音响与音乐 之 电源变压器
左增军 / 2024-09-04
本期先说说电源变压器相关话题：
电源变压器，作为“家用电器”来说，似乎是非常简单的元件，在过去，只要接触电子行业，首先一个就是电源供应的问题，自从有交流电，就开始有变压器，尤其是像我们这样有一把年纪的人，对电源变压器可谓是再熟悉不过了。我说这些只是想表达，电源变压器非常常见而基础性的东西。“把简单的事情做好就是不简单”，坚持、重复的做好简单的事，才能走向成功！合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土~累土即蔂土，也就是一筐土。对于胆机的电源变压器来说，做好，还真不简单。首先要有认真、敬业的心态，再简单的事情“随便”对待，也难免做不好，细节，细节很重要。这里谈谈我对电源变压器的一些看法：
1、空载电流：变压器次级全部开路时，初级接通额定电压时显示的电流为空载电流。空载电流由磁化电流（产生磁通）和铁损电流（由铁芯损耗引起）组成的。空载电流大小，主要由铁芯导磁率、绕组圈数（也就是每伏匝数）决定。空载电流/额定电流（也就是变压器满载后的电流）的百分数，EI铁芯一般在1~5%比较合适，CD、环型、O型、R型铁芯可以做到0.1~2%。比如对于EI铁芯、350W电源变压器，额定电流按照220V计算为1.591A（简单计算不考虑效率和其他），空载电流30mA，这样：（0.03/1.591）*100 =1.88%~这只是大概，基本就ok。一般认为，空载电流越小越好，但都有个适度，合适就好~首先变压器不应该出现振动噪音也就是嗡嗡声。很多事情都具备阴阳两面，看到好的一面，也要想到不好的一面，有利有弊的事情要针对性对待。有的朋友就要求空载电流只有1mA，可以！采用好铁芯的情况下，无非是增加圈数，此时铜损可能增大很多，更因为内阻高，输出电压跌落厉害。单从空载电流这项指标看，EI铁芯，早就应该淘汰。就跟电子管这样的耗电大户一样，上世纪就已经淘汰了，但音响还在用。很多事情都有其多面性，全在你看到哪一面。EI铁芯因为适应性强、容易加工、尤其是声音厚暖而被发烧友所喜爱。缺点是，体积大、重量大、空载损耗大、且容易共振，尤其是出现共振，是一个很头疼的问题。共振是什么？比如说变压器独立放在坚实的地面，自身没有任何震动噪音，但放在机壳上就有较大震动噪音，这就是共振引起的，机壳充当了“声放大器”，放大了震动，发出较大的震动噪音。日本有一些EI铁芯变压器，铁芯缝隙直接用电焊焊牢（拆机、拆设备的朋友可能都见过），装在机壳上同样也会出现共振现象。
2、变压器的嗡嗡声或者说震动噪音~这里只说变压器本身通过空气传播，或者经过机械连接传产生的嗡嗡声：首先我们先来了解一些，变压器的嗡嗡声是如何来的？
先来了解一下磁致伸缩（magnetostriction）：钢片在被磁化的时候，会自行延伸，没有磁化的时候，又恢复到原来状态。这意味着变压器由交流电压和电流进行磁激励，它在整个磁化周期内会伸展和收缩两次~这个伸缩是肉眼看不到的，这就是磁致伸缩。因为磁致伸缩导致钢片运动而产生的“嗡嗡声（Buzz/Hum）”是不可避免的，这是材料本身特性，全世界都在关注。但为何常见的变压器听不到呢？主要是采用了较小的磁通量，让钢片的运动在很小的范围内，我们听不到也看不到。
理论上认为，环型、O型、R型铁芯没有震动噪音，没有漏磁、磁导率很高（这只是在市电波形良好的情况下）。相比之下，EI铁芯就差一些。但是，假如电网干扰较大，正弦波变形甚至有直流成分，无论什么形状铁芯都会出现不小的嗡嗡声。尤其是市面上有些设计不合理的电器，其功率调节，是通过串联一颗二极管来获得，比如很多品牌的电饭锅、电热器、热风枪等。低功率状态，只是简单的在回路串联一个二极管，在阻性负载上便可得到近似一半的低功率调节。
但是，此时的市电回路中将会有直流成分，当然谐波分量会很大。此时不论什么类型的变压器都会出现振动噪音~当然还有很多对电网产生污染的用电器的滥用。面对这样的震动噪音，首先看一下是否任何时候都有，还是短时出现。理论上，越是无漏磁、磁导率很高的铁芯，这种噪音越容易发生甚至越严重。比如用非晶铁芯制作的环型、R型变压器，噪音很容易出现。有的铁芯厂家不得不把铁芯中间切一道缝隙，填入橡胶等填充物等。也就是说，相比之下，这种铁芯的抗市电干扰的能力会弱一些。
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CD铁芯变压器，在用久了以后因为铁芯缝隙出现松动，会出现讨厌的嗡嗡声，有时候是很强的嗡嗡声。这没办法，是CD铁芯的通病，尤其是用螺丝固定的变压器，很容易出现较大的嗡嗡声。
EI铁芯：EI变压器因为有漏磁加上铁芯缝隙，容易出现震动噪音，变压器功率越大，越容易有嗡嗡声。相对来讲，电子工业部标准的铁芯型号稍好一些。
3、变压器的功率：对于如何选择变压器的功率，发烧友最好大致计算一下实际电路的消耗功率，以便选择合适功率的变压器。同样是300B单端胆机，有的客户选200W更有甚者选180W的，也有选500W-600W甚至更大的。一方面关乎到机壳大小，当然还有成本。一方面考虑温升、安全性。一般参考是，电源变压器的功率，为实际电路消耗功率的3倍左右，这样温升和体积都可以接受。电源变压器是电路中的发热大户，电路所有的能量都来自电源变压器。
那么如何计算电路实际消耗功率呢？这很简单，但也很繁琐，所以很多发烧友都懒得计算。电压乘电流等于功率，这个都知道，灯丝耗电就这样简单计算就ok（认真来讲，变压器效率没有百分百的，比如6.3V灯丝绕组实际输出电压在6.5VAC左右~根据效率不同而不同）。但是高压有的朋友就不会或者容易计算错误，因为不确定如何选取电流值。其实变压器中，高压绕组也是这只变压器的重要耗电者，其所占比例和发热量也是很大的，所以需要给高压绕组留出足够的余量。假如负载直流用到200mA，那么交流绕组的电流取0.4A就ok（真有朋友电路直流电流用200mA，交流绕组也要0.2A的，他认为回路电流是一样的。我说这肯定不行，别问我为什么）。
关于高压绕组的电压值的计算，如果用晶体管、全波或桥式整流，滤波电容容量足够大的时候，理论值是交流电压的√2倍。但胆机的高压，所用的滤波电容容量，都达不到低压电路那样的“大水塘”，顶多也就几百微法，一般经验值是1.25倍左右（小负载电流比如几十mA，可能达到1.3-1.35倍）。有的电路使用小滤波电容，比如几十到100μF甚至更低，输出直流电压有可能是0.9倍左右。所以首先要看电路元件数值，再确定变压器绕组电压值。没错，现在有很多电路仿真软件，大家可以尝试着用软件大致选择一下元件和绕组参数，但这并不是绝对想要的参数。胆机高压本就是高内阻，电流的改变、内阻的变化，都会影响输出电压的大小。
有的朋友也会提出一些“很好玩儿”的想法：比如说定做350W变压器，要求次级功率增加到450W，实际使用还是350W，增加到450W就是为了增加余量，或者增加备用绕组，不一定同时使用。这种情况也必须增加变压器功率，而不能依然用350W的铁芯尺寸，因为绕线窗口绕不下增加的部分，虽然只有次级增加余量，增加的绕组也需要占用空间，铁芯固定的绕线窗口也是容不下的。我估计这位朋友是个领导，做事喜欢让对方“通融”一下^_^。假如是出350W的价格，做450W变压器，这个在价格上“通融”是可以的，但实际的产品容量无法通融，绕线窗口是固定不变的，增加绕组就只能减小其他绕组线径，增加功率只能是自欺欺人。
关于电源变压器的屏蔽：做胆机最头疼的事情就是交流声，所以为了省事，很多电路设计全部直流点灯丝，甚至稳压供电。随着元器件性能的提升，高压稳压也变得轻松容易。这样的话，对电源变压器的要求相对较低，有的变压器不用屏蔽层都可以。但是做真正传统意义上的胆机，变压器的屏蔽还是很重要的，我做胆机绝大多数都是采用交流直接点灯丝，而且基本不采用稳压电路（所谓稳压，其实就是通过深度负反馈，得到稳定的电压输出，相比之下，其动态内阻会高出传统π型滤波电路~个人观点仅供参考）。比如常见2A3、300B单端，我多年来一直用交流灯丝且不靠负反馈解决交流声。如此一来对每个元件尤其是电源变压器等有较高的要求，首先屏蔽层，最低要求是初级、次级之间的屏蔽，正规一点还要有：初级与铁芯、高压与灯丝、整流管灯丝与放大管灯丝、小信号放大管灯丝与其他绕组之间的多重屏蔽层，最低用0.15mm厚的铜板（而不是很薄的铜箔）重叠包绕一圈，且达到线包宽度的99%以上。这个很关键，假如屏蔽层未重叠，或者留有1-2mm缝隙，或者只包裹线包宽度的80-90%左右，那么屏蔽效果会差很多（有人认为，屏蔽包裹90%，屏蔽效果也是90%，也差不多了，其实不然，这个时候屏蔽效果可能只有百分之几十）。要求高的比如直热管前级所用变压器，最好加上坡莫合金做磁屏蔽。当然，屏蔽越多，占用绕线空间也越多，这肯定需要铁芯体积较大。电源变压器要求小巧玲珑，无论用什么高级材料，似乎屏蔽和发热性能都不能做好。所以一颗好的变压器，每个细节都需要处理好。
对于电源要求比较高、希望得到干净、纯净的电源供应的场合，比如做直热管前级、纯净隔离电源等，可以用超隔离（深隔离）电源变压器，隔离、屏蔽效果可以达到95以上。变压器本身是将初级和次级置于独立屏蔽的空间内，以获得良好的屏蔽效果。超隔离变压器上世纪主要用于医院、科研、实验室等部门，今天我们移植过来用于高端音响，除了体积大一些，其电性能指标非常优异。
对于目前市电干扰比较大，各种谐波污染，我们也开发了电源变压器的窄带技术，就是通低频、滤高频，对于几百Hz的以上的污染，彻底屏蔽、吸收。大禹治水的故事大家都知道，可是大禹他父亲鲧（gun）治水不利被杀，可能许多人不知。鲧当时只采用堵、截、加固加高堤坝的方式治理水患，非常努力但只有失败。而大禹治水，是采用疏导方式，通九山、导九川、定九州。对于电源各种污染，除了加强屏蔽，我的窄带技术增加了吸收功能，未被屏蔽的污染信号被彻底吸收，输出端可以恢复干净、良好的电性能。当然，增加窄带技术，无疑也伴随体积增大，成本提高。
关于电源变压器的安装：有时候会出现这样的现象，变压器单独通电的时候，不响不叫，一旦安装到机壳上面，会有很大的嗡嗡声。这是怎么回事呢？这是共振，机壳变成“声放大器”，这跟机壳强度有关，尤其是比较薄且强度不够的铁板机壳，或者不足3mm左右的铝板机箱。有的机壳虽然用料不厚，但是有加强筋，或内部有一体的多槽支撑板等，比如内部分割成几个腔室，这明显的增加了机壳强度。产生共振的可能性较低。对于机壳已经定型，如何减少共振的发生，需要合理的把变压器与机壳“机械隔离”，也就是，从本质上讲，变压器包括安装螺丝，与机壳之间没有直接连接的地方（电阻表测试绝缘不通），都是通过减震垫连接。请参考下图：
安装上虽然有些麻烦，但基本上可以减少嗡嗡声的发生。图中的“PVC减震垫”也可以用尼龙T型垫代替，看下面这个样子，穿螺丝的部位需要根据机壳厚度自行裁短，以便能安装到位。
这里再说一下卧式安装的变压器，因为抽头方式只在线包的一端，绕组圈数只能整圈，没有半圈抽头。假如需要多种灯丝绕组，比如：0-2.5V-5V，0-3.15V-6.3V，想要电压准确，中心抽头准确，涉及到每伏匝数的限制，多抽头之间相互牵涉，有些规格的变压器就有些困难，有时候就可能出现电压不准确（或高或低），或者抽头不准确，这是无法改变的事实。
如果条件允许，大家可以放心的选择封装变压器，因为，封装变压器在内部已经将变压器、外罩之间做了减震处理，且牢牢地与外壳固定，完美的解决了变压器安装出现的问题。而且，封装变压器加装有通风槽、导热管，无惧发热导致的问题。前几年我推出封装变压器的时候，引来很多人的非议，现在看很多是灌封的变压器。
未完待续
