Theorie

Een uitganstrafo heeft drie taken n.l.

1 - Impedantie aanpassing

2 - Galvanische scheiding

3 - Vermogensoverdracht

Een transformator die bovenstaande taken uitvoert zonder vermogensverlies bij elke frequentie en zonder fase verschuiving, wordt ideaal genoemd. De eigenschappen van een 'ideale' transformator kunnen door paar eenvoudige formules worden weergegeven.

A - Wikkelverhouding (n:1)

B - Spanningsverhouding (n:1)

C - Stroomverhouding (1:n)

D - Vermogensverhouding (1:1)

E - Impedantieverhouding (n2:1)

Hierbij is 'n' constant, onafhankelijk van niveau of frequentie. Bovendien hebben de primaire en secundaire spanningen en stromen steeds dezelfde fase. Zo'n ideale trafo bestaat niet, enkel de impendantie-transformatie en de galvanische scheiding komen overeen met de werkelijkheid. In het midden van het frequentiebereik bij ca. 1000 Hz, benadert een ideale transformator het werkelijke doel aan de uiteinden van het frequentiebereik niet. Bij het ontwerpen van een versterker moet met deze afwijkingen rekening worden gehouden.

Het beste inzicht is te krijgen door het tekenen van het vervangenschema van de transformator. De transformator wordt gesplitst in een ideale trafo, die alleen de impedantie-transformatie en de galvanische scheiding verzorgt. Daarbij zijn er een aantal parasitaire elementen afzonderlijk aan de primaire zijde in het vervangingsschema opgenomen.



Na eliminatie van de ideale trafo geeft dit het volgende schema waarin:

n = transformatieverhouding

Ro = uitgangsimpedantie van de versterker                     (inwendige weerstand eindbuizen)

Lp = zelfinductie van de primaire wikkeling

Cp = parallelcapaciteit over de primaire wikkeling

Ls = spreidings-zelfinductie

Dit vervangingsschema geeft alleen de belangrijkste elementen die het gedrag bij hoge en bij lage frequenties bepalen. De ijzerverliezen zijn hier verwaarloosd. Hetzelfde geldt voor de koperweerstand van de wikkelingen, deze bedraagt slechts enkele procenten van de totale circuitweerstand en is dus nauwelijks van belang.

Met behulp van het laatste vervangingsschema kan het gedrag van de transformator in een versterker worden geanalyseerd. Deze analyse wordt vergemakkelijkt doordat bij lagere frequenties alleen rekening gehouden hoeft te worden met Lp, terwijl Cp en Ls alleen bij hogere frequenties een rol spelen. Het vervangingsschema kan dus worden gesplitst in twee eenvoudigere schema's.

Gedrag bij 'lage' frequenties

Het gedrag bij lage frequenties is eenvoudig te beschrijven. De signaalbron heeft een inwendige weerstand gelijk aan Ro, parallel aan n x 8 Ohm plus een zelfinductie. Voor 2x de EL34 is n x 8 Ohm gelijk aan 3400 Ohm en levert dan een parallelschakeling met Ro ongeveer op de grote van 3000 Ohm. Het laagfrequent kantelpunt kan nu eenvoudig worden bepaald. Met een Lp van 500 H (Henri) in R/(2.pi.L) geeft dit een laagfrequent kantelpunt van ca. 1 Hz. Onder deze frequentie valt de amplitude-karakteristiek af met 6 dB per octaaf. De bijbehorende fasekarakteristiek geeft een faseverschuiving van 45° bij 1 Hz oplopend tot 90° bij lagere frequenties.



Een kantelpunt van 1 Hz lijkt onnodig laag maar voor die keuze bestaan goede redenen. Ten eerste is de permeabiliteit (doorlaatbaarheid) van het kernmateriaal niveau-afhankelijk; bij een laag niveau is de permeabiliteit en dus ook Lp lager. Ten tweede wordt de vervorming bepaald door de verhouding tussen het resistieve deel van de impedantie, hier 3000 Ohm en het interactieve deel gevormd door de impedantie van Lp. De derde reden om het kantelpunt ver onder de laagste audiofrequentie te leggen is dat daardoor een sterke tegenkoppeling mogelijk wordt. Dit resulteert in een goede demping van de luidsprekers en een lage vervorming. Of er voor een tegenkoppeling wordt gekozen hangt af van de persoonlijke smaak van de ontwerper. Toch is de tendens het zo veel mogelijk vermijden van tegenkoppeling.

Gedrag bij 'hoge' frequenties

Bij hoge frequenties is het moeilijker te zien hoe het gedrag is. Hier spelen namelijk twee reactieve elementen Cp en Ls een rol. Elk van deze twee elementen geven bij hoge frequenties en amplitudeafname met 6 dB per octaaf een fase-draaiing van 90°. Bij zeer hoge frequenties treedt dus een fase-draaiing van 180° op. Wil men tegenkoppeling toepassen vanaf de secundaire trafowikkeling, dan dient men ervoor te zorgen dat de versterking in dit frequentiegebied voldoende is gereduceerd.



Een transformatorontwerp dient zo te zijn dat zowel Cp als Ls zo klein mogelijk zijn. Helaas resulteert het kleiner maken van de Cp automatisch in het groter worden van de Ls. Om de kwaliteit van de trafo bij hoge frequenties in een getal weer te geven kiest men vaak voor specificatie van de resonantiefrequentie. Deze wordt gevormd door de resonantiekring die Cp en Ls samen vormen. Hoe lager Cp en Ls hoe hoger de resonantiefrequentie en hoe beter de transformator presteert bij hogere frequenties.

Invloed van een verkeerde

luidspreker-impedantie

Voor een uitgangstrafo bestemd voor 2X de EL34 en een 8 ohm luidspreker geldt:

• Wikkelverhouding (n:1 = 20,6:1)
• Impedantieverhouding (n2:1 = 425:1 = 3400:8)

Voor de 4 ohm aansluiting zijn deze verhoudingen:

• Wikkelverhouding (n:1 = 29,15:1)
• Impedantieverhouding (n2:1 = 850:1 = 3400:4)
   

Deze verhoudingen zijn niet afhankelijk van de aangesloten impedantie, dus bij gebruik van een 8 Ohm luidspreker op een 4 Ohm wikkeling ziet de primair een impedantie van 6800 Ohm. Men dient zich bewust te zijn van de veranderingen in de frequentiekarakteristiek. De primaire zelfinductie Lp, en de parallelcapaciteit Cp hebben op een tweemaal zo hoge impedantie een tweemaal zo grote invloed. Hierdoor verschuiven de kantelpunten een octaaf naar boven of respectievelijk naar beneden.

De spreidingszelfinductie heeft een tweemaal zo kleine invloed, het kantelpunt verschuift een octaaf naar boven.

Een gevolg is de vermindering van het maximale vermogen. De maximale toelaatbare spanning bij lage frequenties wordt bepaald door de kerndoorsnede en het aantal primaire windingen. Deze blijven beiden ongewijzigd bij een impedantie wijziging. Dezelfde spanning bij een hogere impedantie betekent echter niet een lager vermogen.

Bij gebruik van een lagere impedantie dan die waarvoor de transformator is ontworpen geldt het omgekeerde, een geringe invloed van Lp en Cp en meer invloed van Ls. Iets waar men in dat geval rekening mee moet houden is de anode-gelijkstroom. De draaddikte van de trafo moet de stroom n.l. kunnen verdragen.