Päätemuuntaja – teoreettista tarkastelua

[EugPoh]

A. Tavalliset verkkomuuntajat.

1. Tekussa opittiin, että muuntajasydämen magnetointi tottelee peruskaavaa e = – n x (dFii / dt).
Jossa:

e = sähkömotorinen voima
n = käämin kierrosluku
dFii/dt = magneettivuon muutosnopeus

Miinusmerkki tulee siitä, että sähkömotorisen voiman suunta on päinvastainen kuin jännitteen käämin yli. Sähkömotorinen voima on tekijä, joka ”tappelee” käämin päälle kytkettyä jännitettä vastaan, eikä päästä virtaa välittömästi ryntäämään.

2. Luettuani keskusteluplstoja alkaa syntä kuva, että vallalla on muutamia väärinkäsityksiä muuntajan toiminnan suhteen. Ehkä yleisin on, että ajatellaan, että muuntajasydän ”kuljettaa” tehoa ensiöstä toisioon. Näin ollen ajatellaan, että tämä ”tehonkuljetus” on se, mikä kuumentaa muuntajarautoja. Vaikuttaa siltä, että mm kuuluisalla oppikirjojen kirjoittajalla Jukka Ahorannalla on vähän pallo hukassa liittyen magnetismiin ja muuntajiin.

Niin kauan kuin ensiön vaihtojännite on vakio, on myös muuntajan magnetointi vakio. Magnetointi ei riipu muuntajan kuormituksesta. Rautasydän ei ”kuljeta” mitään. Rautasydän luo magneettivuolle kiinteän reitin ja pitää vuon kasassa. Toisioon syntyy jännitettä induktion perusteella kohdan 1 kaavan mukaisesti.

Kun toisiossa alkaa kulkea virtaa pyrkii se heikentämään magnetointia. Ensiökäämin sähkömotorinen voima pienenee ja sen ”vastatappelu” heikkenee. Enemmän virtaa pääsee kulkemaan ensiössä ja magnetointi palautuu.

Muuntajaa lämmittävät:
a. Raudan hystereesihäviöt (riippumattomia muuntajan kuormituksesta)
b. Raudan pyörrehäviöt (riippumattomia muuntajan kuormituksesta)
c. Käämien resistanssihäviöt

Muuntajan vastinekytkennässä nämä voi ymmärtää ensiön kanssa sarjaan kytkeytyvinä vastuksina. Kuormitustilanteessa osa ensiöjännitteestä häviää lämpötehona näissä virtuaalivastuksissa. Ensiön sähkömotorinen voima näkee nyt pienemmän ensiöjännitteen. Vastaantapeltavaa ensiöjännitettä on vähemmän, minkä seurauksena magnetointi heikkenee. Ja heikentynyt induktio pienentää toision sähkömotorista voimaa ja sen seurauksena toisiojännitettä.

Se, että rautasydäntä täytyy suurentaa suuremmilla tehoilla on puhtaasti teknisen toteutuksen vaatima asia. Suuremmilla virroilla pitää käämilangan poikkipintaa kasvattaa ja käämi vaatii enemmän tilaa. Suuremmat raudat vaativat vähemmän käämikierroksia. Suuremmat raudat myös lisäävät muuntajan jäähtymistä . Jotta saadaan toteutuskelpoinen muuntaja voi vaadittavan sydämen poikkipinnan laskea suurinpiirtein kaavalla:

A/cm2 = 1,2 x neliöjuuri(Teho/VA)

Tämä kaava on puhtaasti empiirinen, eli kokeilemalla rykäisty.

3. Kun taajuutta nostetaan heikkenee magnetointi. Periaatteessa voi käämien kierroslukumäärät puolittaa kun taajuus on kaksinkertainen. Sydämen magnetointi on nyt sama. Hankaluuksiksi muodostuvat nyt hystereesihäviöt ja pyörrehäviöt.

Rautdan magnetointikäyrä ei ole sama nousussa ja laskussa. Nouseva magnetointi noudattaa S –käyrän oikeaa laitaa ja laskeva sen vasenta laitaa. Laitojen välillä oleva pinta-ala kuvastaa yhden jakson hystereesihäviötä. Kun jaksoja on enemmän suuremmalla taajuudella tulee S –pinta-aloja enemmän per sekunti. Hystereesihäviöt siis kasvavat suurin piirtein samassa suhteessa kuin taajuus nousee. Pyörrehäviöt sen sijaan nousevat rajusti taajuuden kasvaessa.

Surahammar Bruk, nyk. Cogent-Power, Ruotsissa valmistaa muuntajarautalajikkeita eri ominaisuuksilla.

Tarkastellaan kidesuunnattua lajiketta NO20-1200. Magnetoinnilla B = 0,4 T.

taajuus / Hz häviöt / W/kg
50 0,19
400 2,34
2500 35,5
5000 96,8
10.000 286

http://cogent-power.com/cms-data/downloads/Hi-Lite_NO20-1200.pdf

Äänitaajuuksilla rautahäviöt ovat jo niin suuret, että niitä kuvaavat sarjavastushäviöt ovat suuret. Vastaantapeltavaa ensiöjännitettä jää jäljelle kovin vähän, minkä johdosta ensiön sähkömotorinen voima jää pieneksi. Induktio jää pieneksi ja sen takia toisiojännite jää pieneksi.

4. Yleiseti kerrotaan myös, että tasavirta magnetoi muuntajaa ja että se pienentäisi suuresti muuntajan kuormitettavuutta. Ajatellaan, että puoliaaltotasasuuntaus, jossa todellakin on suuri tasavirtakomponentti, vaatii ylimitoitetun muuntajan.

Edelleen pysytään kohdan 1 kaavassa. Se sanoo, että toisiovirta eri muodoissaan ei vaikuta magnetointiin. Jos toisiosta otetaan vain yhden puolijakson aikana virtaa ”peilaa” muuntaja tämän tilanteen ensiöön päin. Muuntaja ottaa verkkovirtaa vain puolijakson ajan, jos mukaan ei lueta magnetointivirtaa tietysti. Asia on tietysti aivan toinen, jos ensiöön syötetään puoliaaltosuunnattua jännitettä. Silloin rauta perusmagnetoituu voimakkaasti.

On yritetty rakentaa säädettäviä virtalähteitä hakkaamalla ensiöjännitettä triakkien avulla. Perusajatus on kyllä hyvä. Ongelmallista on ollut saada positiivisten ja negatiivisten puolijaksojen hakkaus täysin symmetrisiksi eli toistensa peilikuviksi. Epäsymmetria aikaansaa ensiöön tasavirtakomponentin.

Aikoinaan tuli rakennetuksi akkulaturi tällä periaatteella. Muuntaja oli 230 V / 24 V 150 VA jonka ensiötä hakkasi triakki MAC77-6. Toisiossa oli kokoaaltosilta, josta latausvirta otettiin. Virtaa otin ulos noin 4 A tehollisarvoa, mikä kiertokelamittarilla mitattuna vastasi noin 2,6 A keskiarvoa. Se toimi kyllä varsin hyvin. On ilmeistä, että hakkauksen epäsymmetria jäi pieneksi. Idea tuli Tekniikan Maailman numerossa 18/1973 julkaistusta valourkujen rakennusohjeesta, josta tuli sovellettua värikanavan perussäätökytkentää.

Se, että muuntaja lämpiää kovasti puoliaaltotasasuuntauksella taitaa johtua siitä, että ei ymmärretä eroa tehollisarvon ja keskiarvon välillä. Puoliaaltosuunatun virran tehollisarvon on huimasti suurempi kuin on sen keskiarvo. Tehollisarvo on se, minkä perusteella muuntajan volttiampeerit, VA, valitaan. Sen sijaan akkujen latausaika lasketaan latausvirran keskiarvon perusteella.

B. Päätemuuntaja

1. Vaikutta siltä, että ajatellaan, että päätemuuntajasydämen magnetointikäyrän tulisi olla mahdollisimman suora nollasta täyteen lähtötehoon asti, jotta saavutetaan lineaarinen taajuusvaste. Tähän kyllä pyritään em syystä mutta se ei ole lineaarisen antotehon ehdoton edellytys.

Päätemuuntaja magnetoidaan paljon heikommin kuin verkkomuuntaja. Selitys on lähinnä siinä, että silloin induktiivinen raudan magnetointivirta jää pienemmäksi. Kaupan päälle tulee silloin, että magnetointi liikkuu lineaarisemmalla alueella.

Tarkastellaan ensin päätepentodin käyttäytymistä. Havaitaan, että jos hilaesijännite on sama kun anodijännite nousee, nousee silti myös anodivirta. Bipolaaritransistori ei käyttäydy näin. Kollektorivirta on sama kun kantavirta on sama, vaikka kollektorijännite vaihtelee. Luvallisissa rajoissa tietenkin.

Tästä seuraa vanha toteamus, että bipolaaritransistori on virtavahvistin ja putki on jännitevahvistin. Suunta on oikea mutta olisi täsmällisempää sanoa, että putki on molempia.

Kuvitellaan tavanomaista push-pull pentodipääteastetta ja otetaan muuntajan magnetointivirta mukaan tarkasteluun. Lisäksi oletetaan, että kovaääninen on irtikytketty.

Toisen pentodin hilalle tulee positiivinen puoliaalto. Pentodin hilajännite nousee, eli sen negatiivinen esijännitteistys pienenee. Anodivirta pyrkii kasvamaan ja anodi alkaa vetää muuntajan ensiö-puoli-päätä alaspäin, eli kohti miinusta. Ensiöpuolikas näkee tämän jännitteen nousuna, jota ”vastatappelemaan” magnetointimuutos kehittää sähkömotorista voimaa. Jännite on suurimmillaan hilapuoliaallon huipussa, joten magnetoinnin kasvunopeus on silloin suurimmillaan. Jännitepuolijakson huipun jälkeen jännite pienenee, mutta magnetointi kasvaa yhä. Magnetointi lakkaa kasvamasta vasta kun hilapuoliaalto on laskenut nollaan ja anodijännite siis palannut käyttöjännitetasolle. Magnetointivirtaa kulkee siis yhä itseinduktion aikaansaamana. Putki ei tässä pisteessä haluaisi anodivirtaa mutta muuntajan itseinduktio nostaa anodijännitettä yli käyttöjännitteen niin paljon, että putken on pakko päästää magnetoinin ”jäännösvirtaa” lävitseen. Tämä onnistuukin, koska päätepentodi on esijännitteistetty AB –luokkaan. Putki menee sulkutilaan vasta pitkän matkaa negatiivisella hilapuolijaksolla. Jos putki olisi esijännitteistetty puhtaaseen B –luokkaan nousisi magnetoinnin itseinduktion takia anodijännite vaarallisen korkealle. Seurauksena voi olla plasmapurkaus putken sisällä ja se on entinen.

Muuntajan magnetointivirta kulkee 90 astetta jännitettä perässä. Magnetoinnin jäännösvirtaa ei saa kerrasta poikki. Se puskee itsensä läpi mistä vaan nostamalla sähkömotorista voimaa että tulee läpilyönti jossakin.

Kuvitellaan sitten tilanne, että pentodin tilalla on bipolaaritransistori. Magnetoinnin jäännösvirran itseinduktio nostaa siis kollektorijännitettä. Kollektorivirta ei kuitenkaan pysty kasvamaan koska se tottelee vain kantavirtaa. Induktio nostaa kollektorijännitettä paljon korkeammalle, suhteellisesti, kuin putkiskenaarion anodijännitettä koska putken anodivirta voi kasvaa kun anodijännite nousee.

Transistoriskenaariossa transistori ajaa virtaa muuntajan ensiökäämiin kantavirran perusteella. Positiivisen puolijakson alussa virta kasvaa nopeasti, mikä saa muuntajan sähkömotorisen voiman, ja siten käämijännitteen, hyppäämään korkealle tasolle. Jakson edetessä virran kasvu hidastuu mutta kasvaa kuitenkin, mikä saa sähkömotorisen voiman ja jännitteen laskemaan. Virta kasvaa mutta jännite pienenee. Puolijakson huipussa virta on huipussaan mutta se ei kasva, eikä pienene. Silloin sähkömotorinen voima ja jännite on nollassa. Virtaohjaus saa jännitteen kulun edistämään suhteessa virtaan. Jännite on 90 astetta virtaa edellä. Kun muuntajaa sitten kuormitetaan pienenee magnetointivirran suhteellinen osuus ja jännitteen vaihe-edistämä pienenee mutta edistämää on silti sen verran paljon, että se sekottaa vastakytkentälaskelmia. On pakko käyttää voimaksta vastakytkentää jos halutaan, että muuntajan lähtöjännite jotenkin seuraa kantavirtaa. Pääteranistorien ja muuntajien yhteispelistä tulee nykivää, koska vastakytkentä pakottaa transistorit edistämään ajallisesti suhteessa kuormajännitteeseen. Kantavirran pitäisi siis kyetä ”ennakkoaavistaa” mitä tuleman pitää.

Putki on siis paljon parempi ”magnetointi-poisto-venttiili” kuin on bipolaaritransistori. Päätemuuntajan käämien kierrosmäärää pyritään pitämään suurena ja täten raudan magnetointia pienenä.

Kun päätemuuntajaa ja sen kautta päätepentodeja kuormitetaan pienenevät magnetointi-takaisku-virrat suhteesa kuormavirtoihin.

Ideaalitilanne olisi, että saisimme pentodien anodijännitteitä seuraamaan vain ja yksiomaan hilajännitteitä. Tämä tarkoittaisi, että pentodit päästäisivä lävitsensä epämääräisiäkin virtoja mennen tullen. Osittain putket toimivatkin näin. Bipolaaritransistorit eivät ollenkaan. Putkipääteasteiden yksinkertaisuus selittyy pitkälti tästä. Transistoripääteasteissa joutuu käyttämään josminkäkilaisia vasta- ja linearisointikytkentöjä.

Korkeammilla taajuuksilla alkavat rautahäviöt häiritä lineaarista toimintaa. Vastinekytkennän sarjavastuksien tehot suurenevat ja muuntajakäämi saa suhteellisesti vähemmän vastaantapeltavaa jännitettä kun osa siitä häviää virtuaalivastuksissa. Joudutaan turvautumaan vastakytkentään, joka toimii siten, että kun muuntajan lähtöjännite pienenee, pienenee myös vastakytkentä. Toisin sanoen. Pentodien driver-triodin hilalle pääsee läpi enemmän alkuperäisestä ohjauksesta.

Näkee väitetyn, että ylärekisteriä rajoittavat myös käämien hajakapasitanssit. En ole itse kovin vakuuttunut kajakapasitanssien merkityksestä. Itse pidän rautahäviöitä suurimpana ylärekisterin vaimentajina.

Vastakytkentä on hyvä, mutta silmukasta, triodi – päätepentodit – päätemuuntaja – vastakytkennän piirit, tulee pitkä kun palaute otetaan päätemuuntajan toisisosta ohjaus-triodille. Teknisesti tämä tarkoittaa, että palaute on aina hiukan ajallisesti jäljessä suhteessa triodin ohjaukseen. Tämä aikaviive aiheuttaa epälineaarista säröä, joka ymmärtääkseni kuulostaa ilkeältä, koska se ei ole harmonista säröä. Kun tullaan sellaiselle taajuudelle, että viive vastaa 180 astetta vaihesiirtoa voi vahvistin alkaa värähdellä, jos silmukkavahvistus on yli 1. Suodinkytkennöillä joutuu leikkaamaan voimakkasti ylärekisteriä, jotta vahvistus on alle 1 jo 135 asteen vaiheensiirron taajuudella, mikäli kytkentä ei jo luonnostaan vaimenna ylärekisteriä.

Herää tarve saada vastakytkentäsilmukka lyhyemmäksi. Eräästä mahdollisuudesta olikin jo puhetta. Pentodin anodijännitettä voisi tuoda vastus-jännittenjakokytkennällä osa suoraan pentodin hilalle ohjauksen rinnalle. Tämä tosin pienentää ohjausimpedanssia huomattavasti. Toinen epäkohta on, että silloin ei ole päätemuuntajan vaimennuksen kompensointia kuvassa mukana. Tämä jälkimmäinen epäkohta on kuitenkin helppo korjata ylärekisterin korostuskykennöillä etuasteissa.

Jos halutaan päätemuntajan kompensointia mukaan vastakytkentään voisi pohtia seuraavaa ratkaisua. Järjestetään ensin molemmille pentodeille omat katodivastukset esijännitteistämiseen. Varustetaan päätemuuntaja kahdella lisäkäämillä. Laitetaan ensimmäisen pentodin katodivirta kulkemaan ensimmäisen lisäkäämin läpi ennen katodivastusta. Ja sitten toisen pentodin virta toisen lisäkäämin läpi. Nämä heiluttelisivat pentodien esijännitteistyksiä vastavaiheisesti. Päätemuuntajan ylärekisterihäviöt kompensoituisivat osittain. Nämä apukäämit tunnistaisivat rautahäviöt ja ensiökäämien häviöt. Toisiokäämin häviöitä ne eivät tunnistaisi mutta se onkin vähemmän merkityksellistä.

20.05.2016 Mäntsälä  Eugen Pohjola

18.06.2016. Olen tutkinut VOX AC30 päätevahvistimen soveltuvuutta HiFi päätevahvistimeksi. Samalla on arvioitu kitaravahvistinpäätemuuntajan soveltuvuutta HiFi -päätemuuntajaksi. Raportti on luettavissa blogissani:  eugpoh17.)blogspot.com.

20.06.2016. Blogissani  eugpoh18.blogspot.com  on tarvittavaa perustietoa muuntajien laskemiseen.

23.02.2017. Blogissani  eugpoh11.blogspot.com  on harratajarakentamista tarkasteltu Sähköturvallisuusmääräysten näkökulmasta.

[teemumm]

Vastakytkentä on hyvä, mutta silmukasta, triodi – päätepentodit – päätemuuntaja – vastakytkennän piirit, tulee pitkä kun palaute otetaan päätemuuntajan toisisosta ohjaus-triodille. Teknisesti tämä tarkoittaa, että palaute on aina hiukan ajallisesti jäljessä suhteessa triodin ohjaukseen. Tämä aikaviive aiheuttaa epälineaarista säröä, joka ymmärtääkseni kuulostaa ilkeältä, koska se ei ole harmonista säröä. Kun tullaan sellaiselle taajuudelle, että viive vastaa 180 astetta vaihesiirtoa voi vahvistin alkaa värähdellä, jos silmukkavahvistus on yli 1. Suodinkytkennöillä joutuu leikkaamaan voimakkasti ylärekisteriä, jotta vahvistus on alle 1 jo 135 asteen vaiheensiirron taajuudella, mikäli kytkentä ei jo luonnostaan vaimenna ylärekisteriä.

Hyvää juttua muuntajista. Tähän vastakytkentää koskevaan juttuun tosin kommentoisin, että mitään viivettähän ei vahvistimien vastakytkennässä esiinny (tai se on hyvin pientä koska sähkökenttä kuitenkin kulkee vahvistimessa valon nopeudella). Nuo vaihesiirrot aiheutuvat siis ainoastaan piirin induktansseista ja kapasitansseista.

Takaisinkytkentä ei itsessään mitenkään lisää epälineaarisuutta, oli siinä sitten vaihesiirtoa tai ei. Jos meillä on täysin lineaarinen piiri johon lisätään takaisinkytkentää on sekin täysin lineaarinen piiri. Vain taajuusvaste on tasaisempi.

Kuitenkin jos piirissä on epälineaarisia elementtejä kuten putkia, ne tuovat piiriin epälineaarisuutta. Jos esim. triodin itsessään aiheuttama särö on pääasiassa toista harmonista, niin takaisinkytkentää lisäämällä piirin kolmas harmoninen särökomponetti voi lisääntyä vaikka kokonäissärö pienenisikin. Tämän voi ehkä hahmottaa siten, että vastakytkentä tuo tämän 2. harmonisen särökomponentin etuasteelle jossa päätaajuuden ja tämän 2. harmonisen särökomponentin intermodulaatiosärönä syntyykin sitten 3. harmoinen särökökomponentti. Tätä ilmiötä voi tutkia helposti ihan Spice-simuloinneilla. 2. harmonista särökomponenttia saa olla jopa 2-3% ennenkuin vahvistin alkaa kuulostaa huonolta. 3. harmoninen taas saa vahvistimen kuulumaan kamalalta hyvin pienissäkin määrin.

Korkeilla taajuuksilla esiintyvät epästabiilisuudet saa helposti korjattua lisäämällä takaisinkytkentäsilmukkaan suodatusta. Miten tämä sitten vaikuttaa säröspektriin onkin mielenkiintoinen kysymys.

Matalilla taajuuksilla aiheutuvien oskillointien korjaaminen onkin sitten ainakin oman kokemuksen mukaan hankalampi juttu. Onkos kenelläkään ideoita tähän?

[Julkaisija]

Artikkelit