Все, что здесь написано, я проверял экспериментально.

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.

Это все ерунда — об этом вообще можно не задумываться!!!

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 научных 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 по электронной почте с автором статьи Константином Никитиным, доктором технических наук, профессором, заведующим кафедрой Силовой электроники в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. Бонч-Бруевича. 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.

Давайте разберемся.

Что плохого в этом подмагничивании? Плохо то, что трансформатор работает на переменном токе и не работает на постоянном. Поэтому, если на переменном токе ток вторичной обмотки компенсируется током первичной, то на постоянном такой компенсации не происходит. И постоянный ток дополнительно намагничивает сердечник трансформатора, который и без того уже намагничен под завязку. Ток первичной обмотки при этом сильно повышается, обмотка сильно нагревается. Хорошо, если сгорит предохранитель в первичной обмотке, а не сама обмотка.

Вот как выглядит ток трансформатора (на холостом ходу, чтобы не мешал ток, отдаваемый во вторичную обмотку):

Возникает подмагничивание грубо говоря так: когда ток сети протекает через обмотку трансформатора в одном направлении, усилитель от выпрямителя потребляет ток. Поэтому ток трансформатора большой. Когда ток в трансформаторе меняет направление, усилитель перестает потреблять ток, и ток в трансформаторе маленький. Получается, что в одном направлении через трансформатор протекает больше тока, чем в противоположном. Ток, текущий только в одном направлении и есть постоянный ток. Поскольку этот ток определяется током нагрузки блока питания, то ни схема выпрямителя, ни сопротивление обмоток на постоянный ток не влияют – он получается как некоторый процент от тока нагрузки.

Более научно появление постоянной составляющей объясняется так. Ток, потребляемый усилителем от источника питания изменяется во времени. И ток, отдаваемый трансформатором с одной стороны переменный 50 Гц, с другой — меняется еще и пропорционально току усилителя. Происходит перемножение этих токов (точнее законов их изменения). Такое перемножение называется модуляцией, когда сигнал частотой F изменяется по величине пропорционально сигналу с (меньшей) частотой f. Все это описывается уравнением:

Здесь m – коэффициент модуляции, показывающий во сколько раз амплитуда модулирующего сигнала отличается от амплитуды несущей. В радиосвязи обычно 0< m <1. А в нашем случае m намного больше. Примерно можно считать, что

Модулированный сигнал состоит из 3-х частот: F-f, F, F+f. Первая и последняя называются боковыми полосами. Это давно доказано и изучено, это элементарная радиотехника.

Если выходной каскад работает в классе А, то m =0 (меньше нуля m не бывает). И действительно, при этом ток, потребляемый усилителем от источника питания неизменен, и никакой модуляции не происходит. При усилении в классе АВ или В ток каждого плеча выпрямителя – это ток одного полупериода выходного сигнала усилителя.

Весь ток представляет собой последовательность полупериодов частотой 25 Гц, причем только положительных – направление тока не важно, оно все равно коммутируется диодами. Смысл в том, что ток или потребляется, или нет. И именно по такому закону изменяется амплитуда тока сети – она либо увеличивается на пике сигнала, либо уменьшается.

Ток такой вот формы состоит практически из одной только второй гармоники усиливаемого сигнала. Для сигнала частотой 25 Гц 2-я гармоника равна 50 Гц. При модуляции образуются боковые частоты:

Очевидно, что одна разностная частота равна нулю – это и есть постоянная составляющая. Вот как выглядят осциллограммы этих токов:

Я так подозреваю, что эти все формулы тоже могут быть не совсем точными: либо m вычисляется не совсем так, либо его нельзя применять вот так «в лоб». Так что вполне возможно, что реальный постоянный ток может быть как в 3 раза больше, чем вычисленный по формулам, так и в 3 раза меньше. Мне это не важно — я же не диссертацию тут пишу! Главное, что физика процесса показана верно, и понятно что откуда и почему берется. Должен заметить, что поскольку про подмагничивание было известно более 10 лет назад, то вся теория наверняка существует. Для меня здесь важны только 2 вещи:

1. Подмагничивание постоянным током реально существует
2. В реальной работе по воспроизведению звукового сигнала об этом подмагничивании можно не беспокоиться.

Теперь по поводу тороидальных трансформаторов. Мощность трансформатора никак не связана с сопротивляемостью подмагничиванию (т.к. мощность определяется толщиной проводов обмоток), поэтому увеличение мощности практически ничего не даст. Практически – потому что если взять трансформатор с мощностью больше, чем требуется, то в отсутствии подмагничивания он будет работать с недогрузкой и греться меньше нормы. Поэтому у него будет немного больше запас по допустимому нагреву при подмагичивании. Однако, рост тока первичной обмотки происходит настолько сильно, что этот запас по мощности будет заметен только если мощность трансформатора раз в 10 превосходит номинальную.

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, но это тоже не выход – индукцию снизить в 2…3 раза нереально, а снижение индукции в меньшей степени не спасет.

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.

05.09.2010