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

[_тау]

Попробовал - графики не изменились. Максимальный шаг по времени = 100мксек.
Это разложение Фурье относится к индукции в магнитопроводе, а не к току в первичной обмотке.

Так неззя. Получилось что Вы ищете черную кошку в темной комнате.
зачем-то намотали по 15тысяч витков 3 обмотки на малюсеньком магнитопроводе с длиной средней линии чуть больше сантиметра , сечением 3х3 миллиметра и индукцией насыщения характерной для феррита. Это типа ферритового колечка К5х5 с малюсенькой дырочкой посередине? . Так понимать? (геометрия взята из Вашей модели) Вгоняете почти по амперу тока в эти обмотки , а каков ток намагничивания с учетом погрешностей расчета - неизвестно? конечно можно "намерять" протуберанцы на солнце".
То есть - транс у Вас имхо нереальный, абстрактный какой-то. Модель насыщающегося сердечника в Микрокапе также не без недостатков. Использование её в поставленных условиях более чем стремно с точки зрения адекватности результата.

[Nota Bene]

зачем-то намотали по 15тысяч витков 3 обмотки на малюсеньком магнитопроводе с длиной средней линии чуть больше сантиметра , сечением 3х3 миллиметра и индукцией насыщения характерной для феррита. Это типа ферритового колечка К5х5 с малюсенькой дырочкой посередине? . Так понимать?

Да. Свою модель сердечника делать - поиметь геморрой, ввиду малого опыта моделирования магнитных цепей Взял готовую, из библиотеки. Виртуально я могу и 100 тысяч витков в такое колечко вмотать Принципиально-то что меняется? Индукцию насыщения мы видим, сопротивления обмоток в модель вводим те, которые желаем...

[_тау]

Да. Свою модель сердечника делать - поиметь геморрой, ввиду малого опыта моделирования магнитных цепей Взял готовую, из библиотеки. Виртуально я могу и 100 тысяч витков в такое колечко вмотать Принципиально-то что меняется? Индукцию насыщения мы видим, сопротивления обмоток в модель вводим те, которые желаем...

Есть большая разница. Увеличение числа витков N сверх меры влиет в квадратичной зависимости на индуктивность намагничивания и на реактивный ток в этой индуктивности. В тоже время сохраняется пропорциональная зависимость от N для тока насыщения, определяемого ампервитками. Поэтому соотношение между этими токами зависит от N - числа витков. Вот вы его произвольно хотите менять и получаете неверное отношение индукции на постоянном токе от размаха индукции на первой гармонике. Поэтому выводы после такой симуляции можете делать неверные. Модель должна быть адекватной -это главное условие использования симуляторов.

[ViktKors]

А в чем вообще смысл ветки-то? Я так понимаю всех интересуют практические аспекты. Вброшенный вопрос однополупериодного выпрямления еще можно рассматривать с практический точки зрения (я например для простоты часто питаю пару малых потребителей от однополупериодной схемы). Но случай однополярного питания, причем со значительными модуляциями потребляемого тока частотой сигнала - это куда большая редкость.

Я всегда думал, что интересный нам случай питания стандартного усилителя от двуполярного источника питания (как на схемах в шапке темы) по умолчанию предполагает, что нагрузка обеих обмоток симметрична и в сумме дает нулевое подмагничивание.

В итоге, если обмотки более-менее одинаковы, что вообще говоря пользительно и по другим причинам (я поэтому часто тупо мотаю в два провода), то разницы один-два моста нет никакой.
Куда важнее для меня то, что два низковольтных диода Шоттки иногда дешевле чем один на удвоенное напряжение, то, что развести землю в такой схеме много проще, то, что можно использовать идентичные стабилизаторы в плечах и т.п. Схема с двумя мостами более "гибкая", что иногда собственно и решает вопрос.

Все эффекты подмагничивания специальными частотами относятся к однополярному питанию, что, по большому счету, случай у нас редкий и характерен скорее для усилителей в классе А, которые потребляют стабильный ток и вследствие этого тоже не способны инициировать намагничивание гармониками усиливаемой частоты.

Бесспорно, имея многочисленные, особенно несимметричные нелинейности в схеме можно надетектировать на них все, что угодно, но в реале мы-то вроде стараемся делать все хорошо ;). Неужели на практике один мост действительно недостаточен?

[_тау]

А в чем вообще смысл ветки-то?

а смысл в том чтобы найти священную корову (25Герц), приносить ей в жертву материальные блага в виде диодов , двойных трансов и т.п. и тащиться от удовольствия осознания своей сопричастности к сокровенным тайнам аудиопитателестроения.

[Nota Bene]

Модель должна быть адекватной -это главное условие использования симуляторов.

Нашел пару библиотек по трансформаторам: Библиотека моделей сердечников для пакета ORCAD. (Библиотека подготовлена Александром Гурским) и Библиотека моделей трансформаторов для пакета ORCAD. (Библиотека подготовлена Александром Гурским).
PLM25X40X46 подойдет?

*DEVICE=PLM25X40X46,CORE

* PLM25X40X46 CORE model
* updated using Model Editor release 9.2 on 01/12/06 at 22:57
* The Model Editor is a PSpice product.
.MODEL PLM25X40X46 CORE
+ GAP=20.000E-3
+ MS=1.7550E6
+ A=76.220
+ C=.10622
+ K=42.124
+ AREA=9.2100
+ PATH=15.630
*$

Вот результат -

[ИГВИН]

Offтопик:

Я так понимаю всех интересуют практические аспекты.

Всех реально занимающихся реальным аудио - несомненно.
Поэтому за этой веткой следят много людей - гораздо больше, чем в ней пишут.
Следят и местами офигевают...
Кстати выражаю вам лично признательность за довольно-таки исчерпывающие объяснения.
Так благодарю _тау за то же самое.

а смысл в том чтобы найти священную корову (25Герц), приносить ей в жертву материальные блага в виде диодов , двойных трансов и т.п. и тащиться от удовольствия осознания своей сопричастности к сокровенным тайнам аудиопитателестроения.

_тау, ну что ж вы так - сразу правду-матку...

[Nota Bene]

Неужели на практике один мост действительно недостаточен?

В русле сабжа/темы - один мост предпочтительнее - меньше потерь энергии на диодах. А подмагничивание сердечника в схемах, реализованных на одном или двух выпрямительных мостах, будет идентичным, если эти обмотки находятся на одном магнитопроводе (общий магнитный поток).

А в чем вообще смысл ветки-то? Я так понимаю всех интересуют практические аспекты.

Для меня - приобретение практического опыта в моделировании нелинейных магнитных цепей. Потом пригодится В совершенно другой теме...

[Nota Bene]

потребляемый ток уменьшается, что логично для ЭМОС. Но уменьшается ток плавно, в области 25 - никакого броска не происходит.

Интересно. Имееся в виду АС ток первички, как я понимаю. А давайте подумаем, чем же так страшно это подмагничивание? Для аудио применений. Ну, кроме падения КПД, естественно. Увеличение поля рассеивания трансформатора? Возрастание ЭМ-наводок от бросков тока? Еще что-то?

[_тау]

А давайте подумаем, чем же так страшно это подмагничивание? Для аудио применений.

Фобия? На почве воспоминаний от сгоревших трансов с 500-ми витками в первичке на железе 25х40 .

я поставил 1000 витков (примерно 5 витков на вольт для 10см^2) по приведенной Вами модели сердечника , к которй претензий не имею. . Чуть добавил амплитуды выхода , под 80 Вт в пике . Взял и синус и меандр, запускающиеся с 3-й секунды процесса. частота синуса 25.1 Гц , период меандра 40.2mS , чтобы фаза плавно скользила с 3-й по 10-ю секунду и видны были "рыскания" индукции.
Картинки приложены. Вся дрянь видна только в момент включения с неудачной фазой 0 градусов синуса , вызывающей всплеск индукции, который рассасывается примерно секунду от начала втыкания розетки.

[ИГВИН]

Вся дрянь видна только в момент включения с неудачной фазой 0 градусов синуса , вызывающей всплеск индукции, который рассасывается примерно секунду от начала втыкания розетки.

Что вполне соответствует реалиям.

[Nota Bene]

Фобия? На почве воспоминаний от сгоревших трансов

Виртуальный дым не пахнет

я поставил 1000 витков (примерно 5 витков на вольт для 10см^2) по приведенной Вами модели сердечника , к которй претензий не имею. . Чуть добавил амплитуды выхода , под 80 Вт в пике .

...и увеличили емкости фильтра на порядок
И все-равно, при БПФ разложении B(L) видна нулевая гармоника... Хотя сердечник в насыщение уже не входит.

[_тау]

...и увеличили емкости фильтра на порядок

Емкости в БП УНЧа должно быть достаточно. Иначе не кошерно

И все-равно, при БПФ разложении B(L) видна нулевая гармоника... Хотя сердечник в насыщение уже не входит.

на последней вашей картинке была нулевая гармоника на 30дБ ниже гармоники 50Гц. это 30 раз примерно. или 3%. имхо, это неопасно.

[Nota Bene]

имхо, это неопасно.

Речь не об этом. Скажите, согласны ли вы с утверждением из первого поста:

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.

Я же не спрашиваю про маловероятность этого события -

...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.

[_тау]

Речь не об этом. Скажите, согласны ли вы с утверждением из первого поста:

Я соглашусь с тем что явление подмагничивания в принципе существует, зависит от емкости фильтров. С практической точки зрения , учитывая тот факт что энергоемкость ёмкостей фильтра на интервале 20 ms гораздо больше требуемой энергоемкости от сердечника , для реактивной компенсации от Lmag неравномерного потребления на четных и нечетных полупериодах сети при отсутствии С-фильтра вообще, а также большие способности сердечников из электротехнических сталей по компенсации энергетического перекоса (реально они даже больше чем в Вашей последней модели) "благодаря" непологости кривой намагничивания за пределами колена, считаю что этого явления можно не опасаться. Не могу просто сказать "согласен" с цитатой N1 из за того что обычный усилитель потребляет энергию от конденсаторов фильтра не на удвоенной частоте. Даже усилитель вместе с конденсаторами фильтра потребляет энергию от трансформатора не только каждый второй полупериод 50гц , но чаще , даже при емкости 1 мкФ.

Возможно, страшилка про 25Гц применима для некоторых видов пермаллоев при малых емкостях фильтров.

[AudioKiller]

Долго меня не было.
Извините - я не читал, что там до этого писали! Если что - не поленитесь повторить, лады? Я постараюсь теперь бывать регулярнее.

Вот здесь экспериментальные измерения:
Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током
Они еще не закончены, буду немного ковыряться.

Мои трансы спокойно выдержали воспроизведение 25 Гц. Но я не поручусь за все на свете трансы.

Повторяю, в аудио постоянка вообще не опасна, главное, что нет разницы в схемах выпрямителей и трансформаторах!

_тау, Постоянка возникает не потому, что выпрямитель удваивает частоту, а потому, что ток во вторичке модулируется током нагрузки. Проведите эксперимент (можно мысленный ): подключаите ко вторичке транса мощный переменный резистор, и крутите его с частотой 25 Гц. Т.е. чтобы сопротивление менялось от максимума до минимума ровно 25 раз в секунду. Тогда амплитуда тока во вторичке будет меняться, и появится эта самая постоянка.

[ИГВИН]

AudioKiller,

[_тау]

Долго меня не было.
Вот здесь экспериментальные измерения:
Подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током
Они еще не закончены, буду немного ковыряться.

Итого дополнительный ток первички, вызванный подмагничиванием постоянкой равен 32 / 0,22 = 145 мА.
.....
.....
Дело в том, что использованный в тесте трансформатор (тороидальный 75 ВА) имеет ток холостого хода, равный 4 мА!!! Поэтому скорее всего даже напряжение питания 240 вольт (при этом напряжении я ток хх замерить забыл) не так уж его и насыщает.

Так что вполне возможно, что даже при усилении сигнала частотой 25 Гц на полную мощность ничего страшного не произойдет. Собственно, именно это я и пытаюсь донести до читателя:

И получил полное одобрение следующих «пяти положений о подмагничивании»:
1. ...... то достаточно минимального, соизмеримого с током холостого хода (в пересчете на первичную обмотку), тока подмагничивания – и авария обеспечена.

Дык надо бы определиться , а то мужики не знают.

_тау, Постоянка возникает не потому, что выпрямитель удваивает частоту, а потому, что ток во вторичке модулируется током нагрузки. Проведите эксперимент (можно мысленный ): подключаите ко вторичке транса мощный переменный резистор, и крутите его с частотой 25 Гц. Т.е. чтобы сопротивление менялось от максимума до минимума ровно 25 раз в секунду. Тогда амплитуда тока во вторичке будет меняться, и появится эта самая постоянка.

Модуляция - сугубо нелинейный процесс, это факт. Кто ж его модулирует, чтоб образовалась постоянка подмагничивания?
Диоды выпрямителя ? -нет! Иначе бы Вы не предлагали провести мысленный эксперимент с резистором и крутилкой.
Нагрузка акустики? - так она вроде как константа условно.
А что ?
Остались только выходные транзисторы УНЧ. Действительно, это так. Это они.
Правда есть любопытный момент. Если модулирующая частота не синус 25Гц , а меандр 25Гц - подмагничивания нет даже теоретически в предложенном эксперименте .

[AudioKiller]

Дык надо бы определиться , а то мужики не знают.

С чем определиться?

Кто ж его модулирует, чтоб образовалась постоянка подмагничивания?

Подсказываю - ток нагрузки выпрямителя, который получается из тока нагрузки усилителя. Выходники усилителя и его (усилителя) нагрузка - это как раз и есть тот самый переменный резистор.

Если модулирующая частота не синус 25Гц , а меандр 25Гц - подмагничивания нет

А вы вспомните спектральный состав периодических несинусоидальных сигналов. В "модуле синуса" присутствует 2-я гармоника (67% от него), которая = 2х25=50 Гц и дает нулевую боковую частоту. В меандре четные гармоники отсутствуют, поэтому нулевой боковой не получается и постоянка не возникает. Все верно.

[_тау]

С чем определиться?

выделенные слова в последней цитате , и вывод о том что "авария обеспечена", одобренное профессором кафедры Силовой электроники , никак не стыкуются с Вашими экспериментальными данными .
145 мА ток подмагничивания при 4 ма ток ХХ. Где правда ? Скажите прямо - в шапке топика ошибка .