji

 

Tę właściwość obwodów nazywa się samoindukcją. Zatem indukcyjność ma wpływ na wartość siły elektromotorycznej indukcji.

Indukcyjność w obecności ferromagnetyków

Obecność ferromagnetyka w otoczeniu przewodnika z prądem powoduje nieliniowe złożone zmiany przenikalności magnetycznej. Zmiana natężenia prądu powoduje zmianę natężenia pola magnetycznego, co z kolei powoduje zmianę przenikalności magnetycznej. Oznacza to, że indukcyjność przewodnika z prądem jest wówczas funkcją natężenia prądu płynącego w tym przewodniku

 Zależność siły elektromotorycznej indukcji od zmian natężenia prądu przybiera postać

lub

Jak widać z przytoczonych definicji, indukcyjność nie jest parametrem o stałej wartości liczbowej. Jej wartość zależy od szybkości zmian strumienia (częstotliwość) oraz prądu płynącego w obwodzie (amplituda sygnału). W zależności od warunków pomiaru, wartość indukcyjności dla mierzonego transformatora może znajdować się w szerokich granicach. Producenci mogą dokonywać pomiarów w różnych punktach, podając wartość liczbową indukcyjności bez wskazania warunków układu pomiarowego. Jest to powodem wielu nieścisłości. Wartości indukcyjności uzwojeń często zastępuje się pasmem w którym transformator zapewnia przenoszenie sygnału z odchyłem +/- 3dBu (często +/- 5dBu, aby zakres częstotliwości sztucznie rozszerzyć), przy określonej amplitudzie sygnału. Poszukiwanie danych o przesunięciach fazowych sygnału w funkcji częstotliwości często kończy się niepowodzeniem. Ewentualnie producent „w swej łaskawości” podaje dedykowane wartości impedancji obciążenia i źródła, pasmo przenoszenia, maksymalny poziom sygnału nie powodujący zniekształceń powyżej określonej wartości, rezystancję uzwojeń oraz przekładnię. Podane parametry i ich wartości często nie pozwalają na jednoznaczne określenie czy dany transformator będzie pracował poprawnie w naszej aplikacji, a częściej wartości są znacznie „wyidealizowane” doprowadzając do błędów konstrukcyjnych lub niewłaściwego funkcjonowania urządzeń.

Kolejnym parametrem jest maksymalny poziom sygnału. Wartość jest wyrażana w woltach lub decybelach. Określa ona jakiej amplitudy sygnał może przenieść transformator bez wprowadzania zniekształceń powyżej określonej wartości (zazwyczaj 1%). W tym miejscu znowu pojawia się zestaw pułapek związanych z warunkami pomiaru i wartościami granicznymi oraz interpretacją wartości. Dobrym zwyczajem jest podawanie maksymalnej wielkości w całym paśmie w którym pracuje urządzenie przy zachowaniu odchyłu +/- 3dBu. Wartość ta jest bardzo często mierzona tylko dla częstotliwości 1kHz, nie wnosząc żadnej informacji o dopuszczalnej amplitudzie dla wszystkich częstotliwości poniżej, w obszarze gdzie często pojawiają się problemy znacząco wpływające na zawartość zniekształceń intermodulacyjnych i harmonicznych oraz pasma powyżej które może być ograniczane amplitudowo lub przesuwane w fazie.

Pasmo przenoszenia podawane jest w postaci „od do”. Wydaje się, że jest to informacja bardzo jednoznaczna. Ze względu na kolejny zestaw możliwości na poprawienie wartości przez producenta. Możemy zetknąć się z „poprawianiem” tego parametru przez wykonywanie pomiarów z inną wartością impedancji źródła i odbiornika, ewentualnie obniżenie amplitudy sygnału poniżej deklarowanej wartości maksymalnej. Spotyka się poglądy, że transformator przenosi konkretne pasmo i nic poza tym, jest błędne podejście owocujące często przykrymi niespodziankami w postaci zniekształceń itp. Podane wartości wskazują zakres częstotliwości w którym sygnał o określonej amplitudzie jest poprawnie przenoszony. Częstotliwości poza tym zakresem również są przenoszone, z tą różnicą, że mogą one ulegać osłabieniu, podbiciu lub zniekształceniu.

Impedancja źródła i obciążenia są wielkościami informującymi jaka powinna być nominalna wartość tych parametrów pozwalająca na poprawną pracę transformatora. Spotyka się dwa podejścia do tych wartości. Pierwsze to rygorystyczne i bezwzględne przestrzeganie zalecanych wartości. Nie zawsze jest możliwe ich zachowanie lub wymuszenie w układzie, a dany transformator z inną konfiguracją impedancji źródła i obciążenia może mieć inną charakterystykę. Drugie podejście to zapewnienie impedancji źródła poniżej wartości maksymalnej i obciążenia powyżej minimalnej, ewentualnie zachowanie odpowiedniej proporcji. Powoduje to, że transformator ma lepsze warunki pracy niż znamionowe, możliwy zysk to rozszerzenie pasma i dopuszczalnej amplitudy poza wartości deklarowane przez producenta, nie wspominając o ograniczeniu zniekształceń. Tak więc transformator o przekładni 1:1 i nominalnym stosunku impedancji źródła do obciążenia 200/200 Ohm może z powodzeniem pracować w konfiguracji 200/200, 200/2k2, 200/10k, 200/50k, powinien również pracować właściwie w konfiguracji 600/600, 600/2k2, 600/10k, 600/50k. Problemy mogą się pojawić w chwili gdy konfiguracja przyjmie wartości 600/200, 2k2/200, 10k/200 itp. W tej sytuacji w najlepszym wypadku będziemy mieli do czynienia z spadkiem amplitudy w najgorszym dodatkowo pojawią się zniekształcenia. W wypadku chęci zastosowania transformatora 1:1 200/200 w miejsce 1:1 600/600, prawdopodobieństwo poprawnej pracy jest bardzo duże. Zastosowanie transformatora 1:1 600/600 w miejsce 1:1 200/200 jest z reguły przyczyną problemów z amplitudą i zniekształceniami.

Przekładnia w transformatorach wyraża stosunek liczby zwojów poszczególnych uzwojeń. Przekładnia wykorzystywana jest do zmiany poziomu napięć. Pozwala to na zachowanie dopasowania impedancyjnego źródła do odbiornika. Zmiana impedancji jest wprost proporcjonalna do kwadratu przekładni. Standardowe wartości dla transformatorów mikrofonowych to 1:1, 1:3, 1:4, 1:10. Odpowiada to zmianie impedancji 1:1 – brak zmian, 1:3 – dziewięciokrotne zwiększenie impedancji wyjściowej, 1:4 – szesnastokrotne zwiększenie impedancji wyjściowej, 1:10 – stukrotne zwiększenie impedancji wyjściowej. Jeżeli nasza nominalna wielkość impedancji wejściowej wynosi 200 Ohm to mamy do czynienia z sytuacją w której impedancja obciążenia nie może być mniejsza niż 1:1 – 200 Ohm, 1:3 – 1800 Ohm, 1:4 – 3200 Ohm, 1:10 – 20000 Ohm. Przytoczone wcześniej możliwości pracy transformatora 200/200 przy innych obciążeniach, są poprawne, lecz nie wykorzystują w pełni możliwości jakie daje transformator. W wypadku źródła 200 Ohm jakim jest mikrofon, zachowując dopasowanie impedancyjne możemy zyskać na amplitudzie sygnału, zmniejszyć tym samym ilość szumów w sygnale końcowym. Przykład to współpraca mikrofonu 200 Ohm z wysoko impedancyjnym wejściem przedwzmacniacza. Stosunek impedancji 200/4k7 pozwala na wykorzystanie transformatora 1:4 i zysk amplitudy sygnału 12dBu bez używania dodatkowego wzmocnienia. Większa dysproporcja na poziomie 200/50k pozwala na zastosowanie przekładni 1:10 i zysk na poziomie 20 dBu. Nic nie stoi na przeszkodzie aby zastosować transformator o mniejszej przekładni lub nawet 1:1. Sygnał, aby osiągnąć wartość użyteczną będzie musiał jednak zostać dodatkowo wzmocniony i tym samym wzbogacony o dodatkowe szumy wzmacniacza.

Rezystancja uzwojeń transformatora jest często pomijana. Jej wartość ma jednak znaczenie dla prawidłowego funkcjonowania urządzenia. Spotykane wartości zawierają się w przedziale od 50 do 1000 Ohm. Generalną zasadą jest, aby wartość była jak najmniejsza. Indukcyjność uzwojenia stanowi opór dla przebiegów zmiennych, rezystancja stanowi opór dla prądu stałego. Ponieważ rozpatrujemy sygnał jako przebieg zmienny tj. bez składowej stałej, wydaje się, że rezystancję szeregową uzwojenia można pominąć. Dla uzwojenia ważne jest aby impedancja dla poszczególnych składowych była większa od rezystancji, która z impedancją źródła lub odbiornika może stworzyć najzwyklejszy dzielnik, wprowadzający obniżenie amplitudy określonych częstotliwości (odfiltrowanie niektórych składowych sygnału). Tak więc standardowy miniaturowy transformator mikrofonowy 200/200 będzie miał rezystancję uzwojeń 50 do 100Ohm. Pożądane jest baby ta rezystancja była na poziomie nie wyższym niż 10% wartości impedancji. Konstrukcyjnie przyniosło by to wzrost masy i wymiarów transformatora do znacznych wartości lub konieczność zastosowania specjalnych materiałów do budowy rdzenia . Kompromisem pomiędzy wagą wymiarami, ceną i pasmem przenoszenie jest stosowanie możliwie małego rdzenia zapewniającego wystarczającą indukcyjność uzwojeń, w takiej sytuacji nie udaje się jednak uniknąć wzrostu rezystancji uzwojeń do wartości w wspominanym wcześniej przedziale od 50 do 100 Ohm.

Wspomniane na wstępie transformatory stopnia wyjściowego wzmacniacza lampowego stanowią nieco odmienne zagadnie w stosunku do transformatorów mikrofonowych i liniowych. Podstawowa różnica to fakt, że przenoszą one nieporównywalnie większe moce, sięgające setek, a nawet pojedynczych kilowatów. Transformatory mikrofonowe i liniowe w porównaniu z wyjściowymi stopni wzmacniacza, praktycznie nie przenoszą mocy, bo dla sygnału o amplitudzie 1V na obciążeniu 200 Ohm zostanie przeniesiona moc rzędu P = U * U / R = 1 / 200 = 0,005 W. Jak widać różnica to kilka rzędów wielkości. Zestaw parametrów opisujących właściwości transformatora głośnikowego jest bardzo podobny do tego który był omawiany w wypadku rozwiązań mikrofonowych i liniowych. Ze względu na mnogość spotykanych rozwiązań w poniższej tabeli przedstawione są tylko wybrane najbardziej standardowe wartości.

Moc Indukcyjność uzwojeń Pasmo przenoszenia Impedancja źródła Impedancja obciążenia Przekładnia Rezystancja uzwojeń
 0,1 do 1kW  do 20 Henr  40 do 18000 HZ  Zależy od trybu pracy, rodzaju i ilości lamp 1 do 22kOhm  4, 6, 8, 16 lub 70V, 100V  1:10, 1:40  0,1 do 500Ohm

Praca ze znacznym obciążeniem dla zachowania zakładanych parametrów wprowadza konieczność stosowania odpowiednich rozwiązań konstrukcyjnych. Ze względu na złożoność zagadnienia, dalsze szczegóły związane z konstrukcją, stosowaniem i użytkowaniem transformatorów wyjściowych zostaną pominięte, aby nie zwiększać objętości tego opracowania.

 
Copyright © 2014 Kable i złącza. Wszelkie prawa zastrzeżone.
Joomla! jest wolnym oprogramowaniem dostępnym na licencji GNU GPL.