CC BY
203Применение согласующих трансформаторов
в электронной аппаратуре
Дмитрий АНДРОННИКОВ
adv@west-l.ru
Тенденции по снижению себестоимости электронной техники в последнее десятилетие привели к сокращению объемов применения сигнальных и силовых трансформаторов. На смену им во многих случаях пришли импульсные источники питания и интегральные микросхемы гальванических развязок. Однако полноценной (или какой-либо вообще) замены классическим трансформаторам в целом ряде применений не существует, о чем свидетельствует присутствие на рынке многих производителей сигнальных и силовых трансформаторов как стандартных, так и специальных типов.
На примере номенклатуры одного из производителей трансформаторов рассмотрим области и особенности применения, в которых классические трансформаторы либо вообще незаменимы, либо замена их на какие-либо иные устройства сопряжена с ухудшением качества и потребительских свойств изделия.
Электрический трансформатор известен человечеству вторую сотню лет и является одним из первых электрических приборов в его истории. Условное изображение трансформатора на электрических схемах приведено на рис. 1.
Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. На одну из обмоток, называемую первичной обмоткой, подается напряжение от внешнего источника. Протекающий по первичной обмотке переменный ток создает переменный магнитный поток в магнитопроводе. Благодаря электромагнитной индукции этот переменный магнитный поток создает во всех обмотках, в том числе и в первичной, ЭДС индукции, пропорциональную первой производной магнитного потока. Когда вторичные обмотки не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток через первичную обмотку невелик и определя-
ется в основном ее индуктивным сопротивлением. Напряжение индукции на вторичных обмотках в режиме холостого хода определяется отношением числа витков соответствующей обмотки W2 к числу витков первичной обмотки W1:
и2= ^х^^). (1)
При подключении нагрузки к вторичной обмотке по ней начинает протекать ток. Этот ток также создает магнитный поток в магни-топроводе, направленный встречно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате, в первичной обмотке нарушается компенсация ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения. В этом режиме отношение токов первичной и вторичной обмотки равно обратному отношению числа витков обмоток:
!1 = ^х^/^). (2)
Отношение напряжений в первом приближении также остается прежним. В результате, мощность, потребляемая от источника в цепи первичной обмотки, практически полностью передается во вторичную.
Конечно, указанные выше соотношения справедливы лишь для идеального трансформатора, в реальных изделиях существует множество факторов, их нарушающих (в частности, потери в активном сопротивлении обмоток, потери за счет токов Фуко в металле магнитопровода, потери намагничивания и ряд других), но они в большинстве случаев невелики и не влияют на принципиальное следствие, вытекающее из приведенных формул. А следствие это весьма важное, посколь-
ку определяет практически всю область применения трансформаторов как согласующих приборов — сопротивление цепи по переменному току, подключенной к одной из обмоток, будет пересчитано во вторую как:
22 = ^х^/^)2. (3)
Поскольку обмотки трансформатора не имеют непосредственной связи друг с другом, это дает возможность согласовывать сопротивления источников и приемников сигналов, уровни входных и выходных напряжений и токов устройств, находящихся под разными потенциалами.
Категория согласующих трансформаторов чрезвычайно обширна, и перечислить все возможные варианты их применений практически невозможно. Поэтому уделим внимание согласующим трансформаторам, работающим в звуковом диапазоне частот, как исторически первым представителям данной группы, а также коснемся импульсных трансформаторов малой мощности.
Трансформаторы данной группы можно условно разделить на 4 категории.
Входные трансформаторы
Они, в основном, предназначены для согласования низкого выходного сопротивления ряда источников сигнала (микрофон, звукосниматель с подвижной катушкой и т. п.) с высоким входным сопротивлением усилительного устройства. Кроме того, применение входного трансформатора позволяет существенно улучшить шумовые характеристики устройства. Для каждого усилительного каскада или усилителя в целом наилучший уровень шума достигается в том случае, когда эквивалентное шумовое сопротивление
на схемах
входной цепи усилителя равно внутреннему сопротивлению источника сигнала [1].
Для конкретного типа усилителя этот параметр можно вычислить по формуле:
Яш = (4)
где Еш — средняя спектральная плотность входного шумового напряжения усилителя, Б/-Гц, 1ш — средняя спектральная плотность входного шумового тока усилителя, А/-Гц.
Обычно эквивалентное шумовое сопротивление большинства операционных усилителей (и их дискретных аналогов) лежит в пределах от единиц до десятков килоом. Учитывая то, что внутреннее сопротивление низковольтных источников сигнала, в частности, динамических микрофонов, обычно составляет десятки или сотни ом, можно сделать вывод, что при работе с подобными источниками сигнала шумовые свойства большинства усилительных схем, в особенности выполненных на ОУ, даже малошумящих типов, будут далеки от оптимальных. Решить проблему согласования сопротивлений позволяет применение входного трансформатора, коэффициент трансформации которого можно определить по формуле:
N = ^гтх = -^Яш/Яи), (5)
где Яш — эквивалентное шумовое сопротивление входной цепи усилителя, Ом, Яи — внутреннее сопротивление источника сигнала, Ом.
Для типового сопротивления динамического микрофона 150 Ом и шумового сопротивления ОУ 5 кОм (например, ОР27, ОР37) оптимальный коэффициент трансформации будет порядка 5-7. Примером такого трансформатора может служить прибор типа ЬЬ1636 производства Ьи^аЫ. Этот трансформатор имеет 4 первичные и две вторичные обмотки, расположенные на двух катушках П-образного магнитопровода, изготовленного из аморфного металлического материала, который обладает высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями. Коммутируя обмотки соответствующим образом, можно получать коэффициенты трансформации от 5 до 20. Схема возможного варианта микрофонного усилителя, представляющего вариант устройства, описанного в [2], с применением трансформатора ЬЬ1636, приведена на рис. 2.
Наличие гальванической развязки между первичной и вторичной обмотками трансформатора позволяет использовать различные типы микрофонов, в том числе требующие высокого фантомного питания, без опасений за работоспособность усилительного каскада.
Еще одно преимущество трансформаторного входа микрофонного усилителя заключается в практически полной нечувствительности к синфазным помехам на входе, особенно при использовании специальных
симметричных трансформаторов. Подавление синфазной помехи в усилителе с симметричным трансформаторным входом может достигать 100 дБ в диапазоне звуковых частот, что означает возможность передачи малых сигналов на относительно большие расстояния практически без увеличения уровня помех в выходном сигнале. Это свойство широко используется в концертной и студийной технике звукозаписи и звукоусиления при работе в условиях высокого уровня помех от питающей сети, светового и усилительного оборудования, компьютеров и т. п.
Разделительные
и согласующие трансформаторы
В технике звукоусиления и звукозаписи достаточно часто приходится передавать аналоговые сигналы небольших уровней на значительные расстояния. Применение согласующих симметричных трансформаторов является зачастую единственным способом передачи малых сигналов в условиях больших внешних помех. Передача сигнала по симметричной линии в дифференциальном виде и его прием с помощью балансного трансформатора позволят добиться подавле-
ния синфазных помех до 60-100 дБ в сочетании с гальванической развязкой источника и приемника сигнала, гарантирующей отсутствие замкнутых контуров общего провода и абсолютно надежную и безопасную работу при наличии потенциалов до сотен вольт между устройствами.
Типовая структурная схема дифференциальной линии передачи сигнала приведена на рис. 3.
При использовании на выходе источника и на входе приемника трансформаторов напряжение помехи и потенциал ип могут достигать нескольких сотен вольт. Такой уровень синфазных помех и потенциалов недопустим практически ни в каких бес-трансформаторных схемах.
Возможная реализация дифференциального приемника сигнала линии, предложенная в работе [3], представлена на рис. 4.
При использовании трансформатора JT-11P (Jensen) или LL1540, LL1922 (Lundahl) подавление синфазной помехи на частоте 50 Гц при работе от дифференциальной линии может составлять порядка 130 дБ, что означает возможность практически полного устранения фона переменного тока даже в линиях передачи длиной десятки метров.
Вход 0_
Общ. 0_ входа
Общий
провод
драйвера
;Выход
Дифференциальное входное напряжение равно 2xllc Синфазное входное
напряжение равно
ип
Экран
Наводимое напряжение помехи Un
Общий
~±г ПРОВОД
приемника
Рис. 3. Дифференциальная линия передачи сигнала
Работа усилительного устройства на такие длинные линии связана с рядом сложностей. Для получения максимального отношения сигнал/помеха напряжение полезного сигнала в линии должно быть по возможности большим, а сопротивление нагрузки линии — минимальным. Стандартная величина сопротивления нагрузки линий, принятая в профессиональной технике звукоусиления, принята равной 600 Ом. При напряжении сигнала 7 В это означает, что мощность, которую должен развивать драйвер, составляет порядка 70-100 мВт. При этом искажения сигнала во всем рабочем диапазоне частот (обычно 2-20 000 Гц) должны быть минимальными, во всяком случае, не должны превышать нескольких сотых долей процента.
Простейший вариант схемы драйвера линии с трансформаторным выходом приведен на рис. 5.
В качестве усилительного элемента драйвера используется так называемый «композитный усилитель» [4], который обладает как отличными параметрами для постоянного тока (низкое напряжение смещения, малый дрейф, высокое входное сопротивление, — их величину определяют свойства ОУ DA1), так и высоким качеством выходного каскада (большой выходной ток, низкие искажения при работе на низкоомную нагрузку, характерные для ОУ DA2). При очевидных достоинствах такой схемы, как простота и возможность применения различных трансформаторов, у нее есть очень существенный недостаток — сильный рост искажений сигнала с понижением его частоты (см. зависимость уровня искажений трансформатора ЬЬ1517 от частоты и амплитуды сигнала на рис. 6).
Этот рост искажений связан с физикой работы трансформатора, то есть с увеличением индукции в магнитопроводе по мере снижения частоты сигнала и соответствующим заходом магнитного потока в нелинейную область характеристики намагничивания. С этим явлением можно бороться путем увеличения физических размеров магнитопровода, то есть увеличением его активного объема, что приводит к росту габаритов и стоимости трансформатора, его распределенной и межобмо-точной емкости и, как результат, к ухудшению параметров на высоких частотах.
Оригинальное и изящное решение этой проблемы было предложено автором патента [5]. На рис. 7 представлена принципиальная схема драйвера линии с трансформаторным выходом, обладающего малыми искажениями в области низких частот. Принцип действия схемы основан на том, что кроме основной цепи ООС усилитель охвачен дополнительной обратной связью, сигнал которой снимается с резистора, включенного в цепь первичной обмотки выходного трансформатора. Напряжение на этом резисторе пропорционально току первичной обмотки и в точности повторяет его форму. Сигнал этой обратной связи заводится в цепь неинвертирующего входа ОУ,
