Намотка малосигнальных трансформаторов

В этой теме предлагаю собирать весь опыт по намотке малосигнальных трансформаторов, таких как: повышающие для ленточных микрофонов, согласующие для входов различных преампов, выходных - для микрофонов, преампов и пр. небольшой мощности.

Вообще надо рассмотреть эквивалентную схему трансформатора, чтобы потом знать какие паразитные параметры имеются и как с ними бороться. Немного подождите, нарисую картинку.


img-3540-95250fb1f8.gif

РџРѕ СЂРёСЃСѓРЅРєСѓ:
L1 - индуктивность первичной обмотки,
L2 - индуктивность вторичной обмотки,
Lр2 - индуктивность рассеяния вторичной обмотки,
R1 - активное сопротивление первичной обмотки,
R2 - активное сопротивление вторичной обмотки,
С2 - ёмкость вторичной обмотки,
Cм - межобмоточная ёмкость.

Кроме L1 и L2 в схеме все элементы являются паразитными. �збавиться от них полностью не представляется возможным, но можно снизить их влияние на передачу звукового диапазона различными методами.

Основа расчёта обмоток (максимальное упрощение)

Допустим, у нас есть капсюль ленточного микрофона, на нём установлена ленточка с известным (измеренным) сопротивлением. Есть желание согласовать ультранизкое сопротивление капсюля с гораздо большим импедансом последующего усилителя. Это нужно найти требуемый коэффициент трансформации:

КТ = Кв. корень(Rн / Rл)

Пример: импеданс Rн - 600 Ом, сопротивление ленточки Rл - 0,3 Ом,

КТ = Кв. корень(600 / 0,3) ~ 45 ...нужен трансформатор 1 : 45

�ндуктивность обмоток

Поскольку катушки индуктивности изменяют своё сопротивление в зависимости от частоты, необходимо определить какая именно индуктивность обмоток нужна чтобы передать частотную полосу по НЧ диапазону. Здесь нужно задать нижнюю частоту, на которой будет происходить спад на -1 дБ (примерно). Воспользуемся формулой индуктивного сопротивления:

RL = 2 * РџРё * FРЅ * L

РіРґРµ,
Fн - нижняя частота АЧХ, по уровню -1 дБ (за счёт R обмоток),
L - индуктивность обмотки.

Пример: RL - 600 Ом, Fн - 20 Гц,

L = RL / 6,28 / Fн = 600 / 6,28 / 20 = 4,77 Гн ...вторичная обмотка должна иметь индуктивность 4,77 Гн.

�ндуктивности обмоток связаны с КТ по следующей формуле:

КТ = Кв. корень(L2 / L1)

�ндуктивность вторичной обмотки L2 у нас уже найдена и КТ тоже посчитан, найдём индуктивность первичной обмотки L1:

L1 = L2 / РљРў^2

Пример: индуктивность вторичной обмотки L2 - 4,77 Гн, коэффициент трансформации КТ - 45,

L1 = L2 / КТ / КТ = 4,77 / 45 / 45 = 0,00235 Гн (2,35 мГн)

Расчёт числа витков

Для расчёта числа витков в обмотках нужно измерить габариты сердечника в миллиметрах и нужно знать начальную магнитную проницаемость материала. Понадобится рисунок, какие геометрические размеры учитываются в расчёте.


img-3541-e4e7715ae0.gif

РќР° СЂРёСЃСѓРЅРєРµ:

a - ширина сердечника в месте расположения катушки(шек), мм;
b - высота набора (толщина), мм;
c - ширина окна, мм;
h - высота окна, мм;
r - радиус окна (для типа А), мм.

Красным цветом обозначена длина средней линии магнитопровода. Она считается следующим образом, для типов:

Рђ: LСЃСЂ = 2 * РџРё * (r + (a / 2))

Р‘: LСЃСЂ = 2c + 2h + (РџРё * a)

Р’: LСЃСЂ = 2c + 2h + (РџРё * a / 2)

Площадь сечения магнитопровода в месте расположения катушек во всех случаях:

SРј = a * b

Для нахождения числа витков обмотки нужно вычислить какая индуктивность приходится на 1 виток:

AL = (MU0 * MUн * Sм) / Lср ...ответ в мкГн

где: MU0 = 0,001257 мкГн/мм - абсолютная магнитная проницаемость вакуума;
MUн - начальная магнитная проницаемость материала;
Sм - площадь сечения магнитопровода, кв. мм;
Lср - длина средней линии магнитопровода, мм.

Пример: a - 5 мм, b - 5 мм, Lср - 47 мм, MUн - 30000,

AL = (0,001257 * 30000 * (5 * 5)) / 47 = 20 мкГн (0,00002 Гн)

�ндуктивность находится по следующей формуле:

L = AL * N^2

Мы индуктивность обмотки знаем и индуктивность витка тоже, применим обратную формулу:

N = Кв. корень(L / Al)

Пример: L - 4,77 Гн, AL - 20 мкГн

N = Кв. корень(4,77 / 0,00002) = 488 витков

Ранее мы вычислили КТ трансформатора, и теперь просто через это значение можно получить число витков во вторичной обмотке:

N1 = N2 / КТ = 488 / 45 ~ 11 витков.

Вот это и весь максимально упрощённый расчёт. Что у нас в итоге:

Трансформатор R20x10x5 мм
Пермаллой 79НМ (30000)
На импеданс 600 Ом, лента 0,3 Ом
Нижняя частота 20 Гц
Первичная 11 витков 2,35 мГн
Вторична 488 витков 4,77 Гн

----------------------------------------------------------------

Паразитные параметры

По эквивалентной схеме выяснилось, что параметры Lр2, R1, R2, С2 и Cм портят качество передачи в звуковом диапазоне. Если с активным сопротивлением обмоток R1 и R2, т.е. сопротивлением провода, можно побороться путём выбора более толстых проводов, прикинув свободное место в окне и заполнив его полностью, то с индуктивностью рассеяния Lр2, ёмкостью вторичной обмотки С2 и межобмоточной ёмкостью См бороться сложнее. Причём эти параметры влияют друг на друга, и зависят как от типа сердечника так и от технологии намотки катушек.

�ндуктивность рассеяния

Это явление возникает из-за того, что не весь магнтиный поток проходит по магнитопроводу, часть его проходит по воздуху внутри окна(окон), пронизывая многослойную обмотку и создавая паразитную индуктивность Lр2 (см. рисунок в начале). Этот параметр наиболее паразитный и сильно влияет на завал ВЧ.

Один из способов борьбы с ним - взять магнитопровод с узким(малым) окном. Допустим, есть сердечник типа Б, с шириной окна с = 10 мм и такой же, но с шириной 5 мм, ...лучше будет взять второй, поскольку большая часть потока будет распределяться в магнитопроводе.

Второй способ - намотать обмотку в 1 или 2 слоя, используя материал с высокой проницаемостью, для уменьшения числа витков и возможности размещения обмотки в пару слоёв.

Третий способ - разбить обмотку на несколько секций, между которыми проложить первичную обмотку. Этот "слоёный пирог" заметно снижает влияние индуктивности рассеяния, но увеличивает межобмоточную ёмкость См (об этом позже).

Четвёртый способ (дополнение) - использовать внешний короткозамкнутый виток из медной фольги, толщиной порядка 0,1 мм. Причём прижать этот виток к магнитопроводу как можно ближе в окнах. Такой виток замыкает паразитные потоки и частично снижает индуктивность рассеяния.

Все эти способы можно применять в комбинации, что даже приветствуется.

�змерить индуктивность рассеяния можно следующим способом. Если замкнуть первичную обмотку (из толстого провода) и замерять вторичную обмотку, то прибор покажет поразитный поток, который не скомпенсировался, это значение и нужно. Метод простейший, поэтому точность тоже примерная.

Межобмоточная и межвитковая ёмкости

Хотелось бы показать проблему как можно проще, без увесистых расчётов, но так не выходит. Тогда хотя бы способ измерения опишу, он идёт после измерения индуктивности рассеяния. Оценить АЧХ придётся по измерениям трансформатора в цепи "Генератор - Осциллограф" или через софт, других простых способов не вижу.

Для измерения ёмкости обмотки нужен низкоомный генератор и высокоомный вольтметр или осциллограф. Подключаем к первичной обмотке генератор и ищем резонанс, изменяя частоту генератора. Как резонанс будет найден, ёмкость можно вычислить по формуле:

C2 = 1 / (4 * РџРё^2 * LСЂ2 * fСЂ^2)

где: Lр2 - индуктивность рассеяния вторичной обмотки;
fр - резонансная частота.

Межобмоточная ёмкость Cм может как расширить полосу по ВЧ так и дать в связке с другими паразитными параметрами резонанс. Как простым способом оценить АЧХ при измеренных параметрах я не вижу.

Быть может современные симуляторы дадут больше информации, для чего нужно будет выполнить замеры и там уже при полной модели трансформатора оценить АЧХ или через реальный тест на аудиокарте.

--------------------------------------------------------------

Надеюсь, не сложно получилось, если будут возникать вопросы, или появляться опыт, прошу описывать тут, для хранения в одном удобном месте.

Благодарю за внимание.

Это сообщение отредактировал Beermonza - 26.02.2015 - 14:54

А как замерить-то правильно емкость С2 обмотки и какая мне нужна допустимая?
С2 или См больше влияет на качество звука?

Это сообщение отредактировал burd-ig - 26.02.2015 - 01:13

Как можно меньше и та и другая. Влияние неразрывно с индуктивностью рассеяния, надо измерять сначала её.

Это сообщение отредактировал Beermonza - 25.02.2015 - 22:52

Способы намотки

Максимально просто изложу. Есть 3 вида намотки:

1 - виток к витку;
2 - в навал;
3 - "универсаль".

1 вариант самый экономичный в плане заполнения каркаса и длины провода, но ёмкость обмотки самая большая из 3-х перечисленных видов. Думаю, понятно почему, ...провода расположены плотно друг к другу и расстояния между ними самые минимальные. Можно немного снизить эту ёмкость если наматывать идентичные слои от одной и той же щеки каркаса и в одном и том же направлении, и после намотки соединять слои последовательно. Это так называемый "метод возврата".

2 вариант. Мы заведомо мотаем с расстоянием между витками, ведя провод по каркасу быстрее чем это нужно для укладки "виток к витку". В этом случае витки перехлёстывают друг друга, западают за соседние, за 1 или за 2 сразу, а то и более. Ёмкость обмотки уменьшается, это как бы местные возвраты и чередование расстояния между витками, т.е. комбинация.

3 вариант. Смотрим как намотаны на катушку обычные швейные нитки. Заполнение самое варварское, но ёмкость самая минимальная.

У магнитопроводов типа В (Ш-образный) самая большая индуктивность рассеяния, по сравнению с типом Б (П-образный) и А (тор, кольцо) при одинаковых катушках и соизмеримых окнах.

А какой правильней способ намотки малого количества витков? Т.е. несколько витков можно намотать по спирали вдоль сердечника, а можно сделать виток - от него провод дальше к следующему витку и т.д.
� еще, если первичку в трансе для ленточника спрятать внутрь, на сколько "ощутима" разница, по сравнению с противоположным вариантом.

Это сообщение отредактировал burd-ig - 26.02.2015 - 11:38

Beermonza
Спасибо за раскрытие темы, очень компактно и доступно.
Вот здесь есть формула, описывающая факторы, влияющие на индуктивность рассеяния.

http://nauchebe.net/2011/11/obmotka-dlya-s...ti-rasseyaniya/

Это было бы точно, если убрать магнитопровод, чтобы исключить его влияние. �ндуктивность рассеяния не зависит от проницаемости сердечника. Например, можно намотать на деревянный тор и замерить.

А можно поподробнее о КЗ витке? А то что-то у меня другое представление о его воздействии на магнитопровод.

Прикрепил тему. Автору спасибо!

Если все витки удаётся поместить в 1 слой, то можно виток к витку. На кольце по внутреннему радиусу окна витки будут идти плотно, а по внешнему радиусу с отступом. Можно взять тонкий провод, например 0,1 мм, посчитать сопротивление, порядка 50 Ом если получится - не страшно. Сколько там витков надо? ...200? ...черед длину окружности окна можно посчитать: 2 * Пи * r, ...учитывая диаметр провода, сколько туда войдёт.

Уменьшится коэффициент связи, это небольшое падение выходного уровня.

Она зависит от окна магнитопровода, что я и отмечал.

КЗ виток не на катушке внутри магнитопровода, а поверх, вот так:


img-3542-9b1966caee.gif

Поскольку он имеет ничтожное сопротивление, поэтому с обеих окон компенсирует паразитный поток, ...не намного, но всё же.

Не совсем вы меня поняли, например, если 6 витков мотать на тор... �ли спиралью их намотать или делать витки с отступом... � есть идея, когда на большом расстоянии нужно разместить малое количество витков, попробовать намотать двойным проводом, но каждую жилу равномерно распределить по тору, типо заполнение... Визуально 12 витков, на самом деле 6.

Это сообщение отредактировал burd-ig - 26.02.2015 - 18:55

А, ...я решил, что "малого" в смысле много меньше, привязался к аморфному кольцу, ...пардон.

Первичную обмотку по кольцу надо распределить равномерно, вот примеры:


Увеличить


Увеличить

Можно выполнить тонким проводом в несколько жил, чтобы покрыть поверхность полностью. Разницы с моножилой я не заметил.

�змерил индуктивность вторичек,от МЛ-51 3,7Гн на шкале мультиметра 20Н,тот что перематывал от МКЭ-15А на той же шкале показал всего 0,4Гн почти в 10 раз разница

Это сообщение отредактировал Garin - 26.02.2015 - 22:44

Присоединённый файл ( Кол-во скачиваний: 123 )
 _______10_.png

Перемотанный экземпляр от МКЭ-15А плохо собран, неплотно. � было бы хорошо если к пластинам не применялись никакие действия по выравниванию, типа, постучать молотком, погнуть слегка, ...пермаллой этого не любит, он теряет проницаемость. � в МКЭ-15А он стоял на выходе, т.е. это выходной трансформатор, может случиться так, что это пермаллой 50Н, у него начальная проницаемость в 10 раз ниже чем у 79НМ.

Ну молотком конечно не бил)) Да,скорее всего пермаллой так себе,в утиль значит)) Зато проверив все колечки ферритовые,что есть нашел интересный экземпляр,20х12х6мм,при 13 витках 0,8мм провода показывает индуктивность ,260 мГн то есть 0,260 тогда как на обмотку транса первички от 51го на те же 13 витков показывает 0,213 мГн.

Это сообщение отредактировал Garin - 26.02.2015 - 22:48

Разочарую, при 700 витках на вторичной будет только 0,75 Гн, ...в заглавном посте все формулы

Мультиметр грузит первичную трансформатора МЛ-51, показания сильно занижены. �змерять обмотки на пермаллое 79НМ с малом числом витков не стоит. Правильнее будет измерить вторичную и индуктивность первичной вернуть по формулам, ...в заглавном посте все формулы

Понял,спасибо.

Не забывайте указывать, на какой частоте вы делали измерения. Наверняка на вашем мультиметре эти измерения возможны на 1 кГц или на 100 (120) Гц

Это сообщение отредактировал burd-ig - 27.02.2015 - 09:33

Мультиметр простой "vc9805" так что видимо частота что то типа стандартной какой то.

�нтересно подойдет ли для материала трансформатора чистый никель,например такой... Допустим мелко нарезать ножницами "извалять" в эпоксидке и в нужной форме кольца утрамбовать?

Это сообщение отредактировал Garin - 28.02.2015 - 09:37

Присоединённый файл ( Кол-во скачиваний: 80 )
 ______.png

Не подойдёт. Пермаллой - сплав железа, никеля, кобальта, кремния и марганца. Замене на чистый металл не поддаётся. Только заводская отожженная штамповка сплавов.

Да,металл металлом,а без правильной внутренней структуры толка не будет.