音響與音樂 之 電源變壓器
左增軍 / 2024-09-04
本期先說說電源變壓器相關話題：
電源變壓器，作為“家用電器”來說，似乎是非常簡單的元件，在過去，只要接觸電子行業，首先一個就是電源供應的問題，自從有交流電，就開始有變壓器，尤其是像我們這樣有一把年紀的人，對電源變壓器可謂是再熟悉不過了。我說這些只是想表達，電源變壓器非常常見而基礎性的東西。“把簡單的事情做好就是不簡單”，堅持、重復的做好簡單的事，才能走向成功！合抱之木，生于毫末；九層之臺，起于累土~累土即蔂土，也就是一筐土。對于膽機的電源變壓器來說，做好，還真不簡單。首先要有認真、敬業的心態，再簡單的事情“隨便”對待，也難免做不好，細節，細節很重要。這里談談我對電源變壓器的一些看法：
1、空載電流：變壓器次級全部開路時，初級接通額定電壓時顯示的電流為空載電流。空載電流由磁化電流（產生磁通）和鐵損電流（由鐵芯損耗引起）組成的。空載電流大小，主要由鐵芯導磁率、繞組圈數（也就是每伏匝數）決定。空載電流/額定電流（也就是變壓器滿載后的電流）的百分數，EI鐵芯一般在1~5%比較合適，CD、環型、O型、R型鐵芯可以做到0.1~2%。比如對于EI鐵芯、350W電源變壓器，額定電流按照220V計算為1.591A（簡單計算不考慮效率和其他），空載電流30mA，這樣：（0.03/1.591）*100 =1.88%~這只是大概，基本就ok。一般認為，空載電流越小越好，但都有個適度，合適就好~首先變壓器不應該出現振動噪音也就是嗡嗡聲。很多事情都具備陰陽兩面，看到好的一面，也要想到不好的一面，有利有弊的事情要針對性對待。有的朋友就要求空載電流只有1mA，可以！采用好鐵芯的情況下，無非是增加圈數，此時銅損可能增大很多，更因為內阻高，輸出電壓跌落厲害。單從空載電流這項指標看，EI鐵芯，早就應該淘汰。就跟電子管這樣的耗電大戶一樣，上世紀就已經淘汰了，但音響還在用。很多事情都有其多面性，全在你看到哪一面。EI鐵芯因為適應性強、容易加工、尤其是聲音厚暖而被發燒友所喜愛。缺點是，體積大、重量大、空載損耗大、且容易共振，尤其是出現共振，是一個很頭疼的問題。共振是什么？比如說變壓器獨立放在堅實的地面，自身沒有任何震動噪音，但放在機殼上就有較大震動噪音，這就是共振引起的，機殼充當了“聲放大器”，放大了震動，發出較大的震動噪音。日本有一些EI鐵芯變壓器，鐵芯縫隙直接用電焊焊牢（拆機、拆設備的朋友可能都見過），裝在機殼上同樣也會出現共振現象。
2、變壓器的嗡嗡聲或者說震動噪音~這里只說變壓器本身通過空氣傳播，或者經過機械連接傳產生的嗡嗡聲：首先我們先來了解一些，變壓器的嗡嗡聲是如何來的？
先來了解一下磁致伸縮（magnetostriction）：鋼片在被磁化的時候，會自行延伸，沒有磁化的時候，又恢復到原來狀態。這意味著變壓器由交流電壓和電流進行磁激勵，它在整個磁化周期內會伸展和收縮兩次~這個伸縮是肉眼看不到的，這就是磁致伸縮。因為磁致伸縮導致鋼片運動而產生的“嗡嗡聲（Buzz/Hum）”是不可避免的，這是材料本身特性，全世界都在關注。但為何常見的變壓器聽不到呢？主要是采用了較小的磁通量，讓鋼片的運動在很小的范圍內，我們聽不到也看不到。
理論上認為，環型、O型、R型鐵芯沒有震動噪音，沒有漏磁、磁導率很高（這只是在市電波形良好的情況下）。相比之下，EI鐵芯就差一些。但是，假如電網干擾較大，正弦波變形甚至有直流成分，無論什么形狀鐵芯都會出現不小的嗡嗡聲。尤其是市面上有些設計不合理的電器，其功率調節，是通過串聯一顆二極管來獲得，比如很多品牌的電飯鍋、電熱器、熱風槍等。低功率狀態，只是簡單的在回路串聯一個二極管，在阻性負載上便可得到近似一半的低功率調節。
但是，此時的市電回路中將會有直流成分，當然諧波分量會很大。此時不論什么類型的變壓器都會出現振動噪音~當然還有很多對電網產生污染的用電器的濫用。面對這樣的震動噪音，首先看一下是否任何時候都有，還是短時出現。理論上，越是無漏磁、磁導率很高的鐵芯，這種噪音越容易發生甚至越嚴重。比如用非晶鐵芯制作的環型、R型變壓器，噪音很容易出現。有的鐵芯廠家不得不把鐵芯中間切一道縫隙，填入橡膠等填充物等。也就是說，相比之下，這種鐵芯的抗市電干擾的能力會弱一些。
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CD鐵芯變壓器，在用久了以后因為鐵芯縫隙出現松動，會出現討厭的嗡嗡聲，有時候是很強的嗡嗡聲。這沒辦法，是CD鐵芯的通病，尤其是用螺絲固定的變壓器，很容易出現較大的嗡嗡聲。
EI鐵芯：EI變壓器因為有漏磁加上鐵芯縫隙，容易出現震動噪音，變壓器功率越大，越容易有嗡嗡聲。相對來講，電子工業部標準的鐵芯型號稍好一些。
3、變壓器的功率：對于如何選擇變壓器的功率，發燒友最好大致計算一下實際電路的消耗功率，以便選擇合適功率的變壓器。同樣是300B單端膽機，有的客戶選200W更有甚者選180W的，也有選500W-600W甚至更大的。一方面關乎到機殼大小，當然還有成本。一方面考慮溫升、安全性。一般參考是，電源變壓器的功率，為實際電路消耗功率的3倍左右，這樣溫升和體積都可以接受。電源變壓器是電路中的發熱大戶，電路所有的能量都來自電源變壓器。
那么如何計算電路實際消耗功率呢？這很簡單，但也很繁瑣，所以很多發燒友都懶得計算。電壓乘電流等于功率，這個都知道，燈絲耗電就這樣簡單計算就ok（認真來講，變壓器效率沒有百分百的，比如6.3V燈絲繞組實際輸出電壓在6.5VAC左右~根據效率不同而不同）。但是高壓有的朋友就不會或者容易計算錯誤，因為不確定如何選取電流值。其實變壓器中，高壓繞組也是這只變壓器的重要耗電者，其所占比例和發熱量也是很大的，所以需要給高壓繞組留出足夠的余量。假如負載直流用到200mA，那么交流繞組的電流取0.4A就ok（真有朋友電路直流電流用200mA，交流繞組也要0.2A的，他認為回路電流是一樣的。我說這肯定不行，別問我為什么）。
關于高壓繞組的電壓值的計算，如果用晶體管、全波或橋式整流，濾波電容容量足夠大的時候，理論值是交流電壓的√2倍。但膽機的高壓，所用的濾波電容容量，都達不到低壓電路那樣的“大水塘”，頂多也就幾百微法，一般經驗值是1.25倍左右（小負載電流比如幾十mA，可能達到1.3-1.35倍）。有的電路使用小濾波電容，比如幾十到100μF甚至更低，輸出直流電壓有可能是0.9倍左右。所以首先要看電路元件數值，再確定變壓器繞組電壓值。沒錯，現在有很多電路仿真軟件，大家可以嘗試著用軟件大致選擇一下元件和繞組參數，但這并不是絕對想要的參數。膽機高壓本就是高內阻，電流的改變、內阻的變化，都會影響輸出電壓的大小。
有的朋友也會提出一些“很好玩兒”的想法：比如說定做350W變壓器，要求次級功率增加到450W，實際使用還是350W，增加到450W就是為了增加余量，或者增加備用繞組，不一定同時使用。這種情況也必須增加變壓器功率，而不能依然用350W的鐵芯尺寸，因為繞線窗口繞不下增加的部分，雖然只有次級增加余量，增加的繞組也需要占用空間，鐵芯固定的繞線窗口也是容不下的。我估計這位朋友是個領導，做事喜歡讓對方“通融”一下^_^。假如是出350W的價格，做450W變壓器，這個在價格上“通融”是可以的，但實際的產品容量無法通融，繞線窗口是固定不變的，增加繞組就只能減小其他繞組線徑，增加功率只能是自欺欺人。
關于電源變壓器的屏蔽：做膽機最頭疼的事情就是交流聲，所以為了省事，很多電路設計全部直流點燈絲，甚至穩壓供電。隨著元器件性能的提升，高壓穩壓也變得輕松容易。這樣的話，對電源變壓器的要求相對較低，有的變壓器不用屏蔽層都可以。但是做真正傳統意義上的膽機，變壓器的屏蔽還是很重要的，我做膽機絕大多數都是采用交流直接點燈絲，而且基本不采用穩壓電路（所謂穩壓，其實就是通過深度負反饋，得到穩定的電壓輸出，相比之下，其動態內阻會高出傳統π型濾波電路~個人觀點僅供參考）。比如常見2A3、300B單端，我多年來一直用交流燈絲且不靠負反饋解決交流聲。如此一來對每個元件尤其是電源變壓器等有較高的要求，首先屏蔽層，最低要求是初級、次級之間的屏蔽，正規一點還要有：初級與鐵芯、高壓與燈絲、整流管燈絲與放大管燈絲、小信號放大管燈絲與其他繞組之間的多重屏蔽層，最低用0.15mm厚的銅板（而不是很薄的銅箔）重疊包繞一圈，且達到線包寬度的99%以上。這個很關鍵，假如屏蔽層未重疊，或者留有1-2mm縫隙，或者只包裹線包寬度的80-90%左右，那么屏蔽效果會差很多（有人認為，屏蔽包裹90%，屏蔽效果也是90%，也差不多了，其實不然，這個時候屏蔽效果可能只有百分之幾十）。要求高的比如直熱管前級所用變壓器，最好加上坡莫合金做磁屏蔽。當然，屏蔽越多，占用繞線空間也越多，這肯定需要鐵芯體積較大。電源變壓器要求小巧玲瓏，無論用什么高級材料，似乎屏蔽和發熱性能都不能做好。所以一顆好的變壓器，每個細節都需要處理好。
對于電源要求比較高、希望得到干凈、純凈的電源供應的場合，比如做直熱管前級、純凈隔離電源等，可以用超隔離（深隔離）電源變壓器，隔離、屏蔽效果可以達到95以上。變壓器本身是將初級和次級置于獨立屏蔽的空間內，以獲得良好的屏蔽效果。超隔離變壓器上世紀主要用于醫院、科研、實驗室等部門，今天我們移植過來用于高端音響，除了體積大一些，其電性能指標非常優異。
對于目前市電干擾比較大，各種諧波污染，我們也開發了電源變壓器的窄帶技術，就是通低頻、濾高頻，對于幾百Hz的以上的污染，徹底屏蔽、吸收。大禹治水的故事大家都知道，可是大禹他父親鯀（gun）治水不利被殺，可能許多人不知。鯀當時只采用堵、截、加固加高堤壩的方式治理水患，非常努力但只有失敗。而大禹治水，是采用疏導方式，通九山、導九川、定九州。對于電源各種污染，除了加強屏蔽，我的窄帶技術增加了吸收功能，未被屏蔽的污染信號被徹底吸收，輸出端可以恢復干凈、良好的電性能。當然，增加窄帶技術，無疑也伴隨體積增大，成本提高。
關于電源變壓器的安裝：有時候會出現這樣的現象，變壓器單獨通電的時候，不響不叫，一旦安裝到機殼上面，會有很大的嗡嗡聲。這是怎么回事呢？這是共振，機殼變成“聲放大器”，這跟機殼強度有關，尤其是比較薄且強度不夠的鐵板機殼，或者不足3mm左右的鋁板機箱。有的機殼雖然用料不厚，但是有加強筋，或內部有一體的多槽支撐板等，比如內部分割成幾個腔室，這明顯的增加了機殼強度。產生共振的可能性較低。對于機殼已經定型，如何減少共振的發生，需要合理的把變壓器與機殼“機械隔離”，也就是，從本質上講，變壓器包括安裝螺絲，與機殼之間沒有直接連接的地方（電阻表測試絕緣不通），都是通過減震墊連接。請參考下圖：
安裝上雖然有些麻煩，但基本上可以減少嗡嗡聲的發生。圖中的“PVC減震墊”也可以用尼龍T型墊代替，看下面這個樣子，穿螺絲的部位需要根據機殼厚度自行裁短，以便能安裝到位。
這里再說一下臥式安裝的變壓器，因為抽頭方式只在線包的一端，繞組圈數只能整圈，沒有半圈抽頭。假如需要多種燈絲繞組，比如：0-2.5V-5V，0-3.15V-6.3V，想要電壓準確，中心抽頭準確，涉及到每伏匝數的限制，多抽頭之間相互牽涉，有些規格的變壓器就有些困難，有時候就可能出現電壓不準確（或高或低），或者抽頭不準確，這是無法改變的事實。
如果條件允許，大家可以放心的選擇封裝變壓器，因為，封裝變壓器在內部已經將變壓器、外罩之間做了減震處理，且牢牢地與外殼固定，完美的解決了變壓器安裝出現的問題。而且，封裝變壓器加裝有通風槽、導熱管，無懼發熱導致的問題。前幾年我推出封裝變壓器的時候，引來很多人的非議，現在看很多是灌封的變壓器。
未完待續
