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音頻變壓器的詳細(xì)的知識

發(fā)布時(shí)間:2024-09-03 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】除了升高或降低信號電壓外,變壓器還具有另一個(gè)非常有用的特性,即隔離。由于變壓器的初級和次級繞組之間沒有直接的電氣連接,因此變壓器的輸入和輸出電路之間提供了完全的電氣隔離。連接在放大器和揚(yáng)聲器之間的音頻變壓器也可以利用這種隔離特性。


除了升高或降低信號電壓外,變壓器還具有另一個(gè)非常有用的特性,即隔離。由于變壓器的初級和次級繞組之間沒有直接的電氣連接,因此變壓器的輸入和輸出電路之間提供了完全的電氣隔離。連接在放大器和揚(yáng)聲器之間的音頻變壓器也可以利用這種隔離特性。

我們在本節(jié)關(guān)于變壓器的介紹中了解到,變壓器是一種電氣設(shè)備,它允許正弦輸入信號(例如音頻信號或電壓)產(chǎn)生輸出信號或電壓,而無需輸入側(cè)和輸出側(cè)物理連接。這種耦合是通過將兩個(gè)(或更多)線圈(稱為繞組)的絕緣銅線纏繞在軟磁鐵芯上來實(shí)現(xiàn)的。

音頻變壓器

當(dāng)交流信號施加到初級輸入繞組時(shí),由于軟鐵芯的電感耦合,輸出次級繞組上會出現(xiàn)相應(yīng)的交流信號。輸入和輸出線圈之間的匝數(shù)比決定了施加信號通過變壓器時(shí)的增加或減少。

然后,音頻變壓器可以被視為升壓型或降壓型,但音頻變壓器不是繞制以產(chǎn)生特定的電壓輸出,而是主要用于阻抗匹配。此外,匝數(shù)比為 1:1 的變壓器不會改變電壓或電流水平,而是將初級電路與次級側(cè)隔離。這種類型的變壓器通常稱為隔離變壓器。

變壓器不是智能設(shè)備,但可以用作雙向設(shè)備,使得正常的初級輸入繞組可以成為輸出繞組,正常的次級輸出繞組可以成為輸入,并且由于這種雙向特性,變壓器在一個(gè)方向上使用時(shí)可以提供信號增益,在反向使用時(shí)可以提供信號損失,以幫助匹配不同設(shè)備之間的信號或電壓水平。

還要注意的是,單個(gè)變壓器可以有多個(gè)初級或次級繞組,這些繞組沿其長度還可以有多個(gè)電氣連接或“抽頭”。多抽頭音頻變壓器的優(yōu)點(diǎn)是它們提供不同的電阻抗以及不同的增益或損耗比,使其可用于放大器和揚(yáng)聲器負(fù)載的阻抗匹配。

顧名思義,音頻變壓器設(shè)計(jì)用于在音頻頻帶內(nèi)工作,因此可以應(yīng)用于輸入級(麥克風(fēng))、輸出級(揚(yáng)聲器)、級間耦合以及放大器的阻抗匹配。在所有情況下,都需要考慮頻率響應(yīng)、初級和次級阻抗以及功率能力。

音頻和阻抗匹配變壓器的設(shè)計(jì)與低頻電壓和電源變壓器相似,但它們的工作頻率范圍要寬得多。例如,20Hz 至 20kHz 語音范圍。音頻變壓器還可以在一個(gè)或多個(gè)繞組中傳導(dǎo)直流電,用于數(shù)字音頻應(yīng)用以及轉(zhuǎn)換高頻電壓和電流水平。

音頻變壓器阻抗匹配

音頻變壓器的主要應(yīng)用之一是阻抗匹配。音頻變壓器非常適合平衡具有不同輸入/輸出阻抗的放大器和負(fù)載,以實(shí)現(xiàn)功率傳輸。

例如,典型的揚(yáng)聲器阻抗范圍為 4 至 16 歐姆,而晶體管放大器輸出級的阻抗可能高達(dá)幾百歐姆。一個(gè)典型的例子是 LT700 音頻變壓器,它可用于放大器的輸出級以驅(qū)動揚(yáng)聲器。

我們知道,對于變壓器來說,初級繞組的線圈匝數(shù) (N P ) 與次級繞組的線圈匝數(shù) (N S ) 之比稱為“匝數(shù)比”。由于兩個(gè)繞組的每個(gè)單線圈匝內(nèi)都會產(chǎn)生相同量的電壓,因此初級與次級電壓比 (V P /V S ) 將與匝數(shù)比相同。

阻抗匹配音頻變壓器總是通過其匝數(shù)比的平方給出從一個(gè)繞組到另一個(gè)繞組的阻抗比值。也就是說,它們的阻抗比等于其匝數(shù)比的平方,也等于其初級與次級電壓比的平方,如圖所示。

阻抗比

音頻變壓器的詳細(xì)的知識

音頻變壓器阻抗比

其中 Z P是初級繞組阻抗,Z S是次級繞組阻抗,(N P /N S ) 是變壓器匝數(shù)比,(V P /V S ) 是變壓器電壓比。

例如,阻抗匹配音頻變壓器的匝數(shù)比(或電壓比)為 2:1,其阻抗比為 4:1。

音頻變壓器示例 No1

需要使用阻抗比為 15:1 的音頻變壓器來匹配功率放大器的輸出和揚(yáng)聲器。如果放大器的輸出阻抗為 120Ω。計(jì)算功率傳輸所需的揚(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗。


音頻變壓器的詳細(xì)的知識


阻抗匹配示例

然后功率放大器可以有效地驅(qū)動8歐姆揚(yáng)聲器。

音頻 100V 線路變壓器

另一種非常常見的阻抗匹配應(yīng)用是用于 100 伏線路變壓器,用于通過公共廣播擴(kuò)音系統(tǒng)傳輸音樂和語音。這些類型的天花板揚(yáng)聲器系統(tǒng)使用距離功率放大器一定距離的多個(gè)揚(yáng)聲器。

通過使用線路隔離變壓器,可以將任意數(shù)量的低阻抗揚(yáng)聲器連接在一起,以便它們正確地加載放大器,從而在放大器(源)和揚(yáng)聲器(負(fù)載)之間提供阻抗匹配,實(shí)現(xiàn)功率傳輸。

由于對于給定的電纜電阻,信號通過揚(yáng)聲器電纜的功率損耗與電流的平方 (P = I 2 R) 成正比,因此用于公共廣播 (PA) 或擴(kuò)音器的放大器的輸出電壓使用標(biāo)準(zhǔn)恒定電壓輸出電平,即峰值 100 伏 (均方根 70.7 伏)。

例如,驅(qū)動 8 歐姆揚(yáng)聲器的 200 瓦功放提供 5 安培電流,而使用 100 伏線路的 200 瓦功放全功率時(shí)僅提供 2 安培電流,因此可以使用較小規(guī)格的電纜。但請注意,只有當(dāng)驅(qū)動線路的功率放大器以全額定功率運(yùn)行時(shí),線路上才會存在 100 伏電壓,否則功率(音量較低)和線路電壓會降低。

因此,對于 100V(70.7V rms)線路揚(yáng)聲器系統(tǒng),線路變壓器將音頻輸出信號電壓升壓至 100 伏,以便給定功率輸出的傳輸線電流相對較低,從而減少信號損耗,從而允許使用直徑或規(guī)格較小的電纜。

由于典型揚(yáng)聲器的阻抗通常較低,因此每個(gè)連接到 100V 線路的揚(yáng)聲器都使用一個(gè)阻抗匹配降壓變壓器(通常稱為線到音圈變壓器),如圖所示。

100V 輸電線路變壓器


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100V 線路變壓器

在這里,放大器使用升壓變壓器,在給定功率輸出的情況下,以較低的電流提供恒定的 100 伏傳輸線電壓。揚(yáng)聲器并聯(lián)在一起,每個(gè)揚(yáng)聲器都有自己的阻抗匹配降壓變壓器,以降低次級電壓并增加電流,從而使 100V 線路與揚(yáng)聲器的低阻抗相匹配。

使用這種音頻傳輸線的優(yōu)點(diǎn)是,即使多個(gè)單獨(dú)的揚(yáng)聲器、擴(kuò)音器或其他此類聲音執(zhí)行器具有不同的阻抗和功率處理能力,它們也可以連接到一條線路上。例如,4 歐姆時(shí)功率為 5 瓦,或 8 歐姆時(shí)功率為 20 瓦。

阻抗匹配變壓器

通常,傳輸線匹配變壓器在初級繞組上有多個(gè)連接點(diǎn),稱為分接點(diǎn),允許為每個(gè)單獨(dú)的揚(yáng)聲器選擇合適的功率水平(以及音量)。此外,次級繞組也有類似的分接點(diǎn),提供不同的阻抗以匹配所連接揚(yáng)聲器的阻抗。

在這個(gè)簡單的例子中,100V 線路到揚(yáng)聲器變壓器可以在其次級側(cè)驅(qū)動 4、8 或 16 歐姆揚(yáng)聲器負(fù)載,其初級側(cè)的放大器額定功率分別為 4、8 和 16 瓦,具體取決于所選的分接點(diǎn)。實(shí)際上,PA 系統(tǒng)線路變壓器可以選擇用于任何串聯(lián)和并聯(lián)揚(yáng)聲器負(fù)載組合,功率處理能力高達(dá)幾千瓦。

但是,除了恒壓阻抗匹配線路變壓器外,音頻變壓器還可用于將低阻抗或低信號輸入設(shè)備(如麥克風(fēng)、轉(zhuǎn)盤動圈拾音器、線路輸入等)連接到放大器或前置放大器。

由于輸入音頻變壓器必須在很寬的頻率范圍內(nèi)工作,因此它們通常被設(shè)計(jì)成使得其繞組的內(nèi)部電容與其電感產(chǎn)生共振,以改善其工作頻率范圍,從而允許使用更小的變壓器磁芯尺寸。

我們在本教程中了解音頻變壓器時(shí)已經(jīng)看到,音頻變壓器用于匹配不同音頻設(shè)備之間的阻抗,例如,作為線路驅(qū)動器在放大器和揚(yáng)聲器之間進(jìn)行阻抗匹配,或在麥克風(fēng)和放大器之間進(jìn)行阻抗匹配。

與在 50 或 60Hz 等低頻下工作的電力變壓器不同,音頻變壓器設(shè)計(jì)用于在音頻頻率范圍內(nèi)工作,即從大約 20Hz 到 20kHz 或?qū)τ谏漕l變壓器來說更高的頻率。

由于頻帶較寬,音頻變壓器的鐵芯由特殊等級的鋼制成,例如硅鋼或具有極低磁滯損耗的特殊鐵合金。

音頻變壓器的主要缺點(diǎn)之一是體積較大且價(jià)格昂貴,但使用特殊磁芯材料可以實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)橐话銇碚f,變壓器磁芯尺寸會隨著電源頻率的降低而增大。


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