Trasformatore per applicazioni di amplificatori audio: una guida pratica alla selezione

Un amplificatore valvolare single-ended da 25 W che ronza a 100 Hz e si attenua sotto i 70 Hz di solito ha un circuito stampato sano. Il problema normalmente risiede nella componente magnetica: il trasformatore di potenza irradia un campo disperso nello stadio di ingresso e il trasformatore di uscita esaurisce l'induttanza primaria prima che arrivino le note basse. Entrambe le parti vengono ordinate nella stessa voce, ma vengono specificate in modi completamente diversi e la parte più economica è spesso quella che impone una riprogettazione.

Ecco la risposta breve. Per le applicazioni con amplificatori audio, specificare il trasformatore di potenza in base alla potenza VA, alla tensione secondaria a pieno carico, alla regolazione, all'aumento di temperatura e alla classe di isolamento. Specificare il trasformatore di uscita in base all'impedenza primaria, alla gestione della polarizzazione CC, al materiale del nucleo e all'induttanza di dispersione. Tutto il resto, dallo spessore della laminazione all'invasatura e alla schermatura, è un perfezionamento di questi articoli.

Due ruoli di trasformazione che sono spesso confusi

Un amplificatore può contenere entrambi i dispositivi e non sono intercambiabili.

Il trasformatore di alimentazione converte l'alimentazione di rete nella guida ad alta tensione, in genere da 250 a 500 V CC dopo la rettifica, oltre agli avvolgimenti del filamento a 5 V o 6,3 V. Funziona a 50 o 60 Hz ed è dimensionato in base al volt-ampere, all'aumento termico e alla classe di isolamento, e fornisce anche l'isolamento galvanico che mantiene il telaio sicuro al contatto.
Il trasformatore di uscita accoppia il circuito anodico di uno stadio di uscita a valvole ad un altoparlante da 4, 8 o 16 ohm. Converte un segnale ad alta tensione e bassa corrente in uno a bassa tensione e alta corrente e blocca la corrente anodica CC dalla bobina mobile.

I progetti a stato solido di solito richiedono solo il primo dispositivo, ma i trasformatori compaiono ancora nelle linee distribuite a 70 V e 100 V e nell'isolamento di linea. In ogni caso la logica delle specifiche è la stessa: adeguare prima il carico elettrico, quindi controllare il comportamento termico e magnetico.

Specifica del trasformatore di potenza

Potenza e tensione

Somma la potenza CC ad alta tensione e la potenza CA del filamento, quindi aggiungi un margine dal 20 al 30%. Un trasformatore che funziona continuamente secondo i valori nominali indicati sulla targa si affloscia e si surriscalda.
Tensioni secondarie statali a pieno carico, non a vuoto. Le piccole unità EI normalmente regolano dal 10 al 15%, quindi un avvolgimento a vuoto da 300 V può fornire 265 V una volta che l'amplificatore assorbe corrente.

Limiti termici e di sicurezza

Le classi di isolamento A (105 gradi C), B (130 gradi C) e F (155 gradi C) impostano la temperatura massima del punto caldo. Un'unità di classe B con aumento di 60 K si comporta in modo molto diverso in un armadio chiuso che all'aperto.
La rigidità dielettrica viene verificata con un test hipot, tipicamente da 1500 a 3750 V CA tra primario e secondario, a seconda dello standard di sicurezza applicato. Per gli apparecchi di tipo audio, radio e televisivo, i riferimenti abituali sono UL 1411 e IEC/EN 61558.
I nuclei toroidali assorbono un'elevata corrente di spunto, quindi prevedere un fusibile ad azione lenta o un dispositivo di limitazione dello spunto nel progetto.
Un trasformatore progettato per 60 Hz non dovrebbe essere utilizzato a 50 Hz con la stessa VA senza rischio di saturazione, poiché il flusso nel nucleo aumenta di circa il 20%. Ridurre il carico o specificare il nucleo più grande fin dall'inizio.

Adattamento dell'impedenza nello stadio di uscita

Il rapporto di impedenza è uguale al quadrato del rapporto spire. Un trasformatore da 5 kohm a 8 ohm ha quindi un rapporto di impedenza di 625:1 e un rapporto di spire di 25:1. L'impedenza primaria scelta cambia sia la potenza in uscita che la distorsione: 3,5 kohm solitamente fornisce più watt con una maggiore distorsione della seconda armonica, mentre 8 kohm funziona in modo più pulito ma più basso. Controlla il valore confrontandolo con la scheda tecnica della valvola e con la curva di impedenza reale dell'altoparlante, che scende e raggiunge picchi ben lontani dal suo valore nominale.

Single-Ended contro Push-Pull

Uno stadio single-ended trasporta la corrente anodica CC attraverso il primario, che spinge il nucleo verso la saturazione. Il nucleo deve essere distanziato e il divario riduce la permeabilità effettiva, quindi lo stack deve essere più grande per raggiungere la stessa induttanza primaria. Gli avvolgimenti push-pull trasportano correnti CC opposte; quando le due metà sono bilanciate il flusso netto è vicino allo zero, quindi non è necessario alcun intervallo e l'interlacciamento può essere utilizzato per una larghezza di banda più ampia.

Un obiettivo pratico è compreso tra 20 Hz e 20 kHz entro 1 dB a potenza moderata, con estensione a bassa frequenza impostata dall'induttanza primaria e dall'impedenza della sorgente del tubo di uscita.

Formato principale e stile di avvolgimento a confronto

Confronti tipici per trasformatori di amplificatori audio; la scelta giusta dipende dal circuito, non solo dal nome del core.
Attributo	EI laminato	Toroidale	C-Core
Utilizzo tipico	Potenza e servizio in uscita, uso generale	Trasformatori di potenza in chassis compatto	Uscita e potenza di alta qualità
Campo magnetico disperso	Più in alto, necessita di distanza o schermatura	Contenimento del campo basso e stretto	Moderato, inferiore a EI
Estensione a bassa frequenza	Buono con uno stack abbastanza grande	Buono, ma difficile da colmare	Bene, il divario è pratico
Gestione della polarizzazione DC	Il traferro d'aria tagliato nello stack, si adatta a un'estremità singola	Difficile, necessita di un nucleo separato o speciale	Spazio posizionato nel giunto C
Comportamento ad alta frequenza	L'interlacciamento riduce l'induttanza di dispersione	Bassa perdita, maggiore capacità	Bassa perdita con interleaving
Ronzio meccanico	Può ronzare se le laminazioni si allentano	Silenzioso quando in vaso, rumore di spunto all'avvio	Moderato, migliora se bloccato

Limiti di ronzio, rumore e larghezza di banda

Il ronzio meccanico deriva dalla magnetostrizione e dall'allentamento delle laminazioni. L'impregnazione della vernice sotto vuoto e i toroidi in vaso lo riducono, mentre il montaggio del trasformatore ad angolo retto rispetto al cablaggio di ingresso riduce l'accoppiamento induttivo negli stadi sensibili.
Uno schermo elettrostatico, normalmente una singola lamina di rame messa a terra tra il primario e il secondario, riduce l'accoppiamento del rumore di modo comune.
La risposta a bassa frequenza è impostata dall'induttanza primaria e dall'impedenza di pilotaggio. L'attenuazione delle alte frequenze è impostata dall'induttanza di dispersione e dalla capacità dell'avvolgimento. L'interlacciamento riduce l'induttanza di dispersione, ma più strati aggiungono capacità, quindi si tratta di un compromesso piuttosto che di un miglioramento gratuito.
Un trasformatore di isolamento 1:1 o 600:600 ohm interrompe un circuito di terra senza interrompere il percorso del segnale e converte allo stesso tempo una linea sbilanciata in una linea bilanciata.

Costruisci qualità e punti di test che prevedono i guasti sul campo

La maggior parte dei guasti dei trasformatori che raggiungono il cliente sono guasti di processo piuttosto che errori di progettazione e si manifestano in un numero limitato di punti.

Tensione dell'avvolgimento e isolamento degli strati. L'avvolgimento CNC con tensione costante previene lo scivolamento dello strato e riduce la variazione da unità a unità dell'induttanza di dispersione.
Creep e clearance. Il nastro marginale e la guaina determinano se la parte supera ancora il test di resistenza dopo mesi di cicli termici, non solo sul primo campione.
Impregnazione con vernice sotto vuoto, che fissa gli avvolgimenti, blocca l'ingresso di umidità e riduce il ronzio udibile.
Test di routine su ogni unità: rapporto spire, induttanza primaria, bilanciamento della resistenza CC, polarità, resistenza di isolamento e rigidità dielettrica, anziché controlli basati su soli campioni.

La nostra officina produce trasformatori elettronici dal 2010, con i tipi EI come linea principale insieme a design toroidali, di tipo C, medicali, audio, ad alta tensione, di controllo industriale e ad alta frequenza. Il materiale proviene da fornitori approvati secondo un sistema ISO 9001 e ogni trasformatore viene ispezionato e testato prima della spedizione. Puoi leggere di più su processo dalla progettazione alla consegna dietro questi trasformatori se desideri rivedere il flusso prima di effettuare un ordine.

Acquisto: avvolgimenti personalizzati o stock standard

I trasformatori standard raramente corrispondono a una specifica tensione del binario, altezza del telaio e standard di sicurezza allo stesso tempo, quindi l'avvolgimento personalizzato è il percorso normale per i costruttori di amplificatori.

Cosa inserire nella scheda tecnica

Tensione e frequenza primaria, inclusa la portata effettivamente prevista dalla presa a muro.
Ciascun secondario: tensione a pieno carico, corrente e se alimenta un raddrizzatore con ingresso condensatore.
VA totali, temperatura ambiente, classe di isolamento e tensione di prova dielettrica.
Stile di montaggio, tipo di bobina, lunghezza del cavo e altezza massima sopra il PCB.
Norma di sicurezza applicabile e marcature richieste.

Concordare le tolleranze prima della lavorazione degli utensili

Induttanza primaria entro il 10%, rapporto spire entro il 2% e bilanciamento della resistenza CC tra le metà push-pull entro il 5%.
Tensione e durata del test Hipot, più il campionamento o il requisito del test al 100%.
Accendi l'approvazione del campione sul tuo amplificatore prima della produzione in serie, perché le misurazioni al banco su un carico statico non rivelano come si comporta un nucleo separato in prossimità del clip.

Bobine, staffe e preparazione dei cavi personalizzati sono tutti dotati di attrezzature, pertanto il MOQ e i tempi di consegna devono essere confermati insieme alle specifiche elettriche. Se la tua esigenza è una variante di un progetto esistente, puoi farlo inviare il requisito del trasformatore personalizzato direttamente, il che di solito accorcia considerevolmente la fase di campionamento.

Domande frequenti

Un trasformatore toroidale è sempre migliore per l'audio?

No. I toroidi hanno un campo disperso inferiore e un'induttanza di dispersione inferiore, il che aiuta gli alimentatori e le prestazioni del ronzio. Per quanto riguarda l'output, i formati EI e C-core rimangono più facili da separare, funzionano più velocemente nei progetti push-pull e sono più semplici da interlacciare per uno specifico obiettivo di larghezza di banda.

Perché il mio trasformatore di uscita si satura o ronza?

Le cause più comuni sono avvolgimenti push-pull sbilanciati, corrente continua in un nucleo che non è mai stato separato o uno stack di laminazione che ha perso compressione. Controllare il bilanciamento della resistenza CC tra le metà e verificare che il nucleo sia stato progettato per la corrente permanente.

Un trasformatore da 60 Hz può funzionare con una rete da 50 Hz?

Solo con declassamento. Il flusso aumenta di circa il 20% quando la frequenza diminuisce, quindi il nucleo si avvicina alla saturazione: aspettatevi più corrente magnetizzante, più calore e possibile ronzio udibile. Specificare un design a 50 Hz o ridurre il carico.

Gli amplificatori a stato solido necessitano di trasformatori?

Normalmente non all'uscita. Hanno ancora bisogno di un trasformatore di alimentazione di rete e l'accoppiamento del trasformatore è ancora utilizzato nelle linee distribuite a 70 V e 100 V e nell'isolamento e bilanciamento a livello di linea.

Tratta entrambi i dispositivi come acquisti separati con schede tecniche separate. Fissare il trasformatore di potenza in VA, tensione secondaria caricata, regolazione e classe di isolamento; fissare il trasformatore di uscita tramite l'impedenza primaria, la gestione della polarizzazione CC e l'induttanza di dispersione. Quindi confermare per iscritto le tolleranze, i criteri di installazione e l'approvazione del campione. Questa sequenza rimuove la maggior parte del ronzio, della saturazione iniziale e della breve durata che compaiono successivamente sul banco di prova e mantiene una seconda iterazione del progetto fuori dal budget del progetto.