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胆输出变压器计算(一)
胆机音频输出变压器的参数计算及制作要点
胆机音频输出变压器的参数计算及制作要点
摘要 音频输出变压器是胆机音响中的重要器件，其品质与整台功率放大器的品质有着密切的关系。因为这种器件更适合手工制作，所以很多音响爱好者不惜成本、不惜时间，希望自己动手做一只理想中的输出变压器。要完成这项任务还必须了解它的各项参数的确立方法，只有这样才能有的放矢，轻松完成。
关键词 变压器；参数；确定；制作；要点
输出变压器，作为高阻抗功放电路与低阻抗负载的阻抗变换器件，其主要任务是完成前后级的阻抗匹配，和单一频率的电源变压器比较，它的频带（20Hz～20kHz）要宽得多。其次为了使输出的音频信号在低频段有较强的冲击力；在高频段有很好的穿透力和解析力，要求输出变压器一次侧绕组的电感量要足够大，整个绕组的匝间分布电容要足够小。正是由于这些特点，要求音频变压器从选材、制作工艺、到参数的确定都与众不同。
音频变压器有直流磁化型和无直流磁化型，在胆机功放电路中用得较普遍的还是无直流磁化型，这种给功放管屏级供电的变压器由于上下绕组是对称的，其线圈中的直流磁通正好抵消，因而属于无直流磁化型，下面以推挽输出无直流磁化型变压器为例说明各项参数的确定方法。
如：有一功放电路需要一只音频变压器，要求输出功率为60VA，变压器一次侧屏极至屏极的阻抗Rp=6000Ω，直流工作电流I=250mA，二次侧的负载阻抗为4Ω和8Ω，频率响应在50Hz～18kHz范围内，效率η=0.8，根据要求确定变压器的参数。
1输出变压器一次侧电感量的计算
为了达到所要求的低端频响，要求一次侧线圈的电感量满足设定频率的下限值，可按下面的公式进行计算：
式中：Lp为一次侧的电感量，单位为H；Rp为一次侧的负载电阻，单位为Ω；fD为设计频率的下限值，单位为HZ；MD为工作于下限频率时允许的失真系数，通常取1.4左右。在实际运用中综合考虑各种因素，可按下面的经验公式计算
2铁芯截面积的计算
铁芯的截面积可通过下式求得：
式中Sc为铁芯截面积，单位为cm2 ；Po为输出功率，单位为VA。代入上面的数据得：
3一次侧绕组匝数的计算
对于无直流磁化型输出变压器，其初级线圈、次级线圈都可按下式计算： 式中L为电感量，单位为H； lc为铁芯磁路的长度， 通常lc为铁芯中心舌宽的5.6倍（中心舌宽在铁芯材料参数表中可以直接查出，也可以实际测量出来）；Sc 为铁芯截面积，单位为cm2；μ为铁芯导磁率（普通热轧硅钢片为400～500，冷轧硅钢片为800～1000）本例中硅钢片的导磁率μ取500，如所用铁芯中心舌宽A取3.5cm ， Ic取19cm，将上面的数据代入则可以算出一、二侧的数据。
4变压器二次侧绕组匝数的计算
其计算可按如下公式进行：
因变压器的二次侧有4Ω和8Ω两个绕组，所以应该分别计算
胆输出变压器计算(二)
基于胆机输出变压器的计算
电子知识
1．阻抗计算 有基础的发烧友都知道，变压器线圈一次侧与二次侧匝数比的平方等于阻抗比，即R1/R2=(n1/n2)2 ，但往往忽略了线圈的铜阻。设一次侧铜阻为r1，二次侧铜阻为r2，变压器由匝数比n把二次侧喇叭阻抗Rx反射回一次侧等效阻抗为R，并与铜阻相串联。输出总阻抗为Ro，则Ro=R+r1+Z2，式中Z2为二次侧铜阻通过变压比n反射回一次侧的等效二次侧铜阻，它等于r2n2，上式即变为Ro=R+r1+r2n2。一只合理布置线圈的变压器，即一次侧与二次侧线圈中电流密度相等的变压器，其一次侧铜阻r1应该等于二次侧铜阻通过电压比n反射回一次侧的铜阻Z2，即r1=Z2，故变压器总铜损r1+Z2=2r1。这样，前式又变为R =R+2r1或R=Ro-2r1，请记住该计算公式，您经常会使用它。
【例1】某音频输出变压器输出阻抗Ro=5kΩ，r1=350Ω，二次侧负荷为8Ω，求匝数比n。
n=(R/Rr)1/2=[(Ro-2r1)/Rr]1/2=[(5000-700)/8]1/2=23.2
如果不考虑铜阻，其结果为n=25，制作出的变压器阻抗将不是5000Ω，而变成了5700Ω，误差由此产生。
输出变压器铁心中的磁感应强度很低，远低于电源变压器，铁损较小，故损失主要是铜损。变压器中有效阻抗R=n2R ，无效阻抗r1+Z2=2r1，有效阻抗R在总阻抗Ro中所占比例即为变压器的效率η，故η=(Ro-2r1)/Ro。在例1中η=(5000-700)/5000=86％。
2．用线直径
首先应考虑电流密度，一般不大于2.5A/mm2，考究的选2A/mm2。其次考虑变压器效率，即给直流电阻定出了不大于
某值的指标。如Ro=5000Ω的变压器，如果η=90％ ，2r1=10％，则2r1=500Ω，r1=250Ω。通常第一条要服从于第二条。计算时先测量每匝平均长度，乘以匝数，得一次侧线总长度。再查该规格线每米电阻，乘以总长度，即得一次侧直流电阻。若不合格，再选别的规格线径。当一次侧选线决定后，二次侧选线的标准如下：
在一个有两侧线圈的变压器中，只有当两侧线圈中的电流密度相等时才是最合理用线。设一次侧线径为d1，二次侧线径为d2，匝数比为n，
根据变压器原理n=U1/U2=I2/I1，电流与电压成反比。而一次侧、二次侧电流密度相等同，导线截面积S与电流I成正比，故I2/I1 =S2/S1，面积比为直径比的平方，S2/S1= (d2/d1)2，连起来为
n=U1/U2=I2/I1=S2/S1=(d2/d1)2
故d2=d1〃n1/2 ，请牢记此公式，只有按此公式算出的用线直径比，一次侧、二次侧电流密度才相等，用线也最合理。
【例2】某输出变压器一次侧用线为φ0.25mm，n=25:1。 二次侧用线直径为d2=d1*n1/2=0.25×251/2 =1.25mm
3．气隙计算
甲类单端输出变压器中有直流电流通过，为避免铁心磁饱和，将铁心由对插改为顺插，同时留有气隙。该气隙大小至关重要，太小则铁心易磁饱和，太大又使电感量不足。在变压器铁心中决定磁感应强度的因素是磁动势，也叫磁场强度，即H=I〃n，单位为安〃匝(A〃T)，n为匝数，I为电流。在磁动势压力作用下，导磁材料中将产生磁感应强度，因此磁动势H越大则铁心中磁感应强度也越高，大到一定程度，铁心导磁率μ迅速下降，铁心便磁饱和了。这时应加大气隙，控制磁感应强
度。有气隙的变压器，其气隙宽度δ=I〃n〃r，式中r为不同导磁材料的实用系数。从前，在冶金技术落后的情况下r=1.8×10-4(cm/A〃T)。而对于现在常用的质地优良的硅钢片，r=1×10-4(cm/A〃T),气隙宽度与铁心大小无关。
【例3】某甲类单端输出变压器，一次侧线圈n1＝3000T，由300B推动，板流Ia=80mA,求气隙δ。
δ=I〃n〃r=0.08×3000×1×10-4=0.024cm=0.24mm
电感量的测试条件不同时所测得的数据也不相同，一般有以下几种：
1 初始电感
电感表测得的空载电感则为初始电感。这种数据只对无负载的频率校正网络有用，因为其条件与输出变压器工作条件相差甚远，所以用处不大。【胆输出变压器计算】
2 交流电感
在变压器一次侧加载交流电压所测出的数据便为交流电感，但必须附加测试条件，如频率、电压。该办法测得的电感对推挽输出变压器有用，因其测试条件符合推挽输出变压器的实际工况。
3 加载直流工作电流后的电感
适合甲类单端机用的有气隙输出变压器、电源滤波抗流圈。该方法测试手段比较复杂，一般可用测得的交流电感数值的70％左右估作加载直流工作电流后的电感。
IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与仿真。
IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息；提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算软件工具。
IBIS模型优点可以概括为：在I/O非线性方面能够提供准确模型，同时考虑了封装寄生参数与ESD结构；提供比结构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。可用IBIS模型分析信号完整性问题包括：串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。IBIS尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细仿真，它可用于检测最坏情况上升时间条件下信号行为及一些用物理测试无法解决情况；模型可以免费从半导体厂商处获取，用户无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛仿真平台。
IBIS模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表组成。IBIS模型仿真速度比SPICE快很多，而精度只是稍有下降。 非会聚是SPICE模型和仿真器一个问题，而在IBIS仿真中消除了这个问题。实际上，所有EDA供应商现在都支持IBIS模型，并且它们都很简便易用。 大多数器件IBIS模型均可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个不同厂商推出器件。
IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间及输入负载等参数，非常适合做振荡和串扰等高频效应计算与
仿真。【胆输出变压器计算】
IBIS本身只是一种文件格式，它说明在一标准IBIS文件中如何记录一个芯片驱动器和接收器不同参数，但并不说明这些被记录参数如何使用，这些参数需要由使用IBIS模型仿真工具来读取。欲使用IBIS进行实际仿真，需要先完成四件工作：获取有关芯片驱动器和接收器原始信息源；获取一种将原始数据转换为IBIS格式方法；提供用于仿真可被计算机识别布局布线信息；提供一种能够读取IBIS和布局布线格式并能够进行分析计算软件工具。
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IBIS模型优点可以概括为：在I/O非线性方面能够提供准确模型，同时考虑了封装寄生参数与ESD结构；提供比结构化方法更快仿真速度；可用于系统板级或多板信号完整性分析仿真。可用IBIS模型分析信号完整性问题包括：串扰、反射、振荡、上冲、下冲、不匹配阻抗、传输线分析、拓扑结构分析。IBIS尤其能够对高速振荡和串扰进行准确精细仿真，它可用于检测最坏情况上升时间条件下信号行为及一些用物理测试无法解决情况；模型可以免费从半导体厂商处获取，用户无需对模型付额外开销；兼容工业界广泛仿真平台。
IBIS模型核由一个包含电流、电压和时序方面信息列表组成。IBIS模型仿真速度比SPICE快很多，而精度只是稍有下降。 非会聚是SPICE模型和仿真器一个问题，而在IBIS仿真中消除了这个问题。实际上，所有EDA供应商现在都支持IBIS模型，并且它们都很简便易用。 大多数器件IBIS模型均可从互联网上免费获得。可以在同一个板上仿真几个不同厂商推出器件。
IBIS模型是一种基于V/I曲线对I/O BUFFER快速准确建模方法，是反映芯片驱动和接收电气特性一种国际标准，它提供一种标准文件格式来记录如驱动源输出阻抗、上升/下降时间
胆输出变压器计算(三)
业余绕制输出变压器参数和公式计算
一般业余绕制输出变压器不必过多注重理论参数和公式计算，但有三项指标必须重视：1.输出变压器阻抗。2.尽量大的电感量。3尽量小的分布电容。
对于输出变压器阻抗，理论上讲即变压器阻抗必须和功放管内阻一致，这样才能达到该功放管的最大设计功率，但实际制作胆机时，往往为了最佳音质而舍弃最佳功率，因而一般都取变压器阻抗远大于胆管内阻。以805管为例，本人一般设计变压器时都取其胆内阻的3－5倍，因为有如此大的余量，所以只要按原设计者提供的数据绕制，一般都不会有什么问题。
尽量大的电感量和尽量小的分布电容，电感量大则低频好，分布电容小则高频好，但这本身就是一对矛盾，因为要电感量大则分布电容必然也大，要分布电容小则电感量也必然会小，如何解决这一对矛盾，既要电感量大，以保持低频好，又要分布电容小以保持好的高频，这就是我们绕制输出变压器以保证音质的关键所在。如何解决好这一对矛盾呢？下面详细谈谈个人的制作体会，不对之处请大家讨论。
1.为保证有尽量大的电感量，一定要选择大规格的铁芯，只有大规格铁芯才是大电感量的重要保证，市售成品机往往低频下潜不深、缺乏弹性、没有冲击力，速度慢的重要因素都在其为节约成本选用铁芯太小所致，尤其是单端机，因为要流气缝，铁芯规格小了肯定是不行的，本人用于10－20W的小功率单端机的输出牛铁芯决不会小于舌宽35mm，叠厚不得小于65mm，即35×65以上。而大功率单端机的输出牛一般都用舌宽41mm，叠厚75mm，也就是41×75以上，以保证该输出牛有足够的电感量，从而保证低频有很好的下潜，弹性和速度。
2.为保证有尽量小的分布电容：a.各绕组尽量分多层绕制，一般来讲初级绕组不得小于5－7层，次级绕组也必须分5－7层，夹在初级绕组当中，因为这样即有很好的藕合，且各绕组的分布电容呈串联结构，而电容是越串联越小的。b.注意绕制工艺，手法也是减少分布电容的重要措施。第一，绕制时线圈一定要拉紧，越紧越好，这也是高级输出牛只能手工绕制，不能机器绕制的原因所在，但不一定要排列十分整齐，有少量乱层对分布电容相反有好处。第二，线间绝缘层越薄越好，如有绕制经验，有耐心，用绕一层刷一层快干漆更好，但刚开始绕制本人推荐用普通封装纸箱的不干胶胶带，但必须用不透明的那种，透明的反而不好用。每绕一层就用不干胶带封一层，初级与次级间封两层，因其薄膜很薄且有很好的固定作用。第三，次级绕组尽量均匀稀绕，尽量不要象初级那样排的过密，但一定要拉紧。
3.线材选用：因我们选用的铁芯较大，相应的窗口也就较大，对我们选用线材带来了好处，一般初级可选用直径0.31－0.45mm的高强度漆包线，次级选用直径
1.2－1.45mm的高强度漆包线，视铁芯窗口大小而定。用这种规格线材既可以拉紧，又可减小变压器的直流电阻，从而减小了变压器的铜损和铁损，对改善音质非常有利。
4.关于铁芯质量选择：对于一个装机高手来讲，有了一副好铁芯就等于成功了一半。铁芯除规格大小外，还有一个重要参数，就是必须选用0.35片厚的，片厚
0.50的铁芯因有涡流产生只能用作电源变压器，不能用于输出牛，如能找到0.35以下的光面冷轧铁芯则更好，但其含硅量不一定要很高，中等就可以了。
5.关于骨架：一般各种规格的骨架市面都有售，也可自制，但自制较麻烦。
输出牛是胆机的咽喉，其内在品质的优劣直接影响著整机的重放质量。由于输出牛的专业性较强，加之考虑厂家的利益，故很少有刊物作高保真输出牛的介绍。发烧友在评论某某胆机之输出牛时仅以外表或者品牌效应点评，甚至仅以个人听感为依据，缺乏对输出牛的定性的认识（虽然变压器所涉及的技术并不深，但一支高保真输出牛并非人人都能作得好的）。另外各胆机生产厂所生产的输出牛可以说各具特色，各有千秋。对于称得上“Hi-Fi” 级（严格地讲胆机的输出牛无法算Hi-Fi）的输出牛，一个厂家一个“味”，甚至一个批次一种音色。
当然在这“云云众生”众多的胆机中，也不乏有那不够Hi-Fi甚至失真较大，频率响应较窄的输出牛“滥竽充数”。而我们业余发烧友又无“孙悟空”那“火眼金睛”，来识破那些“笨牛”。本来不够Hi-Fi的“牛”，却奉为上品，那可就残了。这里笔者给大家谈一谈胆机的输出牛及其业余测试方法，让大家对“牛”有一个定性的了解和认识，也让输出牛不在那么“牛气”。
一颗理想的Hi-FI输出牛要求其：
1.初级电感（pri-inductor）为无穷大（infinite），以应付很低的低频信号；
2.漏感（leakage）为零，分布电感（distributed inductance）、电容（distributed capacitance）为零，以便高保真的传输现代音乐的超高频信号；
3.不产生各种形式的串联或并联谐振（resonance），以免使音频信号发生畸变（distortion）；
4.不产生任何非线性（nonlinear distortion）或相位延迟失真（phase-delay distortion）。
从变压器的原理上讲，现今无论何种形式的变压器均无法同时满足以上条件的。首先说变压器要用铁心（core）做导磁媒体，其非线性失真一般很大。再有若需诺大的初级电感（pri-inductor），其漏感（leakage）、分布电感、电容亦随之加大。满足了第1项，就要损失第2项，互为矛盾。且较大的初级电感又可使相位失真加大，动态范围（dynamic renge）减小。
看到这里发烧友可能要问，照你的“牛”（谬）论，胆机就不能算Hi-Fi音响了？你是不是一个“恨胆狂”，然也，相反我是却个胆机迷，且快至如醉如痴之地步。常言道“爱之深，则之切”。本人对胆机并非盲目的崇拜，而是从其优点中找出可以改进的不足，无法改进的不足之处，才认为是“残缺的美”。一只宽频响（freguency response）的输出牛，要求在满足高频的情况下，尽量增加初级电感，以使频响曲线向低端延伸。亦或在满足低频的情况下，尽量减小分
布电容（distributed capacitance）及漏感（leakage inductance）以使高频更靓。但两者总是互为矛盾，故频响不可能很宽。现今的输出牛大多采用高质量的铁心，特殊的线材及复杂的绕制工艺，已使频响宽度达到10Hz~20KHz±1.5dB（有的甚至更宽）。根据现代“音乐频谱曲线”看，已能满足各种音乐信号的传输了。
不过荣幸的是，由于输出牛不可能传输更高的高频信号（即便能传输过去，相位也已延迟了很多，加之人耳的掩蔽效应也就不能感觉到），可将一些高频干扰如CD、DVD等数位音源本身固有的数位干扰“拒之门外”。这就是用有输出牛的功放（胆机或石机），重播CD、VCD、DVD音乐要比石机“好听”许多（显得不那么刺耳）。故有些名厂的石机也采用“牛”做输出如McIntosh（麦景图）。有些中低档胆机之输出牛，干脆就只照顾低频，高频到那里一概不管。此类胆机虽有充实的低频但高频暗淡，久听会感觉“闷”得难受（如今发烧友的耳朵已修炼的挑剔的很）。现今的音箱好象在暗中为胆机弥补这“高频不足”，把音箱的高频做的较靓，甚至用高灵敏的号角单元，那种“不足”也就不显得那么突出了. 一支宽频响的Hi-Fi输出牛，其电感漏感（leakage inductance）比（LL）很大（即较大的电感（inductor），极小的漏感）。故通常用电感漏感比（LL）来衡量一个输出牛的优劣。下面我给大家谈谈对输出牛具体的要求： 初级电感（pri- inductor）L L=K·（Ra-r1）/2πfmin
其中：Ra是放大器的最佳负载阻抗（optimum plate load），r1是输出牛的初级直流电阻。K是一个系数，当要求频响曲线不均匀度为-3dB，或允许初级阻抗变化30%时，K=1；当要求-1dB或允许阻抗变化10%时，K=2；要求-0.5dB或允许阻抗变化5%时，K=3；fmin：所要求之最低频率。
初级漏感（pri-leakage inductance）Ls
Ls=K·Ra- r1/2πfmax
其中：fmax系所要求之最高频率，当允许初级阻抗变化30%时，K=0.8；允许变化10%时，K=0.5。
输出牛直流电阻
单端（single-ended）输出牛，初级电阻r1=0.5·Ra（1-η）；次级电阻r2= r1（N2/N1）
推挽（push-pull）输出牛
初级电阻r1=0.414·Ra-a（1-η）
次级电阻r2=0.586·Ra-a（1-η）（N2/N1）
其中：Ra系单端放大器（single-ended）最佳负载阻抗（optimum plate load）；Ra-a系推挽放大器（push-pull）最佳负载阻抗；η为变压器的效率（efficiency），一般取0.75~0.9，功率越小η取值越低。
输出牛直流电阻不宜过大，否则将影响瞬态（transient）、解析力及动态范围（dynamic range）。【胆输出变压器计算】
由于变压器中存在电抗（reactance）成分，其感抗（inductive reactance）随频率的变化而变化，使得其输入阻抗（input impedance）亦随之变化，一般中频段呈一定值不变。而低频段，随频率的降低而急速下降，高频段又随频率的上升而升高。当阻抗偏离放大器的最佳负载阻抗（optimum plate load）较多时，放大器将产生严重的波形失真，且输出功率亦下降。故一般要求变压器的输入阻抗（input impedance）变化<30%。
另外，由于变压器本身存在有分布电感（distributed inductance）及分布电容（distributed capacitance），其相互作用将产生串联或并联谐振（resonance）。发生谐振时，其输入阻抗（input impedance）趋向于零或无穷大（infinite）。且无论是串联或并联谐振，其输出电压都
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