Zniekształcenia wnoszone przez transformator głośnikowy

[gustaw353]

Romekd » śr, 14 lutego 2018, 11:13 :
"W TG20/583 przekładnia została policzona w taki sposób by impedancja widziana przez lampę wynosiła 1200 Ω, co przy kilka razy mniejszej indukcyjności może oznaczać słabe przenoszenie tonów niskich i duże ich zniekształcenia."

Romekd » sob, 17 lutego 2018, 13:54 : "... wyniki pokazują, że transformator paskudnie psuje parametry sygnału w zakresie niskich częstotliwości... Do tego lampa końcowa wzmacniacza, bocznikowana ze spadkiem częstotliwości coraz niższą impedancją uzwojenia pierwotnego (skończona i "kompromisowa" wartość indukcyjności uzwojenia) doda własne zniekształcenia ..."
"... ograniczenie pasma przenoszenia wzmacniacza od dołu może być bardzo korzystne, a nawet niezbędne dla zapewnienia poprawnej jego pracy, bowiem ze wzrostem częstotliwości zniekształcenia wprowadzane przez transformator szybko spadają, co widać na kolejnych wykresach, wykonanych dla częstotliwości 60 Hz i 120 Hz (moc wyjściowa 10 W)."
------------------------------------------------------------------------------------------------------
gustaw353 » wt, 13 lutego 2018, 23:17 : "Szum różowy lub inny warzony * o widmowej gęstości mocy podobnej do treści muzycznej przepuszczony przez transformator da inny wynik niż przy przemiataniu tonem.
Ograniczenie od dołu widma częstotliwościowego szumu da zapewne inny obraz zniekształceń w górnej części pasma ... ?"

Chodzi mi o to, że gdy transformator "obsługuje" jednocześnie całe szerokie pasmo akustyczne (a w nim basy znacznie dominują mocą nad resztą) to po ograniczeniu pasma od dołu inaczej wyglądają zniekształcenia w górnej części - szczególnie przy większych doprowadzonych mocach lub przy krytycznym podmagnesowaniu rdzenia prądem stałym.

Do metod pomiarowych nie mam zastrzeżeń (choć swoje przemyślenia jeszcze porządkuję) ale jestem zdania by podczas pomiarów stosować sygnał "o widmowej gęstości mocy podobnej do treści muzycznej".
------------------------------------------------------------------------------------

* ważony a nie warzony - to dwie wielkie różnice, jak mawiają Odessyci; miałem poprawić zaraz i zapomniałem.

[Romekd]

Witam.

Chodzi mi o to, że gdy transformator "obsługuje" jednocześnie całe szerokie pasmo akustyczne (a w nim basy znacznie dominują mocą nad resztą) to po ograniczeniu pasma od dołu inaczej wyglądają zniekształcenia w górnej części - szczególnie przy większych doprowadzonych mocach lub przy krytycznym podmagnesowaniu rdzenia prądem stałym.

Do metod pomiarowych nie mam zastrzeżeń (choć swoje przemyślenia jeszcze porządkuję) ale jestem zdania by podczas pomiarów stosować sygnał "o widmowej gęstości mocy podobnej do treści muzycznej".

Dziękuję za podzielenie się spostrzeżeniami. W takim razie spróbuję sprawdzić pasmo kolejnych transformatorów zarówno "ciągłym" szumem białym, przemiatanym różowym, i metodą "na piechotę", czyli tonem "sinus" o regulowanej ręcznie częstotliwości, po czym porównam uzyskane wyniki.
Co do stosowanej przez siebie metody, to sam mam pewne wątpliwości, szczególnie przy pomiarach pasma (myślę tu o dopasowaniu impedancji "źródła" sygnału), bo przy pomiarze zniekształceń metodę uważam za raczej właściwą (dającą zbliżone wyniki)...
Chcąc sprawdzić pasmo przenoszenia samego transformatora powinienem mu stworzyć warunki pracy jak we wzmacniaczu z konkretną lampą. We wzmacniaczach z triodami uzwojenie pierwotne "widzi" rezystancję wewnętrzną lampy końcowej, a ta najczęściej jest kilka razy niższa niż Ra uzwojenia anodowego - lampa 6S33S w zależności od przyjętego punktu pracy, zastosowanego prądu i napięcia anodowego oraz typu transformatora (dostosowanego do danych warunków), może mieć rezystancję wewnętrzną na poziomie od ok. 80 do 200 Ω. Ra uzwojenia anodowego w transformatorze ZATRy ma 1200 Ω, a w transformatorze od L.O. ma 600 Ω, są więc kilkakrotnie większe od rezystancji wewnętrznej współpracującej z nimi lampy. W przypadku lamp pięcioelektrodowych rezystancja "widziana" przez uzwojenie anodowe transformatora głośnikowego jest bardzo duża i przeważnie wynosi kilkadziesiąt kiloomów (dla EL84 Ra transformatora ma ok. 5 kΩ, a Ri lampy ok. 38 kΩ), mamy więc impedancyjne "niedopasowanie" w drugą stronę
Pierwszy przypadek (Ri<Ra) wywiera korzystny wpływ na dolą granicę pasma przenoszenia i niekorzystny na górną, naturalnie jedynie przy odtwarzaniu muzyki z dużo mniejszą mocą wyjściową w stosunku do maksymalnej. W drugim przypadku (Ri>Ra) poprawie ulega górna częstotliwość graniczna, a pogarsza się dolna (też tylko dla małej mocy wyjściowej). W układzie testowym takie "zmiany dopasowania" można byłoby symulować zmieniając wartość rezystora włączonego szeregowo między wyjście "generatora mocy" (wzmacniacza) a uzwojenie głośnikowe transformatora, przy pozostawieniu niezmienionej rezystancji obciążającej uzwojenie anodowe.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Witam.
W weekend przeprowadziłem pomiary parametrów małego transformatora głośnikowego o symbolu C-4542-230-1, wymontowanego z polskiego radia "TURANDOT". Radio to zaliczane było do aparatów wyższej klasy, gdyż zawierało dwa szerokopasmowe głośniki i wiele regulacji barwy dźwięku, w tym niezależne potencjometry dla ustawiania poziomu tonów niskich i wysokich, oraz kilka przełączników, które zmieniały brzmienie w zależności od upodobań słuchającego i rodzaju słuchanego materiału ("JAZZ", "SOLO", "ORKIESTRA", "PASMO"...). Transformator ma uzwojenie pierwotne nawinięte w dwóch sekcjach (2 x 1230 zw. DNEt 0,14) oraz uzwojenie wtórne (108 zw. DNEt 0,5), umieszczone między sekcjami uzwojenia pierwotnego. W radiu transformator współpracował z lampą EL84 (spoczynkowy prąd anodowy wynosił ok. 48 mA). Układ do testowania transformatora przedstawia schemat w załączniku poniżej.

Pomiar zniekształceń rozpocząłem od podania na transformator sygnału sinusoidalnego o częstotliwości 30 Hz, ustawiając na wyjściu transformatora moc jednego wata. Zmieniając wartość napięcia stałego przyłożonego do testowanego układu zmieniałem wartość prądu podmagnesowującego rdzeń w transformatorze. Prąd w uzwojenia zmieniałem w granicach 0...80 mA z krokiem 5 mA, przez co uzyskałem 17 wyników, które pokazuje tabela poniżej.

Sygnał wyjściowy oglądałem też na ekranie oscyloskopu i tak przedstawiał się on dla zerowego prądu "anodowego" przy mocy wyjściowej jednego wata (jak widać ma on już niewiele wspólnego z czystym przebiegiem "sinusa"):

Dla nominalnej wartości prądu anodowego (ok. 47 mA) i przy tej samej mocy wyjściowej obraz na oscyloskopie wyglądał następująco:

Natomiast dla prądu 80 mA wykres przyjmował postać jak poniżej:

W następnym poście przedstawię wykresy dla poszczególnych wartości prądów "anodowych".

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Zwiększanie wartości prądu podmegnesowującego rdzeń powodowało wzrastanie poziomu zniekształceń nieliniowych, wywołanych pętlą histerezy w rdzeniu. Poniżej wszystkie wyniki analizy dla częstotliwości 30 Hz i mocy wyjściowej 1 W. Identyczne pomiary przeprowadziłem jeszcze dla częstotliwości 60 Hz, 90 Hz, 120 Hz i 250 Hz. Przy częstotliwości 250 Hz zwiększyłem moc oddawaną przez transformator do 5 W. Zastanawiam się tylko czy wrzucać te wyniki do wątku, gdyż jest ich całkiem sporo...

[faktus]

Witam. Z tych pomiarów wynika, że parametry tego typu transformatora przy testowaniu sygnałem sinusoidy są dalekie od zadowalających, jeśli przyjąć współczesne kryteria. Ciekawe jakie wyniki dało by przetestowanie tego transformatora szumem o zmiennej amplitudzie, aby upodobnić jego pracę w typowym układzie pracy przy wzmacnianiu pełnego spektrum sygnału o czym wspominał Kolega Gustaw 353. Myślę, że podobne wyniki otrzymamy przy badaniu podobnych transformatorów stosowanych w popularnym sprzęcie z tego okresu. Na tego typu wyniki jak mi się wydaje ma wpływ oszczędne wykonanie transformatora, zbyt mały rdzeń, mała indukcyjność uzwojenia anodowego, przyjęcie zbyt dużej przenikalności magnetycznej rdzenia, oraz przyjęcie zbyt małego przekroju drutu, w stosunku do optymalnej oporności uzwojenia anodowego, wymuszone miejscem na uzwojenie jeśli weźmiemy pod uwagę przyjmowane dzisiaj parametry przy obliczaniu transformatora dla Hi-Fi. Ale w okresie produkcji transformatora przyjmowano inne parametry za optymalne. Jednego niestety nie da się sprawdzić, jak kształtowały by się parametry tego transformatora gdyby wymienić oryginalny rdzeń na produkowany współcześnie. Może jego parametry uległy by nieznacznej poprawie? Pozdrawiam.

[Romekd]

Witam.

Ciekawe jakie wyniki dało by przetestowanie tego transformatora szumem o zmiennej amplitudzie, aby upodobnić jego pracę w typowym układzie pracy przy wzmacnianiu pełnego spektrum sygnału o czym wspominał Kolega Gustaw 353. Myślę, że podobne wyniki otrzymamy przy badaniu podobnych transformatorów stosowanych w popularnym sprzęcie z tego okresu. Na tego typu wyniki jak mi się wydaje ma wpływ oszczędne wykonanie transformatora, zbyt mały rdzeń, mała indukcyjność uzwojenia anodowego, przyjęcie zbyt dużej przenikalności magnetycznej rdzenia, oraz przyjęcie zbyt małego przekroju drutu, w stosunku do optymalnej oporności uzwojenia anodowego, wymuszone miejscem na uzwojenie jeśli weźmiemy pod uwagę przyjmowane dzisiaj parametry przy obliczaniu transformatora dla Hi-Fi.

Testowałem transformatory szumem białym i różowym o różnym poziomie amplitudy. W programie ARTA można też włączyć przemiatanie całego pasma zawężonym szumem "białym" i "różowym" oraz jakimś sygnałem specjalnym, w zależności od tego w jakiego typu urządzeniu badane jest pasmo przenoszenia. W przypadku testowanego transformatora sprawdzałem wszystkie metody, zmieniałem amplitudy i wartość prądu stałego, który podmagnesowywał rdzeń. Podczas tych testów zmieniałem oporność włączoną między generator mocy i transformator sprawdzając jakie wyniki uzyskam dla rezystancji 10 Ω, 50 Ω i 100 Ω. Dla każdej z tych rezystancji otrzymałem różne szerokości pasma, co widać na wykresach poniżej (test wykonany sygnałem "PN pink", generowanym przez program ARTA; nie poznałem jeszcze wszystkich możliwości programu ).

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Poziom zniekształceń spadał wraz z podnoszeniem częstotliwości. Dla 60 Hz zniekształcenia były już zdecydowanie mniejsze. Zachowanie się transformatora dla dolnych częstotliwości pasma akustycznego sprawdzałem dla zredukowanej do jednego wata mocy wyjściowej. Poniżej wyniki testów dla tej właśnie częstotliwości.

[Romekd]

Poniżej wyniki dla częstotliwości 90 Hz.

[Romekd]

Jeszcze mniejsze zniekształcenia wystąpiły przy 120 Hz, choć ich poziom jak dla sprzętu wysokiej klasy też wydaje mi się za duży...

[Romekd]

Na koniec przedstawię poziomy zniekształceń dla częstotliwości 250 Hz, przy której zwiększyłem moc wyjściową z transformatora do 5 W, czyli mniej więcej do maksymalnej, na jaką został on zaprojektowany. Prądy podmagnesowujące rdzeń te same co poprzednio.

Pozdrawiam
Romek

[faktus]

Witam. Kolego Romku dziękuję za włożoną pracę w testy transformatorów głośnikowych. Z wyników Twoich pomiarów ja wyciągam następujące wnioski, choć inni Koledzy mogą się z nimi nie zgodzić . Nie ma transformatorów, które nie wnoszą zniekształceń do przebiegu sygnału, wszystkie owe cudowne wykonania ( owe audiofilskie wu-du ) też będą miały wpływ na zniekształcenia sygnału choć w innym stopniu. Nawet dwa transformatory przeznaczone do pracy z tą samą lampą jednak inaczej wykonane ( inny rdzeń, inaczej wykonane uzwojenia ) wnoszą inne co do wartości zniekształcenia, co wykazały doświadczenia. Jest to przypisana właściwość elementom składowym transformatora, tak jak rezonans w instrumencie, a ponieważ nie zanosi się na rewolucję w tej dziedzinie musimy to zaakceptować. Z mojego punktu widzenia przy wykonywaniu transformatora istotną sprawą jest przyjęcie pewnych wartości, które są realnie do osiągnięcia przy posiadanych materiałach. Samodzielnie wykonując transformator głośnikowy będziemy musieli zastosować rdzeń z kształtek E I, lub rdzeń RZC. Mówiąc w skrócie należy dobrać jak najlepszy rdzeń, który będzie miał jak najmniejsze straty ( najcieńsza blacha transformatorowa jaką da się zdobyć ), jest to jedyny parametr na jaki mamy wpływ, obok wyboru sposobu wykonania samego uzwojenia. Nie mamy wpływu na rodzaj stopu z jakiego wykonano blachę, którą posiadamy. Zastosować odpowiednio duży przekrój rdzenia odpowiedni do przenoszonej mocy, dobrać indukcję uzwojenia anodowego na takim poziomie aby uzyskać dół pasma na poziomie 30-40 Hz przy spadku o 3 dB. Przyjęcie zbyt niskiego pasma od dołu będzie skutkowało koniecznością nawinięcia większej liczby zwojów, co będzie skutkowało zwiększeniem indukcji rozproszenia uzwojenia i tym samym spadkiem górnej granicy pasma transformatora. Czyli nic nowego czego by już nie napisano Ja jednak uważam, że nie powinniśmy się aż tak bardzo przejmować tym faktem. Jeśli tylko zniekształcenia wnoszone przez transformator są na odpowiednio niskim poziomie to są nie zauważalne przy słuchaniu muzyki. Wszak nasz osobisty przyrząd pomiarowy, czyli mózg poprzez połączenie z czujnikiem mierzącym, czyli uchem pozwala nam nie zauważać niewielkich zniekształceń i to jest jedyna dobra wiadomość . Co w cale nie wyklucza tego że należy dokonywać pomiarów i nie szukać sposobów poprawy tego zjawiska. Pozdrawiam.

[Dragon]

Witam,

Chciałbym również BARDZO podziękować koledze Romekd za pomiary. Tych wyższych harmonicznych, to chyba nikt się nie spodziewał - ja szczególnie.
Czy jest może jakaś szansa, że ów wyższe harmoniczne pojawiły się np. od generatora lub z innego źródła?
Zakładając jednak, że te typy transformatorów tak mają, to może warto zainteresować się transformatorami toroidalnymi?
Z tego co wiem ( i jak piszą na stronie firmy Toroidy.pl - https://sklep.toroidy.pl/pl/p/TTG-6C33C ... 33C-SE/610 - "Dzięki nowatorskiej technologii nawijania uzyskaliśmy niespotykane do tej pory parametry transformatora: minimalne zniekształcenia THD oraz bardzo wysoką dobroć i liniowość w paśmie akustycznym."), transformatory toroidalne wnoszą minimalne zniekształcenia THD.
Może to w nich tkwi rozwiązanie?
Może kolega Romekd znalazłby kiedyś jeszcze czas na pomiar transformatorów toroidalnych?
Nie wiem czy da się taki pomiar wykonać, bo nie licząc transformatorów toroidalnych do SE od firmy Toroidy.pl, na rynku są dostępne w większości transformatory toroidalne do układów przeciwsobnych, gdzie anody uzwojeń pierwotnych są rozdzielone.
Choć można by też spróbować wziąć zwyczajny transformator sieciowy większych rozmiarów(np. wykorzystywany jako głośnikowy w układach SEPP) i zobaczyć, czy ten typ transformatora też generuje harmoniczne o tak niekorzystnym rozkładzie.

Pozdrawiam,
Dragon

PS. Przepraszam, że dopiero teraz odpisuje. Wątek śledziłem w miarę na bieżąco, ale nie mogłem się zalogować na swoje konto oraz funkcja przypomnienia hasła(przynajmniej u mnie) nie działa, więc piszę dopiero teraz.

[faktus]

Witam. Kolego Dragon, transformator toroidalny też będzie " produkował " tego typu zniekształcenia, pomiary wykazują że jest to typowa cecha transformatora. Choć ich wartość będzie pewnie na mniejszym poziomie z uwagi na lepszej jakości rdzeń, oraz znacząco mniejszą indukcyjność rozproszenia związaną z mniejszą grubością uzwojeń niż w typowym transformatorze, jeśli Kolega Romek zechce wykonać pomiary też z zainteresowaniem poznam wyniki. Pozdrawiam.

[Romekd]

Witam.
Niestety Koledzy, transformator głośnikowy to prawdziwa "pięta Achillesa" każdego wzmacniacza lampowego. Wszystkie przebadane przeze mnie transformatory w zakresie tonów niskich wprowadzały spore zniekształcenia nieliniowe. Wcześniej przedstawiłem wyniki tylko kilku transformatorów, choć przebadałem i pomierzyłem ich kilkanaście, w tym dwa sieciowe, użyte w roli głośnikowych
Parametry jednego z sieciowych spróbuję właśnie przedstawić, gdyż dają one pewien obraz złożoności problemu. Do testów użyłem między innymi typowego transformatora sieciowego firmy "Zatra" o symbolu TS40/87, którego parametry znalazłem na stronie internetowej z linku poniżej:

http://hobby-elektronika.eu/audio/pdf/t ... matory.pdf

Badany transformator:

Niektóre z przedstawionych w pdf-ie transformatorów mimo zastosowania konkretnego rdzenia dla danej mocy mają moc wyjściową "nieco" inną, niż mógłby to sugerować symbol podzespołu. Przeliczyłem moce dla kilku transformatorów i dopisałem do fragmentu tabeli widocznej poniżej.

Kilka informacji o różnych transformatorach Zatry i stosowanych w nich rdzeniach można obejrzeć w PDF-ie (poniżej).

BCPS_34273_1984_Transformatory-malej.pdf

(1.7 MiB) Pobrany 212 razy

Dla użytego w testach moc wyjściowa wynosi około 30 W, więc jako głośnikowy przebadałem go tylko do 10 W, by uzyskać w miarę znośne parametry w zakresie tonów najniższych. Wyjściowe napięcie z połączonych szeregowo uzwojeń dla tego modelu wg katalogu wynosi 14,8 V przy maksymalnym prądzie wyjściowym 2 A. Wynika z tego obciążenie powinno mieć minimalną rezystancję równą ok. 7,5 Ω i taką też wartość zastosowałem w układzie testowym. Przekładnia transformatora wg moich obliczeń wynosi ok. 13,1:1 (napięcie nieobciążonego uzwojenia wtórnego wynosiło 2 x 8,8 V przy napięciu na uzwojeniu pierwotnym 230 V), co oznacza, że wyjście wtórne powinienem obciążyć rezystancją o wartości ok. 1280 Ω, ale uwzględniając rezystancje uzwojeń i posiadane w swoich zbiorach rezystory dużej mocy zmieniłem jej wartość na 1250 Ω.

Na początku zbadałem pasmo przenoszenia trzema dostępnymi w programie Arta sygnałami pomiarowymi, uzyskując szerokości widoczne na wykresach poniżej:

Jak widać przy typowym dla transformatora sieciowego nawinięciu uzwojeń górna częstotliwość graniczna (dla spadku -3 dB) okazała się bardzo niska, choć jeszcze wystarczająca np. we wzmacniaczach gitarowych...
Następnie spróbowałem zbadać pasmo przy maksymalnej indukcyjności rozproszenia, która występuje przy wykorzystaniu uzwojenia pierwotnego z jednej połówki karkasu i wtórnego z drugiej (oczywiście zmieniłem wartości rezystorów obciążających uzwojenia), co pozwala sprawdzić jaką wartość częstotliwości faktycznie przenosi sam rdzeń transformatora w takiej niekorzystnej konfiguracji... Okazało się, że tak podłączony transformator ma górną częstotliwość graniczną w okolicach 1 kHz, co widać na wykresie poniżej.

W kolejnych postach postaram się przedstawić zniekształcenia wnoszone przez transformator dla różnych poziomów mocy wyjściowej i przy różnych częstotliwościach sygnałów.

Pozdrawiam
Romek

[gsmok]

Czy istnieje jakaś norma dotycząca pomiarów parametrów transformatorów głośnikowych tak jak ma to miejsce np. w odniesieniu do głośników? Mam na myśli oczywiście jakąś normę o charakterze "archiwalnym" a nie obecnie obowiązującym. Obawiam się, że warunki w jakich wykonywane są pomiary każdy producent ustala sam sobie i opisy w stylu "transformator wnosi minimalne zniekształcenia" z obiektywnego punktu widzenia nie pozwalają na ocenę technicznych walorów transformatora. To co przedstawia Romek jest swego rodzaju ewenementem na współczesnym rynku transformatorów głośnikowych. Może doczekamy się jakiegoś opracowania z jego strony, które warto będzie szerzej rozpropagować poza Forum-Trioda.

Przy okazji: transformator sam w sobie jest elementem tak bardzo nieliniowym, że oczekiwanie na pojawienie się transformatora nie wnoszącego zniekształceń nie jest realne . Szkoda, że poza naszym Forum tego typu wiedza jest często negowana, zwłaszcza w środowisku audiofili.