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Cómo un transformador de salida causa distorsión

En dos partes - Parte 2
Audio, March, 1957, Vol. 41, No. 3 (Successor to RADIO, Est. 1917)
(Audio, marzo de 1957, vol. 41, No. 3 (Sucesor de RADIO, Est. 1917))

Norman H. Crowhurst

El funcionamiento de los transformadores de audio ha estado rodeado durante mucho tiempo de un aura de misterio. Este artículo distingue las diferentes formas de distorsión que puede producir un transformador de salida y proporciona algunos métodos de medición sencillos.

   Como esta distorsión debida a la carga reactiva es bastante similar a las variedades que causa un transformador a altas frecuencias, consideraremos ambos juntos. (A) en la Fig. 8 muestra el circuito práctico de un transformador de salida, mientras que (B), Fig. 8 muestra la carga que se ve en los tubos de salida.


Fig. 8. Circuito práctico y equivalente de transformador de salida para respuesta de alta frecuencia: (A) circuito real: (B) carga de placa equivalente para tubos de salida.

   La derivación directa de placa a placa es la capacitancia primaria del transformador. La resistencia de carga aumenta con la relación N2 pero, debido al flujo de fuga que se produce entre los devanados primario y secundario, existe una inductancia efectiva entre esta carga y los tubos, que se muestra en el circuito equivalente de (B), Fig 8 como inductancia de fuga.

   La capacitancia del devanado tiene las mismas propiedades que cualquier otra capacitancia en un circuito. Una inductancia de fuga es exactamente similar a cualquier inductancia con núcleo de aire: no puede introducir distorsión por sí misma.

   Sin embargo, si la inductancia de fuga es la reactancia dominante en el extremo de alta frecuencia, entonces la resistencia de carga, referida al primario, se verá como una resistencia con una inductancia en serie. Si los tubos de salida causan distorsión con reactancia en serie agregada a la resistencia de carga, entonces este tipo de transformador parecerá causar distorsión.

En otros amplificadores, la distorsión puede aparecer más rápidamente cuando se agrega una reactancia en paralelo con la resistencia de carga. En este caso, un transformador, en el que la    capacitancia del devanado es la reactancia dominante en el extremo de alta frecuencia, mostrará distorsión más rápidamente.

   Estos hechos se pueden apreciar más fácilmente al observar el efecto sobre la línea de carga resultante de las reactancias aplicadas en serie y en paralelo con la carga de resistencia. Los tipos de elipse producidos se muestran en las figuras 9 y 10. Cuando estos tipos de digresión elíptica se aplican a las características del tubo, la distorsión puede aparecer más rápidamente cuando la elipse se aparta de la línea recta en un lado que en el otro.


Fig. 9. Una sucesión de líneas de carga elípticas que representan valores de reactancia progresivamente mayores en serie con un valor constante de resistencia, representado por la línea recta. Las líneas paralelas inclinadas en la parte superior e inferior representan las características ideales del tubo para los extremos de la excursión de voltaje de la red.


Fig. 10. Una sucesión de líneas de carga elípticas que representan una reactancia en derivación con un valor constante de resistencia.

   Las dos formas en que las reactancias de (B), Fig.8, pueden hacer que la línea de carga se abra en una elipse se ilustran contra las características del tubo compuesto en la Fig.11. La inductancia de fuga en serie causa una caída de voltaje adicional a la de carga y aumenta la oscilación efectiva del voltaje de la placa mientras se reduce la corriente. La capacitancia de derivación toma corriente adicional de los tubos de salida y tiende a reducir la oscilación del voltaje de la placa. La elipse resultante depende de cuál de estos dos efectos es mayor. Como veremos ahora, el transformador puede presentar uno de dos tipos de respuesta de impedancia a los tubos de salida. Desde el punto de vista de la posible distorsión de alta frecuencia, esta es la diferencia más importante entre diferentes transformadores de salida que puede parecer que dan la misma respuesta de frecuencia.

Cómo la reactancia causa distorsión

   En la Fig. 11, las líneas casi paralelas no son un intento dibujado descuidadamente; representan curvas compuestas típicas para un par de tubos de tipo pentodo o tetrodo que operan en contrafase. En la práctica, estas líneas no serían rectas, sino ligeramente curvas. Para facilitar el dibujo, se han mostrado líneas rectas, pero el ángulo de las líneas es representativo de los tubos típicos. La línea media, que pasa por el punto de operación, está en la pendiente más baja, mientras que las líneas extremas, que representan voltaje de red cero en tubos alternos, tienen las pendientes más pronunciadas. Este hecho es generalmente cierto, ya sea que se utilicen pentodos o triodos; es un poco más prominente con los tubos de tipo tetrodo o pentodo que con los triodos, pero la tendencia es la misma.


Fig. 11. Líneas de carga sobre características compuestas relevantes para diferentes posibilidades en la respuesta de alta frecuencia: la línea recta a través de las características representa el valor de carga resistiva en frecuencias medias.

   Las puntas de flecha marcadas en las dos letras muestran la forma en que el punto de operación se desplaza alrededor de la elipse en el curso de un ciclo. Observe que, para la capacitancia en derivación, el espacio entre las intersecciones en las líneas de voltaje de la red consecutivas es más amplio al salir de cero que al regresar, mientras que para la inductancia en serie es más estrecho al salir de cero que al regresar. Esto introduce una forma de distorsión ilustrada en la pantalla de forma de onda normal en la Fig.12.


Fig. 12. Posibles formas de onda de salida, correspondientes a las variedades de línea de carga mostradas en la Fig. 11: (A) para el componente de inductancia en serie; (B) para resistencia pura (la única curva que es una onda sinusoidal); (C) para componente de capacitancia en derivación. Las partes punteadas ilustran el efecto adicional cuando comienza el recorte.

   En la curva A, la pendiente desde cada pico hasta la línea cero es más pronunciada que la pendiente desde la línea cero hasta el siguiente pico. La curva B es una onda sinusoidal que representa la salida con la línea de carga resistiva, mientras que la curva C muestra la condición inversa a la de la curva A, la pendiente ascendente de cero al pico es más pronunciada que el retorno del pico a cero.

   Si la oscilación del voltaje de la red aumenta un poco más que la que se muestra en la Fig. 11, se produce un recorte en ambos extremos de la línea de carga. Las secciones de puntos en la Fig. 12 muestran cómo se muestra el recorte en cada una de las formas de onda de salida.

   Volviendo ahora al caso de la inductancia primaria en derivación que causa distorsión. Esto producirá una elipse en una posición similar a la que se muestra para la capacitancia en derivación en la Fig.11, porque atraerá más corriente de placa para una oscilación de voltaje más baja que la línea de carga de resistencia, pero la dirección de rotación se invertirá porque es la tipo opuesto de reactancia. Esto significa que el tipo de forma de onda será similar a la producida por la inductancia en serie, como se muestra en A en la Fig.12. Si se produce un recorte debido a este efecto de derivación (tal vez con la ayuda de la retroalimentación), el aplanamiento también estará en una posición similar. al que se muestra en la curva A.

   Toda la discusión anterior se basa en formas simétricas de distorsiones. Algunos tipos de distorsión, especialmente en las frecuencias altas, ocurren debido a la carga asimétrica del transformador de salida. Si la inductancia de fuga y la capacitancia del devanado no se distribuyen uniformemente entre las dos mitades del primario, cada una puede tener su propio patrón de frecuencias resonantes. Esto dará lugar a diferencias de fase en los circuitos de las dos placas (distintos de los 180 grados normales). Y estas diferencias, especialmente en (a) circuitos de salida de pentodo y (b) con retroalimentación general, pueden producir las formas más erráticas de distorsión de forma de onda asimétrica. En cierto sentido, el transformador de salida es responsable de este tipo de distorsión, pero no se debe a la no linealidad en el sentido aceptado. Todas las reactancias del transformador que lo provocan son elementos de circuito lineal.

Identificar la distorsión

   Las curvas mostradas en la Fig. 7 y la Fig. 12 muestran cómo las formas de onda se apartan de la sinusoidal cuando hay una cantidad relativamente grande de distorsión. Sería difícil determinar la causa de la distorsión a partir de la forma de onda cuando es considerablemente inferior al 5%. Por tanto, necesitamos un método de observación más preciso. En algunos casos, la distorsión sería superior al 5 por ciento sin la retroalimentación general aplicada. En estos casos, el método de prueba que se acaba de describir es de gran ayuda, porque muestra la cantidad original de distorsión incluso con la retroalimentación conectada.

   Este método muy simple emplea trazos de bucle en el osciloscopio, usando la configuración que se muestra en la Fig. 13. Si se aplica retroalimentación total, la forma de onda en la placa puede ser prácticamente sinusoidal pero, para lograr esto, la forma de onda en la cuadrícula puede necesitar alejarse considerablemente de una verdadera onda sinusoidal. Sin embargo, ambas formas de onda, observadas por separado, pueden estar tan cerca de una onda sinusoidal que es difícil determinar qué tipo de distorsión está ocurriendo, pero al usar el método de observación de seguimiento de bucle, las dos formas de onda se comparan y el tipo de distorsión es mucho mayor. más fácilmente identificado.


Fig. 13. Método de aplicación de osciloscopio al circuito amplificador para verificar el rendimiento del transformador de salida a frecuencias altas y bajas. Antes de aplicar este método, se debe verificar la simetría de las formas de onda tanto en las rejillas como en las placas.

   Antes de aplicar este método es recomendable hacer que el amplificador esté equilibrado para ver que la forma de onda en ambas rejillas es idéntica y también en ambas placas. Una diferencia entre las formas de onda de cada lado indica que hay una falta de equilibrio adecuado en algún lugar del amplificador, lo que debe tenerse en cuenta antes de seguir investigando. Este procedimiento se ha descrito adecuadamente en otra parte, por lo que asumiremos que el amplificador está funcionando en condiciones de buen equilibrio.

   La Figura 14 muestra los tipos de trazas que se obtendrán con cada una de las variedades de distorsión que hemos discutido, excepto la asimétrica, que puede causar tal variedad de formas que ninguna traza puede considerarse representativa. Estos son algo exagerados, por lo que las diferencias de forma se pueden ver claramente. La observación de un rastro de alcance, incluso cuando la distorsión es pequeña, identificará rápidamente cuál de estas variedades (o una combinación de dos o más) está ocurriendo.


Fig. 14. Tipo de traza asociada con diferentes fuentes de distorsión: (A) debido a la forma de onda de corriente de megnetización solamente; (B) debido a la corriente de magnetización cuando es altamente inductiva, produciendo un cambio de fase considerable; (C) debido a la curvatura del tubo y cualquier tipo de componente de reactancia; (D) debido al recorte causado por componentes reactivos: la línea continua representa el voltaje de la rejilla horizontal, el voltaje de la placa vertical; la línea discontinua es una elipse verdadera, para comparar; la línea de puntos y rayas representa la forma en la que se toma la forma de onda de entrada desde un punto antes de que se produzca el recorte.

   En la Fig. 14, (A) es el tipo de traza producida por la saturación en lugar de la carga de reactancia. La razón de esta forma se verá con referencia a (B) de la Fig. 7, donde los voltajes de entrada y terminal están prácticamente en fase pero este último tiene una distorsión considerable.

   (B) muestra el tipo de traza producida por la relación representada en (A) en la Fig. 7 donde el efecto principal se debe a la reactancia inductiva. La corriente de magnetización se acerca a los 90 grados. retraso de fase detrás del voltaje terminal. En (A) de la Fig. 7 la corriente es sinusoidal y la onda de voltaje está distorsionada. Si se usa retroalimentación general para "corregir" la forma de onda de entrada de modo que la forma de onda de voltaje de salida sea casi sinusoidal, la secuencia de relaciones será similar, por lo que el punto viajará alrededor de una traza similar pero su velocidad transversal variará. De cualquier manera, se muestra un bucle similar a (B) en la Fig. 14.

   (C) muestra el tipo de traza producida por la elipse reactiva en las características de empujar y tirar. Si la elipse se aparta de su forma real mediante un enderezamiento a lo largo de cuadrantes alternos y una flexión a lo largo de los demás como se muestra aquí, la causa de la distorsión es la carga reactiva en los tubos de salida.

   (D) muestra lo que hace el recorte a la carga de reactancia. Si la desviación horizontal se toma del circuito de la red, como se muestra en la Fig. 13, la excursión se verá limitada abruptamente por la corriente de la red, produciendo el extremo "cortado" que se muestra en línea continua. La línea discontinua muestra la verdadera forma elíptica en ausencia de recorte. Si la deflexión horizontal se toma desde algún punto anterior en el amplificador, el recorte de la cuadrícula no se mostrará en la horizontal, pero su resultado en la forma de onda de salida producirá una distorsión representada por la curva de puntos y rayas en (D) Fig.14.

Característica de impedancia

   Al hacer un barrido con el generador de audio sobre estas frecuencias más altas, podemos ver qué tipo de respuesta de línea de carga produce el transformador para los tubos de salida. En la Fig. 15 se ilustra una variedad, que representa la pantalla presentada en frecuencias sucesivamente más altas: comenzando en una frecuencia mifd donde la carga es resistiva; primero, la inductancia de fuga aumenta el voltaje de salida produciendo una elipse con una pendiente ligeramente aumentada, que se muestra en (B); continuando a frecuencias más altas, la reactancia capacitiva comienza a surtir efecto: se alcanza un punto donde los dos componentes reactivos producen una línea de carga dinámicamente resistiva, como en (C); debido a que la resistencia efectiva es ahora más alta que el valor original, la pendiente del trazo de la línea será más pronunciada que en (A).


Fig. 15. Secuencias de patrones a frecuencias progresivamente más altas cuando resuenan las reactancias inductiva y capacitiva: (A) frecuencia media - totalmente resistiva; (B) la inductancia en serie tiene un efecto predominante; (C) ambos se combinan para producir una impedancia dinámica resistiva mayor que (A); (D) y (E) formas sucesivas cuando la reactancia capacitiva toma el control.

   No confunda pendiente con longitud. Si el amplificador tiene una respuesta de frecuencia no uniforme, la longitud de la línea o el tamaño de la traza pueden aumentar o disminuir, pero la pendiente indica la magnitud relativa solo sobre la etapa de salida.

   En (D) un aumento adicional en la frecuencia cambia la reactancia al lado capacitivo y la amplitud de salida disminuye con respecto a la amplitud de entrada; finalmente, en (E), la reactancia capacitiva está bien encaminada hacia una caída de alta frecuencia.

   El tipo alternativo de característica de impedancia de carga que un transformador puede presentar a la etapa de salida tiene la reactancia capacitiva predominando en todo el camino. Esto sucede porque la inductancia de fuga se hace tan baja que la resistencia de carga está estrechamente acoplada al primario, y la capacitancia promaria produce una caída considerable antes de que la inductancia de fuga tenga un efecto apreciable.

   En este caso, los patrones intermedios representados por (B), (C) y (D) de la Fig.15 no aparecerán, pero la transición será directamente desde la línea recta de A en la Fig.15 a una elipse en la dirección indicado en (E).

Conclusiones

   Sobre la base de los hechos, el prejuicio prevaleciente contra los transformadores de salida parecería infundado. Esto no significa que debamos dar la vuelta y colocar transformadores de audio en otros lugares del circuito en lugar de tubos una vez más. Tal vez los transformadores entre etapas murieron un poco prematuramente debido a los prejuicios, pero la llegada de la retroalimentación general habría firmado su sentencia de muerte de todos modos. El hecho es que los tubos siguen siendo la principal causa de distorsión.

   Este artículo se ha concentrado en dar una idea clara de cómo realizar mediciones sobre el rendimiento de un transformador con el objetivo particular de determinar la causa de la distorsión. A veces, dos transformadores pueden ser igualmente buenos básicamente, pero no funcionarán igualmente bien en el mismo circuito amplificador sin ciertas modificaciones de circuito. Lo que necesitamos saber es cómo realizar los cambios para que el transformador de reemplazo pueda producir los mejores resultados. En un artículo adicional, entraremos en la cuestión de cómo realizar mediciones en diferentes transformadores que operan en amplificadores y cómo determinar los cambios necesarios para producir las mejores condiciones de operación.

(Parte 1)

El contenido del artículo para entusiastas del tubo de electrones fue proporcionado por Grzegorz 'gsmok' Makarewicz.