输出变压器如何导致失真
分两部分 - 第 1 部分
Audio, February, 1957, Vol. 41, No. 2 (Successor to RADIO, Est. 1917).
（音频，1957 年 2 月，第 41 卷，第 2 期（RADIO 的后继者，1917 年估计））。
Norman H. Crowhurst
音频变压器的操作长期以来一直笼罩着神秘的光环。 本文区分了输出变压器可能产生的不同形式的失真，并给出了一些简单的测量方法。
长期以来，音频变压器的使用一直被贬低，因为它们会导致失真。事实上，输出变压器似乎几乎是该物种的唯一幸存者，并且已经进行了许多尝试，甚至没有这样做。一些放大器被设计为免除输出变压器，显然认为输出变压器是失真的主要剩余原因。
仔细分析通常会表明电子管会引入比输出变压器更多的失真，并且使用传统输出变压器的精心设计的放大器可以实现比不使用输出变压器时低得多的失真。
一些关于变压器的简单事实似乎被忽视了：当电子管曲率导致失真时，它会使所有频率失真；但变压器励磁电流的非线性引起的失真主要集中在低频端。最差的变压器不会使中频失真，它在较低和较高频率下失真的方式是我们将在本文中澄清的事情之一。
但是，肯定有人会说，变压器会导致中频失真吗？ “我记得更换了一个变压器，更换后不会像原来那样在不失真的情况下提供如此大的功率。”这不是证明变压器在中频失真吗？要了解这种体验的原因，让我们考虑变压器效率对放大器性能的影响。
效率的重要性
放大器的额定输出功率由输出管的性能决定。 然而，输出功率总是在输出变压器的次级侧测量，如图 1 所示。
图 1. 测量输出功率的常用方法包括计算连接到输出变压器次级的负载电阻器中消耗的瓦特数。 虽然这是可用的功率输出，但输出管实际上比这多一点。
一个好的输出变压器大概有 95% 的效率。 这意味着，如果放大器提供 50 瓦的输出（在变压器的次级侧测量），则必须有将近 53 瓦的输出从输出管传送到初级侧。 输出管必须提供近 53 瓦的输出，我们才能测量出良好的 50 瓦。
这有点难以通过实际测量来验证。 最简单的步骤是移除次级电阻负载并在初级上施加板对板负载，如图 2 所示。如果次级负载为 16 欧姆，而变压器将其重新设为 6000 欧姆 板对板电阻，然后一个 6000 欧姆的电阻器，至少 50 瓦的耗散，应该跨初级连接。 功率现在由输出管直接传送到负载，无需通过输出变压器，现在可以在 6000 欧姆电阻中测量。
图 2. 在输出变压器的初级上连接一个合适的负载电阻来测量功率避免了输出变压器中的一些损耗，但管子仍然必须提供磁芯损耗。
但是输出变压器中的所有损耗并没有通过将负载从次级转移到初级而消除。变压器铁芯损耗仍然存在。如果在变压器损失的 3 瓦特中，1 瓦特是由于磁芯损耗造成的，2 瓦特是由于绕组电阻的损耗造成的，那么我们将只测量连接到初级的负载中的 52 瓦特，因为奇数 1 瓦特仍然是迷失在核心。
本讨论基于效率为 95% 的变压器。具有 95% 效率和 20 至 20,000 cps 的非常好的频率响应的 50 瓦输出变压器将相当大且昂贵。 5% 的功率损耗仅为 0.2 db，所以有人会争辩说，我们可以接受效率为 90% 的变压器，这仍然代表小于 0.5 db 的损耗，以便在频率响应方面获得更好的质量，以更合理的规模和成本。因此，在某些方面，第二个变压器可以被视为比第一个质量更好的工作，但是。 . .
假设我们已经将 90% 效率的变压器替换为最初使用 95% 变压器的放大器：这些电子管仍然能够提供相同的输出——略低于 53 瓦，其中 95%高效变压器将在次级提供 50 瓦的功率；但是使用 90% 的高效变压器，相同的电子管在次级侧只能提供略高于 47 瓦的功率。
乍一看，这似乎不是一个很严重的损失。如果您在次级上以 47 瓦进行测量，您可能会正确评估其真实值。但不幸的是，当输出功率达到 50 瓦时，当它们被推到更高的水平时，它们很快就会失真。失真特性类似于图 3 所示的特性：从 95% 的高效变压器提供 50 瓦功率所需的 53 瓦特失真可能仅为 0.5%；但要获得 90% 高效变压器所需的近 56 瓦功率，失真可能会上升到 2.5%，甚至更多。因此，如果仅在次级上测量的 50 瓦级进行测量，则很容易得出这样的印象：与第一个输出变压器相比，第二个输出变压器显着增加了失真。
图 3. 放大器的典型失真特性，根据电子管提供的功率绘制，以说明使用不同效率的变压器如何可以相当大地改变额定最大输出时的失真，因为电子管还必须为变压器供电 损失。
不幸的是，许多人非常重视在额定失真限制内获得规定的瓦数的全部值。 如果输出功率为 0.5% 失真时为 50 瓦，那么如果放大器在 0.5% 失真下仅提供 48 瓦功率，并且在输出为 2% 或 3% 失真时，则该放大器被认为严重不足。 推到 50 瓦。 这种观点对变压器质量的评估可能严重不利，因为变压器的唯一缺陷是效率稍低：它引入了 0.5 db 的损耗，甚至可能更少，而不是原来的 0.2 db。
低频失真
在响应的低频端，由于磁芯饱和，输出变压器会导致失真，从而导致非线性磁化电流。 这在某一时刻总是正确的。 但是近年来，随着现代磁性材料和一些操作管的方法，该声明需要修改，我们将看到。 首先让我们看看我们如何测量变压器本身的低频波形，得到什么样的结果。
变压器波形
在图 4 中，(A) 显示了通过示波器模式测量简单变压器中磁化电流的布置。电阻器 R 的选择应使其电压降是变压器绕组两端电压降的一小部分，因此绕组电压也接近于正弦曲线。由于全线电压可能不足以在输出变压器的初级中产生饱和，因此应使用次级绕组进行测试，使初级工作电路并注意不要太靠近开路端，这会产生一个令人望而却步的交流电电压。
务必注意 Variac 连接到线路的哪一侧，并且还要注意示波器的接地侧不会返回到线路接地，因为在这些测量中，示波器接地返回到浮点电阻 R 和变压器绕组的一侧之间。因此，请注意避免有多个接地点，并避免示波器外壳和其他接地机箱之间发生金属对金属的接触。
图 4. 产生示波器迹线的电路布置：(A) 图 5 中 (A) 的迹线布置； (B) 用于设置 90 度的连接。 相移，通过调整得到图5中（B）的圆； (C) 与 90 度一起使用的连接。 相移以在图 5 中的 (C) 处给出迟滞回线； (D) 带有切换功能的电路，可以快速显示每个显示。
当磁芯开始进入饱和状态时，图 4 (A) 的排列给出的迹线类型如图 5 中的 (A) 所示。施加到垂直板的电压近似为正弦曲线，而水平电压遵循正弦曲线 磁化电流波形，在图 5 中的 (D) 处与传统时基分开显示。
图 5. 与磁芯分析相关的迹线： (A) 磁化电流水平与电压垂直，使用接近正弦的电压波形； (B) 检查 90 度的圆形图案。 电压显示中的相移； (C) 通过 90 度获得的磁滞回线。 在垂直板上移位； (D) 正常时基显示的波形，对应于 (A) 和 (C) 的模式。 磁通量用虚线表示，因为它不能直接显示。
稍加修改，电路就可以显示变压器铁芯的众所周知的磁滞回线。必要的变化如图 4 中的 (B) 和 (C) 所示。当使用正弦电压时，磁芯中的磁通量也是正弦的，但位移 90 度。从它感应的电压。因此，通过引入 90 度。垂直偏转中的相移，我们可以产生一个磁滞回线。
首先，我们必须设置 90 度。相移。为此，添加图 4 中 (B) 所示的组件，并调整 0.25 兆欧可变电阻器和示波器增益控制以获得图 5 的圆形轨迹。然后无需更改 0.25-梅格。电阻，将电路改为图 4 中 C 的排列，此时将显示图 5 中 (C) 所示的磁滞回线。
此设置将给出 60 cps 的滞后回线，并且可以通过上下转动自耦变压器来观察其在不同级别的行为。然而，为了安排设置以便该过程可以在不同频率下重复，可以包括图 1 中 (D) 的开关布置，它提供了在 (A)、(B) 和 (C) 中显示的连接) 快速连续地显示在图 4 中。然后，Variac 应由高功率放大器馈电，该放大器可在所需频率下提供必要的电压而不会产生波形失真。
如果将示波器切换回常规时基，即断开水平输入，然后显示垂直时基，则可以得到图 5 中（D）所示的波形（磁通波形除外，因为有不是测量这个的方法）。尽管可以显示这些波形，但没有简单的方法来识别相对相位。这是在 (A)、(B) 和 (C) 处使用图 5 中所示的循环显示类型的优点。
电子管电路中的变压器
所有这些显示都至少使用近似正弦电压波形。 失真的发生是因为电压偏离了真正的正弦波。 发生这种情况是因为失真的电流波形是从产生电压降的源电阻中提取的。 在图 4 的布置中，我们使用自耦变压器和电阻器 R 的低值通过避免这种电压降来保持近似正弦电压。 但在实际放大器电路中，输出管的板电阻不允许这种情况。
五极管输出电路
五极管实际上是一个“电流”源，因此摆动到另一个极端片刻，我们可以假设电流是正弦的，如图 6 中的 (A) 所示。在这种情况下，磁通量将由下式确定 磁滞回线和电压反过来又由通量在任何时刻变化的速率产生。 产生的波形如图7（A）所示。电流和电压当然可以显示在示波器上，但我们只能推断出磁通量。
图 6. 显示图 7 中显示的量： (A) 从五极管或高电阻源馈电，电流为正弦； (B) 具有较低的源电阻，电压或电流都不是正弦曲线。
图 7. 不同实际电路中的波形： (A) 使用五极管或高阻源，电流为正弦； (B) 具有较低的源电阻，这些波形是典型的。
这些波形大致适用于没有反馈的五极管输出级。 当使用反馈时，电压波形会在整个放大器上反馈，以“校正”电流波形，然后电流波形不再是正弦波。
三极管输出电路
图 6 中的 (B) 显示了我们如何模拟三极管放大器的条件。 输入电压为正弦波，可视为板上的开路电压。 该输入电压是施加到电网的电压乘以管的放大系数。 源电阻对应于管板电阻，并且由于该源电阻的下降，由于变压器绕组吸收的电流，端电压将与输出电压不同，如图 7 中的 (B) 所示。
请注意，与图 7 中 (A) 处的电压和电流之间的相位关系相比，端电压更接近于与输入电压同相。
从这个简短的讨论中可以明显看出，变压器的励磁电流和端电压不可能都是正弦的。 在实践中，它们在形状上都偏离了真正的正弦波，并且会产生一定量的失真。
另一种低频失真
但是，如果励磁电流在变压器绕组中的总电流中所占的比例相对较小，则失真的比例可能非常小。这些曲线是在变压器空载时显示的，因此励磁电流是绕组中的唯一电流。如果变压器由正常负载电阻端接，波形可能与纯正弦波无法区分，并且只能通过分析仪检测失真。
磁化电流总是与有效初级电感有关，而变压器在低频下失真的方式取决于初级电感和磁化电流之间的精确关系。两个数字案例将说明这种区别。
首先，假设励磁电流是负载电流的 10%。这意味着初级电感引起的电抗将是初级负载电阻的十倍。这将导致小于 0.05 db 的衰减。但如果该励磁电流达到饱和状态，则励磁电流波形如图 7（B）所示，包含 20% 的谐波，该励磁电流为总负载电流的 1/10，可产生 1/ 10th 这个输出波形中的失真量，或 2%。
低频下可能发生的第二种失真根本不是由磁化电流的波形直接引起的。变压器可以在饱和极限内良好运行，但电感仅代表电抗，比方说，是负载电阻的两倍。这将导致该频率下大约 1 db 的损耗，并且还会导致电子管特性上的负载线打开成椭圆形。在这种情况下，出现的失真将是由于椭圆负载线而不是变压器磁化电流的非线性造成的。
这种情况的另一种变化发生在具有大量反馈的放大器中。这会产生低有效源电阻，因此磁化电流的失真分量不会明显地使电压失真。阻尼因数为 30，磁化电流为负载电流的 25%，包含 30% 的谐波，只会在输出中造成 0.25% 的失真。但是 25% 的无功磁化电流可能会导致电子管夹断，从而产生比这更大的失真。
（将缔结）
（第2部分）
电子管爱好者文章内容由 Grzegorz 'gsmok' Makarewicz 提供。