Pomiar parametrów toroidalnego transformatora głośnikowego TG88U

[Romekd]

Czołem.
Jakiś czas temu od jednego z Kolegów z naszego Forum otrzymałem do testów toroidalny transformator głośnikowy o oznaczeniu TG66U, opracowany i wykonany przez forumowego Kolegę Piotra (Haiku-Audio). Transformator ten przeznaczony jest do pracy w lampowych stopniach końcowych, zrealizowanych w konfiguracji przeciwsobnej (PP) z wykorzystaniem dodatkowych odczepów typu ultralinear. W stosunku do transformatorów głośnikowych z rdzeniami toroidalnymi innych producentów różni się on dość nietypowymi wymiarami. Jest stosunkowo wysoki (ok. 100 mm), przy niewielkiej średnicy zewnętrznej (ok. 75 mm) i wadze 2,4 kg. Z założenia ma dopasowywać wyjście lamp o Raa = 5 kΩ do niskiej impedancji głośnika, w przypadku tego transformatora wynoszącej 8 Ω (widywałem też inne wersje transformatora, przeznaczone do pracy z zestawami głośnikowymi o impedancji 4 Ω). Maksymalna moc wyjściowa została określona na 65 W. Poniżej zdjęcie transformatora, otrzymanego przeze mnie do testów.

TG88U_zdj1.jpg

Jego wymiary wynikają z nietypowej konstrukcji - jako rdzeń zastosowane zostały dwa lub nawet trzy mniejsze rdzenie, odpowiednio ze sobą sklejone dla zmniejszenia drgań i poziomu generowanego hałasu (zminimalizowania drgań wywołanych zmianami strumienia magnetycznego i magnetostrykcją). Tego typu konstrukcja pozwoliła zwiększyć pole przekroju rdzenia przy zachowaniu tej samej średniej długości "drogi magnetycznej", co w założeniach powinno poprawić elektryczne parametry transformatora w zastosowaniach "audio".

Szybki pomiar napięć pozwolił mi określić rezystancje poszczególnych uzwojeń i ich liczby zwojów. Opisałem je w załączniku poniżej.

Schem_TG-88U.png

Odczepy ultralinear na uzwojeniu pierwotnym znajdują się mniej więcej na 42,5% liczby zwojów, licząc od środka uzwojenia (wejścia napięcia zasilania Ub; na ulotce jest informacja o UL równym 40%). W kolejnym poście przedstawię co wykazały inne pomiary transformatora.

Pozdrawiam
Romek

[mirfak]

Czytam z wielkim zainteresowaniem i czekam na dalsze informacje.
Dziękuję i pozdrawiam.

[Romekd]

Witam.
Pomiar parametrów transformatora rozpocząłem od próby określenia indukcyjności uzwojenia pierwotnego dla różnych warunków jego pracy. W transformatorach toroidalnych indukcyjność uzwojeń w ogromnym stopniu zależy od amplitudy sygnału i wartości prądu składowej stałej płynącego przez uzwojenie. Różnice wartości dla różnych poziomów napięcia na uzwojeniu mogą osiągać dwa rzędy wielkości. Sam tylko pomiar indukcyjności mostkiem lub miernikiem RLC jest niewystarczający i właściwie uzyskana w w wyniku pomiaru wartość nie mówi nic o tym jak zachowa się transformator w konkretnym stopniu wyjściowym wzmacniacza niskiej częstotliwości. Również wartość indukcyjności, umieszczana czasami na etykiecie transformatora lub w jego nocie katalogowej jest bezwartościowa, jeśli producent nie określił warunków, w jakich został przeprowadzony ten pomiar. To tak jakby podać wartość napięcia szumu, ale bez określenia w jakim paśmie został zmierzony i jaka jest jego charakterystyka częstotliwościowa (tu często odpowiedni wykres jest najlepszą i zarazem pełną informacją o wielkości i "strukturze" szumów...). Podam dla przykładu co wskazały dwa z moich mierników przy pomiarze indukcyjności uzwojenia pierwotnego TG88U. Miernik MOTECH MT4090 dla częstotliwości pomiarowej 100 Hz i amplitudy 1 V początkowo wskazywał indukcyjność uzwojenia pierwotnego równą 55 H, jednak wskazywana wartość wolno spadała by po kilku minutach ustabilizować się na ok. 40 H. Gdy przełączyłem amplitudę sygnału pomiarowego na 250 mV, miernik wskazał wartość 21 H, a przy amplitudzie sygnału 50 mV wskazania wynosiły 15,6 H. Po zmianie częstotliwości pomiarowej na 120 Hz i dla amplitudy 1 V wskazania wyniosły 37 H, po zmniejszeniu amplitudy do 250 mV miernik pokazywał 20 H, powoli spadające do 18,5 H, a przy napięciu pomiarowym 50 mV na wyświetlaczu pojawiła się wartość 15,8 H, spadająca wolno do 14,3 H... Miernik RLC Agilent U1733C przy pomiarze częstotliwością 100 Hz w układzie szeregowym wyświetlał po ustabilizowaniu się wyników 20,86 H, a w połączeniu równoległym 23,64 H. Jak widać współcześnie produkowane rdzenie toroidalne charakteryzują się dużą przenikalności i bardzo dużą zmiennością parametrów od amplitudy sygnału (od napięcia na końcach uzwojenia i płynącego przez uzwojenie prądu /składowej zmiennej i stałej/). Przeglądając w zeszłym roku parametry podawane przez polskich producentów transformatorów głośnikowych na ich stronach internetowych pozwoliłem sobie do kilku z nich zadzwonić i zapytać, przy jakim napięciu i częstotliwości sygnału przeprowadzony został przez nich pomiar indukcyjności uzwojeń pierwotnych w produkowanych lub sprzedawanych przez nich transformatorach. Żaden nie potrafił udzielić szybkiej odpowiedzi na takie pytanie, natomiast kilku zaproponowało mi bym zapytanie to przesłał mailem na ich skrzynkę, to sprawdzą w swoich dokumentacjach i mailowo udzielą mi odpowiedzi. Tak też zrobiłem, a na odpowiedzi czekam do dzisiaj...
Kiedyś dokonywałem już pomiarów indukcyjności uzwojeń kilku transformatorów głośnikowych, co opisałem w wątku z linku poniżej
https://www.forum-trioda.pl/viewtopic.p ... 82#p377182

Kolega Krzysztof_M pokazał w swoim poście, że są też producenci, którzy rzetelnie przedstawiają parametry wytwarzanych przez siebie transformatorów głośnikowych. Niestety stanowią rzadkie wyjątki...
https://www.forum-trioda.pl/viewtopic.p ... 00#p377800


Co do badanego przeze mnie transformatora TG88U, to wykonałem również pomiar indukcyjności jego uzwojenia pierwotnego metodą techniczną dla częstotliwości 50 Hz i napięcia o wartości skutecznej od 5 do 600 V. Wyniki przedstawia tabela poniżej.

Indukcyjność_TG88U.png

Na białych polach tabeli podałem parametry uzwojenia dla podnoszonego napięcia na uzwojeniu, a na szarym dla obniżanego. Uzyskane wyniki, tak jak we wcześniejszych pomiarach różnią się od siebie.

Jak widać wyniki pomiaru indukcyjności uzwojenia pierwotnego badanego transformatora, w zależności od przyjętej metody pomiaru i wykorzystywanych w nich częstotliwości i napięć pomiarowych kształtowały się od 14,3 H do 1449 H, czyli wynik najwyższy był ponad dwa rzędy wielkości większy od najniższego. W kolejnych postach spróbuję pokazać, że indukcyjność uzwojenia pierwotnego w transformatorze głośnikowym na rdzeniu toroidalnym nie przesądza o wartości dolnej częstotliwości granicznej tego akurat elementu.

Pozdrawiam
Romek

[^ToM^]

Romku, to wszystko jak napisałeś jest faktem. Po prostu dla indukcyjności ich parametry należy mierzyć w warunkach w jakich taki podzespół będzie pracować. Co prawda, dla transformatora głośnikowego częstotliwości pracy nie są jakieś horrendalne, ale napięcia i prądy spore więc kolana w histerezie wywierają tu duży wpływ na parametry. Można się zdziwić mimo wszystko.
W szczególności problem dotyczy to elementów indukcyjnych w.cz. Cewka zmierzona przy 1 kHz będzie miała inną indukcyjność niż ta sama mierzona przy 1 MHz.
Dla elementów z rdzeniem zmiany przejawiają się z powodu pętli histerezy, która odpowiednio modyfikuje indukcyjność w zależności od ilości dostarczanej energii - jak napisałeś w zasadzie amplitudy napięcia pomiarowego czy napięcia pracy.
W katalogach podaje się czasami indukcyjność elementów dla f=120 Hz albo 1 kHz, rzadziej dla wyższych częstotliwości.
Częsty problem radioamatorów: wykonał starannie cewki i transformatory wg. podanych w opisie wartości. Jednak radio nie chce grać! Po prostu, cewki mierzone były standardowym sygnałem mostka RLC (1kHz) zamiast zmierzyć ją przy częstotliwości na jakiej będzie pracować. No, ale do tego trzeba mieć przy najmniej TDO.

Pozdrawiam!

[Einherjer]

Zaskoczyła mnie spora jak na tę moc rezystancja uzwojenia wtórnego.

[Romekd]

Czołem.

Romku, to wszystko jak napisałeś jest faktem. Po prostu dla indukcyjności ich parametry należy mierzyć w warunkach w jakich taki podzespół będzie pracować. Co prawda, dla transformatora głośnikowego częstotliwości pracy nie są jakieś horrendalne, ale napięcia i prądy spore więc kolana w histerezie wywierają tu duży wpływ na parametry. Można się zdziwić mimo wszystko.
W szczególności problem dotyczy to elementów indukcyjnych w.cz. Cewka zmierzona przy 1 kHz będzie miała inną indukcyjność niż ta sama mierzona przy 1 MHz.

To prawda. Jednak nowoczesne rdzenie toroidalne, z założenia przeznaczone do transformatorów sieciowych, nie specjalnie nadają się do transformatorów głośnikowych. Mają bardzo dużą przenikalność, ale też ogromną zmienność parametrów, co w zastosowaniach innych niż transformatory zasilające stanowi ogromną wadę. Stare "blaszki" o teoretycznie gorszych parametrach magnetycznych zachowują się w tym przypadku bardziej przewidywalnie Również zastosowanie szczeliny w magnetowodzie powoduje zwiększenie stabilności parametrów rdzenia. Projektant i wykonawca badanego przeze mnie transformatora TG88U w rozmowie telefonicznej powiedział mi, że jako głośnikowe woli obecnie transformatory kształtkowe, a toroidalne stosuje tylko jako zasilające (sieciowe), uważając je za "nieprzewidywalne" w roli głośnikowych...
Większość materiałów magnetycznych o dużej przenikalności nie "radzi sobie" przy wyższych częstotliwościach.

Dla elementów z rdzeniem zmiany przejawiają się z powodu pętli histerezy, która odpowiednio modyfikuje indukcyjność w zależności od ilości dostarczanej energii - jak napisałeś w zasadzie amplitudy napięcia pomiarowego czy napięcia pracy.
W katalogach podaje się czasami indukcyjność elementów dla f=120 Hz albo 1 kHz, rzadziej dla wyższych częstotliwości.
Częsty problem radioamatorów: wykonał starannie cewki i transformatory wg. podanych w opisie wartości. Jednak radio nie chce grać! Po prostu, cewki mierzone były standardowym sygnałem mostka RLC (1kHz) zamiast zmierzyć ją przy częstotliwości na jakiej będzie pracować. No, ale do tego trzeba mieć przy najmniej TDO.

Z tą ostatnią częścią wypowiedzi nie do końca mogę się zgodzić. Cewki radiowe na zakresy fal długich, średnich i krótkich, dostrajane właściwym ferrytowym rdzeniem, podczas pomiarów mostkiem (miernikiem RLC) wykazują u mnie podobną indukcyjność co na częstotliwościach, na które zostały zaprojektowane. Co prawda przy takich pomiarach korzystam z wyższych częstotliwości pomiarowych miernika (10 kHz, 100 kHz lub 200 kHz), gdyż przy niższych rezystancja drutu, z którego wykonana jest cewka, potrafi mieć o kilka rzędów wielkości większą wartość niż składnik reaktancyjny (induktancja) i na "tle" tak dużej rezystancji miernik może mieć problem ze zmierzeniem indukcyjności elementu (w zależności od klasy miernika mogą wystąpić pewne przekłamania w pomiarze). Jako przykład może posłużyć miniaturowy dławik firmy Bourns, serii 8230 lub 9230 o indukcyjności 1 μH. Jego rezystancja dla DC wynosi 1 Ω, a induktancja przy częstotliwości 100 Hz wynosi jedynie 0,6 mΩ, czyli składnik reaktancyjny od rezystancji w impedancji jest w tym przypadku 1592 razy mniejszy.

Z reguły większa przenikalność magnetyczna rdzenia oznacza niższą dopuszczalną częstotliwość pracy i większą zależność parametrów od temperatury i podłączonych do elementu napięć stałych i zmiennych. Są typy rdzeni proszkowych o małej przenikalności, których współczynnik temperaturowy jest bardzo niski i można używać ich jako rdzenie cewek w wysokostabilnych generatorach w.cz. Są też produkowane specjalne materiały ferrytowe o dużej stratności (są też produkowane kondensatory o podobnych cechach). Ich rolą jest pochłanianie zakłóceń i zamiana ich na ciepło. Są przeznaczone np. do stosowania w filtrach EMI/EMC. Cewka nawinięta na takich materiałach ferromagnetycznych będzie wykazywała niską dobroć i różną indukcyjność dla różnych częstotliwości.

Niedoświadczeni radioamatorzy podczas wykonywania cewek do odbiorników mogą popełniać różne błędy, np. stosować nawinięcie masowe zamiast koszykowego (lub innego) lub nie stosować zalecanego podziału uzwojenia na sekcje, co może skutkować wzrostem pojemności cewki i zmianą odczytów przyrządów pomiarowych. Przepraszam, zacząłem pisać "ogólnie" i odszedłem od zasadniczego tematu wątku To przez te upały

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Czołem.

Zaskoczyła mnie spora jak na tę moc rezystancja uzwojenia wtórnego.

Też zwróciło to moją uwagę. Oporność uzwojenia pierwotnego w stosunku do wielkości Raa stanowi w tym transformatorze ok. 1,45%. Za to oporność uzwojenia wtórnego w stosunku do podłączanego do niego obciążenia stanowi aż 4,69%. W moim odczuciu uzwojenie wtórne można było nawinąć nieco grubszym drutem nawojowym, zmniejszając straty, które będą na nim występowały przy wyższym wysterowaniu.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Kolejnymi pomiarami transformatora, jakie przeprowadziłem, były pomiary pasma przenoszenia dla różnych sposobów dopasowania impedancji uzwojeń i różnych mocy wyjściowych z transformatora. W testach transformator podłączyłem odwrotnie (podobne pomiary przeprowadzałem kilka lat wcześniej dla transformatora głośnikowego z firmy "TOROIDY.PL", przeznaczonego do stopnia mocy SE; viewtopic.php?p=355428#p355428 ), podając na uzwojenie wtórne sygnał z generatora przez rezystor o wartości 8 Ω i obciążając uzwojenie pierwotne dwoma szeregowo połączonymi rezystorami 2,5 kΩ. Sygnał z uzwojenia pierwotnego podawałem też na wejście różnicowe karty pomiarowej przez regulowane dzielniki rezystorowe (podwójną stereofoniczną "drabinkę" rezystorową). Chciałem w ten sposób obciążyć uzwojenie symetrycznie, tak jak jest sterowane w oryginalnym układzie lampowego wzmacniacza. Kilka lat temu badając inny transformator przy niesymetrycznym względem masy (wyprowadzenia Ub) obciążeniu zauważyłem duży wzrost zniekształceń przy wyższych częstotliwościach pasma akustycznego. Wtedy przejście na symetryczne obciążenie uzwojenia spowodowało spadek mierzonych poziomów zniekształceń THD.
Pasmo przenoszenia transformatora mierzyłem przy pomocy specjalnych sygnałów generowanych przez kartę. Pierwszy pomiar wykonałem sprzęgając transformator z wyjściem wzmacniacza przez rezystor o oporności 8 Ω i ustawiając niską moc na wyjściu wzmacniacza (ok. 1 W). Załącznik poniżej przedstawia uzyskaną w pomiarze charakterystykę.

FR_1_PN pink_8R.PNG

Jak wiadomo oporność wyjściowa lamp mocy wywiera pewien wpływ na charakterystykę pasma przenoszenia transformatora. Mniejsza oporność, która występuje np. gdy lampy typu pentody przełączymy w połączenie triodowe powoduje dla małych mocy obniżenie się górnej częstotliwości granicznej i poprawę w zakresie odtwarzania częstotliwości z dołu pasma akustycznego. Wysoka rezystancja pentod w typowej dla nich konfiguracji daje efekty odwrotne - dla małych mocy wyjściowych poprawia się przenoszenie sopranów, a pogarsza przenoszenie sygnałów w
dolnej części pasma. Oczywiście ujemne sprzężenie zwrotne, w tym sprzężenie typu ultralinear powoduje wzrost szerokości pasma przenoszenia dla mniejszych mocy wyjściowych i spadek szerokości pasma oraz duży wzrost zniekształceń przy pełnej mocy wzmacniacza.
Ja sprawdziłem jak zmieni się pasmo przenoszenia TG88U przy zmniejszeniu wartości rezystora łączącego uzwojenie wtórne ze wzmacniaczem do wartości 4 Ω, zmniejszając również poziom mocy wzmacniacza dla uzyskania podobnego poziomu sygnału na uzwojeniu pierwotnym. Poniżej rezultat takiej zmiany.

FR_1_PN pink_4R.PNG

Pasmo od góry zauważalnie się obniżyło a po drugiej stronie lekko poszerzyło.

Pozdrawiam
Romek

[Romekd]

Poniżej tabela przedstawiająca wyniki pomiaru zniekształceń THD dla kilku poziomów mocy wyjściowej i kilku częstotliwości sygnału sterującego. Pozornie wyniki wyglądają na bardzo dobre, niestety wykryłem coś, co wg mojej oceny może dyskwalifikować ten typ transformatora jako dobrego do wzmacniaczy wysokiej klasy. Jednak napiszę o tym po zamieszczeniu charakterystyk z analizatora widma, które pokazują jak rozkładały się poszczególne harmoniczne zniekształceń dla różnych warunków sterowania transformatora. Poniżej tabela z wynikami całkowitych zniekształceń THD.

THD1.png

Kolorowymi ramkami zaznaczyłem wyniki THD gorsze od 0,1% (żółta ramka; moim zdaniem jeszcze bardzo niskich), pomarańczowymi THD do 1% i czerwonym THD o poziomie kilku procent i wyższych. Pomiar dla mocy 40 W przeprowadzałem przy rezystorze sprzęgającym transformator z wyjściem wzmacniacza zmniejszonym z 8 Ω do 4 Ω, gdyż moc mojego wzmacniacza dla obciążenia łączną impedancją 16 Ω zbliżała się do maksymalnej.
Co Koledzy sądzicie o uzyskanych przeze mnie wynikach? Jestem bardzo ciekaw Waszej opinii.

Pozdrawiam
Romek

[Locutus]

Dawno nie zaglądałem a tu taka niespodzianka
Dzięki Kolego Romku !

Patrząc na zniekształcenia, moc transformatora należałoby określic na niecałe 20W ?
Górne pasmo przenoszenia rzekłbym, że jest fatalne

[Romekd]

Dawno nie zaglądałem a tu taka niespodzianka
Dzięki Kolego Romku !

Patrząc na zniekształcenia, moc transformatora należałoby określic na niecałe 20W ?
Górne pasmo przenoszenia rzekłbym, że jest fatalne

Dziękuję. Indukcyjność rozproszenia wyszła mi w pomiarach (nie mam pewności czy otrzymałem poprawny wynik... ) w okolicach 20...22 μH, moim zdaniem za wysoka. Pojemność między uzwojeniami pierwotnym i wtórnym (przy zwarciu wszystkich wyprowadzeń uzwojenia pierwotnego i zmierzeniu mostkiem pojemności ze zwartymi wyprowadzeniami uzwojenia wtórnego) na poziomie ok. 1,7 nF, a między wyprowadzeniami A1 i A2 otrzymałem około 180 pF.

Ciekaw jestem czy ktoś z Szanownych Kolegów porównywał brzmienie wzmacniaczy lampowych z transformatorami z rdzeniami kształtkowymi, toroidalnymi i wykonanymi z blach amorficznych? Może ktoś wymieniał w swoim wzmacniaczu transformator EI na toroidalny i może opisać różnice w brzmieniu wzmacniacza? Wg opinii, na które do tej pory trafiałem, transformatory z rdzeniami toroidalnymi brzmią gorzej od innych. Bardzo chciałbym poznać opinie użytkowników naszego Forum na ten temat...

Pozdrawiam
Romek

[kubafant]

Indukcyjność rozproszenia wyszła mi w pomiarach (nie mam pewności czy otrzymałem poprawny wynik... ) w okolicach 20...22 μH, moim zdaniem za wysoka.

W transformatorach głośnikowych znanych mi z literatury przedmiotu czy własnych pomiarów indukcyjność rozproszenia mieści się w zakresie pojedynczych mH, nigdy zaś nie spotkałem się, żeby leżała trzy rzędy wielkości niżej, w zakresie μH. Słabej jakości transformatory do wzmacniaczy rozgłoszeniowych miewają indukcyjność rozproszenia powyżej 20 mH.

Jaką metodą została zmierzona tutaj?

Pozdrawiam,
Jakub

[Romekd]

Witam.
To oczywiście były milihenry, tylko nie pojedyncze. Dziękuję za czujność i złapanie literówki.

Pozdrawiam
Romek

[Locutus]

Ciekaw jestem czy ktoś z Szanownych Kolegów porównywał brzmienie wzmacniaczy lampowych z transformatorami z rdzeniami kształtkowymi, toroidalnymi i wykonanymi z blach amorficznych? Może ktoś wymieniał w swoim wzmacniaczu transformator EI na toroidalny i może opisać różnice w brzmieniu wzmacniacza? Wg opinii, na które do tej pory trafiałem, transformatory z rdzeniami toroidalnymi brzmią gorzej od innych. Bardzo chciałbym poznać opinie użytkowników naszego Forum na ten temat...
Pozdrawiam
Romek

Kolego Irku - zostałeś wywołany do tablicy

[kubafant]

To oczywiście były milihenry, tylko nie pojedyncze. Dziękuję za czujność i złapanie literówki.

Wobec tego rzeczywiście parametry transformatora nie są najlepsze. Indukcyjność rozproszenia powyżej 20 mH wykazywały tylko TG z BISów i innych podobnych dzieł "techniki Hi-Fi" Z moich pomiarów wynika, że przyzwoity transformator 10-sekcyjny ma indukcyjność rozproszenia poniżej 10-12 mH, a lepsze (14 i więcej sekcyjne) nawet rzędu kilku mH.

Pozdrawiam,
Jakub