音響與音樂 無關玄學 （二）
左增軍 / 2024-02-13
接上期 前面簡單說了一下電感和輸出變壓器的好壞甄別，本期接著說輸出變壓器話題。
關于輸出變壓器初級電感量：我們都知道，電感量越大，感抗就越大，相對低頻效果會越好。但什么事情都要講究個適度、合適，一切合適就好，不要一味的追求單個指標。在相同的條件下，電感量越大意味著初級圈數越多，初級圈數越多，分布電容就越大，高頻便無法保障。
上面只是基本的要求，拋開電流說電感只會陷入絕境。沒錯，從感抗指標來說，感抗（impedance）XL=2πfL，電感量越大，感抗也越大，也就是在電路中相同頻率下，呈現的電阻越高。但對于阻抗、電感都相同、不同體積大小（繞組線徑不同）的輸出牛，在路實際測試低頻表現也會有所不同甚至相差很多，大體積的輸出牛即便電感量再小一點，低頻也容易保證，這是問什么呢？還有相同或相近的初級阻抗，不同的初級電流，對電感量的要求也不同。比如有的805單端選用5k的初級阻抗，EL84單端也用5k阻抗，那么初級電感量要求相同嗎？所以不能僅從電感量指標來定義輸出牛的低頻表現。最好以上機實測為準。我本人調試膽機，一般都是根據實際上機表現確定輸出牛的各項參數。具體多少阻抗、多大電感量，一般有個經驗數據。
關于輸出變壓器功率、體積：目前市面上相同功率的輸出牛，體積大小相差太多，簡直是五花八門，因為缺少一個行業標準。首先一點大家都知道，輸出牛功率的選擇，大約等于實際輸出功率的3-5倍。可能有的朋友不明白為何要選3-5倍，就拿電阻功率的選擇來說，假如電路中一顆在路實際消耗5W的電阻，比如300B陰極電阻，我們實際會選擇多大呢？10W可以嗎？不可以，因為還是太燙，一般需要選擇20W以上。一顆常見的2W電阻器，在路應用一般不要大于0.4W的實際耗散功率，否則熱穩定無法保障。輸出變壓器也一樣，銅線的熱穩定系數很差，滿功率應用時，因為溫度上升，內阻會升高很多，對輸出牛整體性能影響較大，所以一般情況下選擇輸出牛的功率大一些是正確的。但輸出牛體積增大，分布電容成倍增大，高頻則無法保障。所以很多市面上的輸出牛都是小體積的，以便讓測試指標看上去還行。小輸出牛就算測試時低頻還可以，但實際聽感中、低頻會差一些，就像一個3寸喇叭和8寸10寸喇叭的聽感對比。
關于輸出牛的鐵芯面積/體積：對于一顆50Hz的電源變壓器，我們知道如何選擇鐵芯面積，采用優質鋼片，電子工業部標準的GEB型號鐵芯，鐵芯面積S=k√P，式中k是一個常數，100W以上取1.25左右，P是變壓器功率。比如說100W電源變壓器，鐵芯面積S=1.25*√100=12.5，用GEB26*45-50就可以。假如用機械工業部標準的EI型號鐵芯，需要選用EI32*45-50。這是用于50Hz電源變壓器的鐵芯面積的選取。對于音頻輸出變壓器，由于低頻要求20Hz，體積會大很多。先說推挽輸出牛，其體積大約是電源變壓器的3-5倍。為何是這樣？我們先來看下每伏匝數的選取：
假設頻率為50Hz，鐵芯面積=26*50，空載磁感應強度為1計算（為方便計算），每伏匝數=3.465。那么在20Hz時，同樣的鐵芯情況下，按照上式計算每伏匝數則變成8.6625，再加上繞線系數的變化，輸出牛肯定不能像電源牛那樣亂繞滿繞，所以推挽輸出牛的體積相當于電源牛的3倍以上是有道理的。
對于單端輸出牛，體積則更大一些。因為鐵芯有縫隙，初級電流越大，縫隙越大，否則鐵芯飽和（這個請參考上期話題），一般情況下單端牛的鐵芯面積，是推挽牛的1.5倍以上。
影響輸出變壓器高、低頻表現的其他幾個因素：
一、浸漆：無論輸入、輸出、推動變壓器，無論采用什么樣的繞制工藝，最后只要線包被浸漆，無論是簡單涮漆，還是真空浸漆，都會因為分布電容增大而導致高頻下降很多。經我手維修的很多國外名牛，大多是不浸漆處理的。輸出牛不浸漆，裸奔，會帶來安全性、穩定性的麻煩，環境的變化，容易讓絕緣下降從而導致擊穿，更有甚者引出接線點容易發霉直至斷開。所以上世紀歐美變壓器大多是高頻蠟浸（不能用普通蠟代替），尤其是小音頻牛。本人維修過無數常見的“名牛”，小的信號耦合變壓器之類，基本都是高頻蠟浸。對于較大的推動牛、輸出牛，大多是瀝青灌封，以確保絕緣和性能。早期拆解進口牛，僅從表面上觀察就斷然復制，經常會鬧一些笑話。當然學費還是要交的，經過反復實驗驗證后的東西才是真正的經驗。高頻蠟浸或者瀝青，也有一個弊端那就是，對漆包線尤其是很細的信號牛所用的漆包線，有一定的腐蝕而導致斷線現象，這是本人維修有問題的“名牛”較多的一個例子，從密封情況看，外殼已經用焊錫焊接牢固，比如HS-1升壓牛等，不考慮受外圍環境的影響。可能是本身蠟的雜質還是什么原因？本人能力有限，不得而知。矯情一點會說這屬于化工方面的專業知識，交給專業人士處理。
看到這里您可能疑惑，音頻變壓器不能浸漆，浸蠟也有一定的危險，那么應該如何處理絕緣和保障性能穩定、不受環境影響呢？本人經過二十多年努力總結出，變壓器最好處于真空狀態，像電子管那樣，整個線包繞制好以后，驅潮-密封-抽真空，也就是輸出變壓器做好以后，自身做好絕緣（無論耐壓要求1000或者3000V都需要按照規定做絕緣處理）、檢測好性能指標，然后整體處于真空環境，不需要絕緣漆、瀝青、蠟之類的絕緣材料，會獲得更好的表現，新一代的左氏變壓器都是這樣封裝的。回想起本人推出真空油浸輸出牛也有十幾年了，實驗驗證線包處于真空環境，即便不油浸，變壓器性能還是有一定優點的。
二、鐵芯形狀的選擇：目前常見的鐵芯形狀有：EI、CD/XCD（殼式）、ED/XED（心式）、O型、環型鐵芯，首先看磁路長度，磁路長度越長，低頻越無保障。所以盡量選取磁路長度短的型號。再有就是漏磁的考慮，比如EI鐵芯如下圖：
機械工業部標準鐵芯尺寸是，鐵芯邊的寬度等于中間舍寬的1/2，也就是鐵芯中間的磁力線均分左右兩半。電子工業部標準鐵芯尺寸是，鐵芯邊的寬度大于中間舍寬的1/2，恰恰是大這一點點，讓漏磁減少很多，這可以讓音頻變壓器表現更佳。很多人認為，其實差一點影響不大，甚至覺得沒什么影響，對于要求不高，不考慮性能的發燒友來說，當然是沒什么問題。更何況，目前市面上流行的絕大多數鐵芯型號，都是按照機械工業部標準尺寸，因為這也是國外早期的鐵芯標準。那位喜歡國外變壓器的朋友就說了，既然國外都用的標準那還有不好嗎？拋開情感說事實，國外的東西不一定就好。我們都知道中國的發展稍微的遲后一些，國外發展都快成熟了，國內才起步。但是正因為這樣，中國的標準訂立的就比較合理，因為我們已經參考了各種標準的利弊，肯定采用經過驗證了的更好的標準，比如與我們息息相關的交流電壓，日美采用的是100/110V AC，中國就用的是220V AC，很明顯從市電傳輸特性上講，220V會優于110VAC電壓（不要問我為什么），所以后來美國的一些新興城市或者有條件的地方，也有采用220VAC標準。再比如，美國的軍機、衛星等適用的標準甚至采用的芯片，您以為就是最先進的3nm、7nm？NO，絕對趕不上中國的軍機、衛星等使用的芯片。再比如華為的5G技術，M國之所以瘋狂打壓，正因為害怕，正因為已經超越了。回過來說音頻變壓器，假如您對聲音有較高的要求，還是應該用電子工業部標準鐵芯。左氏變壓器一直堅持采用電子工業部標準尺寸，也是因為明白道理，堅持真理。
C型鐵芯常見的有以下幾種型號：CD/XCD（殼式）、ED/XED（心式），其結構尺寸不同，特性也有所不同。那么很多人說的雙C鐵芯是怎么回事？其實是從CD鐵芯演變出來的，我們都知道，CD鐵芯的磁路長度較長，有人就用2付CD鐵芯組合成一副鐵芯使用，一般組合為心式結構，也有組合成殼式結構，因為心式結構的橫向尺寸很長，比例不合適。這樣做，依然磁路長度還是比較長。前些年有人做出了3CD或4CD結構，其實這只是個人發揮，并非正規鐵芯型號。這樣的結構受單個CD鐵芯尺寸的限制，整體結構尺寸比例不合理。
三、鐵芯材料對聲音的影響：首先說一下材料厚度，早期的鐵芯，一般比較厚，為0.5mm。隨著高頻變壓器應用的出現，材料厚度有0.35、0.3甚至0.2、0.1mm。本人經過多年的實驗驗證，硅鋼片厚度越薄，聲音的高頻分量越好，而低頻的表現則變差。對于EI變壓器來說，采用導磁率很高的取向硅鋼片并非好事兒，雖然其徑向導磁率很高，但同時橫向磁阻也變得很大。非晶鐵芯，導磁率很高，材料厚度很薄達到0.02甚至更低，其聲音的表現呈現剛性，有人說趨向“銀”的音色，低頻特性很好，但中低音的彈性、寬松不足。
對于推動變壓器，基本也是參考上述要求，但是關鍵的問題是，推動變壓器的阻抗一般都較高。我們都知道，阻抗越高，意味著圈數越多，也就導致高頻更不容易做好，所以很多電路想盡一切辦法不用推動牛。目前有名的推動牛比如NC14、NC20等，其標稱阻抗也只有5k左右，因為只有低阻抗才能獲得高性能。這樣就導致應用場合受到局限，不能用于常見管比如6SN7之類，又因為電流限制，最大30mA以內，也不能用于EL84、6L6之類電子管。推動變壓器，如果次級不并聯電阻，那么初級會呈現出高阻狀態，這就使得帶寬變得很低。有些電路呢為了測試指標只能在推動牛次級并聯較小的電阻，但這又使得推動電壓的擺幅受到壓縮和限制。所以，一顆好的推動牛的確非常不易，尤其是高阻抗推動牛，阻抗越高越不容易做好。
關于信號輸入牛（耦合牛），這個因為不通過直流，制作相對簡單一些。一般認為只要有足夠的帶寬就可以，其實不然，還要考慮插入損失和信號擺幅。插入損失大，也就是加重了音源的負載，對信號線和音源不利，為何有的信號耦合牛接上去聲音變得很假、發悶、發混，或者沒有低頻，聲音不鮮活，就是這個道理。關于信號擺幅，現代CD唱機，一般輸出信號電壓可達2V，這就要求輸入牛允許在一定的信號擺幅狀態下，有良好的表現，尤其是升壓牛，升壓越高，要求的信號擺幅越大。
關于輸出牛的插入損失：主要是變壓器的損耗，有鐵芯損耗和繞組損耗（假如阻抗在合理范圍內）。鐵芯損耗又分為磁滯損耗（hysteresis loss）和渦流損耗（eddy current in core）。所以輸出變壓器不僅僅要選擇好的鐵芯材料，還要盡可能合理的選擇鐵芯形狀（合理的寬高比），還要合理的選取導線直徑。對于輸出變壓器，漆包線載流量一般不大于2.5，比如一顆30W的輸出牛，次級8Ω的電流A=√30/8=1.94A，單根漆包線直徑： D=1.13√（電流I/密度J），需要選φ1.0以上，以盡可能降低繞組損耗。假如是多根并聯，那么就按照電流/并聯根數選取線徑。
關于線包繞制工藝，原本寫了一些，想了想還是刪掉了，避免引起不必要的誤會和麻煩，在這個繁雜的社會環境下，我選擇了簡單，認真做好自己這是首要的，其他的刪繁就簡。
2023年，ChatGPT生成式AI的出現，可以說改變了每個行業甚至每個人的生活，本人自小就對新生事物好奇，ChatGPT不僅可以根據自己的命題生成文本，還可以根據自己的要求生成逼真的畫像。我就不服氣了，是否可以用ChatGPT生成一個輸出變壓器設計方案呢？回答是肯定的，但是需要大量的前期投入，用大量的時間和精力反復調試，我花費了太多的時間調試，直到今天還是不很完美，但已經看到希望了。我堅信，ChatGPT超越自己的大腦只是時間問題。我同時拿出一定的時間和精力用在調試膽機電路的自動生成，限于時間和精力，我希望有感興趣的朋友加入進來，共同開發。
未完待續
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