NL9300433A

NL9300433A - Step-up transformer

Info

Publication number: NL9300433A
Application number: NL9300433A
Authority: NL
Original assignee: Amplimo B V
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-10-03
Also published as: NL193847C; NL193847B

Abstract

The invention relates to a transformer for supplying a signal generated by an amplifier to an electrostatic loudspeaker, the said transformer having a core with rotational symmetry. Until now, such step-up transformers have made use of rectangular cores, for example E-, M- or I-shaped cores, on which the windings are concentrated, that is to say that the windings only extend over a part of the core. In general, such cores have a large leakage, in other words, the coupling between the primary and secondary windings is moderate. This means that the stray inductances are rather high, which limits the frequency range of such a transformer.

Description

"STEP ÜP"-TRANSPORMATORSTEP ÜP TRANSPORMATOR

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een transformator voor het aan een elektrostatische luidspreker toevoeren van een door een versterker opgewekt signaal.The present invention relates to a transformer for supplying an electrostatic loudspeaker with a signal generated by an amplifier.

De door audioversterkers opgewekte signalen hebben in het algemeen spanningsniveaus in de grootteorde van enkele tientallen V. Dergelijke spanningen zijn ruim voldoende voor het gebruiken van klassieke, elektrodynami-sche luidsprekers; dergelijke luidsprekers hebben een inpedantie in de grootteorde van enkele Ohm, zodat met een spanning van enkele tientallen V vermogens van het vereiste niveau, namelijk elektrisch enkele tientallen W kunnen worden opgewekt.The signals generated by audio amplifiers generally have voltage levels on the order of a few tens of V. Such voltages are more than sufficient for using conventional electrodynamic loudspeakers; such loudspeakers have an impedance of the order of a few ohms, so that with a voltage of a few tens of V powers of the required level, namely electrically, tens of W can be generated.

Elektrostatische luidsprekers, die geschikt zijn voor het met een zeer grote getrouwheid weergegeven van geluid, vereisen echter een veel hoger spanningsniveau. Om het bij een elektrostatische luidspreker gebruikte membraan door elektrostatische krachten te doen bewegen zijn hoge veldsterkten noodzakelijk die slechts opgewekt kunnen worden door hoge spanningen. Elektrostatische luidsprekers vereisen dan ook een voeding met een spanning van enkele duizenden V. Gebruikelijke audioversterkers kunnen dergelijke spanningsniveaus echter niet opwekken. Om aldus het spanningsniveau van de versterker in overeenstemming te brengen met het door de elektrostatische luidspreker vereiste spanningsniveau wordt gebruik gemaakt van een transformator die wel als "step up"-transformator wordt aangeduid.However, electrostatic speakers capable of reproducing sound with very high fidelity require a much higher voltage level. In order for the membrane used in an electrostatic loudspeaker to move by electrostatic forces, high field strengths are required which can only be generated by high voltages. Electrostatic loudspeakers therefore require a power supply with a voltage of several thousands V. However, conventional audio amplifiers cannot generate such voltage levels. Thus, in order to match the voltage level of the amplifier with the voltage level required by the electrostatic loudspeaker, use is made of a transformer which is referred to as a "step-up" transformer.

Dergelijke "step up"-transformatoren zijn algemeen bekend.Such step-up transformers are generally known.

Tot op heden wordt bij dergelijke "step up"-trans-formatoren gebruik gemaakt van rechthoekige kernen, bijvoorbeeld E-, M-, of I-vormige kernen, waarop de wikkelingen geconcentreerd, dat wil zeggen zich slechts over een deel van de kern uitstrekkend zijn aangebracht. Dergelijke kernen hebben een over het algemeen grote strooiing, oftewel anders uitgedrukt, is de koppelfactor tussen de primaire en secundaire wikkeling matig. Dit wil zeggen dat de strooi-inductanties tamelijk hoge waarden hebben, hetgeen het frequentiebereik van een dergelijke transformator beperkt.To date, such "step-up" transformers use rectangular cores, for example E, M, or I-shaped cores, on which the windings are concentrated, i.e. extending only over part of the core are provided. Such cores generally have a large scattering, in other words, the coupling factor between the primary and secondary winding is moderate. This means that the scattering inductances have fairly high values, which limits the frequency range of such a transformer.

Een ander nadeel van dergelijke tot de stand van de techniek behorende "step-up,,-transformatoren is dat door het feit dat de flux zich bij de hoeken van het ijzercircuit ongelijkmatig over het oppervlak van het ijzer verdeelt lokaal verzadigingen kunnen optreden, waardoor de magnetische flux geen lineaire afbeelding is van de door de primaire wikkeling opgewekte veldsterkte.Another drawback of such prior art "step-up" transformers is that due to the fact that the flux at the corners of the iron circuit is unevenly distributed over the surface of the iron, local saturations may occur, causing the magnetic flux is not a linear representation of the field strength generated by the primary winding.

De in de secundaire wikkeling door de magnetische flux opgewekte spanning zal aldus geen juiste afspiegeling meer zijn van het signaal in de primaire wikkeling, zodat vervorming ontstaat. Door de rotatiesymmetrische constructie van de transformator volgens de uitvinding worden deze problemen vermeden; immers, de flux kan zich langs de gehele ring van de kern over het gehele oppervlak van de kern gelijkmatig verdelen.The voltage generated in the secondary winding by the magnetic flux will thus no longer accurately reflect the signal in the primary winding, so that distortion will occur. These problems are avoided by the rotationally symmetrical construction of the transformer according to the invention; after all, the flux can spread evenly along the entire ring of the core over the entire surface of the core.

Hierbij zij opgemerkt dat het in de energietechniek, bijvoorbeeld voor voedingen van elektrische apparaten bekend is ringkerntransformatoren toe te passen; de aan ringkerntransformatoren gestelde eisen zijn echter geheel anders dan aan "step up"-transformatoren; bij veel toepassingen in het gebied van voeding is, zeker bij de huidige trend naar miniaturisering, de beschikbare ruimte uiterst beperkt, zodat het uit dien hoofde aantrekkelijk is om een weinig ruimte innemende en weinig wegende ringkerntrans formator toe te passen. Bij toepassing als "step up"-transformator zijn de afmetingen minder van belang.It should be noted here that it is known in energy technology, for example for power supplies of electrical appliances, to use toroidal transformers; however, the requirements for toroidal transformers are quite different from those for "step-up" transformers; in many applications in the field of power supply, especially in the current trend towards miniaturization, the available space is extremely limited, so that it is therefore attractive to use a space-saving and low-weight toroidal transformer. The dimensions are less important when used as a "step up" transformer.

Bij veel toepassingen als voedingstransformator is een zo groot mogelijke koppelfactor niet van uitermate groot belang; een grote waarde van de spreidingsinductantie leidt immers tot een wat hogere kortsluitspanning. Boven dien is bij voedingstoepassingen het frequentiebereik nauwelijks van belang; de transformator wordt slechts bij één enkele frequentie, 50 Hz of 60 Hz, gebruikt.In many applications as a power transformer, the largest possible coupling factor is not of the utmost importance; after all, a large value of the spreading inductance leads to a somewhat higher short-circuit voltage. Moreover, in power applications, the frequency range is of little importance; the transformer is used only at a single frequency, 50 Hz or 60 Hz.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm strekt ten minste een van de wikkelingen zich gelijkmatig over de volledige omtrek van de kern uit.According to a preferred embodiment, at least one of the windings extends evenly over the entire circumference of the core.

Deze maatregel leidt tot een betere koppeling tussen de desbetreffende wikkeling en de flux, waardoor eveneens de strooiing wordt verminderd.This measure leads to a better coupling between the relevant winding and the flux, which also reduces the scattering.

Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van bijgaande tekeningen, waarin voorstellen: fig. 1: een schema van de toepassing van een "step up"-transformator volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2: een gedeeltelijk weggebroken schematisch perspectivisch aanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van de transformator volgens de uitvinding; fig. 3: een doorsnede volgens de lijn III in fig. 2: fig. 4: een schema van een tweede uitvoeringsvorm van de transformator volgens de uitvinding; en fig. 5: een vervangingsschema van een "step up"-transformator.The present invention will now be elucidated with reference to the annexed drawings, in which: fig. 1 shows a diagram of the application of a "step up" transformer according to the present invention; fig. 2 is a partly broken away schematic perspective view of a first embodiment of the transformer according to the invention; fig. 3: a section according to the line III in fig. 2: fig. 4: a diagram of a second embodiment of the transformer according to the invention; and Fig. 5: a replacement diagram of a "step up" transformer.

De "step up"-transformator 1 volgens de onderhavige uitvinding omvat een primaire wikkeling 2 die verbonden is met de uitgangsaansluitingen 3 van een audioversterker 4. De door de primaire wikkeling heen vloeiende stroom wekt in de kern 5 van de transformator veranderingen van de magnetische veldsterkte op die veranderingen van de magnetische flux in de kern veroorzaken. Deze fluxverande-ringen induceren in de secundaire wikkeling 6 van de "step up"-transformator spanningen die aan een elektrostatische luidspreker 7 worden toegevoerd.The "step up" transformer 1 according to the present invention comprises a primary winding 2 which is connected to the output terminals 3 of an audio amplifier 4. The current flowing through the primary winding generates changes of the magnetic field strength in the core 5 of the transformer to cause changes in the magnetic flux in the core. These flux changes induce voltages applied to an electrostatic loudspeaker 7 in the secondary winding 6 of the "step up" transformer.

De secundaire wikkeling van de transformator 1 is voorzien van een middenaftakking 8 die door middel van een hoogspanningsbron 9 en een weerstand 10 met een hoge waarde verbonden is met het membraan 11 van de elektrosta tische luidspreker. De twee eindaftakkingen 12, respectievelijk 13 van de secundaire wikkeling zijn verbonden met beide statoren 14, respectievelijk 15 van de elektrostatische luidspreker 7. Hierbij draagt de "step up"-transformator zorg voor het naar het gewenste spanningsniveau omhoog transformeren van het uitgangssignaal van de audio-versterker 4.The secondary winding of the transformer 1 is provided with a center tap 8 which is connected to the membrane 11 of the electrostatic loudspeaker by means of a high voltage source 9 and a high-value resistor 10. The two end tapes 12 and 13 of the secondary winding are connected to both stators 14 and 15 of the electrostatic loudspeaker 7. The step-up transformer ensures that the output signal of the audio is transformed upwards to the desired voltage level. amplifier 4.

Een eerste uitvoeringsvorm van een dergelijke "step up"-transformator is in fig. 2 afgebeeld. De kern 16 van deze transformator wordt gevormd door opgerolde ij-zerfolie, in het onderhavige geval een ijzersoort die gemakkelijk magnetiseerbaar is, oftewel een ijzersoort met een hoge μτ. De vorm van de kern leidt tot een verlaging van de strooiing van de transformator. Om ij zetverliezen zoveel mogelijk te voorkomen is de kern samengesteld uit gewikkelde folie. Hierdoor worden in de kern optredende wervelstroomverliezen zoveel mogelijk tegengegaan.A first embodiment of such a "step up" transformer is shown in FIG. The core 16 of this transformer is formed by coiled iron foil, in the present case an iron type that is easily magnetizable, i.e. an iron type with a high μτ. The shape of the core reduces the scattering of the transformer. To prevent ice-making losses as much as possible, the core is composed of wrapped foil. As a result, eddy current losses occurring in the core are counteracted as much as possible.

Direkt om de kern is een laag isolatiemateriaal 17 aangebracht dat bijvoorbeeld van zelfklevende band rondom de kern gewikkeld is. Vervolgens is de secundaire wikkeling 6 aangebracht die, in verband met de grootte van de op te wekken spanning uit een groot aantal windingen bestaat. Om wederom de koppelfactor zo groot mogelijk te maken strekt de secundaire wikkeling zich over de gehele omtrek van de ringvormige kern uit.Directly around the core is a layer of insulating material 17 which, for example, is wrapped around the core of self-adhesive tape. Subsequently, the secondary winding 6 is provided, which, due to the magnitude of the voltage to be generated, consists of a large number of turns. To make the coupling factor as large as possible again, the secondary winding extends over the entire circumference of the annular core.

Bovenop de secundaire wikkeling is weer een laag 18 van isolatiemateriaal aangebracht, waarop de primaire wikkeling 2 is aangebracht. De primaire wikkeling bestaat uiteraard uit een veel kleiner aantal windingen. De doorsnede van deze draad is daarentegen veel groter; ongeveer de overzetverhouding van de transformator maal zo groot als die van de secundaire wikkeling. De primaire wikkeling strekt zich, onder het kleinere aantal windingen, ook uit over de gehele omtrek van de kern. Bovenop de primaire wikkeling 2 is een afsluitende isolatielaag 19 aangebracht .On top of the secondary winding, a layer 18 of insulating material is again applied, on which the primary winding 2 is applied. The primary winding obviously consists of a much smaller number of turns. The diameter of this wire, on the other hand, is much larger; approximately the transformer transfer ratio times larger than that of the secondary winding. The primary winding, under the smaller number of turns, also extends over the entire circumference of the core. On top of the primary winding 2, a sealing insulating layer 19 is provided.

De constructie van de kern blijkt overigens ook uit de doorsnede volgens figuur 3.The construction of the core is also apparent from the cross section according to figure 3.

Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm, waarvan het schema in fig. 4 is afgebeeld, omvat de transformator twee primaire wikkelingen 20,21 en twee secundaire wikkelingen 22,23. Bij deze configuratie zijn beide primaire wikkelingen parallel geschakeld, en zijn beide secundaire wikkelingen 22,23 in serie geschakeld. Er is gebleken dat een dergelijke configuratie leidt tot een vergroting van de koppelfactor tussen beide wikkelingen, maar dat bovendien de parasitaire capaciteiten van zowel de primaire als de secundaire wikkelingen verkleind worden, waardoor het frequentiegebied van de transformator vergroot wordt. Dit is uiteraard een eerste vereiste, omdat, om een goede weergave door de elektrostatische luidspreker te waarborgen, het frequentiegebied minstens frequenties tussen 20 Hz en 20 kHz met zo min mogelijke vervorming en zo min mogelijke verzwakking moet doorgeven.According to a preferred embodiment, the schematic of which is shown in Fig. 4, the transformer comprises two primary windings 20,21 and two secondary windings 22,23. In this configuration, both primary windings are connected in parallel, and both secondary windings 22, 23 are connected in series. It has been found that such a configuration increases the coupling factor between both windings, but additionally reduces the parasitic capacities of both the primary and the secondary windings, thereby increasing the frequency range of the transformer. This is of course a prerequisite, because in order to ensure good reproduction by the electrostatic loudspeaker, the frequency range must transmit at least frequencies between 20 Hz and 20 kHz with the least possible distortion and the least attenuation.

Volgens een andere, niet in de tekening weergegeven uitvoeringsvorm is een groter aantal primaire en secundaire wikkelingen parallel, dan wel in serie geschakeld.According to another embodiment, not shown in the drawing, a larger number of primary and secondary windings are connected in parallel or in series.

De lichamelijke configuratie van de dubbel uitgevoerde wikkelingen is hierbij zodanig, dat direkt op de kern een secundaire wikkeling 22 gewikkeld is, waarna, uiteraard gescheiden door een isolatielaag, de wikkeling 20 volgt, evenals de wikkelingen 23 en daarbovenop 21. Ook deze maatregel leidt tot een zo groot mogelijke koppelfactor en tot een zo laag mogelijke parasitaire capaciteit.The physical configuration of the double-wound windings is such that a secondary winding 22 is wound directly on the core, after which, of course separated by an insulating layer, the winding 20 follows, as do the windings 23 and on top of that 21. This measure also leads to the greatest possible coupling factor and the lowest possible parasitic capacity.

Hierbij zij opgemerkt dat het niet in alle gevallen vereist is naar een zo groot mogelijke koppelfactor, oftewel een zo laag mogelijke waarde van de spreidingsin-ductanties te streven; er is gebleken dat door de radiale afstand tussen het centrum van het blikpakket en de diverse wikkelingen aan te passen de waarde van de spreidings-inductanties kan worden gewijzigd. Uitgaande van de situatie dat een elektrostatische luidspreker een frequentie-afhankelijk gedrag heeft, onder meer een frequentie-afhan- kelijke responsie en een frequentie-afhankelijke impedantie, biedt de mogelijk de spreidingsinductantie van de "step up"-transformator te veranderen de mogelijkheid de frequentieresponsie van de "step up"-transformator aan te passen aan die van de via de betreffende "step up"-transformator te voeden elektrostatische luidspreker.It should be noted that it is not always necessary to strive for the greatest possible coupling factor, that is to say the lowest possible value of the spreading inductances; it has been found that by adjusting the radial distance between the center of the can package and the various windings, the value of the spreading inductances can be changed. Assuming that an electrostatic loudspeaker has a frequency-dependent behavior, including a frequency-dependent response and a frequency-dependent impedance, it is possible to change the spread inductance of the step-up transformer to allow the frequency response of the "step up" transformer to that of the electrostatic loudspeaker to be fed via the respective "step up" transformer.

Dit zal nader toegelicht worden aan de hand van fig. 5, waarin een vervangingsschema van de transformator is getekend. Bij dit vervangingsschema stelt het symbool T een ideale transformator voor, waarbij Rj de inwendige weerstand van de wikkelingen aangeeft, 1¾ de spreidingsinductantie van de wikkelingen en Cp de parasitaire capaciteit van de wikkelingen. De index "p", respectievelijk "s" duidt aan of het desbetreffende symbool betrekking heeft op de primaire of op de secundaire wikkeling.This will be explained in more detail with reference to Fig. 5, in which a replacement diagram of the transformer is drawn. In this replacement scheme, the symbol T represents an ideal transformer, where Rj indicates the internal resistance of the windings, 1¾ the spread inductance of the windings and Cp the parasitic capacitance of the windings. The index "p" and "s" respectively indicate whether the respective symbol refers to the primary or secondary winding.

De uitvinding maakt het aldus mogelijk de waarden van alle zes elementen van het bovengenoemde vervangingsschema binnen zekere grenzen te variëren, zodat het gedrag van de transformator aangepast kan worden aan de frequentie-afhankelijke eigenschappen van de aan te drijven elektrostatische luidspreker.The invention thus makes it possible to vary the values of all six elements of the above replacement scheme within certain limits, so that the behavior of the transformer can be adapted to the frequency-dependent properties of the electrostatic loudspeaker to be driven.

Claims

1. Transformer for supplying an electrostatic loudspeaker with a signal generated by an amplifier, characterized in that the transformer has a rotationally symmetrical core.

Transformer according to claim 1, characterized in that the core of the transformer is formed by rolled iron foil.

Transformer according to claim 2, characterized in that the iron foil is siliceous.

Transformer according to claim 1, 2 or 3, characterized in that at least one of the windings extends evenly over the entire core.

Transformer according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized by at least two primary windings connected in parallel.

Transformer according to claim 5, characterized in that each of the parallel-connected primary windings extends over the entire core.

Transformer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one secondary winding is wound directly on the core, and that the at least one primary winding is wound on the secondary winding.

Transformer according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one primary winding is wound directly on the core, and that the at least one secondary winding is wound on the primary winding.

Transformer according to any one of the preceding claims, characterized in that the distance between the center of the core and a winding is chosen to select a specific stray inductance or parasitic capacitance.

Transformer according to one of the preceding claims, characterized in that the windings are wound on the core or on the underlying windings with the insertion of an insulating layer.

Transformer according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the windings does not extend uniformly over the entire core to select a certain stray inductance or parasitic capacitance.