Трансформатор вместо предусилвател и като изходно стъпало

Здравейте, идеята за такова устройство дойде, четейки постовете на младеж относно реставрация на стар бакелитов радиоприемник „Ворошилов”, който бил изпълнен с нестандартен високоимпедасен високоговорител 80 ома (което ме съмнява, понеже никъде не съм виждал такъв) и не можел да се захрани с обикновен усилвател. Тогава предложих да се използва изходния трансформатор на радиоприемника, но свързан наобратно, за да повиши напрежението от усилвателя, но той вече беше изхвърлил говорителя. По-късно опитах да навия трансформатори за да съгласувам 8 и 16 ома говорители, но без успех. И така докато един ден, един клиент ми донесе за ремонт една сирена за линейка, на която беше изгорял изходният трансформатор. След като го пренавих реших да подновя опитите и чудо, това малко трансформаторче успя да съгласува дори мощна 4 ома тонколона към автомобилен усилвател, естествено и усилвателя доста се товареше. Тогава разбрах че трансформатора трябва да е с малко навивки и размерът му да е по-голям.

И така, много пъти се налага съгласуването на източник със слаб сигнал (микрофон, динамична грамофонна доза, смартфон, MP3 плеър и др.) към нискочестотен усилвател. За целта любителите обикновено свързват допълнителен предусилвател, който едно че се нуждае от външно захранване, което е колкото сложно, толкова и опасно, а и дублирането на предусилвателни стъпала сумира и собствените им шумове и в краен резултат, на изхода на крайното стъпало звука доста ще се влоши. Но когато ни трябва съвсем малко усилване, например за смартфона, то предусилвател с такова слабо усилване до 2 пъти трудно ще се направи и съгласува. Най-простото и същевременно безопасно решение е вместо предусилвател да свържем миниатюрен трансформатор.

Известно е че аудио трансформаторите внасят загуби в честотния обхват и възпроизвеждат най-отчетливо честотите от 200-15KHz, поради което в съвременната аудио техника те вече не се употребяват, но главно от икономически съображения. Но ако се подбере оптималното преводно отношение и конструиран с по-тънки ламели от обикновеният мрежов трансформатор, може и с феритна сърцевина ако е за малка мощност, загубите и подемът на определени честоти от честотната лента могат да се сведат до минимум. Феритът има много добри свойства за високите честоти и тесен хистерезис и поради по-ниската си магнитна проницаемост от тази на стоманата, компенсирана с по-голям брой навивки в намотката е нужна и по-малко енергия за намагнитването му, което увеличава чувствителността на трансформатора за източници на слаб сигнал. За увеличаване чувствителността на трансформатора е нужно също сечението на сърцевината да е голямо, а дължината й да е възможно по-къса. Това може да се постигне с подбор на по-малки ламели, но за по-голям набор, т.е. сечението в макарата да не е квадратно. Недостатък на ферита е че старее и намаля магнитната си проницаемост. В по-скъпите Hi-fi трансформатори се използва сплавта Mu-metal.

Другото предимство на трансформатора като съгласуващ елемент е че във входната верига, където съпротивлението е голямо, отпада нуждата от екранировка на кабелите след трансформатора, което позволява дължината им да се увеличи, а преди трансформатора кабелите трябва да са възможно по-къси и с добра екранировка.

Трансформатора може също да се използва и като съгласуващ елемент между крайното стъпало и тонколоните, например 8 или 16 ома високоговорител да свържем към 4 ома усилвател. Автомобилните ресийвъри например са предназначени за товар до 2 ома, а такива тонколони трудно се намират, освен субуферните и при свързването на 4 омова колона, ползваме само половината от мощността на усилвателя. В този случай също можем да използваме повишаващ трансформатор, с не особено големи размери, достатъчни са ламели EI60, а навивките за 2-омовата намотка трябва да са около 30, а за 4-омовата, навивките ще са 45.
Правилно е първо да навием намотката за високо напрежение, а върху нея навием тази за ниското напрежение. Причината е от чисто практически и технически съображения, понеже по-тънката жица по-плътно приляга по дъното на макарата и активното й съпротивление е по-малко, отколкото ако я навием най-отгоре. Обратно е за външната намотка, тъй като жицата е по-дебела, тя не се пречупва и по-плътно се навива върху първичната, а съпротивлението й се увеличава, което пък ще се компенсира от по-голямото сечение на жицата. Иначе в обратния вариант, едната намотка ще има много малко съпротивление, а другата много голямо, което в някои случаи може да бъде желателно, например при аудиотрансформатора, при който първичната намотка трябва да бъде отдолу за да е по-близо до сърцевината, а и пред вид загубите от разсейване, тя ще се товари повече от вторичната и затова съпротивлението й трябва да бъде по-малко. На повишаващите трансформатори намотките най-често се навиват на отделни макари (ферорезонансен трансформатор) за да имат и двете намотки равно отношение на импедансите. При трансформатор с една макара много рядко като първична се навива намотката за ниско напрежение, това се прави предимно при тороидалните трансформатори, където дължината на намотките е по-голяма и дебелината им не се променя значително, но въпреки това не е препоръчително. За миниатюрен Ш-образен трансформатор с една макара и преводно отношение 1:1, измерената индуктивност на вторичната намотка е до 2 пъти по-малка от индуктивността на вътрешната първична намотка.
При трансформатор с равно преводно отношение, но с изведен извод от намотките, също можем да го използваме като повишаващ или понижаващ. За целта за ниско напреженовата намотка трябва да свържем само едната част от нея, но така ще има голяма загуба на мощност, понеже намотките са с еднакво сечение на жицата, а токовете са различни. Но тази загуба частично може да се компенсира като за ниско напреженовата намотка използваме вътрешната й част, тази по-близо до дъното на макарата, която е с по-малко активно съпротивление от външната намотка. Но понеже при аудио трансформатора разсейването е най-голямо за високите честоти, то за първичната нисконапреженова намотка трябва да свържем не най-вътрешната й част, а по-горната, която е непосредствено под вторичната високонапреженова намотка, т.е. средната намотка. Така съпротивлението й ще е малко по-високо от това на най-долната част в дъното на макарата, но за сметка на това тя ще е по-близо до вторичната намотка, защото при високи честоти индукцията се предава повече между намотките, а не толкова през магнитопровода, както е при мрежовите трансформатори за ниска честота.

Намотките на аудио трансформатора задължително трябва да са навити една върху друга, по цялата дължина на макарата и недокрай запълнен слой не трябва да се допуска. Докато при ферорезонансния тип трансформатор, който е с макара с отделни секции, аудио трансформатора ще предава само ниските честоти. Но и при този тип макари пък можем да направим "двунамотков" (като двунамотковите говорители) трансформатор, смесващ двата стерео канала в един моно канал. При него двете първични намотки ще ги навием на отделни секции, на двете половинки на макарата, а вторичната ще покрива и двете намотки. Поради дефазирането на стерео каналите, при някои песни може да се получи изкривяване и пукане, а това може да претовари усилвателя, затова трансформатора трябва да бъде по-голям и с по-голям брой навивки.
Също така чрез ферорезонасния трансформатор можем да създадем изкуствен „Съраунд” ефект, поради непълното смесване на каналите. За целта трансформатора не трябва да е моно, а да предава стерео звук, като два отделни трансформатора, но тъй като, сърцевината е обща, то ще има има преливане от единия канал в другия, най-голямо за ниските честоти, а за високите смесването ще е по-малко. Така изходния звук няма да бъде напълно моно и басите ще се насочат в центъра, а високите честоти ще останат по-разделени. Ефектът ще е тип 2+1 (2 предни колони и субуфер в средата). Друго предназначение на двусекционния трансформатор е като активен нисочестотен филтър за тонколоните, който за разлика от стандартния пасивен филтър с грамадна бобина, трансформатора ще усили ниските честоти и ще заглуши високите, а размерът му ще е доста по-малък от пасивната бобина и разходът на проводник ще е по-малък. Не трябва да се забравя че усилвайки ниските честоти, трансформаторът ще намали импеданса на високоговорителя и усилвател, който е за 8 ома товар може да се повреди, дори и импеданса на говорителя да е по-голям.

За намаляване размерите на изходният или входният трансформатор или за увеличаване на преводното отношение, той може да се свърже като автотрансформатор. За целта трябва първо да определим началото и края на намотките и ги свържем последователно (фиг. 1), а може да се установи и опитно. Но с цел предпазване на усилвателя от претоварвяне, изходният трансформатор не бива да се свързва като автотрансформатор.

На втората схема е показан понижаващ автотрансформатор, но не истински автотрансформатор, при който вторичната намотка е част от първичната, то при тази схема двете намотки при натоварване се явяват свързани паралелно, като през консуматора протича изравнителният ток между двете намотки. Това свързване се налага само когато наличният ни трансформатор е с малко преводно отношение, докато при голямо отношение намотките трябва да се свържат последователно както при нормален автотрансформатор (фиг. 2). Това е така защото при последователното свързване и с малка разлика в напреженията на двете намотки, в първичната намотка ще се получи много малък пад и тя ще бъде недостатъчно захранена и мощността на трансформатора ще падне.

Освен като усилвател, трансформатора можем да използваме и то най-често за намаляне на сигнала. Във входната верига това е категорично - чрез потенциометър, но в изходната ако свържем съпротивление последователно на тонколоната, то освен че ще унищожи реактивната съставка на филтрите, превръщайки ги в активни елементи, които ще пропуснат целия честотен спектър и в краен резултат може да изгорят високочестотният и средно честотния високоговорител. От друга страна в съпротивлението ще се губи излишна мощност в топлина и така говорителя може да свири тихо, а усилвателя да се претоварва. Затова импеданса на тонколоните трябва да се съгласува винаги с трансформатор, а с резистор само единичен директен високоговорител, без филтър.

Забележка: По-фините усилватели, като тези с STK, клас Д и др. за импеданс 8 ома са предвидени да работят предимно на активен товар и изходния трансформатор може да ги изгори. Изходният трансформатор съм го пробвал само на автомобилни усилватели като TDA1553Q, TDA1554Q, които издържат на голямо натоварване и не съм ги усилвал докрай продължително време. При мостова конфигурация, максималния товар за тези интегрални схеми е 4 ома, затова е препоръчително да свържем трансформатора само при Singe-edit усилвателите в по-старите и евтини радиокасетофони, които са за товар 2 ома, въпреки че и съвременните ресийвъри се предвидени да захранят 2 ома говорител, но само за субуфера и не е препоръчвам на тях да свързваме трансформатора, ако не е добре изчислен.

Аудио трансформатори можем да намерим в старите руски портативни радиоприемници, тонколоните за таван и др. Можем да поръчаме и нов, но тези трансформатори са доста скъпи.

Всичко което пиша съм го пробвал на практика. Съветвам ви и вие да опитате. И нека не се бъркат начичаещите, защото има различни видове усилватели, за разлика от нискочестотните усилватели, които са усилватели на мощност, то трансформатора е усилвател само по напрежение и както казах усилвателното му действие е възможно само когато импеданса на високоговорителя е по-голям от изходното съпротивление на усилвателя, същото е и за звукоизточника и входното съпротивление на усилвателя. Но тъй като всеки един нискочестотен усилвател във входната си страна е така да се каже "несъгласуван" със звукоизточника, т.е. има голяма разлика между входното съпротивление на усилвателя и това на звукоизточника, а това е добре дошло за трансформатора и той може да усили входния сигнал над 4 пъти и повече, толкова докато нивото стигне прага на насищане. Обратното е съгласуването на изхода на усилвателя с тонколоните, т.е. колкото изходното съпротивление на усилвателя е по-ниско, толкова по-нискоимпедансен високоговорител може да захрани за да отдаде максималната си мощност.

И сега по същество. За усилване на сигнала от смартфон, портативен MP3 плеър, някои музикални и DVD плеъри, и др., добра работа върши трансформатора на Triad Magnetics TY-303P, който е с импеданс на намотките 4000/600 Ohm. Трансформаторчето усилва сигнала близо 3 пъти, а при свързването му като автотрансформатор, усилването ще е около 4 пъти. Производителят не е дал преводното отношение, но сравнявайки по съотношението на импедансите сравнен с другите модели излиза че преводното отношение е приблизително 1:3. Поради стандартната ламелна сърцевина, която изисква голяма енергия за намагнитването си, за разлика от феритната, неговата индуктивност не може да се измери със стандартен мултиметър. На слух не се забелязват никакви изкривявания и затихване във високите честоти. Той е Voice-Data, което ще рече че възпроизвежда най-отчетливо средните честоти, като говор, а ниските са леко понижени заради ламелната сърцевина, както споменах в началото. Този трансформатор трябва да се свърже наобратно, т.е. като първична използваме вторичната му намотка, както и те да бъдат сфазирани, като входния сигнал, съответно и изходния ги свържем към началните изводи на намотките, които са обозначени в документацията. При свързване като понижаващ при всеки един трансформатор ниските честоти се засилват, а средните затихват, поради по-близкото разположение на първичната намотка до сърцевината.

За стерео вариант съм поместил два трансформатора в универсална пластмасова кутийка с размери 64x64x28mm. и с изведени чинчове за входа и изхода, като при обратно свързване сигналът се намаля, а при последователно свързане на входа на единия канал с изхода на другия се получава моно усилвател с двойно по-голямо усилване, разбира се и с двойно повече загуби. Устройството може да послужи и като галваничен изолатор срещу изравнителните токове по корпуса на устройствата, които ако са повече, то токовете им се сумират и могат да станат опасни. Трансформатора също ще предпази усилвателя и тонколоните от постоянен ток, подаден от повредено устройство. Това са най-евтините аудио трансформатори, но цената е нищо пред защитата на скъпата ни аудио техника, където забавни опити с опасни активни и шумящи предусилвателчета, с още по-опасни и гърмящи импулсни адаптори са немислими.

Има още едно много добро трансформаторче E187B, на добра цена, но не съм го пробвал и на което му дават още по-широк честотен обхват 200-15KHz (но това съвсем не значи че не възпроизвежда останалите честоти) и с преводно отношение 3.6/1+1, което ще рече че можем да променим усилването по 2 начина: За да получим максимално усилване 3.6/1 трябва вторичните му намотки (тях ще използваме като първична) да ги свържем паралелно, но има вероятност да протекат и малки изравнителни токове. Може да използваме и само едната намотка, но трябва да се има предвид че тогава мощността на трансформатора ще падне наполовина и трябва да съобразим това с входното съпротивление на усилвателя, което обикновено го покрива. Затова е най-добре да свържем намотките последователно и да получим по-малко усилване, т.е. 3.6/2 или пък като автотрансформатор за 4.6/2. Има и трети начин на свързване за 4.6/1 като едната вторична я свържем последователно с първичната намотка, а като първична захраним останалата свободна вторична намотка. Първичната трябва да е тази част, която е в средата-между вътрешната и външната намотка, а вторичната се свърже от частта на най-вътрешната намотка последователно с тази на най-външната. Така освен че се получава добро секциониране на намотките, като първичната ще бъде изцяло обградена от вторичната и същевременно ще има най-ниско съпротивление. В този случай мощността няма да падне наполовина, а ще е само с 10-20%, защото загубата от по-тънката жица ще се компенсира от по-малкото активно съпротивление на средната намотка. Желателно е да монтираме трансформаторчето на малка платка, защото крачетата на този са много тънки и могат да се изкривят и счупят и жичките на намотките да се скъсат, ако го свържем директно с твърди жици.

Сглобил съм друг пасивен предусилвател в пластмасова кутийка с миниатюрни трансформатори с феритната сърцевина EE16/5 и преводно отношение 1:1.9. Тъй като консумираната мощност във входната верига на усилвателите е пренебрежимо малка, то трансформатора не внася забележимо затихване в честотната лента. Но той ще внася голяма загуба в ниските честоти, ако изходното съпротивление на звукоизточника е голямо. Такива източници са всички мощни аудио системи и усилватели, някои радио касетофони, телевизори и др. при които изходът за слушалки е изведен от крайното стъпало през големи съпротивления. Този трансформатор е тестван и работи добре при изходно съпротивление на източника не надвишаващо 60 ома. Индуктивността на намотките е 110:400mH и активно съпротивление 13:30 ома. Този трансформатор съм го навил като стандартен понижаващ трансформатор и за първична намотка се явява външната намотка, продиктувано от практически съображения за които споменах в началото. Така външната намотка има загуба на индуктивност от 100mH, което е нормално и не оказва влияние върху качеството на звука и импедансът е достатъчно голям за да се съгласува добре със смартфона, компютъра и др. портативни плеъри.

От всички изброени по-горе евтини аудио трансформатори, най-добро качество в честотната лента показва този с феритната сърцевина, поради по-тесният си хистерезис от този на ламелната. В по-скъпите Hi-fi трансформатори се използва сплавта Mu-metal и този по отношение на широкият честотен обхват също може да се причисли към този клас.

Направил съм два записа на трансформатор, конфигуриран в 1:2 -без и със трансформатора, сляти в един трак на една и съща песен, без да се нарушава нейната последователност, но с внезапно усилване след 10-та секунда. За източник съм използвал смартфон свързван към лаптопа:

https://www.youtube.com/watch?v=Hdn29n5Rt_E
Диаграма на нивото на усилване на трансформатора в конфигурация 1:2: