"Радио Всем", №14, июль 1928 год, стр. 368-371

УСИЛИТЕЛИ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ С ТРАНСФОРМАТОРАМИ.

Е. М. Красовский.

Несмотря на то, что усилители низкой частоты имеют наибольшее распространение среди радиолюбителей, широкая масса еще в недостаточной мере знакома с теми основными требованиями, которые лежат в основе правильного конструирования подобных усилителей и самостоятельного изготовления трансформаторов низкой частоты.

Рис. 1.

Настоящая статья имеет в виду познакомить читателя не только с теоретической стороной этого вопроса, но и затрагивает некоторый мало известный опытный материал по лабораторному исследованию трансформаторов низкой частоты.

Обращаясь непосредственно к теме статьи, необходимо для ясности напомнить, что в усилителях низкой частоты находит себе применение трансформаторная связь. Основная схема такого 2-лампового усилителя изображена на рис. 1. Первичная обмотка трансформатора включена в цепь анода 1-й лампы, вторичная обмотка — в цепь сетки 2-й лампы. Предполагая, что читателю знакомы основные законы электромагнитной индукции¹⁾, действие такого усилителя можно объяснить следующим образом. Колебания низкой частоты, попадая тем или иным путем на сетку 1-й лампы, вызывают более значительное изменение анодного тока. Этот ток, меняясь все время по своей величине (в соответствии с изменением потенциала на сетке), вызывает появление все время изменяющегося магнитного поля вокруг первичной обмотки 1. При пересечении витков вторичной обмотки, которая обычно навивается поверх первичной, переменное магнитное поле вызывает появление во вторичной обмотке некоторой эдс {электродвижущей силы), которая и попадает далее на сетку 2-й лампы, где и усиливается вновь.

В целях повышения отдачи трансформатора применяется железный сердечник. В современных правильно сконструированных трансформаторах отношение энергии, отданной вторичной обмоткой, к затрачиваемой в первичной, или, что то же, коэффициент полезного действия, достигает 97%, т. е. только 3% расходуются на всякого рода, потери.

Уже из беглого взгляда на витиеватые разветвления магнитных силовых линий, где число их в разных точках пространства различно, станет понятным, что было бы проще давать оценку магнитного потока в каком-либо узком ограниченном участке. С этой целью будем понимать под понятием «напряжения магнитного потока» М ту часть силовых линий, которые пронизывали бы условную площадку в 1 см², поставленную в желаемом месте пространства, заполненного магнитными силовыми линиями, перпендикулярно к ним.

Конечно, и здесь есть недостатки; конечно, непосредственно определить «М», путем счета силовых линий практически невозможно. Но существуют косвенные методы, например, путем наблюдения за величиной эдс, возникающей в витке, помещенном в любой «точке» переменного магнитного поля, которые позволяют путем сравнения судить о величине М.

До сих пор мы говорили о магнитном поле в воздухе. Но оказывается, что существует ряд металлов, которые сами по себе оказывают меньшее «сопротивление» для возникновения магнитного потока. Иначе говоря, один и тот же ток, проходящий в совершенно одинаковых обмотках, создает значительно больший магнитный поток — большее число силовых линий. В этом отношении оказалось особенно пригодным железо.

Рис. 2.

Если «напряжение магнитного поля в железе» обозначим В, где

В = μM,

то μ — число, показывающее, во сколько раз увеличилось число силовых линий, пронизывающих данную площадку, — называется «магнитной проницаемостью».

Условимся далее величину В > М (В больше М) в отличие от М называть «магнитной индукцией». Смысл ее, конечно, тот же, что и М, с той лишь разницей, что здесь рассматривается иная среда чем воздух. Для железа μ = 5 000 (см. ниже) показывает, во сколько раз увеличивается поток, приходящийся на 1 см² поверхности, поставленной перпендикулярно магнитному потоку, в сравнении с воздухом.

После вышеизложенного станет понятным смысл рис. 2-с, где магнитный поток замыкается в железном кольце. Мало того, что здесь он значительно гуще, — мы не видим совершенно «потока рассеивания», так как силовые линии избирают всегда путь наименьшего сопротивления. Весь путь, который огибает магнитная силовая линия (а она всегда должна быть, как известно, замкнута), называется «магнитной цепью».

Какое значение имеют размеры сердечника? Может ли сердечник внести искажения или нарушить нормальную работу трансформатора? Чем определяются его размеры?

Рис. 3.

Если железо поместить во внешнее магнитное поле, созданное каким-либо соленоидом, и судить о величине этого поля по его напряжению М, то индукция железа В (во много раз большая М) будет изменяться с изменением М. Это изменение, вначале быстрое и приближенно прямолинейное, рис. 3, постепенно уменьшается за перегибом кривой. Точка перегиба S, выше которой индукция В лишь едва увеличивается, — предел возможного числа силовых линий в 1 см² железа, называется «магнитным насыщением».

Возьмем для примера случай из практики усилителей. Рассмотрим работу двух трансформаторов в 1-м и 4-м каскаде усиления низкой частоты (рис. 4 и 5). На каждом из рисунков совмещены две кривые: 1) изменения анодного тока, где: Jа — постоянная слагающая, т. е. тот постоянный ток, который течет в анодной цепи в ожидании сигнала; iа — меняющаяся часть анодного тока — переменная слагающая. Заштрихованным показано полное изменение анодного тока.

Рис. 4.

2) Изменения В под действием М, которая в свою очередь зависит от Jа, пропускающегося через первичную обмотку. Кривая аналогична рис. 3, но повернута.

Рис. 5.

Как видно из рисунков, изменение магнитного состояния железа (вернее, индукции В) не всегда точно следует изменению iа или, что то же, М. Кривая на рис. 5 явно искажена, урезана, а раз так, то кривая полученного на вторичной обмотке напряжения не будет в точности повторять характер изменения iа в первичной. В местах среза «X» «У» кривой В рис. 5 магнитная индукция не меняется и не происходит, другими словами, нарастания числа магнитных силовых линий в железе. Следовательно, причины возникновения разности потенциалов во вторичной обмотке нет, несмотря на то, что iа продолжает увеличиваться. Искажения налицо. Может ли такой случай быть в практике? Несомненно, да. Как с этим бороться? Существуют способы чисто электрического порядка, о которых речь впереди; сейчас же необходимо предусмотреть и устранить те причины, которые могут являться следствием неправильного конструирования трансформатора.

Ранее было установлено, что возможно устранить магнитное насыщение путем увеличения поперечного сечения сердечника. Возникает вопрос: чем руководствоваться при определении размеров сердечника и сколькими силовыми линиями на 1 см² можно нагрузить железный сердечник?

Рис. 6.

Совершенно исчерпывающий ответ мы находим из наблюдений над намагничиванием железа под действием внешнего магнитного поля М. Если читатель внимательно присмотрится к рис. 6, где показано изменение μ и В под влиянием внешнего магнитного поля (положим, что мы имеем случай, когда железо помещено внутри соленоида и, увеличивая ток, текущий через соленоид, мы все время увеличиваем его магнитное поле), то он увидит, что μ все время меняется, достигая максимума, и вновь спадает до единицы при чрезмерно большом внешнем поле. В данном случае при μ = 1 и след. В = μМ = М. Сердечник потерял всякое свое значение и густота силовых линий на 1 см² стала одна и та же как в воздухе, так и в железе.

Сравнивая рис. 3 с 6, мы видим, что М будет близко к В за перегибом кривой, а это в свою очередь означает, что уменьшение μ объясняется магнитным насыщением сердечника.

Железа в трансформаторе не следует брать слишком много, т. е. сердечник не должен иметь чрезмерно большое сечение. Читатель увидит ниже, что это приводит к излишним потерям. По этой причине необходимо дать сердечнику такой режим, при котором он показал бы наибольшую «емкость» для силового потока. Из кривой рис. 6 мы видим, что величина μ будет наибольшей для В в пределах 2 500—10 000 сил. линий на см². Это и есть допустимая нагрузка сердечника. Таким образом, если, положим, известно, что при наибольшем изменений тока в первичной обмотке полный магнитный поток Ф = 20 000 линий и В допустимое взять на всякий случай с запасом = 5 000²⁾, то сечение сердечника равно

Существуют специальные сорта трансформаторного, так называемого «легированного» железа, получаемого путем примеси кремния, который допускает еще большую В_доп и, следовательно, уменьшение сечения сердечника сравнительно с обычным листовым железом.

Потери в сердечниках усилительных трансформаторов приобретают особое значение в связи с тем, что звуковая частота пульсирующего анодного тока меняется в весьма больших пределах (от 50 до 10 000 колебаний в секунду). Здесь кроется одна из причин искажений, вносимых трансформатором. Наиболее значительно дают себя знать потери на токи Фуко. Нет ничего удивительного, что одновременно с пересечением магнитного поля первичной обмотки витков вторичной пересекается и сам сердечник. Образующийся в последнем индуктированный ток (Фуко) отнимает часть энергии, которая преобразуется в тепло, и понижает в конечном итоге напряжение на вторичной обмотке.

Так как

где — Ф/t — скорость изменения магнитного потока, ~ — знак пропорциональности (иногда применяется для обозначения приближенных величин), то очевидно для высоких звуковых нот, когда частота изменения анодного тока, а следовательно и магнитного поля первичной обмотки, велика, потери на токи Фуко будут наибольшими; при низких нотах, наоборот, наименьшая. Таким образом соответственно этим потерям будет меняться напряжение на вторичной обмотке. Возникнут искажения, так как характер изменения напряжения на зажимах вторичной обмотки не будет в точности следовать изменению тока в первичной.

Рис. 7.

Как известно, одним наиболее рациональным способом борьбы с токами Фуко является расслоение сердечника на отдельные листики. Их прежде всего необходимо расположить по направлению силовых линий, т. е. по оси обмотки; приэтом непосредственному пересечению подвергается лишь узкая торцевая часть железного листика, рис. 7. Чем тоньше такой листик, тем меньше площадь пересечения, тем меньше, конечно, и потери. В отдельных тонких листиках токи Фуко будут, конечно, очень слабыми, так как сопротивление листочка тем больше, чем меньше его толщина (при данной высоте и длине). Так как индуктируемый ток всегда направлен навстречу основному в первичной обмотке, то магнитное поле токов Фуко тоже будет встречно и ослабляет основной магнитный поток. Циркулирующий в тонких листиках индуктированный ток Фуко, рис. 7с, как говорилось, очень мал, а поэтому размагничивающее действий паразитных магнитных полей будет практически ничтожно. Необходимо листики для трансформатора брать возможно тоньше; обычно они бывают толщиною 0,1—0,3 мм. Само собою понятно, что листики нужно друг от друга тщательно изолировать, для этой цели лакируют их с каждой стороны или обклеивают тонкой папиросной бумагой.

Рис. 8.

Другой вид потерь — на гистерезис — обязан свойству железа задерживать в себе раз приобретенные магнитные свойства. Это особенно важно при переменном токе, когда магнитная полярность сердечника все время меняется. На рис. 8 представлена так наз. гистерезисная петля. Намагничивание сердечника вначале от нуля идет по пунктиру. Когда ток начинает ослабевать и внешнее магнитное поле убывает, размагничивание железа идет обратно, но не по пунктирной кривой, а по некоторой кривой АВ, запаздывая относительно тока. Когда внешнее поле сравняется с нулем, в железе будет иметься некоторый остаточный магнетизм ОВ. При изменении направления тока в обратную сторону сперва необходимо затратить некоторую работу на размагничивание сердечника, пропорциональную ОВ, после чего уже сердечник полностью перемагнитится. Затрата энергии магнитного поля на перемагничивание называется «потерей на гистерезис». Чем мягче железо, тем менее способно оно удерживать приобретенные магнитные свойства, — тем меньше потери на гистерезис. По этой причине необходимо листочки сердечника перед лакировкой и сборкой тщательно отжечь в печи и дать медленно остыть, засыпав горячей золой.

Не вдаваясь подробно в разновидности выполнения сердечников, отметим лишь две их наиболее характерные формы, рис. 9а и b. Первый, открытого типа имеет тот недостаток, что часть магнитного потока рассеивается, избирая кратчайший путь. Второй, броневой тип лишен этого недостатка — здесь силовые линии целиком замыкаются внутри сердечника. Такой тип наиболее желателен. Сердечник может быть собран «шихтом» по рис. 9а или так, как это показано на рис. 9b. В последнем случае разрезанная узкая часть вставляется в катушку то с одной, то с другой стороны; при вставлении разрезанные края временно отгибаются.

Рис. 9.

Весьма важный вопрос о скреплении сердечника часто проходит незаметным для радиолюбителя. Скрепление может быть осуществлено помощью сквозного болта, пропущенного сквозь специальные отверстия в углах сердечника, или помощью поперечных, металлических пластин, стягивающих по краям сердечник. Здесь необходимо предусмотреть тщательную изоляцию болта от отдельных пластин сердечника (рис. 10а и b), так как в противном случае вся работа по расслоению сердечника пропадает даром, и болт замкнет все пластины накоротко. К сожалению, такие случаи нередки. Автор при разборке одного трансформатора малого типа завода «Радио» обнаружил полное отсутствие изоляции, что, конечно, нужно поставить в вину заводу.

Рис. 10.

Все заусеницы до сборки должны быть тщательно сглажены и ни в коем случае не следует допускать обработку напильником уже свернутого сердечника, так как заворачивающиеся края замыкают листочки между собой. Свинчивание должно быть возможно лучше.

В некоторых случаях, когда размеры требуемого сечения железа сердечника окажутся велики и требуется их уменьшить, прибегают к искусственному способу включения в магнитопровод воздушного промежутка. Легко сообразить, что при отсутствии в магнитопроводе воздушного зазора индукция В значительно превышала бы допустимые нормы. Возможность насыщения сердечника, ранее чем ток первичной обмотки получал бы наибольшее значение, была бы очевидна. Разрезая сердечник, получаем последовательно включенный воздушный зазор с μ раз большим сопротивлением, чем железо. Общее сопротивление магнитопровода, конечно, увеличится, в силу чего уменьшится число силовых линий, пронизывающих сердечник, что аналогично уменьшению В. Регулируя величину зазора, возможно применять такой трансформатор, несмотря на малые размеры, в последних каскадах, без опасности получить искажения. Подобного вида сердечник, применяемый в усилительных трансформаторах Треста слабых токов, изображен на рис. 11.

Рис. 11.

Необходимо твердо помнить, что этот способ вносит дополнительные потери, но иногда он оправдывается, как, например, в вышеуказанном случае.

2) Как видно из кривой рис. 3 при столь небольшой индукции, мы имеем ниже точки «с» совершенно линейное положение В и, следовательно, устраняется возможность искажения кривой намагничивания железа в сравнении с внешним магнитным потоком.