Transformer for Audio Amplifier Applications: A Practical Selection Guide

Um amplificador valvulado de terminação única de 25 W que zumbe a 100 Hz e diminui abaixo de 70 Hz geralmente tem uma placa de circuito saudável. O problema normalmente está no magnetismo: o transformador de potência irradia um campo disperso no estágio de entrada e o transformador de saída fica sem indutância primária antes que as notas graves cheguem. Ambas as peças são encomendadas sob o mesmo item de linha, mas são especificadas de maneiras completamente diferentes, e a peça mais barata geralmente é aquela que força um redesenho.

Aqui está a resposta curta. Para aplicações de amplificador de áudio, especifique o transformador de potência por classificação VA, tensão secundária em plena carga, regulação, aumento de temperatura e classe de isolamento. Especifique o transformador de saída por impedância primária, tratamento de polarização CC, material do núcleo e indutância de vazamento. Todo o resto, desde a espessura da laminação até o envasamento e a blindagem, é um refinamento desses itens.

Duas funções de transformador que são frequentemente confundidas

Um amplificador pode conter ambos os dispositivos e eles não são intercambiáveis.

O transformador de potência converte a fonte de alimentação no trilho de alta tensão, normalmente 250 a 500 V DC após a retificação, mais enrolamentos de filamento de 5 V ou 6,3 V. Ele funciona a 50 ou 60 Hz e é dimensionado por volt-amperes, elevação térmica e classe de isolamento, e também fornece o isolamento galvânico que mantém o chassi seguro ao toque.
O transformador de saída acopla o circuito anódico de um estágio de saída valvulado a um alto-falante de 4, 8 ou 16 ohms. Ele converte um sinal de alta tensão e baixa corrente em um sinal de baixa tensão e alta corrente e bloqueia a corrente anódica CC da bobina de voz.

Projetos de estado sólido geralmente precisam apenas do primeiro dispositivo, mas os transformadores ainda aparecem em linhas distribuídas de 70 V e 100 V e em isolamento de linha. Em todos os casos, a lógica de especificação é a mesma: primeiro combine o serviço elétrico e depois controle o comportamento térmico e magnético.

Especificando o transformador de potência

Classificação e tensão

Some a potência CC de alta tensão e a potência CA do filamento e, em seguida, adicione 20 a 30 por cento de espaço livre. Um transformador que funciona continuamente em sua classificação nominal irá ceder e funcionar quente.
Indique as tensões secundárias em plena carga e não em vazio. Unidades EI pequenas normalmente regulam de 10 a 15 por cento, portanto, um enrolamento sem carga de 300 V pode fornecer 265 V quando o amplificador consome corrente.

Limites térmicos e de segurança

As classes de isolamento A (105 graus C), B (130 graus C) e F (155 graus C) definem a temperatura máxima do ponto quente. Uma unidade classe B com elevação de 60 K se comporta de maneira muito diferente em um gabinete selado e ao ar livre.
A rigidez dielétrica é verificada com um teste de hipot, normalmente 1.500 a 3.750 V CA entre primário e secundário, dependendo do padrão de segurança aplicado. Para aparelhos do tipo áudio, rádio e televisão, UL 1411 e IEC/EN 61558 são as referências habituais.
Os núcleos toroidais consomem uma alta corrente de irrupção, portanto, permita um fusível de ação lenta ou um dispositivo limitador de irrupção no projeto.
Um transformador projetado para 60 Hz não deve ser usado em 50 Hz no mesmo VA sem risco de saturação, porque o fluxo no núcleo aumenta cerca de 20%. Reduza a carga ou especifique o núcleo maior desde o início.

Correspondência de impedância no estágio de saída

A relação de impedância é igual ao quadrado da relação de espiras. Um transformador de 5 kohm a 8 ohm tem, portanto, uma relação de impedância de 625:1 e uma relação de espiras de 25:1. A impedância primária escolhida altera a saída de potência e a distorção: 3,5 kohm geralmente fornece mais watts com mais distorção de segundo harmônico, enquanto 8 kohm funciona de forma mais limpa, porém mais baixa. Verifique o valor em relação à folha de dados do tubo e à curva real de impedância do alto-falante, que diminui e atinge o pico bem longe de seu valor nominal.

Ponta única versus push-pull

Um estágio de terminação única transporta corrente anódica CC através do primário, o que direciona o núcleo em direção à saturação. O núcleo deve estar com folga, e a folga diminui a permeabilidade efetiva, de modo que a pilha deve ser maior para atingir a mesma indutância primária. Os enrolamentos push-pull transportam correntes CC opostas; quando as duas metades estão equilibradas, o fluxo líquido é próximo de zero, portanto, nenhuma lacuna é necessária e a intercalação pode ser usada para uma largura de banda mais ampla.

Um alvo prático é 20 Hz a 20 kHz dentro de 1 dB em potência moderada, com extensão de baixa frequência definida pela indutância primária e pela impedância da fonte do tubo de saída.

Formato principal e estilo de enrolamento comparados

Comparações típicas para transformadores amplificadores de áudio; a escolha certa depende do circuito, não apenas do nome do núcleo.
Atributo	EI laminado	Toroidal	Núcleo C
Uso típico	Serviço de potência e saída, uso geral	Transformadores de potência em chassi compacto	Saída de alta qualidade e serviço de energia
Campo magnético disperso	Superior, precisa de distância ou proteção	Contenção de campo baixa e apertada	Moderado, inferior ao EI
Extensão de baixa frequência	Bom com uma pilha grande o suficiente	Bom, mas difícil de separar	Bom, a lacuna é prática
Manipulação de polarização DC	Espaço de ar cortado na pilha, adequado para extremidade única	Difícil, precisa de lacunas ou núcleo especial	Lacuna colocada na junta C
Comportamento de alta frequência	A intercalação reduz a indutância de vazamento	Baixo vazamento, maior capacitância	Baixo vazamento com intercalação
Zumbido mecânico	Pode zumbir se as laminações se soltarem	Silencioso quando envasado, ruído de pico na partida	Moderado, melhora quando pinçado

Limites de zumbido, ruído e largura de banda

O zumbido mecânico vem da magnetostrição e do afrouxamento das laminações. A impregnação de verniz a vácuo e os toróides encapsulados reduzem-no, e a montagem do transformador em ângulo reto com a fiação de entrada reduz o acoplamento indutivo em estágios sensíveis.
Uma blindagem eletrostática, normalmente uma única folha de cobre aterrada entre o primário e o secundário, reduz o acoplamento de ruído de modo comum.
A resposta de baixa frequência é definida pela indutância primária e pela impedância de acionamento. O roll-off de alta frequência é definido pela indutância de vazamento e pela capacitância do enrolamento. A intercalação reduz a indutância de vazamento, mas mais camadas adicionam capacitância, portanto, esta é uma compensação e não uma melhoria gratuita.
Um transformador de isolamento de 1:1 ou 600:600 ohm interrompe um loop de terra sem cortar o caminho do sinal e converte uma linha não balanceada em uma linha balanceada ao mesmo tempo.

Crie qualidade e pontos de teste que prevejam falhas em campo

A maioria das falhas de transformadores que chegam ao cliente são falhas de processo e não de projeto, e aparecem em um pequeno número de locais.

Tensão do enrolamento e isolamento da camada. O enrolamento CNC com tensão consistente evita o deslizamento da camada e reduz a variação de unidade para unidade na indutância de vazamento.
Creepage e liberação. A fita de margem e a capa decidem se a peça ainda passa no teste de hipot após meses de ciclagem térmica, e não apenas na primeira amostra.
Impregnação de verniz a vácuo, que fixa os enrolamentos, bloqueia a entrada de umidade e reduz o zumbido audível.
Testes de rotina em cada unidade: relação de espiras, indutância primária, equilíbrio de resistência CC, polaridade, resistência de isolamento e rigidez dielétrica, em vez de verificações apenas com amostras.

Nossa oficina fabrica transformadores eletrônicos desde 2010, tendo os tipos EI como linha principal, além de projetos toroidais, tipo C, médicos, de áudio, de alta tensão, controle industrial e alta frequência. O material vem de fornecedores aprovados sob um sistema ISO 9001, e cada transformador é inspecionado e testado antes do envio. Você pode ler mais sobre processo do projeto até a entrega por trás desses transformadores se você quiser revisar o fluxo antes de fazer um pedido.

Comprando: Enrolamentos Personalizados ou Estoque Padrão

Os transformadores prontos para uso raramente correspondem a uma tensão de trilho específica, altura do chassi e padrão de segurança ao mesmo tempo, portanto, o enrolamento personalizado é o caminho normal para construtores de amplificadores.

O que colocar na folha de especificações

Tensão e frequência primárias, incluindo o alcance que você realmente espera na tomada.
Cada secundário: tensão em plena carga, corrente e se alimenta um retificador com entrada de capacitor.
VA total, temperatura ambiente, classe de isolamento e tensão de teste dielétrico.
Estilo de montagem, tipo de bobina, comprimento do cabo e altura máxima acima da PCB.
Norma de segurança aplicável e marcações exigidas.

Acorde as tolerâncias antes de usar ferramentas

Indutância primária dentro de 10 por cento, relação de espiras dentro de 2 por cento e equilíbrio de resistência DC entre metades push-pull dentro de 5 por cento.
Tensão e duração do teste Hipot, além do requisito de amostragem ou teste de 100 por cento.
Aprovação da amostra de inicialização em seu próprio amplificador antes da produção em massa, porque as medições de bancada em uma carga estática não revelam como um núcleo com folga se comporta perto do corte.

Bobinas personalizadas, suportes e preparação de chumbo carregam ferramentas, portanto o MOQ e o prazo de entrega devem ser confirmados junto com a especificação elétrica. Se sua necessidade for uma variante de um projeto existente, você poderá enviar o requisito do transformador personalizado diretamente, o que geralmente encurta consideravelmente o estágio da amostra.

Perguntas frequentes

Um transformador toroidal é sempre melhor para áudio?

Os toroides têm menor campo disperso e menor indutância de vazamento, o que ajuda as fontes de alimentação e o desempenho do zumbido. Para tarefas de saída, os formatos EI e C-core permanecem mais fáceis de separar, funcionam mais frios em designs push-pull e são mais simples de intercalar para um alvo de largura de banda específico.

Por que meu transformador de saída satura ou vibra?

As causas comuns são enrolamentos push-pull desequilibrados, corrente CC em um núcleo que nunca foi interrompido ou uma pilha de laminação que perdeu compressão. Verifique o equilíbrio da resistência DC entre as metades e confirme se o núcleo foi projetado para a corrente permanente.

Um transformador de 60 Hz pode funcionar com rede elétrica de 50 Hz?

Somente com desclassificação. O fluxo aumenta cerca de 20% quando a frequência cai, de modo que o núcleo se aproxima da saturação: espere mais corrente magnetizante, mais calor e possível zumbido audível. Especifique um design de 50 Hz ou reduza a carga.

Os amplificadores de estado sólido precisam de transformadores?

Normalmente não na saída. Eles ainda precisam de um transformador de energia da rede elétrica, e o acoplamento do transformador ainda é usado em linhas distribuídas de 70 V e 100 V e no isolamento e balanceamento em nível de linha.

Trate ambos os dispositivos como compras separadas com folhas de especificações separadas. Fixar o transformador de potência por VA, tensão secundária carregada, regulação e classe de isolamento; fixe o transformador de saída por impedância primária, tratamento de polarização CC e indutância de vazamento. Em seguida, confirme as tolerâncias, os critérios hipot e a aprovação da amostra por escrito. Essa sequência remove a maior parte do zumbido, da saturação precoce e da curta vida útil que aparecem posteriormente na bancada de testes, e mantém uma segunda iteração do projeto fora do orçamento do projeto.