Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током при воспроизведении усилителем сигнала 25

[AudioKiller]

Существует мнение, что если усилитель воспроизводит синусоидальный сигнал частотой 25 Гц (половина частоты питающей сети), то при этом сердечник трансформатора подмагничивается постоянным током. Общение на радиолюбительских форумах показало, что все сводится (я немного упрощаю) к двум позициям:
1. Постоянка присутствует исключительно в схеме выпрямителя со средней точкой:

Если же у трансформатора две вторички, каждая из которых имеет свой выпрямитель:

то никакого подмагничивания не случится.

2. Применять тороидальные трансформаторы опасно, т.к. из-за отсутствия зазора в сердечнике подмагничивание сказывается на них очень сильно. Поэтому мощность трансформатора надо выбирать раза в два больше, чем нужно.

Я встретился с подмагничиванием в статье Константина Никитина «Электропитание аудиоаппаратуры: мифы и реальность», опубликованной в журнале «Аудио Магазин» №1 за 1998 год. Меня эта информация тогда сильно не зацепила – уж очень маловероятно, что в реальном музыкальном сигнале встретилась составляющая точь-в-точь частотой 25 Гц с большой амплитудой и длительностью.
Однако недавно я заинтересовался этим вопросом и довольно быстро выяснил, что у всех этих мнений единственный первоисточник – вышеупомянутая статья. Других публикаций на эту тему я не нашел. Я проанализировал работу трансформатора в таком режиме (теоретически и экспериментально), но несколько сомневался в своих результатах. Поэтому я связался с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича по электронной почте. И получил полное одобрение следующих «пяти положений о подмагничивании»:

1. При усилении синусоидального сигнала частотой 25 Гц возникает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, вызывающим насыщение сердечника. Физическая причина подмагничивания при работе выпрямительно-трансформаторной схемы на усилитель проста: усилитель потребляет не постоянный ток, а сигнал с частотой, равной удвоенной частоте усиления. Следовательно, вполне возможны ситуации, когда условия работы трансформатора от периода к периоду сетевой частоты будут существенно разниться. Так как в штатной ситуации трансформатор подводится к насыщению исключительно током холостого хода (рабочие токи обмоток создают равные и противоположные потоки), то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

2. Такое подмагничивание характерно для усилителей, выходной каскад которых работает в классе В или АВ и отсутствует у усилителей, выходной каскад которых работает в классе А.

3. На практике частота сигнала не обязательно должна быть именно 25 Гц – трансформатору для насыщения хватает и не нулевой (но достаточно малой) частоты подмагничивания.

4. Подмагничивание происходит как в схеме выпрямителя со средней точкой и одним общим диодным мостом, так и в схеме с отдельными обмотками трансформатора и отдельными мостами в каждом плече. С точки зрения подмагничивания схемы не эквивалентны, но оно есть везде.

5. В силу того, что в реальном звуковом сигнале составляющие «критических» частот имеют малую амплитуду и продолжительность, указанная опасность невелика, но вот на спецсигналах может быть спровоцирована ситуация, когда всё будет плохо.
Теперь по поводу тороидальных трансформаторов. Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию, поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Как и величина сопротивления обмоток. Отсутствие зазора в сердечнике ситуацию ухудшает, но не так сильно, как обычно считают – в броневых и стержневых трансформаторах зазор достаточно мал, и в реальности разница между таким маленьким зазором и его полным отсутствием малозаметна.
Гораздо лучшие результаты дает снижение рабочей индукции трансформатора, правда это тоже не выход.
Но на самом деле со всем этим можно не заморачиваться – на реальном сигнале если подмагничивание и произойдет, то несильно и кратковременно, так что ничего плохого не случится. Так же, как и кратковременное наличие частоты 25 Гц при тестировании колонок свип-синусом.

Подробнее см. Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током

[AudioKiller]

Дык понятно, что индукция растет от постоянки. И не зависит от сопротивления обмотки, если это уже какой-то ток (а не напряжение). Но вот насколько эта дополнительная индукция мешает жить трансу - вот вопрос. Если транс с пониженной индукцией - это одно дело, если близок к насыщению - другое. Но вот так прямо взять и сказать: "ток 200 мА для транса не вреден (или вреден)" - я не могу. Вот и хочу поковырять.

[Arena]

Почему именно логарифмическая?

это я на вскидку написал. Мощные трансформаторы "нагружают" на конденсаторы большой емкости - большие токи заряда -большая мощность усилителя - больше нелинейность нагрузки трансформатора. имхо. хотя ,судя по модели, пока не так.

[AudioKiller]

Новая идея после осмысления результатов поста №37. Похоже, что действуют все же 2 механизма:
1. Комбинационные колебания (интермодуляция), дающие небольшую постоянку на частотах 25, 50, 75 Гц.
2. Модуляция.
Модуляцию я изначально отбросил, и, наверное, был неправ. Ведь это если у нас несущая 50 Гц модулируется синусоидой 25 Гц, то образуются боковые частоты 50-25=25 Гц и 50+25=75 Гц. Но при усилении в классе В каждое плечо выпрямителя обслуживает свое плечо усилителя. Т.е. на каждое плечо выпрямителя приходится только один полупериод. А значит, модулирующее колебание несинусоидально. И содержит изрядную 2-ю гармонику! А 2-я гармоника от 25 Гц это 50 Гц. Тогда боковая полоса получается 50-50=0 Гц - как раз постоянка. И влияние модуляции должно быть сильнее, чем интермодуляции (а пока что так и получается - в классе В постоянка больше на порядок).

[scarp]

Но вот так прямо взять и сказать: "ток 200 мА для транса не вреден (или вреден)"

Странная фраза. Что значит вреден, по каким критериям оцениваете?

[AudioKiller]

Что значит вреден, по каким критериям оцениваете?

по максимальной индукции. Если при таком подмагничивании сердечник не уходит в насыщение - то не страшно. А если дает сильное насыщение (ток первички сильно несимметричен), то плохо. По косвенному признаку - отсутствию нагрева обмоток - тест пройден: при измерениях трансформатор не грелся (а загружен он был более чем наполовину). Но необходимо прямое измерение.

[ИГВИН]

По косвенному признаку - отсутствию нагрева обмоток - тест пройден: при измерениях трансформатор не грелся (а загружен он был более чем наполовину).

Надо греть как минимум полчаса. У меня в А-шнике греется до 60 градусов примерно (это снаружи, на верхней обмотке).

по максимальной индукции. Если при таком подмагничивании сердечник не уходит в насыщение - то не страшно. А если дает сильное насыщение (ток первички сильно несимметричен), то плохо.

Игорь, попробуй индуктивный датчик около трансформатора, посмотри - есть ли зависимость магнитной помехи от частоты усиливаемого сигнала, при неизменной мощности?
Как подойдет к насыщению - помеха должна резко вырастать. Хотя бы качественно улови эту зависимость...
А так действительно, ток сам по себе - не критерий.

[Александр К.]

Если у полярного выпрямителя нагрузить только одно плечо - это будут те самые 0 Гц? Ну так взять реальный транс и нагрузить одно плечо подходящей лампой - чего проще?

---------- Добавлено в 21:46 ---------- Предыдущее сообщение в 20:46 ----------

никакого подмагничивания сердешника постоянным током не будет, хотя в обмотках будет постоянная составляющая тока значительной величины.

Остаточного намагничивания у идеального транса не будет - ибо нет у него гистерезиса. А от подмагничивания никуда не деться.

[AudioKiller]

У меня в А-шнике греется до 60 градусов примерно (это снаружи, на верхней обмотке)

В этом случае транс был недогружен по вторичке (ты же сам просил мощный транс!).

ток сам по себе - не критерий

Еще какой критерий! Выложу осциллограммы тока...

сли у полярного выпрямителя нагрузить только одно плечо - это будут те самые 0 Гц?

Нет.

[ИГВИН]

Сообщение от ИГВИН
У меня в А-шнике греется до 60 градусов примерно (это снаружи, на верхней обмотке)

В этом случае транс был недогружен по вторичке

Не понял, поясни.

---------- Добавлено в 22:54 ---------- Предыдущее сообщение в 22:53 ----------

Еще какой критерий! Выложу осциллограммы тока...

Ток и осциллограммы тока - совсем не одно и то же!

[Александр К.]

Нет.

Тогда как?

---------- Добавлено в 18:39 ---------- Предыдущее сообщение в 17:17 ----------

А вот если предположить, что за счет неидеальности трансформатора его магнитный поток модулируется током вторичной обмотки, то при суммировании переменного тока 50 Гц и переменного тока 25 Гц, возникающего из тока нагрузки, появляются комбинационные колебания. И колебания 3-го порядка дадут: f1-2*f2 = 50-2*25 = 0 как раз постоянную составляющую.

Игра цифр. Если трансформатор симметричный, то постоянной составляющей неоткуда взяться. А если нет, то постоянка возникнет и без 25-и Гц.
Кроме того, постоянка потребляется чем? Усилителем? Он её будет давить? Особенно если он с интегратором.

[AudioKiller]

Не понял, поясни

Я изначально взял транс 20 ВА. А ты сказал, что на более мощном трансе все будет лучше проявляться. Я перешел на транс 75 ВА и дальше экспериментировал с ним. Нагрузкой служит моно усилитель, который выдает в нагрузку примерно 50 Вт. Даже с учетом КПД этого усилка, получается, что я гружу транс не на 100%, а несколько меньше. Поэтому его "естественный" нагрев тоже меньше.

Тогда как?

Если просто нагрузить резистором одно плечо выпрямителя, то ток, потребляемый выпрямителем от транса будет переменным. Вообще, никакая нагрузка, неизменная во времени, никакой постоянки не вызовет. Постоянка возникает тогда, когда происходит взаимодействие во времени тока сети и тока нагрузки выпрямителя. Грубо говоря, когда ток в сети течет в одном направлении мы ток от выпрямителя потребляем, а когда ток в сети течет в противоположном направлении - не потребляем. Тогда в одну сторону тока будет проходить больше, чем в обратную - это и есть постоянная составляющая.

Игра цифр

На этой игре цифр (которая называется амплитудная модуляция) построены вся радиосвязь и телевещание! Хотя если честно, то когда была разработана теория амплитудной модуляции, считалось, что возникновение боковых полос (f1 = F - f ; f2 = F + f, где F - несущая, f - модулирующая частота, f1 и f2 - боковые полосы) считалось "математическим вывертом", не имеющем физического смысла. Их наличие в сигнале экспериментально доказали только несколько лет спустя.

Если трансформатор симметричный, то постоянной составляющей неоткуда взяться.

Очень упрощенно я объяснил механизм появления постоянки выше. А реально - это боковая полоса при модуляции током нагрузки тока сети (ток сети - несущая, ток нагрузки - модулирующий сигнал). Причем ток нагрузки работает не сам по себе, а своей 2-й гармоникой. Это получается только в усилителях класса В или АВ. В классе А такого не происходит.


Вот что получается при подмагничивании постоянкой (я ее пропускал через вторичную обмотку, ток 400 мА вторички эквивалентен току 51 мА первички) на ХХ.


Страшно только на картинке. Я провел эксперимент "на выживание", нагрузив транс и подав на него постоянку. Я, если честно, нагрузил транс по переменке немного меньше, чем на 50%, поэтому заметного нагрева, вызванного ростом тока первички не заметил. Так что условно наверное можно считать, что если ток постоянки, приведенный к первичке, не превышает трети-половины тока холостого хода, то скорее всего, такая постоянка не страшна.

[ИГВИН]

условно наверное можно считать, что если ток постоянки, приведенный к первичке, не превышает трети-половины тока холостого хода, то скорее всего, такая постоянка не страшна.

Видимо при условии, что ток холостого хода выбран по амплитуде индукции, примерно на 20% недостающей до "колена" насыщения.

[Александр К.]

когда была разработана теория амплитудной модуляции, считалось, что возникновение боковых полос (f1 = F - f ; f2 = F + f, где F - несущая, f - модулирующая частота, f1 и f2 - боковые полосы) считалось "математическим вывертом", не имеющем физического смысла.

Хорошо. Тогда возьмите транс с одной вторичкой (без средней точки) - для чистоты эксперимента. И диоды подберите, а не абы какие.

Причем ток нагрузки работает не сам по себе, а своей 2-й гармоникой.

Вторая гармоника от 25-и Гц будет - 50. Ваше условие выполняться не будет:

когда ток в сети течет в одном направлении мы ток от выпрямителя потребляем, а когда ток в сети течет в противоположном направлении - не потребляем. Тогда в одну сторону тока будет проходить больше, чем в обратную - это и есть постоянная составляющая.

И ещё. Можете в редакторе нарисовать форму тока нагрузки, без постоянки в нагрузке, но провоцирующую постоянку в трансе? Я себе этого представить не могу .

[scarp]

Можете в редакторе нарисовать форму тока нагрузки, без постоянки в нагрузке

Любая форма, лишь бы частота повторения 25 Гц была, т.е. чтобы в спектре было 25 Гц. А картинок в начале ветки полно.

---------- Добавлено в 11:11 ---------- Предыдущее сообщение в 10:50 ----------

Новая идея после осмысления результатов поста №37. Похоже, что действуют все же 2 механизма:
1. Комбинационные колебания (интермодуляция), дающие небольшую постоянку на частотах 25, 50, 75 Гц.
2. Модуляция.
Модуляцию я изначально отбросил, и, наверное, был неправ. Ведь это если у нас несущая 50 Гц модулируется синусоидой 25 Гц, то образуются боковые частоты 50-25=25 Гц и 50+25=75 Гц. Но при усилении в классе В каждое плечо выпрямителя обслуживает свое плечо усилителя. Т.е. на каждое плечо выпрямителя приходится только один полупериод. А значит, модулирующее колебание несинусоидально. И содержит изрядную 2-ю гармонику! А 2-я гармоника от 25 Гц это 50 Гц. Тогда боковая полоса получается 50-50=0 Гц - как раз постоянка. И влияние модуляции должно быть сильнее, чем интермодуляции (а пока что так и получается - в классе В постоянка больше на порядок).

И содержит изрядную 2-ю гармонику! А 2-я гармоника от 25 Гц это 50 Гц.

Следуя этой логике, при 50 Гц в нагрузке должна быть еще бОльшая постоянка, т.к. 1 гармоника больше 2-й. Однако в этом случае вообще нет постоянки.

На самом деле не модуляция, а синхронное детектирование. Перенесите нагрузку в цепь обмотки трансформатора, уберите фильтрующий(накопительный) конденсатор, и все станет понятно. Именно поэтому дает постоянку 75 Гц, 125 Гц...

[sia_2]

На самом деле не модуляция, а синхронное детектирование. Перенесите нагрузку в цепь обмотки трансформатора, уберите фильтрующий(накопительный) конденсатор, и все станет понятно. Именно поэтому дает постоянку 75 Гц, 125 Гц...

Нюанс: эти 25*N герц относятся к усиливаемому усилителем сигналу, причем для случая двухполярного питания и класса AB, когда ток потребления пульсирует с удвоенной (по отношению к сигналу) частотой. При однополярном питании пульсации тока потребления могут быть и с одинарной частотой сигнала, в зависимости от схемы включения нагрузки.

Далее, "злостное действие" оказывают пульсации ТОКА ПОТРЕБЛЕНИЯ от выпрямителя с частотами 50, 150, 250 и так далее герц. Эффект вполне нагляден даже в случае однополярного питания от единственного моста.

Суть проста - когда двухполупериодный выпрямитель (в котором одинаковые импульсы тока должный идти с частотой 100 Гц для сети 50 Гц) в один полупериод нагружается сильнее, чем в другой, то это эквивалентно параллельной работе от одной обмотки двух выпрямителей: симметричного двухполупериодного, нагруженного неизменным током, и однополупериодного выпрямителя с выпрямленным током, соответствующим размаху 50-Гц пульсации тока нагрузки исходного двухполупериодного выпрямителя.
Последнее и есть причина образования постоянного подмагничивания магнитопровода по вторичным цепям.

Простыми средствами это не лечится, поэтому большинство изготовителей чаще всего просто забивают на этот эффект.
Лучшее, что в этой ситуации реально можно сделать - улучшить устойчивость трансформатора к подмагничиванию введением достаточно большого немагнитного зазора в магнитопровод, а рост индуктивного тока холостого хода скомпенсировать конденсатором параллельно первичке. Но величина 50-Гц поля рассеяния на холостом ходу при этом увеличится, потребуется дополнительный экран.

[Александр К.]

Любая форма, лишь бы частота повторения 25 Гц была, т.е. чтобы в спектре было 25 Гц. А картинок в начале ветки полно.

Любая не выполнит условия:

без постоянки в нагрузке, но провоцирующую постоянку в трансе?

Эта ваша постоянная составляющая куда девается? В нагрузку?
Очень невнятные объяснения, очень. Покажите конкретный пример тока через нагрузку - конкретно поговорим.
--------------------------------------------------
И ещё.
Как из этого:

f1 = F - f ; f2 = F + f

следует это:

f1-2*f2 = 50-2*25 = 0

Первое понятно, а какой смысл имеет вторая формула? Ведь рассуждая подобным образом, можно любой многочастотный сигнал разложить правильным образом, доказав тем самым, что этот сигнал всегда (!) содержит постоянную составляющую.

[scarp]

Лучшее, что в этой ситуации реально можно сделать - улучшить устойчивость трансформаора к подмагничиванию введением достаточно большого немагнитного зазора в магнитопровод

Также уменьшить влияние подмагничивания можно, используя трансформаторы, рассчитанные на пониженную индукцию. Правда, и в этом случае поле рассеяния увеличивается.
Ток подмагничивания понижается, если увеличить емкость фильтра, или/и отделить конденсатор от моста резистором.

---------- Добавлено в 20:35 ---------- Предыдущее сообщение в 20:21 ----------

Любая не выполнит условия:

Ну, так подайте такой сигнал, чтобы выполнялось. Пост 18. Пользуйтесь симуляторами.

Эта ваша постоянная составляющая куда девается? В нагрузку?

Да.

[Александр К.]

Да.

Тогда на нагрузке вылезет постоянка?

---------- Добавлено в 21:10 ---------- Предыдущее сообщение в 21:03 ----------

Пост 18. Пользуйтесь симуляторами.

В #18 транзисторы разной структуры, т.е. в схеме присутствует несимметричность, которая и является причиной возникновения постоянки.
Кстати, интегратор решит проблему?

[scarp]

Тогда на нагрузке вылезет постоянка?

Не путайте причину со следствием, это нагрузка управляет током в источнике.

В #18 транзисторы разной структуры, т.е. в схеме присутствует несимметричность, которая и является причиной возникновения постоянки.

полная ерунда, еще раз советую самому все просимулировать.

Кстати, интегратор решит проблему?

Какой интегратор, куда вы будете его вставлять?

[Александр К.]

Какой интегратор, куда вы будете его вставлять?

Балансировка выхода.

полная ерунда

Придётся проверить .