CN1407565A - 宽频带音频至超音频功率放大器专用输出变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制造20Hz－100KC的宽频带、音频至超音频功率放大器专用输出变压器的制造方法应用现代设计理论设计输出变压器，与电路连接后成功的解决了功率放大器在达到额定输出功率时，通频带同时也达到20Hz－100KC的范围，容差±1DB，根据电子管型号不同、输出功率不同、并将双管甲类功放电路在上述条件下效率提高到40％－62％，电压上升速率分别为10V/US、25V/US。总谐波失真≤0.5％，这种输出变压器，运用在半导体器件功率放大器时效率为83％。同时，要对目前发行的有关输出变压器的理论教材及文献技术资料进行必要的补充和修改。

Description

名称：宽频带音频至超音频功率放大器专用输出变压器

技术领域：属于使用、制造输出变压器，频带宽度(20HZ-100KC)音频至超音频，高保真功率放大器范围。

背景技术：

以电子管推挽输出功放电路为例，在现有技术条件下，普遍使用带有输出变压器的所谓高传真电子管功放，主要采用甲类工作状态(包括电压放大和功率输出级的所有电子管)，失真度最小，效率也最低，与其它方式电路相比甲乙1、甲乙2、乙类等，在符合设计公式输出功率(额定值)的前题下，频率特性在800HZ-12KC范围内，(电路各异)效率为15-30％，要想进一步将工作频率的上下限向外拓展，就必须使用负反馈来调节，以牺牲宝贵的设计额定输出功率来换取800HZ-12KC频率向两端延伸，而这时的效率下降为5-10％(100HZ-15KC)。如将频带扩展到20Hz-40kc，效率还要进一步下降(1％)，与实际使用的要求方向相反，输出变压器的利用率，电子管手册给出的功率利用率都要有所下降，有时为了追求宽带，效率下降到实际无法接受的地步，现有技术中存在的技术问题是、频率特性与效率之间的矛盾，目前普遍所能查到的这类电子管放大器的技术资料几乎不标明频率特性这个技术指标，和在这个指标下整机的效率，部分能查到的产品手册也没有看到权威机构出具的检测报告，现代功放最重要的一个技术指标电压上升速率在这类机型中没有一个标明。

当今，电子管功放独有的许多特点：1、在音频领域与CD相配合，应该表现的是在放音时柔合、低音有力度、中、高音清晰透彻，干净利索、现场感、空间感，同时相对应具备高效率和在达到设计额定输出功率时的(20HZ-100KC)，频率特性最低也应该达到20HZ-20KC最低的指标，电压上升速率25V/US、50W时测得的电压上升速率，这一指标是反应功放对快速信号放大的能力。2、在现有技术下突发大信号时不怕过载，通过输出变压器具有良好的与负载之间的匹配关系。上述两点是这类机型的特点，如果得到全部的发挥是现有技术条件下，所有功率放大器无法比拟的。

可是目前只能达到效率在15-30％，当达到设计输出功率时，频率特性(800HZ-12KC)上述范围内，电子管功放的上述第一个显著特点没有得到全面很好的发挥。

主要原因，就是延用了几十年陈旧的输出变压器的绕制方法，此方法普遍被认为最佳的方法及所用E型铁芯的性能也不能超越上述技术范围。即与电路配合使用时，整机效率≤30％时，频率特性是800Hz-12Kc，用E型铁芯在一个王字型骨架上分段、隔层、交叉、平绕、层层加入绝缘材料，推挽输出变压器的两相线圈的对称性不易平衡，要么反工，要么重新绕制，最终的结果就是上面介绍过的频率特性与功放的效率之间的矛盾得不到根本的解决。而主要原因就是现有输出变压器的性能抑制了功放的性能，输出变压器性能的低劣，主要原因有两个：一个是匝间总分布电容，一个是线圈整体对铁芯的总分布电容，它们对高频信号的旁通作用极大，要降低这两方面的分布电容，现有技术无法解决(见现有技术方面的资料)。

请查阅下列参考现有技术资料：

科学出版社  1974年7月第一版  晶体管电路第二册  清华大学  第八章输出变压器的制造工艺。612页

解放军通讯兵部  1975年出版  电子管与低频放大  第四章  输出变压器参数的选择。168页

电子工业出版社  2000年第一版  高保真音响设计制作(吴文波)

第三章第十一节第五小节，音频变压器的计算  第六小节  音频变压器制作要点。104页、109页

湖南科学技术出版社  1981年  电工常用手册  张继恒  第二章  第十一节音频变压器的计算，88页

科学出版社  1993年  电子变压器设计手册  王瑞华  第二章  音频与超音频变压器。64页

国防工业出版社  低噪声电子设计(美)尤忠琪译  1973年  137页

有关国家及行业标准  SJ/T10406-93  GB/T14200-93。

发明内容：综合上述原因：1、为了解析匝间电容见图6、图7，比较两种绕法，简单的分析可以看出现有绕法的匝间电容，明显比三角形绕法多一个匝间电容，显然三角形绕法降低了匝间分布电容，另一个问题是如何降低线圈与铁芯之间的总分布电容，将E型铁芯的两个内切窗口，制成锯齿形状齿高1mm，形成的角度均为45度角，见图8，这样做比增加线圈与铁芯之间或骨架的厚度更有效的防止形成较大的分布电容(实际这样做没有影响铁芯的性能)同时消除或降低了电容形成的条件、平面效应，提高了窗口利用率，进一步降低了这个总分布电容，效果非常好。频率12Kc以上的高频信号，在开环时，超过设计时的输出功率，并为电路中实施负反馈准备了充足的调整区间。用三角形绕法，使线间的耐压大大提高，见图4、图5。现有绕法是水平方式，从1开始向右旋转至2，1点与2点的距离近，当电压升高时，虽然加有绝缘材料，容易发生击穿现象，所以要加入相对耐压高的绝缘材料，而三角形绕法从3点向右延S形走到4点，无论是垂直距离还是斜面距离3点到4点、5点到4点的距离都相对加大了，这又是三角形绕法产生的线间耐压方面的有益效果，不用加入绝缘材料，比现有绕法省去一道工序，线间耐压还得到了提高，同时降低了漏感，(以50瓦铁芯为例)因初级线圈的绕法为三角形，原有技术为平绕，次级线圈只覆盖铁心实用窗口内磁力线方向面积的六分之一，有六分之五窗口内的磁力线未能完全作用于次级，这是产生漏感的一个原因，而三角形绕法克服上述缺点，见图9中间阴影部分为原有技术中输出变压器次级线圈在变压器窗口内的竖切面中的位置，白色部分为漏感区。图10中为三角形绕法，阴影部分为输出变压器竖切面，次级线圈在变压器窗口内的位置，次级线圈整个覆盖了实用窗口内的磁力线，因而使漏感下降。频率从800HZ-20HZ以内的信号，在经过输出变压器时得到了很大提升，达到了开环状态下超过设计时的输出功率，并为电路中实施负反馈准备了充足的调整区间(输出变压器初级电感量为47H，漏感为0.065H)。

综上所述，关键的两个总分布电容的解决与现有技术相比在以下几个指标方面得到了很大的提高。

使电子管功放达到了设计时的额定输出功率，同时频率特性(20HZ-100KC)，容差±IDB 总谐波失真≤0.5％，电压上升速率达到额定50W输出功率时25V/US，在上述前题下，效率为62％。

同时产生的效果如下：

1、节约了输出变压器所使用的原材料，设计输出功率与实际值相吻和。

2、所使用的输出级电子管的屏级极限功率仅按正常工作可靠性留出三分之一功率余量来设计电路。

3、在负反馈方面比较两种方法产生的结果有明显的区别见图11、图12。

4、现有技术电子管功放一般不加入音调控制电路(即高、低音控制电路)，因为本来频率特性差，见图12。没有必要加入这个电路，采用新方法后功放电路加入上述音调电路在高、低音控制方面使放音的幅频特性曲线符合接近人耳的听觉曲线图。

采用三角形绕法的宽频带音频至超音频输出变压器，运用在半导体器件的功率放大器时的效率为83％，频率特性(20Hz-100kc)，容差≤±1DB，总谐波失真≤0.5％-0.01％电压上升速率50W时25/us，与现在研制中的丁类放大器的效率85％十分接近，最显著的一个效果，要对目前发行的有关输出变压器的教材及文献资料进行必要的补充和修改。

附图说明：图1、输出变压器用两个独立工字型绝缘骨架示意图图2、输出变压器电气原理示意图图3、初级、次级线圈绕制工艺分布示意图图4、现有技术方法取6根导线线圈绕法的截面示意图图5、三角形新方法取6根导线线圈绕法的示意图图6、现有技术线圈匝间电容分布示意图图7、三角形线圈匝间电容分布示意图图8、E型铁芯两个窗口加工成锯齿形状的结构示意图图9、原有技术输出变压器竖切面次级线圈在窗口内所占位置及面积示意图图10、三角形绕法输出变压器竖切面次级线圈在窗口内的位置示意图图11、采用三角形绕法后，调节负反馈，使功放的输出功率达到设计输出功率时的频率特性。图12、现有技术功放调节负反馈，使功放的输出功率达到设计输出功率时的频率特性示意图。

具体实施：按现有技术根据设计公式和实际输出功率大小，设计输出变压器，根据所要求的频率特性，电压上升速率、选用功放所使用的全部电子管(电源整流器目前由快恢复半导体管所代替)。一般要求低的，频率特性在20HZ-30KC范围内的，使用国内、外电子管手册指明的音频放大功率输出管，这类电子管，组装机器效率一般为40％。如要求频率特性在20HZ-100KC必须使用高频放大、高频功率电子管。国产FU系列高频军用功率输出管，电压放大管为6C系列、6N系列中的高频三级管、6J系列中的高频管和国外相对应功能的系列高频用电子管，设计电路，这时效率为62％。绕制输出变压器，使用现有技术中的半机械手摇绕线机，输出变压器的设计请参照现有技术资料所提供的设计公式设计。关于绕制输出变压器的方式：第一步、按照圈数和漆包线最大外径下的面积，加上初次级间和最外层绝缘材料的占用面积之和在和两工

    字形骨架的面积相比较，如不符，请选用适合的窗口面积，加入骨架后的与实际使用面积相吻合

    的铁芯与骨架绕制。绕制时请按等差数列方式绕制。(见图5)第二步、将推挽输出变压器的初级A、B两相线圈，(见图2)每相线圈分成2组，次级分为两组。绕制程序(见图3)：初级：A相  第1组，1-1号骨架，1区，完毕后加入4000V绝缘材料

                   B相  第3组，1-2号骨架，4区，完毕后加入4000V绝缘材料

             次级：第1组，1-1号骨架，虚线内2区，完毕后加入4000V绝缘材料

             次级：第2组，1-2号骨架，虚线内5区，完毕后加入4000V绝缘材料

             初级：A相第4组，1-1号骨架，3区，完毕后加入4000V绝缘材料

             初级：B相第6组，1-2号骨架，6区，完毕后加入4000V绝缘材料注：1、骨架档板留出线过线孔，输出变压器最外层采用抗冲击硬质绝缘材料。引出线方式，连线方式请

   按现有技术规范及绝缘要求，做最后技术工艺处理。

2、A相、B相为一正绕、一反绕。插入铁芯方式按有直流磁化型方式进行。缝隙为0.3-0.7mm之间。

   根据矽钢片的性能，导磁能力和输出功率大小决定现有技术中有介绍。

为达到两相线圈的一致性即直流电阻和空心状态下的电感量相等。可以在实际使用的数量上根据情况多绕几个。从中进行比较配对，图1所示两个工字形骨架替代一个骨架，在推挽变压器中调整两线圈之平衡，极为方便。这又是一个积极的效果，为保证绕制时的一致性必须减少人为因素，在绕线时必须使用铜线轴轴架上带有阻力调节装置的各种绕线设备，减少在生产过程中因人的握线力的大小而影响线圈的松紧度，骨架应制成精密尺寸，表面光滑平整，无凹凸点状物的各种绝缘强度优良的塑料骨架。

Claims (5)

1，一种宽频带音频至超音频功率放大器专用输出变压器，其特征在于使用一副E形矽钢片组成的铁芯上，使用两个独立绝缘骨架及无氧铜漆包线、耐压4000V以上的级间绝缘材料，铁芯的两个内窗口周边有锯齿形状结构，齿高1MM，所形成的角度均为45度角。采用三角形绕法，绕制输出变压器的初级线圈，输出变压器线圈的竖切面，初级线圈所承现的结构形状为三角形。

2，根据权利要求1，次级线圈的绕制位置是沿着初级线圈三角形斜边绕制，且整个覆盖铁芯窗口内，实用面积内的磁力线，即次级线圈垂直于磁力线。

3，根据权利要求1至2所述的输出变压器的结构和绕制方法、生产制造的输出变压器与高保真功率放大器电路连接后，所承现出的音频至超音频的频率特性在20HZ-100KC容差≤±1DB以内，这时功率放大器的效率为40-83％，在前述效率下对频率特性上限超过12kc-100kc以内，下限低于800Hz-20Hz以内的功放。

4，根据权利要求1至3，初次线圈层间无需加入绝缘材料，级间除外。

5，根据权利要求1，其三角形绕法所产生的理论和实际效果，对目前发行的有关输出变压器的制造方法和理论分析方面的教材和文献技术资料进行修改和补充。用三角形绕法生产，制造的输出变压器，与各种所能与之配合使用的各种形式的功放电路的连接。

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