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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Tecnología de fabricación de unidades de bobinado caseras. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Amplificadores de potencia de tubo Consideraciones generales y recomendaciones No es casualidad que en este libro se preste especial atención a la tecnología de fabricación de transformadores. La práctica de crear una gran cantidad de frecuencias ultrasónicas de tubo y analizar su trabajo mostró que son los transformadores la principal fuente de distorsiones no lineales y de frecuencia y esencialmente limitan tanto el ancho de banda del amplificador como el valor mínimo alcanzable del coeficiente de distorsión no lineal. Para entender exactamente cómo se expresa esta influencia, tendremos que tocar un poco la teoría. Recordemos la principal condición para la transmisión de energía eléctrica sin pérdidas (más precisamente, con las mínimas pérdidas posibles). Consiste en que las resistencias internas de la fuente y del consumidor deben ser iguales. Si en este caso estamos hablando de la transferencia de energía no en una frecuencia determinada, sino en una determinada banda de frecuencias, entonces es obvio que esta igualdad debe cumplirse para cualquier frecuencia dentro de la banda especificada. Tomemos una etapa terminal convencional de un solo extremo en un triodo de tubo con una salida de transformador, cargada con una carga activa R. El diagrama esquemático de dicha etapa se muestra en la fig. 50. También se proporciona allí un circuito equivalente (sin tener en cuenta la influencia de la fuente de alimentación), donde la lámpara se presenta en forma de generador con una resistencia interna reducida r Aquí y más adelante consideraremos un modelo extremadamente simplificado y analizar un circuito equivalente elemental. Supondremos que la resistencia interna de la lámpara se recalcula en cierto modo en la resistencia interna del generador r y que, en primera aproximación, la relación de transformación del transformador n = 1. Es obvio que la condición para el óptimo transferencia de energía será la igualdad r = R. Considere las proporciones que el autor ha usado durante muchos años para crear varias frecuencias ultrasónicas. La premisa inicial para la derivación de las fórmulas básicas es la siguiente: mejor lámpara terminal de carga, que proporciona la salida máxima sin distorsiones, es la carga Ra, igual al doble de la resistencia interna de la lámpara: Ra=2Ri, donde Ri es la resistencia interna de la lámpara (para corriente alterna). En presencia de un transformador de salida y trabajo en una carga activa Ra=(n^2)*Ra, donde n es la relación de transformación del transformador de salida. En este caso, la condición óptima de transmisión se ve así: Ra'=(n^2)*Ra=2Ri. De aquí obtenemos la fórmula para determinar la relación de transformación óptima: n=raíz cuadrada((2Ri)/Ra). Para facilitar la búsqueda de la relación de transformación deseada en la Fig. se da un gráfico según el cual este coeficiente se determina casi instantáneamente. El valor de Ri es un pasaporte de referencia. Para las lámparas recomendadas en el libro, estos datos están disponibles en la Tabla. 1. Para otras lámparas, si este parámetro no está en el directorio, se puede determinar (en kiloohmios) mediante otros dos parámetros de pasaporte: Ri=u/S donde u es la ganancia de la lámpara; S es la inclinación de sus características, mA/V. Si r >> R, lo que sucede casi siempre, dado que la carga de cualquier convertidor de frecuencia ultrasónico es un sistema acústico cuyos altavoces tienen una resistencia del orden de unidades de ohmios, entonces la situación se puede corregir fácilmente seleccionando la relación de transformación requerida de el transformador de salida. En realidad, esta es una de las dos tareas que resuelve el transformador: separar la componente variable útil de la señal de la componente constante innecesaria y hacer coincidir la baja resistencia activa de la carga con la relativamente alta resistencia interna de la lámpara.
Al calcular un transformador de salida real, no habría problemas si el transformador funcionara solo a una frecuencia (no importa cuál) y se usara en un circuito de un solo ciclo. En la práctica, tenemos todo lo contrario: casi todas las frecuencias ultrasónicas modernas se realizan con etapas finales push-pull y operan en un rango de frecuencia muy amplio de 20 Hz ... 20 kHz. La relación de frecuencia de corte es de 1:1000, lo que crea condiciones de operación mutuamente excluyentes fundamentalmente diferentes, ya veces contradictorias, para el transformador. Como resultado, los requisitos que se le imponen también cambian. ¿Cuál es la esencia de estas contradicciones? Para una cierta frecuencia promedio del rango operativo (por ejemplo, 1000 Hz), la resistencia inductiva del devanado primario del transformador es mucho mayor que su resistencia activa (óhmica), que está determinada únicamente por la longitud y el diámetro del cable del devanado. . Por ejemplo, para un transformador "promedio" típico de un receptor de radio de tubo industrial, la inductancia del devanado primario está en el rango de 10 ... 15 H, y la resistencia activa es de 500 ... 800 ohmios. A una frecuencia de 1000 Hz, la resistencia inductiva de dicho devanado xl es de 62 kOhm y, por lo tanto, la resistencia activa del devanado (500 ... 800 Ohm), conectada en serie con su resistencia inductiva, simplemente puede despreciarse: la las pérdidas en él son alrededor del 1%. Sin embargo, en la frecuencia más baja extrema del rango operativo (e incluso para los mejores y más caros modelos de receptores de radio, no cayó por debajo de 60 ... señal.
Si quisiéramos usar un transformador de este tipo en un amplificador moderno, donde el límite inferior del rango operativo es de 20 Hz, entonces a esta frecuencia la pérdida de señal ya alcanzaría el 70%, es decir una señal con una frecuencia de 20 Hz no podría reproducirse en absoluto. Entonces, ¿qué se debe hacer para resolver este problema? La respuesta es obvia: es necesario aumentar la inductancia del devanado primario y al mismo tiempo reducir su resistencia activa. Es posible aumentar la inductancia aumentando el número de vueltas del devanado y reduciendo las pérdidas en el circuito magnético del transformador. Pero con un aumento en el número de vueltas, la resistencia activa del devanado también aumenta y necesitamos que disminuya. Solo hay una forma de reducir la resistencia del devanado con un aumento en el número de sus vueltas: aumentando la sección transversal (diámetro) del cable del devanado, pero luego se requerirá más espacio para colocar el devanado en el marco, y esto supondrá un aumento de las dimensiones totales del transformador. ¿Qué valores reales de la inductancia del devanado primario y su resistencia activa puede considerarse aceptable para UHF moderno con un límite de ancho de banda inferior de 20 Hz? Si establecemos el valor máximo permitido de pérdida de señal en la frecuencia más baja del rango del 10%, los cálculos darán L \u40d 500 H a r \uXNUMXd XNUMX Ohm XL \u2d 6,28 pfL \u20d 40 x 5 x 0,5 \u0,1d XNUMX kOhm; r = XNUMX kOhm; r = XNUMXXL. El cálculo constructivo de un transformador "teórico" de este tipo, teniendo en cuenta el hecho de que para un circuito push-pull debe haber dos devanados primarios, y no uno, da un valor de 1500 ... 2500 vueltas de cable PEL o PEV con un diámetro (¡para cobre!) 0,44 ... 0,51 mm para el devanado primario y 50 ... 150 vueltas de alambre con un diámetro de 0,8 ... 1,2 mm para el secundario. Para que estos devanados se coloquen en el marco, el tamaño de su ventana debe ser de aproximadamente 20x50 mm, lo que lleva a la necesidad de utilizar un transformador con una sección transversal del circuito magnético de al menos 10 ... 12 cm con un amplificador potencia de salida de solo 10 ... 15 W. Para amplificadores con una potencia de salida de 40 W, la sección transversal aumenta en consecuencia a 15 ... 18 cm. A modo de comparación, recordamos que dicho paquete de hierro (sección 30x63 mm) tenía ... ¡un transformador de potencia del televisor Rubin-102 con una potencia de 150 W! Este es el precio actual para el extremo inferior real del ancho de banda del amplificador de 20 Hz. Ahora hablemos del precio de otro indicador: la falta de identidad de estas dos mitades del devanado primario, enrolladas por el método tradicional, invariablemente utilizado en la producción industrial, una encima de la otra. Echemos un vistazo más de cerca a la sección del marco de la bobina del transformador de salida, que se muestra en la Fig. 52. Al principio, la mitad del devanado primario se enrolló en el marco, luego siguieron una o varias capas de aislamiento, y luego se enrolló la segunda mitad del devanado (para simplificar la imagen, no tendremos en cuenta el presencia del devanado secundario). Al mismo tiempo, es bastante obvio que la longitud de la primera vuelta (en la base del marco) fue significativamente menor que la longitud de la última vuelta de la segunda mitad del devanado. Sin embargo, la palabra "significativamente" en este caso es inaceptable: nos interesa el aspecto cuantitativo de la cuestión. Para empezar, para no cargar al lector con cálculos engorrosos, pasemos a los cálculos aritmético-geométricos más simples. En la figura se puede ver que la longitud de la primera vuelta (interior) es 4+3+4+3=14 cm, y la última (exterior) - 7+8+7+8=30 cm. no nos interesan las longitudes de las dos vueltas extremas, sino las longitudes comparativas de las vueltas del medio en la primera y segunda mitad del devanado, ya que son directamente proporcionales a los valores de las resistencias activas de estas dos mitades. De la misma figura se puede ver que serán l1 = 4+5+4+5 = 18 cm e I2 = 6+7+6+7 = = 26 cm Como todo el devanado está enrollado con el mismo alambre, la relación de las resistencias activas de las dos mitades será la misma, es decir con una resistencia total de 500 ohmios, la mitad inferior tendrá una resistencia de r1 = 200 ohmios y la mitad superior tendrá una resistencia de r2 = 300 ohmios.
Una vez más, haremos una reserva de que este cálculo es bastante aproximado, pero incluso conduce al siguiente resultado: si dos triodos con una corriente de ánodo de 100 mA cada uno se usan en la etapa final a una tensión de fuente de 120 V (por ejemplo, lámparas 6S19P), entonces como resultado caída de tensión en la resistencia activa constante de los devanados U1=Ia*r1=0,1x200=20B; U2=Iar2=0,lx300=30B 120 - 20 \u100d XNUMX V permanecerán en el ánodo de la primera lámpara, y en el ánodosegundo -120-30 = 90 V. Por lo tanto, con el método clásico de enrollar el transformador y la igualdad absoluta del número de vueltas de las dos mitades del devanado primario, los voltajes en los ánodos de las dos lámparas terminales diferirán en un 10%, lo que, por supuesto, será excluir la posibilidad de obtener distorsiones no lineales dentro del 1%. Este es el precio de la tecnología de bobinado "clásica" del transformador de salida. A esto hay que añadir que las inductancias de ambas mitades del devanado no serán iguales, ya que la fórmula de la inductancia de una bobina cilíndrica multicapa incluye los diámetros de las espiras inferior y superior, y resultarán diferentes. para las dos mitades del devanado. Pero para¿Por qué consideramos todos estos problemas con tanto detalle, en lugar de solo brindar datos específicos de diseño y devanado de los transformadores? Con el único fin: en primer lugar, de que el radioaficionado comprenda que los requisitos de diseño de transformadores a los que se enfrentará en el futuro no son en modo alguno injustificados ni excesivos, y, en segundo lugar, para que en la fabricación de transformadores sigue constantemente nuestras instrucciones y recomendaciones. Pasemos al lado práctico de las cosas. Comencemos eligiendo el tipo de núcleo magnético para los transformadores de salida. Desde el punto de vista de la calidad de la operación del transformador, la forma de su circuito magnético de hierro no es significativa, pero desde el punto de vista de la conveniencia del devanado, es mejor usar circuitos magnéticos tipo varilla dividida con cinta en forma de O. En este caso, en cada una de las dos varillas se colocan dos marcos absolutamente idénticos con dos devanados absolutamente idénticos, lo que en principio elimina la diferencia en los datos eléctricos de estos devanados. El bobinado de cada una de las dos bobinas en este caso no requiere ninguna acción especial y se realiza en una bobinadora convencional con un "carrier" (apilador de bobinas) y un contador para el número exacto de vueltas, lo que permite llevar a cabo densos devanados ordinarios capa por capa "bobina a bobina". Es inaceptable enrollar bobinas a granel. Sobre la mitad del devanado primario en cada una de las dos bobinas, la mitad de las vueltas del devanado secundario se enrollan de la misma manera, y después de ensamblar el transformador, ambas mitades de los devanados primario y secundario se conectan en serie. Tal transformador es ideal en términos de la identidad completa de las partes simétricas de sus devanados y tiene campos de dispersión externos insignificantes. Puede hacer un buen transformador de salida yennúcleo magnético blindado laminado a partir de placas individuales en forma de W, sin embargo, su fabricación es más laboriosa y requiere operaciones adicionales. La primera dificultad está relacionada con el propio circuito magnético. En primer lugar, debe tenerse en cuenta que las placas con un grosor de 0,5 mm no son adecuadas para nuestros propósitos. El espesor máximo permitido es de 0,35 mm, y si el hierro es de 0,2 mm, mejor. Una vez que haya ensamblado un paquete del grosor requerido, debe agregarle al menos un 10% de placas de reserva adicionales (y puentes) en reserva. Todas las placas y puentes deben recubrirse por ambos lados con una pistola rociadora con cualquier pintura nitro o zaponlak líquido, y luego secarse completamente (al aire, al sol o en el horno). Esta medida es necesaria para minimizar las pérdidas en el núcleo magnético debidas a las corrientes de Foucault. Después de eso, se debe examinar cada placa y puente para detectar la ausencia de rebabas y muescas que, durante el ensamblaje del paquete, pueden romper (rayar) la capa protectora de barniz o pintura. Los defectos detectados se pueden eliminar con una lima de aguja, una esmeril fina o un cuchillo. Es incluso mejor reemplazar las placas defectuosas entre las de reserva. El siguiente problema es el marco particionado. Lo más probable es que ninguno de los industriales te convenga, especialmente si es inseparable. Pero antes de comenzar a hacer el marco usted mismo, debe detenerse en una de las tres opciones de enrollado que se muestran en la fig. 53. La opción "a" supone la presencia de un marco, dividido exactamente por la mitad por una mejilla interna adicional para toda la altura de la ventana. En este caso, la mitad del devanado primario se enrolla en cada sección, encima de la cual, después de varias capas de aislamiento (papel para cables o tela barnizada), se colocan exactamente la mitad de las vueltas del devanado secundario en cada sección. Las secciones de los devanados primario y secundario (por supuesto, separados) están conectadas en serie.
En la opción "b", la mejilla central está hecha de una altura más pequeña, al ras con las mitades del devanado primario. Después de su enrollado, se colocan dos o tres capas de aislamiento de papel de cable sobre todo el ancho del marco, y desde arriba, también sobre todo el ancho del marco, se enrolla todo el devanado secundario sin romperse. Y finalmente, la opción c prevé la descomposición del marco en tres secciones idénticas. En las dos secciones extremas se enrollan las mitades del devanado primario, y en la sección central, todo el devanado secundario. Desde un punto de vista eléctrico, las tres opciones son equivalentes, por lo que el diseñador puede elegir cualquiera de ellas. Las placas del núcleo magnético se ensamblan de extremo a extremo, sin espacio, ya que no hay polarización de CC en los circuitos push-pull. Es deseable someter el transformador ensamblado a un tratamiento a prueba de humedad, que es bastante simple de implementar en el hogar. Para ello, en una lata de conservas o cualquier otro utensilio similar (cacerola, bol), dentro de la cual pueda caber total o parcialmente el transformador de salida, es necesario fundir y calentar la cera, parafina, estearina o Pozo industrial de cerina. El transformador se introduce en la jarra y se mantiene allí durante 2...3 minutos, calentando continuamente la masa fundida. Después del enfriamiento completo (a temperatura ambiente), las gotas congeladas, si interfieren con la fijación del transformador, se pueden quitar con cuidado con una espátula de madera o plástico (¡pero no con un cuchillo de acero!). Si es posible, es recomendable colocar el transformador terminado en una carcasa-pantalla de metal sólido antes de la instalación en el chasis. Esto debe hacerse para excluir el efecto de sus campos eléctricos y magnéticos. en lámparas, cableado impreso expuesto, operadores y cables de conexión, y así evitar la aparición de retroalimentaciones parásitas incontroladas. A continuación, daremos los datos de diseño de los circuitos magnéticos y los datos eléctricos de los devanados para todos los amplificadores descritos en el libro, así como los datos de devanado de los transformadores de potencia y bobinas de filtro recomendados. Sin embargo, advertimos de inmediato que la repetición exacta de los datos proporcionados con una precisión de una vuelta y el uso de los diámetros de alambre de bobinado recomendados no siempre es óptimo y, en algunos casos, puede llevar al hecho de que todos los bobinados no funcionarán. encajar en el marco de la ventana. El hecho es que los paquetes de circuitos magnéticos utilizados por los radioaficionados pueden variar mucho, a veces varias veces, entre sí en la calidad del acero del transformador, lo que conduce a diferentes inductancias con absolutamente el mismo número de vueltas de bobina y, en consecuencia, a un modo no óptimo de las lámparas terminales en términos de potencia de salida no distorsionada. El factor de llenado de la ventana con bobinados también depende de muchos datos: del tipo de hilos de bobinado utilizados (PE, PEL, PEV-1, PEV-2, etc.), que tengan el mismo diámetro de cobre (por ejemplo, 0,2 mm) exterior real diámetros de 0,215 a 0,235 mm; sobre el tipo y espesor del aislamiento entre capas y bobinados (cigarrillo, capacitor, papel para cables, tela barnizada, papel estucado, papel de dibujo); sobre el número de capas de dicho aislamiento; sobre la densidad del bobinado y el grado de tensión del cable; sobre la integridad del llenado de cada capa de bobinado con vueltas y una serie de otros factores. Algunos consejos importantes: 1. Elija núcleos magnéticos hechos de grados de acero para transformadores de alta calidad. 2. Al enrollar el devanado, haga dos o tres golpes al principio o al final en incrementos del 5% del número total de vueltas. Esto hace posible, si es necesario, seleccionar el número de vueltas más óptimo. 3. Enrolle los devanados solo de manera ordinaria, colocando firmemente una vuelta a otra desde la mejilla hasta la mejilla del marco, sin dejar espacios vacíos en los bordes. 4. Asegúrese de hacer una almohadilla aislante de papel delgado (de cigarrillos o condensador) después de cada capa de bobinado para que las vueltas de la siguiente fila no caigan cerca de las mejillas del marco en las capas inferiores. 5. Evite el uso de alambres de bobinado con un diámetro mayor que el indicado en la descripción. De lo contrario, es posible que los devanados no encajen en la ventana del marco y será necesario rebobinar el transformador. Tenga en cuenta que el uso de un cable de diámetro ligeramente más pequeño no afectará notablemente los parámetros del amplificador, pero garantizará que todos los devanados encajen en la ventana del marco. Literatura 1. Frecuencias ultrasónicas de tubo de alta calidad. Autor: tolik777 (también conocido como Viper); Publicación: cxem.net
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