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

[deemon]

Во-во. Начиналось-то с постоянного тока во вторичке. А потом некоторые демоны перевели стрелки на первичку...

Угу , тут есть такие могучие теоретики ..... да вот например , перл на странице 4 :

Попытка набл ту (набл ван уже был тут ближе к началу). Смотрим в плане постоянной составляющей совсем тяжёлый случай, когда трансформатор нагружен через однополупериодный выпрямитель. Понятно, что во вторичке будет сильно несимметричный ток нагрузки с большой постоянной составляющей. Но. Соответствующий постоянный ток будет и в первичной обмотке, потому как там он такой же несимметричный. И обратите внимание, поля первички и вторички от этих постоянных составляющих тока будут тоже взаимно компенсировать друг друга, как это происходит в трансформаторе и для переменки. Ну и действительно, это ведь тоже ток нагрузки, а как известно, в трансформаторе ток нагрузки идёт мимо индуктивности намагничивания (см. эквивалентную схему трансформатора в любом учебнеге по лектротехнике).

Потом наш гений выдал ещё несколько перлов , на странице 5

Ну, я ведь и предложил вариант доказательства "от обратного". Если при нагрузке трансформатора на однополупериодный выпрямитель измеренные постоянные токи взаимно не компенсируют друг друга, то значит они намагничивают сердешник. Но тогда даже при небольшой нагрузке трансформатора подобным образом, когда он ещё вполне нормально работает, по известным простейшим расчётам получится, что сердешник давно глубоко насыщен, что явно не так. А если из упомянутых вами моих утверждений верно первое, то уже только поэтому верно и второе.

Так понял из ваших предыдущих повествований, что это для случая, когда вы каким-то образом "вкачиваете" постоянку во вторичку от внешнего источника. Но это сильно отличается например от работу на однополупериодный выпрямитель, этот принудительно "вкачиваемый" ток не есть ток нагрузки. Для понимания разницы достаточно трошкы понимать, как работает трансформатор, но похоже именно с этим у вас зер грос проблем.

AudioKiller, возьмите любой трансформатор с известными моточными и нагрузите его через однополупериодный выпрямитель. Не сильно, чуть-чуть. Измерьте постоянную составляющую тока в первичке. Затем исходя из своей версии, что это всё ток намагничивания, прикиньте поле в сердешнике. И у вас получится, что он давно в глубочайшем насыщении. шожтакое? какжежтак?

То есть , кроме "гения" никто не понимает , как ходит конь работает трансформатор Потом подтянулись "симулянты"

Лучше рассматривать реальный трансформатор, хотя бы в модели -

Но , господа , ведь этот сайт в открытом доступе , ЭТО ведь читают люди , притом много начинающих радиолюбителей , у которых и так знаний мало , а тут такое ..... так нельзя , чёрт возьми . Надо же хоть немножко думать головой .

[ViktKors]

Постоянный ток - это нечто, что длится во времени. Если у нас есть одиночный импульс положительной полярности - это еще не постояный ток, но мы вправе разложить его в ряд и оценить сколько компонент соответствующих какой частоте у нас есть.

Трансформатор относительно хорошо передает переменный ток, не передает постоянный, и среднехреново передает совсем низкочастотный переменный ток.
То есть можно представить некую частотную зависимость предаточной характеристики.

Вот в соответствии с ней и идет передача тока вторички в первичку.
Когда пришел одиночный импульс, в нем НЧ составляющие не доминируют - он весь и прошел в первичку - намагничивания сердечника никакого. Когда таких импульсов 10 - условно говоря это НЧ ипульс с периодом соответствующим 5 Гц, такую частоту трансформатор передает хуже. На бесконечном сигнале от однополупериодного выпрямителя ток - сумма практически постоянного (не передается, намагничивает) и переменного - передается неплохо (не намагничивает).

Скрытый текст

Трансформатор, по своей сути - катушка индуктивности. Как и всякая индуктивность - он препятствует изменению тока через себя. Физический смысл этого - всякое изменение тока через индуктивность стОит изменения энергии магнитного поля. Вот это самое увеличение магнитного поля и стОит энергии при попытке повысить ток через индуктивность; соответственно при попытке понизить ток - индуктивность сама его "добавляет" используя как источник магнитное поле.

В отличие от обычной катушки у трансформатора две обмотки. Соответственно и возможностей "препятствовать" изменению тока у него больше. При попытке поднять ток в первичке, через вторичную обмотку может идти "противоток". Сколько? - столько чтоб суммарное изменение магнтиного поля от изменения тока в первичке и вторичке было минимальным. Если у нас имеется идеальный трансформатор с одинаковыми обмотками, который при разорваной вторичке дает обеспечивает индуктивный ток I0, то при любой нагрузке во вторичной обмотке, ток вторичной обмотки (вырабатываемый как противодействие изменению магнитного поля) будет идеально компенсироваться током первичной обмотки. В этом смысле неважно какая нагрузка подключена к трансформатору, суммарные изменения перемагничевающего сердечник тока остаются I0. При этом в первичке течет еще дополнительно ток, идентичный току во вторичке I1 = -I2.
Итого суммарный ток первички - I1 + I0.
Этот ток очевидным образом состоит из тока пропорционального вторичному напряжению (I1) и значительно меньшего тока покоя (I0), который очевидно сдвинут по фазе на 90 градусов относительно питающего синусоидального напряжения. Если ток потребляется только полпериода напряжения, то I1 присутствует тоже только в течние полупериода напряжения и очевидно накладывается на те полпериода тока I0, когда I0 поднимается от "минус амплитуда" до "плюс амплитуда" - то что и показал нам Nota Bene на графиках; следует только учитывать, что этот суммарный ток совсем не весь намагничивает сердечник.
Как итог, теоретическая картина такова - во вторичке течет постоянный пульсирующий ток, в первичке течет ток покоя плюс постоянный пульсирующий ток, но в противофазе, сумма постоянных пульсирующих токов первички и вторички - ноль, подмагничивания сердечника нет.
Далее здесь был бред..

[свернуть]

[DimAlt]

deemon, А как работает трансформатор. В нем что, ток передается через силу намагничивания сердечника? А если сердечника нет?

[DimAlt]

Попробовал в реале. Но в первичке ток пришлось мерить на мА, а там уже сопротивление прибора больше. Да и это не значение RMS а хз что. В первичке течет не симметричный ток одна полуволна ток подмагничивания, вторая ток через диод деленный на коэф. трансформации + ток подмагничивания. Мой прибор китайский шпион показывает что то не то.. Ни цешки ни флука у меня нет. Поэтому мой эксперимент ни чего не значит.

[Starichok]

В нем что, ток передается через силу намагничивания сердечника? А если сердечника нет?

А если сердечника нет - то все равно будет индуктивная составляющая тока первичной обмотки, только в мю раз больше, чем с сердечником (мю - эффективная проницаемость сердечника).
только без сердечника насыщаться нечему.

[pokos]

Угу , тут есть такие могучие теоретики ..... да вот например , перл на странице 4 :
.

О, да..... Это не кисло. Тут педиатрия бессильна, как и проктология, впрочем.

[DimAlt]

Так вопрос был в том, будет ли индуктивная составляющая тока первичной обмотки зависеть от тока вторички. Там нет гистерезиса, можно сказать маг. поле определяет только напряженность. Перемагничивать (намагничивать нечего). Здесь только взаимное влияние магнитных полей.

[deemon]

deemon, А как работает трансформатор. В нем что, ток передается через силу намагничивания сердечника? А если сердечника нет?

Трансформатор работает так , что магнитное поле первичной обмотки попадает ( хотя бы частично ) во вторичную обмотку , но для этого сердечник иметь не обязательно Потому трансформатор может быть и без сердечника , разумеется .

Другой вопрос - почему напряжение на вторичке полностью повторяет напряжение на первичке , но кроме постоянной составляющей ? Так это опять же потому , что согласно законам Фарадея и уравнениям Максвелла - ток в катушке ( первичке ) , а значит и магнитный поток - пропорционален интегралу от напряжения на ней . А напряжение на вторичке - пропорционально производной от магнитного потока . То есть , любая функция , которую сначала проинтегрировали , а потом продифференцировали - возвращается к исходному виду . А если на входе будет постоянная составляющая ? Тогда она вызовет в первичке , в идеальном случае , линейно нарастающий ток , который , конечно же , будучи продифференцирован вторичкой - даст на выходе такую же постоянку ..... только вот для этого ТОК в первичке должен будет возрастать неограниченно ( притом потребляться он будет от источника сигнала ) - понятно , что в реальном мире такого быть не может , притом сразу по нескольким причинам . Потому-то реальный транс не может передавать постоянную составляющую . Ни с первички на вторичку , ни наоборот

[ViktKors]

ток в катушке ( первичке ) , а значит и магнитный поток - пропорционален интегралу от напряжения на ней .

Маленький, но принципиальный момент:
магнитный поток не пропорционален току "в первичке", а пропорцонален именно току "в катушке", который в свою очередь есть сумма токов первички и вторички (конечно с учетом чиста витков), причем ток вторички противофазен току первички. Вот и получается, что сумма токов "в катушке" легко достигает "практически нулевых" значений (на самом деле значений тока покоя, потому-то и говорят, что индукция трансформатора (избитая здесь тема) "не зависит" от потребляемого от трансформатора тока).

[deemon]

Вывод: Трансформатор постоянку не передает. Но кратковременные пики постоянного тока "отражаются" первичкой и подмагничивать сердечник будут только в силу неидеальности трансформатора.

Угу , только вот если эти кратковременные пики ПОВТОРЯЮТСЯ - то у них есть постоянная составляющая . Которую , действительно , другая обмотка пытается "отразить" .... но делает это , пока этот "противоток" в ней не затухнет . Вот это и есть тут самый важный момент . А когда импульс противотока в первичке затух - постоянной составляющей во вторичке уже никто ( и ничто ) не препятствует , поэтому постоянной составляющей в первичке НЕТ , а постоянная составляющая вторички - спокойно сдвигает магнитный поток сердечника в сторону края петли гистерезиса . И если теперь периодическое отклонение потока от центра петли , имеющее место при нормальной работе транса , сложится с этим сдвигом и достигнет порога насыщения - вот тут нашему трансу и "поплохеет" - он будет периодически "влетать" в насыщение с одной стороны петли ( потребляя при этом мощный импульс тока по входу ) , а другой стороны петли - будет продолжать работать . Как многозадачная система Виндоуз - глючит и работает одновременно

[ViktKors]

Угу , только вот если эти кратковременные пики ПОВТОРЯЮТСЯ - то у них есть постоянная составляющая . Которую , действительно , другая обмотка пытается "отразить" .... но делает это , пока этот "противоток" в ней не затухнет . Вот это и есть тут самый важный момент . А когда импульс противотока в первичке затух - постоянной составляющей во вторичке уже никто ( и ничто ) не препятствует ,

да-да, там это и написано (фраза про один - десять - много повторяющихся импульсов). Ключевая фраза - "пока этот "противоток" в ней не затухнет", а это время явно более одного-двух периодов сигнала

будет периодически "влетать" в насыщение с одной стороны петли ( потребляя при этом мощный импульс тока по входу )

Особенно забавно это выглядит на осциллографе - узкий пик охрененной амплитуды. Впрочем для обсуждаемого здесь случая модуляций потреблемого тока током нагрузки специальной частоты все несколько проще, по идее совсем небольшого запаса индукции транса будет вполне достаточно, чтобы не дать эффекту стать сколько-нибудь значимым фактором.

[DimAlt]

Угу , только вот если эти кратковременные пики ПОВТОРЯЮТСЯ - то у них есть постоянная составляющая . Которую , действительно , другая обмотка пытается "отразить" .... но делает это , пока этот "противоток" в ней не затухнет . Вот это и есть тут самый важный момент . А когда импульс противотока в первичке затух - постоянной составляющей во вторичке уже никто ( и ничто ) не препятствует

А как же это

А напряжение на вторичке - пропорционально производной от магнитного потока

Они что не синхронны?
Дык, все дело в разной напряженности поля в полупериодах.

Offтопик:
Начинающий радиолюбитель прочитает и ему все сразу станет понятно про интегрирование дифференцирование..

[deemon]

Маленькая, но принципиальная нестыковка:
магнитный поток не пропорционален току "в первичке", а пропорцонален именно току "в катушке", который в свою очередь есть сумма токов первички и вторички (конечно с учетом чиста витков), причем ток вторички противофазен току первички. Вот и получается, что сумма токов "в катушке" легко достигает "практически нулевых" значений (на самом деле значений тока покоя, потому-то и говорят, что индукция трансформатора (избитая здесь тема) "не зависит" от потребляемого от трансформатора тока).

Так я говорил про известное приближение , то есть предельный случай - "трансформатор напряжения" , в котором первичка получает сигнал от идеального ( или почти идеального ) источника сигнала , а вторичка нагружена на потребителя с бесконечным ( или очень большим ) сопротивлением . Это как бы "химически чистый случай" Трансформатор получает напряжение , и выдаёт тоже напряжение .

Есть и второе приближение , с другой стороны - "трансформатор тока" . Там всё наоборот - первичка подключена к цепи с бесконечным ( или очень большим ) сопротивлением , и потребляет ток , а вторичка замкнута на нагрузку с очень малым сопротивлением , практически короткозамкнута , и выдаёт тоже ток .

И вот , любой транс в реальной жизни можно представить , как нечто "среднее" между этими двумя крайностями ... то есть , он с одной стороны , передаёт напряжение с первички во вторичку ( как трансформатор напряжения ) , а с другой - передаёт ток нагрузки в обратном направлении ( как трансформатор тока ) . Обычно для практики такого представления о трансе вполне достаточно .

P.S. Впрочем , есть ещё , почему-то не описанный в учебниках "трансформатор третьего типа" , а именно - транс , получающий на вход ток , а выдающий напряжение . Понятно , что напряжение на выходе такого транса будет пропорционально ПРОИЗВОДНОЙ от входного тока , и поэтому естественное применение его - дифференциатор , то есть устройство для взятия производной от некоего сигнала . Может быть , это решение ( само по себе тривиальное ) не описывается потому , что его просто не используют ... но я , например , использовал его один раз в одной очень любопытной схеме . Так что можно сказать , что такой транс тоже есть в природе

[deemon]

Особенно забавно это выглядит на осциллографе - узкий пик охрененной амплитуды. Впрочем для обсуждаемого здесь случая модуляций потреблемого тока током нагрузки специальной частоты все несколько проще, по идее совсем небольшого запаса индукции транса будет вполне достаточно, чтобы не дать эффекту стать сколько-нибудь значимым фактором.

Да , но что интересно - я встречал в некоторых усилителях , в которых в БП стоит тороид , такую любопытную схемку в цепи первички

, причём в качестве 4-х диодов используется обычно подсоединённый двумя выводами мощный выпрямительный мост , а кондёр - неполярный электролит большой ёмкости , порядка 10000 мкф . Очевидно , разработчики этих усилков считают возможной ситуацию , когда первичка их тороида будет насыщаться из-за постоянки в сети ( если она всё же возникнет ) , и для этого случая предусматривают такую вот защиту .

[deemon]

Они что не синхронны?

Ну а как функция может быть "синхронной" со своей производной ? Есть только одна функция , равная своей производной - это e^X ... но экспоненциальные сигналы в электрических сетях не применяются

Начинающий радиолюбитель прочитает и ему все сразу станет понятно про интегрирование дифференцирование..

Ну мы всё же допускаем , что в школе-то он учился , а там же "проходят" производные и интегралы , разве нет ?

[DimAlt]

А когда импульс противотока в первичке затух - постоянной составляющей во вторичке уже никто ( и ничто ) не препятствует

Хорошо, я просто не понимаю эту фразу. Разжуйте. Как может импульс противотока в первичке затухнуть, а постоянной составляющая во вторичке нет. (С учетом того что у нас активная нагрузка, диод). Разве не первичка источник тока?

Offтопик:
Производные я прошел, видимо мимо

[deemon]

Хорошо, я просто не понимаю эту фразу. Разжуйте. Как может импульс противотока в первичке затухнуть, а постоянной составляющая во вторичке нет. (С учетом того что у нас активная нагрузка, диод). Разве не первичка источник тока?

Ну так трансформатор же - устройство абсолютно симметричное по принципу действия . Сигнал может идти как туда , так и оттуда . То есть , переменное напряжение с первички поступает во вторичку , там диод отсекает одну полуволну , и получается постоянная составляющая , верно ? Теперь уже эта постоянная составляющая тока вторички трансформируется обратно - в первичку , и вызывает в ней импульс тока , который противодействует току вторички , не позволяя намагнитить сердечник ( правило Ленца ) . Если бы вся цепь первички ( как и сеть ) была сделана из сверхпроводника , то этот ток в первичке никогда бы не затух , и транс мог бы работать так как угодно долго .... но из-за сопротивления проводов в первичной цепи - этот противо-импульс затухает по экспоненциальному закону ( за время порядка нескольких периодов , или десятков периодов ) , как затухает , например , любой вихревой ток в металле , и постепенно сходит на нет . НО постоянная составляющая импульсов во вторичке же никуда не делась (!) - и она продолжает своё "чёрное дело" , тупо сдвигая индукцию в сердечнике в сторону края петли ... ну а дальше всё , как я и говорил выше .

[DimAlt]

Offтопик:
Это мой взгляд

При прохождении тока в первичной цепи происходит падение напряжения на R сети и активном R катушки, появляется не симметрия. На нагруженном полупериоде напряжение на первичной обмотке меньше, меньше напряженность поля и соответственно меньше маг поток, а это и есть ток намагничивания. Значит, при не нагруженном полупериоде остается остаточное намагничивание сердечника, так как в нагруженном его не до конца размагничивает. В итоге петля перемагничивания смещается к области насыщения в не нагруженном полупериоде.

Все больше не флужу в теме.

[Александр К.]

Попробовал в реале.

Результат - не нулевой?

В первичке течет не симметричный ток одна полуволна ток подмагничивания, вторая ток через диод деленный на коэф. трансформации + ток подмагничивания.

Так постоянка есть или нет? Если площади полуволн не одинаковые ... .

[DimAlt]

Ну как сказать Есть, но оно сильно не соответствует расчетному. Тут еще прибор не true rms и его показания сильно зависят от формы, и мерять им было бестолкова.