Impedanstilpasning av rørforsterkere til høyttalere.
Dette er en svært forenklet tilnærming til emnet, kun for å gi en grunnleggende forståelse om hvordan det fungerer.
En høyttaler har vanligvis en impedans på 4 – 8 ohm, og en forsterker med rør i utgangen krever normalt en belastning på flere k. ohm (med unntak av OTL forsterkere). For at dette skal fungere trenger vi en utgangstransformator slik at vi får tilpasset høyttaleren til den impedansen som røret krever. (Eller omvendt, for den saks skyld.)
En transformator har egentlig ikke en impedans i seg selv ( vel, ikke i denne sammenhengen i hver fall), den reflekterer impedansene (eller resistansene) som er tilknyttet den ene siden over til den andre siden. Som regel er vi mest interessert i den impedansen som blir reflektert fra sekundærsiden (høyttaleren) over til primærsiden (rørets anodelast), men reflektert impedans andre veien kan også være interessant, den er et mål på utgangsimpedansen til forsterkeren, og dermed dempingsfaktoren, noe som jo ikke er helt uten interesse.
I første omgang går jeg ut fra at transformatoren er ideell, dvs, uten tap eller kapasitans. Beregningene vil uansett bli nøyaktige nok for å forklare hvordan det virker.
Hvis vi anser denne trafoen for å være ideell, kan vi bruke følgende uttrykk:
V1/N1 = V2/N2
Ved å gå ut fra at sekundær effekt er lik primær effekt kan vi skrive følgende:
n = N1/N2 = √(R1/R2)
Hvor:
N1 = Antallet tørn på primærsiden
N2 = Antallet tørn på primærsiden
R2 = Lastimpedansen på sekundærsiden(høyttaleren)
R1 = Virkningen av R2 reflektert over til sekundærsiden (anode last)
n = Transformatorens omsetningsforhold
La meg ta et eksempel for å vise dette:
(Eksemplet er tatt fra en gammel lærebok i rørteknikk)
Vi skal bruke en effektpentode som utgangsrør i en «Single Ended» forsterker.
Anode spenningen er 250V, Signalet på gitteret er 5 v, lastimpedansen til røret skal være 5.2 Kohm.
Den tilgjengelige transformatoren har et omsetningsforhold N1/N2 = 36. Vi ser på transformatoren som ideell, i alle fall foreløpig.
Med den valgte transformatoren må vi da ha en høyttalerimpedans på:
N1/N2 = √(R1/R2)
Hvor R2 er høyttalerens impedans, R1 (Rl) er optimal lastimpedans, vi løser ligningen for R2:
R2= R1/(N1/N2) ²=5200/(36) ² =5200/1296 = 4.02 ohm
Omsetningsforholdet til transformatoren er gitt av antallet viklinger på primær og sekundærsiden og det bestemmer hvilken impedans som blir reflektert over til primærsiden når vi kobler til f.eks. en høyttaler på sekundærsiden, men ofte gir fabrikantene oss primær og sekundær impedansene, her 5200 til 4 ohm, vi kan da beregne transformatorens omsetningsforhold som: √(5200/4) =36, denne utregningen er for 4 ohms høyttaler, hva hvis vi skal bruke en 8 ohms høyttaler med den samme transformatoren?
Omsetningsforholdet vil være det samme, 36, men transformatoren vil gi en annen lastimpedans til røret:
√(R1/R2) =36 => √(R1/8) =36
Vi løser for R1 (anode last):
R1 = (n) ² x R2 => (36) ² x 8 = 10368 ohm vil bli den reflekterte impedansen til røret hvis vi bruker en 8 ohms høyttaler.
Det er selvfølgelig en dobbelt så høy lastimpedans, og tilpasningen til røret er ikke optimal, noe som vil gi oss tap av effekt og sannsynligvis mer forvrenging.
La oss nå ta en titt på hva som skjer hvis vi ikke regner transformatoren som ideell, vi skal regne med:
Primærsidens likestrøms resistans:
Når vi har signalspenning vil røret se DC resistansen til primærsiden i serie med den reflekterte impedansen fra lasten. Jeg skal ta et eksempel:
Dc resistansen til spolen er 300 ohm (Rpri); uten signal vil derfor røret se en 300 ohms resistans. Det er denne motstanden vi må bruke hvis vi skal tegne inn DC lastlinjen i kurvene. Så snart vi har et AC signal vil denne motstanden være i serie med den reflekterte impedansen, hvis vi bruker samme transformator som i forrige eksempel (4 ohms last) vil derfor den totale impedansen røret ser bli: 300 + 5200 ohm = 5500 0hm. Forskjellen ved å ta med primærsidens resistans (motstand) i utregningen utgjør altså i dette tilfellet en forskjell på mindre enn 10%, med tanke på toleransene til selve røret kan man bruke den forenklede beregningen. Men det er ikke alt, la oss også se på:
Effekt tap og anodelast med en transformator som ikke er ideell:
Sekundærsiden har selvfølgelig også en likestrøms motstand (DC resistans) og hvis vi skal finne effekttapet i transformatoren må vi vite denne resistansen. Den skal også være med i en mer nøyaktig beregning av rørets belastningsimpedans. DC resistansen vil også bli reflektert over til primærsiden, DC resistansen til sekundærsiden er vanligvis liten, i størrelsesorden 0.2 – 0.5 ohm, men vil som sagt bli reflektert over til primærsiden via transformatorens omsetningsforhold og får dermed en annen verdi. Jeg skal vise et eksempel på dette:
Rpri er primær DC resistans
Rsec sekundærsidens DC resistans
Rpri= 300 ohm (Ja det er ganske høyt)
Rsec= 0.2 ohm
Den sekundære DC resistansen reflektert over til primærsiden blir:
n ² x Rsec => 36 ² x 0.2 = 259 ohm
Den totale belastningen røret ser på grunn av resistansene på begge sidene blir da: (husk at uten signal ser ikke røret resistansen på sekundærsiden, så dette gjelder kun belastning når røret har signal)
Rtot= Rpri + (n ² x Rsec) = > 300 + (36 ² x 0.2) = 559 Ohm. Dette er viktig hvis vi skal regne ut effekt tapet i transformatoren.
Tap på primærsiden av utgangstransformatoren (Inkludert reflektert verdi Rsec):
(Rtot/Rtot+R1) x 100%= (559/559+5200) x 100 = 9.7 % (Det er ikke en særlig bra transformator, men greit som eksempel)
Tapet i selve jernkjernen er typisk på ca: 5% så denne transformatoren gir et totalt tap på 14.7 %, noe som gir en effektivitetsfaktor (power efficiency) på ca: 85%. En god transformator bør minimum ligge på mellom 90 og 95%.
Anodelast med en ikke ideell transformator:
For og regne ut anodelasten med en ikke ideell transformator må vi inkludere alle resistans verdiene ovenfor og R2 fra figur 1:
Den forenklede utregningen ga oss:
R1 = (n)² x R2 => (36)² x 4 = 5200
Samme beregningen med en ikke ideell transformator blir:
R1 = Rpri + (n² x Rsec) + (n² x R2) => 300 + (36² + 0.2) + (36² x 4) = 5743.2 ohm
Resistansene i viklingene gjør altså en viss forskjell, men avviket er fortsatt mindre enn 15% i forhold til den forenklede utregningen (og dette er en dårlig transformator, med en transformator av rimelig god kvalitet vil det være mindre enn 10%).
Etter min mening er fortsatt den forenklede beregningen god nok på grunn rørenes toleranser, og da spesielt ved bruk av nyproduserte rør hvor toleransene ser ut til å være større enn i NOS rør.
Det er andre viktige parametere og ta hensyn til ved valg av utgangstransformator, blant annet primærsidens selvinduktans og kapasitet mellom viklingene, men det får vente til en annen artikkel.
Teksten ovenfor er primært skrevet for et «SE» trinn, men prinsippene gjelder selvfølgelig også for «Push-Pull», husk bare at primærviklingen da er delt inn i to halvdeler, som er viklet i hver sin retning. Hver av disse viklingene har 0,5 x N1 viklinger og tapsresistansen er 0,5 x Rpri. For en «PP» utgangstrafo angis primærimpedansen som anode til anode.
Utregningene ovenfor kan brukes for ethvert transformatorkoblet trinn, impedansene og resistansverdiene vil selvfølgelig være noe annerledes for en «interstage» transformator, men prinsippene er de samme.
Kommentarer
Impedanstilpasning av rørforsterkere til høyttalere. — Ingen kommentarer
HTML tags allowed in your comment: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>