Pomiary indukcyjności transformatora głośnikowego

[Romekd]

Witam.

Jednego tylko w tym wszystkim co tu wypisujecie nie pojmuję, jak można brać się za pomiary, kiedy się nie ma pojęcia jak zinterpretować wyniki tych pomiarów ?
Przecież literatura jest w zasięgu ręki (macie chyba dostęp do internatu), wystarczy tylko trochę chęci i wysiłku by znaleźć odpowiedzi na Wasze "problemy", które w gruncie rzeczy nie są żadnymi problemami.
Tą literaturą są, jak nie książki to materiały foldery, ulotki i w końcu kompletne datasheet'y producentów materiałów magnetycznych. Trzeba tylko chcieć.

Bardzo dziękuję za szczerą krytykę moich "wypocin". Pewnie znowu gdzieś się pogubiłem w swoich wyliczeniach i wnioskach... Kolega o nicku Michal_Pol zapytał: "jak się mają pomiary tego parametru (przyp. indukcyjności uzwojenia pierwotnego) np przy 100Hz, 120Hz, 1kHz, a jak przy 50Hz?".
Udzieliłem więc odpowiedzi zgodnie z posiadaną wiedzą, którą zdobyłem w wyniku przeprowadzonych samodzielnie eksperymentów, których wyniki przedstawiłem na poparcie swoich wniosków. Znam "Cykina" i przeczytałem wiele artykułów, opracowań i analiz np. Menno van der Veena, który przedstawiał w nich własne sposoby na badanie transformatorów głośnikowych, wykonanych na rdzeniach toroidalnych. Owszem w necie jest wiele informacji o produkowanych obecnie materiałach magnetycznych. Ale czy sprzedawcy produkowanych w naszym kraju transformatorów głośnikowych podają informacje na jakich typach rdzeni są one nawinięte? Jak są w nich wykonywane i łączone poszczególne sekcje uzwojeń? Nie! Często spotykałem się z odpowiedzią, że tego typu informacje stanowią know-how firmy i nie są udostępniane... Podawane przez sprzedawców na stronach sklepów dane techniczne tych podzespołów są lakoniczne i niepełne - sprzedawcy (często też producenci) nie potrafią udzielić odpowiedzi np. na takie pytania:

- przy jakim napięciu i częstotliwości mierzona była indukcyjność uzwojenia pierwotnego danego transformatora?
- przy jakiej mocy, dopuszczalnych zniekształceniach THD i dla jakiego spadku amplitudy badane było pasmo przenoszenia?
- jakim sposobem transformator przeznaczony do układu PP z dwoma lampami EL84 może osiągać 50 W mocy wyjściowej?
- co oznacza maksymalna dopuszczalna wartość prądu w uzwojeniu pierwotnym (czy to wartość szczytowa, czy skuteczna sygnału AC)?
- jak zachowa się transformator gdy wystąpi brak symetrii prądów anodowych, wynikający z nierównego zużywania się lamp?
- jaka jest dopuszczalna wartość różnicy prądów spoczynkowych lamp i jak składowa DC prądu wpływa na pozostałe parametry transformatora?

Co do wykonanych przeze mnie pomiarów, to zbadałem też pasmo przenoszenia dla różnych poziomów mocy wyjściowej i różnego poziomu wprowadzanych przez transformator zniekształceń harmonicznych, przy kilku rezystancjach widzianych od strony uzwojenia pierwotnego, gdyż rezystancja ta może przyjmować różne wartości w zależności od wartości napięcia zasilania lamp, klasy pracy wzmacniacza (A, AB1, B) i sposobu włączenia lamp (połączenie elektrod w "triodę", "pentodę" lub dodatkowo ze sprzężeniem ultralinear). Jednak i tu zapewne zdaniem Kolegi "nie mam pojęcia jak zinterpretować te wyniki" i dlatego bardzo proszę o rozwinięcie swojej wypowiedzi. Będę wdzięczny za "rozjaśnienie mi" tych zagadnień. Zawsze z przyjemnością czytam wypowiedzi bardziej doświadczonych Kolegów, bo na naukę nigdy nie jest za późno.

Pozdrawiam
Romek

[Alek]

Niejako na życzenie jednego z użytkowników udzielę się w tym wątku. Czynię to tym bardziej niechętnie, że nie czuję się specjalistą w zakresie materiałów magnetycznych. Mój wpis podzielę na kilka części, aby był czytelniejszy.

Zmiany ustawienia domen magnetycznych zachodzą szybko, więc nie można im przypisać przyczyny zmiany indukcyjności w dłuższym okresie czasu. Natomiast w rdzeniach metalowych zachodzą dość znaczne straty na prądy wirowe, co wiąże się ze zmniejszeniem strumienia magnetycznego w rdzeniu. Straty na prądy wirowe rosną z częstotliwością.
Gdyby straty były dostatecznie duże, rdzeń nagrzewałby się. Mogłoby to wpływać na zmniejszenie się strat (wzrost oporności metali wraz z temperaturą; żelazo ma znaczny współczynnik zmiany oporności) i powodować zmianę indukcyjności aż do ustalenia się pewnej równowagi.
Jest jeszcze druga sprawa. Zmiana prądu zmienia punkt pracy na charakterystyce magnesowania. Najpierw przyrost indukcyjności jest duży, potem zaś maleje. Częściowo obrazuje to doświadczenie, jakie wykonywałem jeszcze w liceum w roku 1998. Wówczas obliczało się indukcyjność z uśrednionej wartości impedancji w zakresie mierzonych prądów.

[Alek]

Przejdę teraz do innego zagadnienia. Chodzi mi bowiem o pomiar indukcyjności różnymi metodami. To, co było wyżej w załącznikach przedstawione to metoda techniczna i rezonansowa. Jest jeszcze metoda mostkowa, która zapewnia większą dokładność. Jej poświęcę tą część wpisu.

Należy w tym miejscu zaznaczyć, że wiele ze współczesnych mierników mylnie uważana jest za mierniki mostkowe. Nawet E318 Meratronika de facto mostkiem nie jest. Te, które rzeczywiście są mostkami mogą mieć jednak różną budowę (mostek Maxwella, Haya, Landona itp.), a przecież zakres ich stosowalności może być ograniczony. Wydaje się, że do omawianego w wątku zastosowania nadawałyby się dwa ostatnie.

[Alek]

Parę skanów o mostku Maxwella.

[Alek]

Skany o pomiarach indukcyjności różnymi metodami.

[Alek]

jak wyżej...

[Alek]

koniec.

[Janusz]

że wystawiony na działanie wolno zmiennego pola magnetycznego, oprócz przebiegów o niskiej częstotliwości i małej amplitudzie generuje jeszcze dość wysoki poziom szumu...

Nie wiem czy w tym przypadku nie mamy do czynienia ze zjawiskiem Barkhausena?
https://www.youtube.com/watch?v=YLycGnOCqLc

[Romekd]

Czołem.

Zmiany ustawienia domen magnetycznych zachodzą szybko, więc nie można im przypisać przyczyny zmiany indukcyjności w dłuższym okresie czasu. Natomiast w rdzeniach metalowych zachodzą dość znaczne straty na prądy wirowe, co wiąże się ze zmniejszeniem strumienia magnetycznego w rdzeniu. Straty na prądy wirowe rosną z częstotliwością.
Gdyby straty były dostatecznie duże, rdzeń nagrzewałby się. Mogłoby to wpływać na zmniejszenie się strat (wzrost oporności metali wraz z temperaturą; żelazo ma znaczny współczynnik zmiany oporności) i powodować zmianę indukcyjności aż do ustalenia się pewnej równowagi.

Jest jeszcze druga sprawa. Zmiana prądu zmienia punkt pracy na charakterystyce magnesowania. Najpierw przyrost indukcyjności jest duży, potem zaś maleje. Częściowo obrazuje to doświadczenie, jakie wykonywałem jeszcze w liceum w roku 1998. Wówczas obliczało się indukcyjność z uśrednionej wartości impedancji w zakresie mierzonych prądów.

Dziękuję Alku za publikacje Twoich materiałów. Z przyjemnością przypominam sobie jak dokonywało się kiedyś pomiarów przy pomocy specjalistycznych (w tamtym czasie) przyrządów i ciekawych metod pomiarowych (część z podanych przez Ciebie informacji nie była mi wcześniej znana).
Co do wahań i powolnych zmian wskazań współczesnych "mostków" RLC przy pomiarze indukcyjności, to wykluczam by ich powodem mogły być prądy wirowe w rdzeniu, wywołujące jego podgrzewanie i przez to zmianę parametrów. Moc dostarczana do badanych podzespołów przez miernik jest tak mała, że nie ma prawa wywoływać zmian temperatury dużego i ciężkiego rdzenia. Miernik U1733, produkowany przez Keysight Technologies (kiedyś Agilent, jeszcze wcześniej HP) mierzy indukcyjność napięciem 0,74 V, a Motech MT-4090 bada elementy napięciem pomiarowym 50 mV, 250 mV i 1 V (wybieranym przez użytkownika; po włączeniu ustawia się domyślnie na 1 V). Przy napięciu 1 V/120 Hz przez jeden z mierzonych transformatorów płynął prąd o wartości ok. 14 μA, co na obciążeniu rezystancyjnym powodowałoby tracenie się mocy rzędu 14 μW, a przecież mamy obciążenie indukcyjne, więc straty mocy w transformatorze są jeszcze dużo, dużo niższe. Gdy stwierdziłem pływanie (przeważnie opadanie) wskazań przyrządu, w pierwszej chwili pomyślałem, że miernik jest uszkodzony lub ma problem z odczytem wartości przy tak małych prądach, dużych zniekształceniach THD, lub z powodu indukowania się w uzwojeniach sygnałów od zewnętrznych zmiennych pól magnetycznych (np. 50 Hz). Jednak dwa inne mierniki RLC wskazywały identyczne zachowanie się transformatora i to również po umieszczeniu go w metalowej, ekranującej obudowie. Poza tym zmieniające się (płynące dość wolno) wskazania mierników obserwowałem również przy badaniu parametrów transformatorów "metodą techniczną". Używałem bardzo szybkich mierników FLUKE, więc co, jeśli nie rdzenie transformatorów, dawało to wolne "stabilizowanie" się odczytów?

Niestety, nie udało się zachęcić kolegi trouvere do wypowiedzi, która dałaby odpowiedź na moje pytania, więc teraz spróbuję zrobić małe podsumowanie w oparciu o to co już udało mi się dowiedzieć. Opisywane na stronach internetowych i starych polskich poradnikach sposoby pomiaru indukcyjności uzwojenia pierwotnego transformatora głośnikowego "metodą techniczną", w przypadku transformatorów toroidalnych kompletnie się nie sprawdzają. Kolega Jasiu Barczyński na swojej stronie proponuje by do przeprowadzenia pomiaru "metodą techniczną" używać jakiegoś źródła prądu zmiennego 50 Hz o napięciu kilku woltów, ktoś inny twierdzi, że odpowiednie będzie napięcie kilkunastu woltów lub 20 V, a jeszcze ktoś inny, publikujący w internecie konstruktor, proponuje 60 V. W pewnych kręgach przyjęło się, że właściwym (standardowym) napięciem jest 240 V o częstotliwości 60 Hz (ten pomiar łatwy może być do przeprowadzenia np. w Stanach Zjednoczonych, gdzie mają dwie fazy po 120 V/60 Hz względem zera, przesunięte w o 180°; u nas do wykonania takiego pomiaru potrzebny byłby odpowiedni falownik z filtrem dolnoprzepustowym lub generator sygnałowy dużej mocy). Dla przykładu przedstawię jakie wartości indukcyjności otrzymamy przy przeprowadzeniu testu przy podanych przeze mnie wcześniej napięciach. Poniżej napięcia i wyliczone wartości Indukcyjności dla jednego z transformatorów z rdzeniem toroidalnym.

1 V - ok. 150 H (przy takiej wartości napięcia mierzy jeden z moich mierników)
5 V - ok. 358 H (wartość zbliżona do sugerowanej na stronie Jasia Barczyńskiego)
25 V - ok. 1000 H (taką wiele lat temu sam stosowałem w "metodzie technicznej")
250 V - ok. 2680 H (wartość zbliżona do ponoć zalecanej jako standard /240 V - 60 Hz/)
600 V - ok. 3950 H (najwyższa jaką podawałem na uzwojenie pierwotne w swoich pomiarach)

Która z nich powinna zostać podana przez producenta transformatora w PDF-ie na stronie sprzedawcy? Miernik RLC firmy KEYSIGHT TECHNOLOGIES U1733C wskazał ok. 150 H (0,74 V/100 Hz), Motech MT-4090 dał inne wyniki, pomiary "metodą techniczną" dały całą masę wyników. Może indukcyjność powinno się podawać dla napięcia zbliżonego do tego, jakie występuje na uzwojeniu transformatora przy jego pełnej mocy wyjściowej? A może dla napięcia jakie występuje na uzwojeniu transformatora przy normalnym słuchaniu muzyki? I właśnie dlatego w ulotce reklamowej przy wartości indukcyjności powinna znajdować się informacja o częstotliwości i napięciu przy której indukcyjność była zmierzona, gdyż bez tych dodatkowych informacji podana wartość indukcyjności uzwojenia właściwie nic nie oznacza (jak poziom napięcia szumu bez określenia szerokości pasma, w jakim był mierzony)...

Jeden z kolegów zwrócił mi uwagę, że w arkuszu kalkulacyjnym nie uwzględniłem w wyliczeniach rezystancji drutu. Faktycznie tak zrobiłem, ale jej uwzględnienie nie miałoby praktycznie żadnego wpływu na uzyskane wyniki, gdyż rezystancja ta jest naprawdę znikoma w stosunku do wartości impedancji uzwojenia pierwotnego, np. dla pierwszego transformatora (EI) przy napięciu 200 V oznaczałaby, że wynik nie wynosiłby 244,37537704 H tylko 244,3761996 H

Widzę, że tematy "trudne" jakoś nie specjalnie interesują użytkowników naszego Forum

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

że wystawiony na działanie wolno zmiennego pola magnetycznego, oprócz przebiegów o niskiej częstotliwości i małej amplitudzie generuje jeszcze dość wysoki poziom szumu...

Nie wiem czy w tym przypadku nie mamy do czynienia ze zjawiskiem Barkhausena?
https://www.youtube.com/watch?v=YLycGnOCqLc

Tak, to mogło być dokładnie to zjawisko, choć sygnały "na ucho" brzmiały nico inaczej, bardziej przypominając szum, jaki towarzyszy tarciu o siebie dwóch chropowatych powierzchni. Poziom tego szumu może nie był jakoś specjalnie wysoki (we wzmacniaczu pomiarowo-odsłuchowym miałem ustawiony zakres 1 mV i włączony filtr wagowy "A"), ale zaskoczyła mnie różnica w czułości reakcji na poziom zmiennego pola magnetycznego w obu transformatorach. Dla uzyskania podobnego (choć nie tak samo "na ucho" brzmiącego) szumu do transformatora EI mały magnes neodymowy musiałem zbliżać (i przesuwać koło niego) w odległości 5 cm, a w przypadku toroidalnego podobną amplitudę osiągałem już przy ok. 50 cm. Brzmienie szumu mogło być różne ze względu na różnice w częstotliwościach rezonansowych uzwojeń pierwotnych transformatorów (obciążonych tylko impedancją wejściowa przedwzmacniacza, równą 1 MΩ/47 pF).

https://en.wikipedia.org/wiki/Barkhausen_effect

Pozdrawiam i dziękuję za podpowiedź
Romek

[kubafant]

Cześć i czołem!

Widzę, że tematy "trudne" jakoś nie specjalnie interesują użytkowników naszego Forum

Niekoniecznie. Ja czytam wątek z zainteresowaniem i wypiekami na twarzy, a jednak nie udzielam się. Nie wiem jak innych (aczkolwiek przypuszczam, że również - w końcu większość uczestników naszego Forum to ludzie starsi), ale mnie uczono żeby nie odzywać się, gdy nie ma się nic mądrego do dodania. Osobiście nie mam nawet cienia pomysłu skąd mogą pochodzić takie wolnozmienne wahania wskazań indukcyjności, a spekulacje bez podszycia ugruntowaną teoretycznie hipotezą uważam za niecelowe.

Zastanawia mnie, dlaczego właśnie cewki się tak Panu Bogu "nie udały"... Wszak inne elementy, będące fizyczną realizacją np. rezystancji (oporniki), pojemności (kondensatory), itd. są stosunkowo blisko "ideałów". Tymczasem cewki wyjątkowo od nich odbiegają.
To znaczny oczywiście domyślam się, że to zasługa rdzeni i nieliniowości, jakie wprowadzają.

Ciekaw jestem, czy istnieje jakaś obiektywna, standardowa metoda pomiaru indukcyjności. Może z definicji?

Pozdrawiam!
Jakub

[Romekd]

Na pewno nie raz nie jeden z Kolegów z naszego Forum spotkał się z taką sytuacją, że włącza się do sieci duży transformator toroidalny i mamy przy tym takie głośne warknięcie i stopniowe, często trwające nawet kilka sekund stopniowe cichnięcie tego głośnego buczenia do typowej dla danego transformatora głośności. Spowodowane jest to pozostałością magnetyczną (magnetyzmem szczątkowym) w rdzeniu po wcześniejszym wyłączeniu transformatora i niekorzystnym momentem ponownego włączenia go do sieci elektrycznej. Często w takim momencie "udar prądowy" po włączenie transformatora do sieci jest tak duży, że uszkadza się bezpiecznik (jeśli jest źle dobrany) zabezpieczający uzwojenie pierwotne na wypadek nadmiernego wzrostu prądu. Pytanie: dlaczego powrót do normalnej i cichej pracy transformatora trwa aż kilka sekund, skoro (jak w jednej ze swoich wypowiedzi w innym wątku napisał Alek, viewtopic.php?p=377245#p377245): "Zmiany ustawienia domen magnetycznych zachodzą szybko, więc nie można im przypisać przyczyny zmiany indukcyjności w dłuższym okresie czasu"? Czyżby występował w takich sytuacjach jakiś nagły wzrost temperatury rdzenia (nie wydaje mi się to prawdopodobne - rdzeń ma dużą objętość i sporą pojemność, a przez to i bezwładność cieplną...)?

kubafant
Cieszę się, że jednak ktoś zagląda do tego wątku. Przez brak w ostatnim czasie merytorycznych wypowiedzi zaczynałem dochodzić do wniosku, że temat współcześnie produkowanych transformatorów głośnikowych i ich parametrów nikogo u nas nie interesuje... Co do standardu, nie wiem czy taki istnieje. W notach katalogowych poważnych, niestety głównie zagranicznych producentów transformatorów głośnikowych, widywałem informację, że indukcyjność podawana jest dla częstotliwości 60 Hz lub 120 Hz, a w zaledwie kilku notach znalazłem też informacje, że indukcyjność mierzona była przy napięciu 240 V/60 Hz. Nie wiem czy to napięcie mogłoby być uniwersalne i stanowić pewien "standard", gdyż wzmacniacze na różnych lampach zasilane są napięciami anodowymi o bardzo różnych wartościach i na uzwojeniu ich transformatorów może występować taka lub zupełnie inna amplituda sygnału dla uzyskania pełnej mocy. W konkretnych badaniach i tak często okazuje się, że sama indukcyjność uzwojenia nie jest aż tak ważna (choć oczywiście musi mieć co najmniej właściwą wartość) jak cechy samego rdzenia (punkt lub przedział mocy, przy którym rdzeń dla niskich częstotliwości zaczyna się nasycać...). Często dla pomiarów małosygnałowych pasmo przenoszenia transformatora od dołu okazuje się być bardzo szerokie, ale gwałtownie się zawęża wraz ze wzrostem poziomu wysterowania (przy wzroście mocy wyjściowej). Dlatego przy podanej dla danego transformatora szerokości pasma przenoszenia, powinna być dodatkowo podana wartość mocy wyjściowej i poziomu wprowadzanych przez transformator zniekształceń THD przy podawanej szerokości. Te parametry powinny zostać określone dla samego transformatora dla konkretnych prawidłowych wartości obciążenia uzwojeń, a nie dla jakiegoś tam wzmacniacza lampowego, w którym może być taki transformator stosowany.

Pozdrawiam
Romek

[faktus]

Witam.
Kolego Romku również i ja z zainteresowaniem śledzę wątek, ale nie wiem jak wyjaśnić opisane zjawisko. Widać, że ustalenie jednej przyczyny tego zjawiska może okazać się bardzo trudne, by nie powiedzieć niemożliwe.

Na pewno nie raz nie jeden z Kolegów z naszego Forum spotkał się z taką sytuacją, że włącza się do sieci duży transformator toroidalny i mamy przy tym takie głośne warknięcie i stopniowe, trwające przeważnie kilka sekund, cichnięcie tego głośnego buczenia do standardowej dla danego transformatora głośności. Spowodowane to jest pozostałością magnetyczną (magnetyzmem szczątkowym) w rdzeniu po wcześniejszym wyłączeniu transformatora i niekorzystnym momentem ponownego włączenia go do sieci elektrycznej. Często w takim momencie udar prądowy po włączenie transformatora do sieci jest tak duży, że uszkadza się bezpiecznik (źle dobrany) zabezpieczający uzwojenie pierwotne na wypadek nadmiernego wzrostu prądu. Pytanie: dlaczego powrót do normalnej pracy transformatora trwa aż kilka sekund, skoro (jak w swojej wypowiedzi wspomniał Alek) "zmiany ustawienia domen magnetycznych zachodzą szybko, więc nie można im przypisać przyczyny zmiany indukcyjności w dłuższym okresie czasu"

Kiedyś czytałem, że to zjawisko w transformatorach toroidalnych jest podobne do zachowania pomięci ferrytowych stosowanych w komputerach, które były zapisywane poprzez skokowe zmiany płynącego prądu w przewodach na których były osadzone.
Rdzeń toroidalny niejako " zapamiętuje " moment w którym jest wyłączony-odnosi się to do konkretnego miejsca na sinusoidzie, a właściwie do konkretnej wartości prądu jaki w tym momencie przepływa przez jego uzwojenie. Przy ponownym włączeniu stara się uzyskać stan jaki był w chwili wyłączenia, a prawdopodobieństwo włączenia go w tym samym momencie na sinusoidzie przy ponownym włączeniu jest zerowe. Dlatego po włączeniu transformator musi niejako " wykasować " zapamiętaną wartość i ponownie niejako zsynchronizować się z przebiegiem napięcia zasilania zanim zacznie normalnie pracować, co wiąże się ze zwiększonym poborem prądu. Dlaczego trwa to tak długo, wydaje mi się że jest to cecha konstrukcyjna rdzenia i zastosowanego materiału.
Być może, że to zjawisko odpowiada za wynik pomiaru bo wykonuje się go przy małym napięciu i prądzie. Dlatego nie można " skasować " tej zapamiętanej wartości. Jest to moja subiektywna ocena, ale nie jestem pewien czy trafiona.
Pozdrawiam.

[Krzysztof_M]

Niezwykle intrygujący wątek, dzięki Romku za starania i kolejne eksperymenty.
Mam pytania odnośnie warunków testowania:
1 Co działo się z uzwojeniem wtórnym w czasie pomiaru? Zwarte, rozwarte, obciążone nominalną impedancją?
2 Gdy mierzyłeś jedną tylko gałąź uzwojenia pierwotnego co działo się z drugą gałęzią?
3 Transformatory, które mierzysz, w czasie normalnej eksploatacji pracują ze stałym podmagnesowaniem - rzeczywiście pola stałe z każdej połówki się znoszą wzajemnie, ale może samo ich występowanie i potem znoszenie się ma tutaj wpływ na zachowanie się rdzenia? Jak rozumiem, nie przeprowadziłeś pomiarów w obecności prądu stałego przepływającego przez oba uzwojenia?
Zapewne mierniki tego nie umożliwiają, ale może któraś z metod technicznych umożliwia taki pomiar?
W skanach podesłanym przez Kolegę Alka w rozdziale 14.6.2 jest taka informacja, że przy pomiarach cewek z rdzeniem żelaznym pracujących ze stałym podmagnesowaniem, pomiary wykonuje się również ze stałym podmagnesowaniem, jeśli chcemy aby wyniki były wiarygodne.

[Ukaniu]

Dobrze by było mierzyć podawać indukcyjność uzwojenia pierwotnego dla napięcia przy mocy znamionowej.

Podmagnesowanie czy też rozmagnesowanie rdzenia i powrót na początek histerezy pewnie spowodowało spadek wyniku pomiaru indukcyjności podczas dłuższego podłączenia transformatora do miernika.