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如何优化音响电源变压器设计

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  • 更新日期:2013-02-21 14:20
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详细介绍
电源变压器是音响设备中重要组成部分,是确保音响中提供可靠电源及音质的主要设备之一。但其工作时所产生磁场,因电磁感应而对电路对其形成较大干扰,因此也是音响设备中最大的干扰源。这摆在我们面前,正确处理好它的工作状态和应用环境,才能有效地避免由电源变压器产生的干扰,使放大器得到优良的音效,且有良好的输出特性和抗干扰能力。如何有效控制它的负作用和充分发挥的优点,且有保证优良的性能价格比,因此开发这种电源变

摘要:  电源变压器是音响设备中重要组成部分,是确保音响中提供可靠电源及音质的主要设备之一。但其工作时所产生磁场,因电磁感应而对电路对其形成较大干扰,因此也是音响设备中最大的干扰源。这摆在我们面前,正确处理好它的工作状态和应用环境,才能有效地避免由电源变压器产生的干扰,使放大器得到优良的音效,且有良好的输出特性和抗干扰能力。如何有效控制它的负作用和充分发挥的优点,且有保证优良的性能价格比,因此开发这种电源变压器,需要丰富的理论和实际知识,因此本文拟对以上具体深入地探讨,对于从事音响变压器开发者,有一定的参考价值。

关键字:  电源变压器抗干扰性设计

一般来说,电源变压器的结构形式,能反映出减少外部干扰能力。一般环型或O型变压器能量效率较高,各部位漏磁小,但磁通容易饱和,使输出变得困难,反而不利于抵抗电网各种的干扰。但EI型变压器则相反,并且因为铁心组合存在一定的气隙,能使铁芯在导磁时较稳定,在一些高端产品,仍占有一定的份量,本文重点说明优化EI电源变压器设计的思路和方法。
大家都知道,在音响设备中,电源变压器除了为放大器供电外,还能够将放大器与电源偶合起来,使电网中的干扰源进入放大器,同时也将放大器产生的电压、电流变化反射到电网中。为了切断绕组间的静电场及容性耦合,隔离和共模抑制由此产生的干扰,避免将电网或电路中的共模电压耦合到次级或初级中去,对音响用电源变压器的漏电流屏蔽是很关键的。这种屏蔽可以是层间交替的铜箔,也可以是完整的合状结构,总之对绕组(尤其是对初级的绕组)包围得越多,共模抑制越好。
由电源变压器产生的磁场干扰一直是困扰放大器质量提高的问题,即使有纯净的电源,来自它的磁场感应也能造成放大器质量严重下降。采用磁屏蔽隔离罩是显得很必要的。使用高电磁性(如Z11厚度0.35mm且1-2层效果相当不错)磁屏蔽隔离罩切断外界对变压器及变压器对外界的磁干扰,有效保护稳压电源输出。另一方面通过短路环铜箔(如厚度0.2或0.3mm宽度适度)铜箔内引起的涡流产生一个与干扰磁场相反的磁场抵消磁干扰,因此极大的降低了变压器的磁场外泄。
实验证明,在卷线时初级卷线嵌套在次级卷线(通常子母套式)且保证卷线方向,漏磁下降明显,音质可以明显改观,此外初级卷线前追加静屏蔽铜环,且追加防振材料都是可以达到很好效果。
有作以下试验:当卷线方向与相同时噪音效果有所不一样。初、次级卷线方向相同效果好。
电源变压器
卷线方向:相反 卷线方向:相同
样品数量 噪音值 (db) 样品数量 噪音值 (db)
No.1 36.5 No.1 31.4
No.2 36.2 No.2 31.6
No.3 36.6 No.3 31.4
No.4 36.1 No.4 32.4
No.5 35.2 No.5 31.5
No.6 36.4 No.6 32.9
No.7 38.9 No.7 32.2
No.8 40.6 No.8 32.9
No.9 38.6 No.9 33.1
No.10 37.8 No.10 31.6
AVG 38.8 AVG 32.2

此外空载和负载试验对变压器各主要部位进行漏磁测试,发现效果卷线相同的漏磁较小。
测试位置如下所示:
此外对EE型和EI变压器进行振动值对比测试,发现平均磁路长较短的EE效果较好。
如右图所示,我们对对变压器的X、Y、Z三个方向进行测试,发现变压器各个部位漏磁不尽相同,以及输入电压也不相同时,漏磁不相同。
当变压器初级阻抗等于源电阻同负载的反射电阻的并联值时,将出现低频截止,增大源于变压器的噪声,所以电源变压器也必须有足够的电感。但这并不能成为盲目加大变压器输出功率的理由。因为,变压器初级电感是随铁芯磁通密度而变化的,次级负载功率小时,铁芯磁通密度也会减小,使电感下降。一般,电源变压器的功率可在次级供电功率的1.4-2倍之间选择,比较适当。
优质变压器的铁芯导磁率很高,磁致伸缩效应也很高,对外界磁场、压力、振动的影响敏感,能够因此而产生附加电压,造成干扰。为此,在装配或安装变压器时要采取以下措施:
1)铁芯或屏蔽装配前须退磁处理。
2)避免铁芯短路,产生涡流,降低磁通,使电感下降。
3)变压器真空浸渍效果很明显,使叠片不能互相移动。
4)变压器要安装在减震基座上,任何磁场源也要减震安装。
5)如果变压器安装空间允许,对变压器应当进行声学隔离。
此外,我们对EI57进行以下漏磁测试,条件分别如下:不难得知,有铜带短路环和磁屏蔽环且有铁夹紧结合几种情况,进行漏磁量测试,全部追加效果最好,最明显。
此外,音响中喇叭电流、电压忽大忽小、忽开忽关,振膜才能产生不同的震动,才能发出声音。而这时候,流过变压器次级的电流也是随着喇叭取电的频率而变化。被动的变化取磁频率,而初级还是不紧不慢的按照50Hz频率供电。这样,变压器本身内部的参数就很突出了,它决定了供电能力的好坏,直接影响到喇叭的频响。
当然,还有次级输出使用的电容和整流二极管对供电的影响:电容放电的速度和二极管开关的速度只能起到辅助变压器的作用,但不能完全替代。变压器的供电最直接,内阻一般比电容小,大电流通过能力也比电容大和快速,就算最差的说,变压器给电容做辅助,对声音也一样有影响。
其实电流和电压是相辅相成的,无负载时电压最高,随着负载的变化,电压也在变化。如果能做出一个不管接多大负载,电压都不变化,那么,对声音就没有影响了。
为了更好地说明上述问题,我们为此举例说明。
我们采用了EE形铁心(高度有较严限制),采用高导磁粹火的铁心,根据性价比进行综合认证:Bm=14.5kG左右,较为合适;电气特性要求如下:漏磁输入为定格电压时,振动值为3mG MAX。
其次要求:温度上升:65KMAX(条件3情况下)
由于为欧洲向变压器,初级电压输入为115V/230V 50/60Hz。
次级电压规格如下:
  条件1:定格
AC115V/230V 条件2:定格
AC115V/230V 条件3:定格
AC115V/230V
S1 DC±16.5V±5%
2.45A DC±22.2V MAX
0.1A DC----0.8A
S2 DC----0.35A DC----0.35A DC±13V±5% 0.35A
S3 DC----2.5A DC----2.5A DC±18.0V±5% 2.5A
S4 DC----0.02A DC----0.02A DC±75.0V±5% 0.02A
S5 AC----0.25A AC----0.25A AC 5.0V±5% 0.25A[#page#]

我们都知道,设计变压器分以步骤:
(1)计算变压器功率容量;               
(2)选择铁芯型号与尺寸;
(3)计算铁芯磁路平均长度;             
(4)计算铁芯有效截面积;
(5)计算铁芯质量;       
(6)估算变压器外径、高度;
(7)计算可容纳导线面积;          
(8)初定电压调整率;
(9)选择负载磁通密度;                  
(10)计算匝数;
(11)计算空载电流;                     
(12)计算次级折算至初级电流;
(13)计算铁芯铁损;     
(14)计算铁损电流;
(15)计算初级电流;                    
(16)计算各绕组最大带绝缘导线直径;
(17)校核能否绕下;
(18)计算各绕组平均每匝长度;
(19)计算各绕组导线电阻;                 
(20)计算各绕组导线质量;
(21)计算各绕组铜损;                    
(22)计算各绕组空载电压;
(23)核算各绕组次级电压;                
(24)核算初级电流;
(25)核算电压调整率;                    
(26)重复8~25项计算三次;
(27)修正次级匝数;                     
(28)确定变压器外径、高度;
(29)计算变压器等效散热面积;             
(30)计算温升;
(31)重复19~27项计算三次。
如遇到次级有半波、全波、桥式电路的话,先进行折算后,再计算功率。
纯电阻性负载绕组伏安值:
VA纯阻=ΣUiXIi
半波整流绕组伏安值:
VA半波=Σ1/2UXIj+UjX√I2j- I2=
全波整流绕组伏安值:
VA全波=Σ1.71UkXIk
桥式整流绕组伏安值
VA桥式=ΣUmXIm
倍压整流绕组伏安值:
VA倍压=ΣUdXId
变压器功率容量计算:
VA换算= VA纯阻+VA半波+VA全波+VA桥式+VA倍压
初级卷线:必须输入为115V或输入为230V时,输出为上述电压值。且温升保持不变。
不难计算出115V和230V之间圈数成倍数增加,线径约为1.414倍关系。
次级卷线:由于输出为多种所需电压:桥式、半波、交流等电压,而且是最大负载时,负载电压在半个小时内必须保持规定电压范围内。此外还需满足客户所要求各负载情况,如输入110%和下降为90%电压时,必须满足各种电压要求,所以诸多条件限制时,线径也不是按规律一一选取,另外虽然负载电流较小,但考虑卷线及配线断线等诸多因素,适当取大些线径是有道理。以下计算结果如下。
电路图如下:
在防漏磁方面,采购以下对策:
1)初、次级卷线采用同方向卷线;
2)初级卷线前添加防振动材料进行缓冲作用。输入瞬间保护。
3)铁心E和I中轴处用胶水涂布后,采用氧氩弧熔接而成。
4)铁心外表面用2层H14厚度0.35mmHPB进行防漏磁处理。
5)在线包外围用厚度0.3mm铜带进行,漏电流内部抵消处理。
6)较紧、较严的铁夹用防振材料后进行组装。
7)引出导线用绞结在一起的导线,防止大电流输出产生大的漏磁。
外形图如右。
另附针脚型,常见变压器,不同的是针脚对侧也采用磁屏蔽带进行保护。对防漏磁效果也特别明显。
结束语
音响类用电源变压器是一种特殊类型变压器,有其特有设计方法和思路,有许多组输出电压,在负载情况下,同时输出和单独输出,有电压差异,因此存在相互进行影响,电流大负载,效果更明显,同时也考虑温升条件下,进行选取线径,以及考虑最大负荷时电压的稳定性进行确定线径。随着经验日益成熟,电源变压器性价比进一步提高,它将会在电子变压器领域中有更广阔的应用前景。

 
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