Трансформаторы. Дэвид Хафлер

[grat]

ТРАНСФОРМАТОРЫ

Дэвид Хафлер,

Филадельфия, Пенсильвания. Заявка подана 14 октября 1955 г., серийный номер 540,587

14 пунктов формулы изобретения. (Кл. 179-171)

Настоящее изобретение в целом относится к широкополосным двухтактным выходным звуковым трансформаторам высокой верности воспроизведения, которые могут использоваться в качестве выходных трансформаторов в двухтактных усилителях любого типа. Такие трансформаторы способны передавать значительную звуковую мощность с крайне низким уровнем искажений в частотном диапазоне как минимум от 7 до 70 000 Гц, а также позволяют применять в усилителях глубокую отрицательную обратную связь (до 30 дБ), при условии включения самих трансформаторов в контуры этой обратной связи.

Специалистам в данной области хорошо известно, что для создания высококачественных трансформаторов требуется большое количество меди и железа. Это необходимо для получения требуемой индуктивности первичных обмоток, что, в свою очередь, обеспечивает желаемые характеристики в области низких частот. Однако эти требования вступают в противоречие с условиями, необходимыми для качественного воспроизведения высоких частот — а именно, с требованиями по минимизации индуктивности рассеяния и распределенной емкости. Кроме того, трансформаторы для высококачественной аппаратуры должны допускать включение в цепи с отрицательной обратной связью (ООС) глубиной 20–30 дБ. Такое требование подразумевает необходимость точного контроля относительной фазы сигналов в первичной и вторичной обмотках. Нежелательные фазовые сдвиги возникают главным образом из-за емкостной связи между обмотками, а также вследствие наличия индуктивности рассеяния. Последнюю можно уменьшить путем чередования (секционирования) обмоток, что, однако, приводит к увеличению емкости первичной обмотки. Таким образом, при проектировании приходится искать компромисс между этими двумя факторами. Емкостную передачу сигналов можно устранить с помощью электростатического экранирования вторичных обмоток, но применение экранов увеличивает емкость относительно «земли», что ограничивает полосу пропускания в области высоких частот.

В соответствии с настоящим изобретением первичные обмотки звуковых трансформаторов выполняются секционированными, при этом вторичные обмотки используются в качестве экранов между частями первичной обмотки. Применяются три расположенные одна над другой коаксиальные первичные катушки; центральная из них может иметь отвод от середины, который подключается к источнику положительного напряжения питания (B+). Все витки этой катушки намотаны в одном направлении, и саму катушку можно рассматривать как состоящую из двух секций, каждая из которых включена последовательно с соответствующей лампой двухтактного усилителя.

Две оставшиеся первичные обмотки — одна из которых расположена физически над центральной обмоткой, а другая — под ней — намотаны в направлении, противоположном направлению намотки центральной обмотки. Между центральной обмоткой и двумя другими первичными обмотками размещены две вторичные обмотки. Таким образом, конфигурация обмоток представляет собой последовательность: П–В–П–В–П (где П — первичная, а В — вторичная обмотка). Одна из вторичных обмоток намотана в том же направлении, что и центральная первичная обмотка, а другая — в противоположном. Вторичные обмотки могут быть соединены параллельно или последовательно. При последовательном соединении они должны быть намотаны в одном направлении для обеспечения полной симметрии. Первичные обмотки могут быть соединены друг с другом одним из двух способов. В первом случае внешняя первичная обмотка (в физическом смысле) соединяется последовательно с той частью центральной обмотки, которая предшествует среднему отводу, то есть с её внутренней половиной. Внутренняя первичная обмотка соединяется последовательно с той частью центральной обмотки, которая следует за средним отводом, то есть с её внешней половиной.

При параллельном соединении внешняя обмотка подключается параллельно внутренней половине центральной обмотки, а внутренняя обмотка — параллельно внешней половине центральной обмотки. Очевидно, что для параллельного соединения число витков во внутренней и внешней первичных секциях должно быть равно числу витков в половине центральной секции; однако при последовательном соединении это условие не является обязательным.

В трансформаторе согласно настоящему изобретению допускается определенная асимметрия активных сопротивлений (по постоянному току) и емкостей, что позволяет обеспечить эффективное чередование (переплетение) обмоток двухтактного каскада и снизить межобмоточную емкость. Такое чередование уменьшает индуктивность рассеяния между полуобмотками, тем самым увеличивая допустимую мощность на высоких частотах. При этом предложенный способ чередования обмоток не приводит к увеличению емкости между частями первичной обмотки. Это важное преимущество изобретения объясняется тем, что полуобмотки первичной обмотки двухтактного каскада соприкасаются друг с другом только вблизи отвода от средней точки — участка, где переменный потенциал равен нулю. На остальных участках первичные обмотки разделены вторичными обмотками, находящимися под низким потенциалом. Низкая суммарная емкость первичной обмотки и минимальная емкостная связь между ее полуобмотками необходимы для того, чтобы в двухтактной схеме происходило взаимное подавление четных гармоник и исключалось возникновение резонансов. Предотвращение резонансов крайне важно для обеспечения качественной переходной характеристики и исключения фазовых сдвигов, которые недопустимы в схемах с глубокой обратной связью.

Вторичные обмотки полностью сбалансированы относительно нескольких первичных обмоток, благодаря чему емкостная передача сигнала с первичных обмоток на вторичные компенсируется, а продольная передача сигнала исключается. В результате достигается полноценная двухтактная работа в широком частотном диапазоне, отсутствие сигнала при инверсии фазы, а также возможность использования глубокой отрицательной обратной связи.

В одном из вариантов конструкции, разработанном в соответствии с настоящим изобретением, был использован 2-дюймовый (50,8 мм) пакет стандартных пластин магнитопровода, изготовленных методом безотходной штамповки. Было установлено, что трансформатор способен работать с мощностью 50 Вт в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц с пренебрежимо малыми искажениями. При этом была достигнута частотная характеристика в пределах ±1 дБ в диапазоне от 7 Гц до 70 кГц, а глубина допустимой обратной связи составила до 30 дБ.

Таким образом, одной из основных целей настоящего изобретения является создание нового двухтактного аудиотрансформатора с высокой точностью воспроизведения.

Еще одной задачей настоящего изобретения является создание двухтактного звукового трансформатора с чередующимися первичными обмотками, в котором вторичные обмотки выполняют функцию емкостных экранов для секций первичной обмотки.

Еще одной задачей изобретения является создание двухтактного звукового трансформатора с разделенными половинками первичной обмотки, причем две секции, образующие каждую половинку первичной обмотки, расположены таким образом, чтобы подавать на вторичные секции трансформатора емкостно передаваемые токи противоположной фазы и равной амплитуды.

Вышеуказанные, а также дополнительные цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными при рассмотрении нижеследующего подробного описания одного из его конкретных вариантов осуществления, особенно в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых:

На рисунках 1 и 2 представлены принципиальные электрические схемы альтернативных вариантов реализации согласно изобретению;

На рисунке 3 показано последовательное соединение секций вторичных обмоток, относящихся к вариантам, представленным на рисунках 1 и 2.

Обращаясь более подробно к прилагаемым чертежам, отметим, что позицией 1 обозначена первая вакуумная усилительная лампа, а позицией 2 — вторая вакуумная усилительная лампа двухтактного высококачественного усилителя звуковой частоты, работающего в режиме класса A, AB или B.

Для усилителя предусмотрен выходной звуковой трансформатор, содержащий достаточное количество меди и железа для обеспечения качественного воспроизведения низких частот, характерного для аппаратуры класса Hi-Fi. Первичная обмотка 3 выполнена по принципу чередования секций (чередующейся намотки) для минимизации индуктивности рассеяния. Первичная обмотка состоит из центральной катушки (или секции) 4, намотанной в одном направлении слоями, уложенными друг поверх друга; она имеет как минимум один средний отвод 5, благодаря чему катушка (секция) 4 фактически разделена на внешнюю часть 6 и внутреннюю часть 7, причем границей раздела служит средний отвод 5.

Предусмотрены дополнительная внешняя первичная секция 8 и внутренняя первичная секция 9, намотанные в виде отдельных слоев соответственно снаружи и изнутри центральной секции 4. Секции 8 и 9 намотаны в направлении, противоположном направлению намотки секции 4; при этом секции 6 и 9 соединены последовательно с анодом лампы 2, а секции 7 и 8 — последовательно с анодом лампы 1. Если проследить направление протекания тока и направление намотки секций 7, 8 и 6, 9, начиная от отвода 5, становится очевидным, что секции 6 и 9 индуктивно усиливают друг друга, так же как и секции 7 и 8, однако последние находятся в противофазе по отношению к секциям 6 и 9. При условии равенства числа витков в секциях 6, 7, 8 и 9, соседние слои секций 6, 8 и секций 7, 9 находятся в противофазе и имеют одинаковый потенциал.

Вторичная секция 10 расположена между первичными секциями 6 и 8, а еще одна вторичная секция 11 — между первичными секциями 7 и 9. Вторичные секции 10 и 11 соединены параллельно (как показано на рисунке) и имеют взаимно обратное направление намотки, однако при необходимости их можно соединить последовательно.

Вторичные секции 10 и 11 представляют собой низковольтные обмотки, заземленные в точке 12. Таким образом, вторичные секции 10 и 11 выполняют функцию электростатических экранов, расположенных соответственно между первичными секциями 6, 8 и 7, 9. Эти экраны уменьшают или сводят к минимуму емкостную связь между соседними первичными секциями, а расположение вторичных секций между слоями первичной обмотки, имеющими равные потенциалы, но противоположные фазы, исключает передачу емкостных токов во вторичные обмотки.

Благодаря описанному расположению вторичные обмотки могут быть намотаны более симметрично по отношению к секциям первичной обмотки, чем это было бы возможно в ином случае: а именно, заземленные концы секций вторичной обмотки располагаются в непосредственной близости к концам центральной секции 4. Тем самым минимизируется емкостная передача энергии в секции вторичной обмотки и из них.

Вся система оказывается несбалансированной по сопротивлению постоянному току и емкости, поскольку обмотки расположены одна поверх другой, а значит, имеют разные диаметры и разную длину провода. На это идут сознательно, чтобы обеспечить эффективное чередование секций двухтактного каскада и уменьшить индуктивность рассеяния между ними. Это повышает допустимую мощность на высоких частотах во всех режимах работы, включая класс B. Конструктивное расположение обмоток позволяет чередовать их без увеличения емкости между частями первичной обмотки, так как эти части соприкасаются только в точке среднего отвода, где переменный потенциал равен нулю. Секции первичной обмотки разделены расположенными между ними — в сбалансированном порядке — секциями вторичной обмотки, находящимися под низким потенциалом. В результате общая емкость первичной обмотки остается низкой, а емкостная связь между ее частями — минимальной. Для обеспечения подлинно симметричной работы на любых частотах такая емкостная связь недопустима; в противном случае не произойдет необходимого подавления гармоник четных порядков. Кроме того, исключается возникновение резонансов между частями двухтактной обмотки, которые могли бы привести к ухудшению переходных характеристик и ограничить глубину допустимой отрицательной обратной связи из-за резких фазовых сдвигов, возникающих на резонансных частотах и вблизи них.

Благодаря сбалансированному расположению вторичных секций относительно первичных, а также взаимно сбалансированному расположению самих первичных секций, емкостная передача сигнала с первичной стороны на вторичную оказывается уравновешенной — то есть отсутствует несимметричная передача сигнала или прохождение его в продольном режиме. В результате исключается появление составляющей сигнала с инвертированной фазой, расширяются возможности для введения обратной связи вокруг трансформатора, а также обеспечивается полноценное балансное (двухтактное) усиление в чрезвычайно широком диапазоне частот — при минимальном фазовом сдвиге, точном согласовании импедансов и низком уровне искажений.

Обратимся теперь к рисунку 2 прилагаемых чертежей, на котором показан вариант системы, представленной на рисунке 1: здесь первичная секция 6 соединена параллельно с первичной секцией 9, а первичная секция 7 — параллельно с первичной секцией 8; в остальном схемы на рисунках 1 и 2 идентичны. В системе, показанной на рисунке 2, число витков в параллельно соединенных обмотках должно быть одинаковым, чтобы обеспечить равенство напряжений и, следовательно, отсутствие циркулирующего первичного тока. В системе, представленной на рисунке 1, это условие не является обязательным.

На рис. 3 представлено последовательное соединение вторичных секций, которое может быть использовано в любом из показанных вариантов осуществления; при этом секции 10a и 11a намотаны в одном направлении, а точка их соединения заземлена для обеспечения симметрии. В том случае, если секции 10a и 11a намотаны в противоположных направлениях, их можно соединить началами друг с другом, при этом общая точка соединяемых начал должна быть заземлена. Такая конфигурация не является симметричной.

Возможность использования асимметричной вторичной схемы зависит от импеданса обмоток. Если импеданс составляет всего несколько ом, то вся вторичная цепь — с точки зрения первичной — находится под потенциалом земли. По мере увеличения импеданса вторичной цепи возрастает необходимость применения либо обмоток, включенных параллельно с взаимно обратной полярностью, либо обмоток, соединенных последовательно (без изменения полярности) и заземленных в средней точке; это позволяет компенсировать перенос емкостного тока из первичных цепей.

Хотя я описал и проиллюстрировал один конкретный вариант осуществления настоящего изобретения, очевидно, что в его конструктивные детали могут быть внесены изменения, не выходящие за рамки подлинной сущности и объема изобретения, как они определены в прилагаемой формуле изобретения.

Я заявляю следующее:

1. Аудиотрансформатор высокой верности воспроизведения, содержащий первую центральную первичную секцию, которая имеет единое направление намотки по всей своей длине и снабжена как минимум одним средним отводом, разделяющим ее на верхнюю и нижнюю половины; вторую первичную секцию; и третью первичную секцию. При этом вторая первичная секция расположена снаружи от первой первичной секции, а третья первичная секция — внутри от нее; направления намотки второй и третьей первичных секций идентичны друг другу и противоположны направлению намотки первой первичной секции. Предусмотрены средства для соединения верхней половины первой первичной секции с третьей первичной секцией, а также средства для соединения нижней половины первой первичной секции со второй первичной секцией; все указанные обмотки размещены на общем сердечнике.

2. Комбинация по п. 1, в которой на указанном общем сердечнике дополнительно предусмотрены первая и вторая вторичные секции, причем первая вторичная секция расположена между верхней половиной указанной первой первичной секции и указанной второй первичной секцией, а вторая вторичная секция расположена между нижней половиной указанной первой первичной секции и указанной третьей первичной секцией; также предусмотрены средства для подключения указанных первой и второй вторичных секций к общей нагрузке.

3. Комбинация по п. 2, в которой указанные вторичные секции подключены параллельно к указанной общей нагрузке.

4. Комбинация по п. 2, в которой указанные вторичные секции соединены последовательно с указанной общей нагрузкой.

5. Выходной звуковой трансформатор высокой верности, предназначенный для двухтактного включения с парой электродов двухтактного каскада на электронных лампах, содержит первую, вторую, третью и четвертую первичные обмотки, а также первую и вторую вторичные обмотки. Первая и вторая первичные обмотки имеют общий отвод для подачи высокого положительного напряжения и намотаны в одном и том же направлении (первом направлении) с взаимным наложением. Третья и четвертая первичные обмотки намотаны в направлении, противоположном первому, причем третья обмотка расположена снаружи, а четвертая — внутри относительно первой и второй обмоток. Предусмотрены средства для подключения первой и третьей первичных обмоток к одному из электродов (с обеспечением индуктивного сложения сигналов), а также средства для подключения второй и четвертой первичных обмоток к другому электроду (также с обеспечением индуктивного сложения сигналов). Кроме того, предусмотрены средства для размещения первой и второй вторичных обмоток: первая вторичная обмотка расположена между первой и третьей первичными обмотками, а вторая вторичная обмотка — между второй и четвертой первичными обмотками.

6. Комбинация по п. 5, в которой указанные вторичные секции соединены параллельно и намотаны в противоположных направлениях.

7. Комбинация по п. 5, в которой указанные первая и третья первичные секции соединены параллельно, а указанные вторая и четвертая первичные секции соединены параллельно.

8. Комбинация по п. 5, в которой указанные первая и третья первичные секции соединены последовательно, а указанные вторая и четвертая первичные секции соединены последовательно.

9. Конструкция обмоток для двухтактного выходного трансформатора, содержащая пару секций первичной обмотки, намотанных в противоположных направлениях, средства для подключения указанных секций обмотки между выводом напряжения питания (B+) и анодным выводом таким образом, чтобы их индуктивные составляющие складывались, а также по меньшей мере одну дополнительную секцию первичной обмотки, расположенную между упомянутыми ранее секциями первичной обмотки.

10. Первичная обмотка для звукового трансформатора, содержащая две противофазные секции с одинаковым направлением намотки, расположенные в непосредственной близости друг к другу, а также две дополнительные противофазные секции с одинаковым направлением намотки, противоположным направлению намотки упомянутых первых двух секций, при этом указанные две дополнительные секции отделены друг от друга, как минимум, первыми упомянутыми секциями.

11. Двухтактный трансформатор, содержащий две первые секции первичной обмотки, работающие в противофазе, первую секцию вторичной обмотки, расположенную непосредственно между указанными двумя секциями первичной обмотки, еще две секции первичной обмотки, также работающие в противофазе, и еще одну секцию вторичной обмотки, расположенную непосредственно между этими двумя дополнительными секциями первичной обмотки; при этом секции вторичной обмотки намотаны и соединены друг с другом таким образом, чтобы обеспечивать суммирование выходных сигналов.

12. Комбинация по п. 11, в которой индуктивно взаимодействующие пары указанных первичных секций — при этом каждая пара содержит по одной секции из каждой из указанных двух групп (первичных секций и дополнительных первичных секций) — подключены к анодному выводу.

13. Комбинация по п. 12, в которой указанные пары представляют собой пары, соединенные последовательно.

14. Комбинация по п. 12, в которой указанные пары представляют собой пары, соединенные параллельно.

 

US2815408.pdf

[Xрюн222]

С удовольствием применял тр-ры Акро ТО-300, ультра линейные,в составе КИТов Heathkit W, один выходник разбирал чинил вывод оторванный, сделано просто и со вкусом, повторить 1в1 затруднительно, ибо  железо не только отличное "звуковое", оно ещё и немного нестандартной геометрии :). Залиты в кожухах чем-то вечно вязким, видимо, церезин или галовакс.

[Алексей]

Что-то сходу не соображу, если  вторичка в каждой её секции однослойная, какой смысл мотать её в противоположных направлениях и соединять концы с началами перекрестно? Что поменяется, если две секции намотать в одном направлении и соединить н-н и к-к параллельно?

Всё равно же весь слой вторички считается экраном, как будто слой фольги положили вместо слоя витков и заземлили с одной стороны.

[Xрюн222]

Не обещаю, но сильно подозреваю, что ДХ ( а он совершенно "адназначна!"(С) был "голова!"(С), каких по пальцам пересчитать, в истории хи-фи) учитывал  емкостную наводку с первички на вторичку, НЕ считая ее сплошным "слоем фольги" и учитывая ее индуктивность рассеяния, что оправдано на высоких частотах (десятки кГц).

Хотя в целом это все и наз. идея "самоэкранирующего" устройства обмоток.

[Rezvoy]

Борьба за класс B, в классе А практически никаких преимуществ не будет, а, возможно, что-то и ухудшится. Но это надо более детально рассмотреть.

[Константин]

12 часов назад, Алексей сказал:

какой смысл мотать её в противоположных направлениях и соединять концы с началами перекрестно?

Лучше давится наведенная на вторичку ЭМ помеха, если снимаем сигнал ОС, вполне актуально. Предположительно лучшее подавление автоколебательных процессов от обратной эдс акустики.

[Алекс]

Пишут полоса 7Гц-70кГц, это при 30дб оос или этот момент мягко упустили из виду?)

[гаврилов валентин]

Как-то мотал по раскладке Хаффлера для гитарного ампа .

 

[Алексей]

4 часа назад, гаврилов валентин сказал:

Как-то мотал по раскладке Хаффлера для гитарного ампа .

У Хаффлера есть ещё и раскладка для УЛ, патентованная, это наверное следующая итерация после текущей, по улучшению звучания...

Интересно, какой Ктр у вас на этом выходнике?

 

[Xрюн222]

УЛ тр-р имеет 4П-3В, на железе с удлиненным окном и керном.

[Алексей]

22 минуты назад, Xрюн222 сказал:

УЛ тр-р имеет 4П-3В, на железе с удлиненным окном и керном.

Ну не знаю, у меня есть убитый(или не совсем рабочий) А-8072, он УЛ, и там железо вполне обычное, в смысле безотходное, 105-е, разьве что отверстия в необычных местах, ближе к углам, и как вы точно заметили, 4п-3в, даже видно прям сверху глядя на катушку.