收音机输出变压器的设计

收音机一般是使用低阻抗的扬声器，它不能直接作为功率放大器屏路的负载，必须通过变压器来匹配，这种变压器位在输出端，所以叫做“输出变压器”。输出变压器是根据放大器的工作状态、输出功率、所需的最佳负载，以及整机的频率特性等要求进行设计的。

为便于讨论，把图1的电路改画成图2的等效电路。AB的左边是电子管屏路的交流电动势μU\(_{1}\)和内阻Ri。ABCD虚线方框内即是输出变压器部分。L\(_{1}\)为初级的电感，r1和r′\(_{2}\)分别为初级和次级反射到初级的绕线电阻，Ls1和L′\(_{s2}\)分别为初级和次级反射到初级的漏感，漏感是由于有些磁通没有完全交连到全部线圈所造成，其效果是减少了有效电感，故相当与负载串联。CD的右边则是扬声器的阻抗反射到初级的负载，L′2为其电感成分，R′\(_{2}\)为电阻成分。

理想的变压器应该是初级电感L\(_{1}\)为无穷大，绕线电阻r1和r′\(_{2}\)，以及漏感Ls1和L′\(_{s2}\)为零，这样，变压器的特性与频率无关，也没有损耗。但实际上是做不到的，只有在中间的一段频率范围内，L1的阻抗较大，而L\(_{s1}\)、L′s2和L′\(_{2}\)都较小，电路接近于纯电阻性，输出较为均匀。

电子管屏路的负载，也只有在中音频率范围内才是匹配的，此时负载电阻R\(_{a}\)=r1+r′\(_{2}\)+R′2。

输出变压器的损耗，主要是绕线电阻所产生，铁心的损失相比起来是很小的，可以忽略。输出功率对输入功率之比，称为变压器的“效率”，从中音频率的等效电路可以求出，输入功率P\(_{1}\)=I1\(^{2}\)（r\(_{1}\)+r′2+R′\(_{2}\)),输出功率P2=I2\(_{1}\)R′2，所以效率η=P\(_{2}\)/P1=R′\(_{2}\)/(r1＋r′\(_{2}\)＋R′2）。

放大器连带输出变压器在内的增益，一般也在中音频率时计算，此时K=U\(_{2}\)/U1=K。\(_{nη}\)，其中K。为电子管栅极至屏极的增益。

当频率逐渐降低时，L\(_{s1}\)、L′s2和L′\(_{2}\)的作用愈来愈小，而L1的阻抗也逐渐减小，故输出也就逐渐降低，如图3，同时因匹配变坏，非线性失真也不断增加。如果要低音频的特性好，就应增加铁心和初级圈数以加大L\(_{1}\)，但随着也增加了材料和成本，只能根据情况采取折中的方案。所以收音机的低音电压特性主要受到输出变压器的限制。

在高音频率时，L\(_{1}\)的影响可忽略，但Ls1、L′\(_{s2}\)和L′2的作用开始显著，这时的输出特性较为复杂，可分下列三种情况：（甲）若L\(_{s}\)／L′2=R/R′\(_{2}\)，则频率特性曲线是平直的，如图3的曲线（1），其中Ls=L\(_{s1}\)＋L′s2，R=R\(_{i}\)+r1+r′\(_{2}\)；(乙）若Ls/L′\(_{s2}\)>R/R′2，则曲线是下降的，如曲线（2）；（丙）如果L\(_{s}\)／L′2<R／R′\(_{2}\)、那么，曲线就上升了，如曲线（3）。在使用电子注管和五极管的场合，内阻Ri比负载R′\(_{2}\)要大得多，靠增加漏感Ls来补偿是办不到的，故特性曲线总是处于（3）的状态。所以高音时输出增加，同时负载也不匹配，非线性失真也很大，使得听起来有刺耳的尖声，故需要采取高音偿补等措施。

当频率高于数十千赫时，输出变压器内的分布电容开始有影响，使高音频率的输出逐渐降低，但在普通的收音机里，可以不考虑这种影响。

为了消除上述高音时输出和非线性失真的增加，通常采用二种补偿的办法。

一种是在AB端接入一个串联的R\(_{1}\)C1 网络，见图1，当频率增高时，电感支路的阻抗虽然增加，但电容支路的阻抗却减小，所以负载总的变化不大。如果选配得R\(_{1}\)=r1+r′\(_{2}\)+R′2=R\(_{a}\),C1=（L\(_{s}\)+L′2)/R\(_{2}\)则RB端的阻抗变为纯电阻性，即ZAB=R\(_{a}\)，称为“永久谐振”，此时，输出与频率无关，很为平直，如同图3的曲线（1），而且非线性失真也不增大。在实用上，为了减小R1上的损耗，使R\(_{1}\)=（1.5～2）Ra，C\(_{1}\)约在0.005～0.05微法，输出特性虽较“永久谐振”条件时差一些，但已能满足一般需要。

另一种办法是在AB端接入一只数千微微法的电容器C，其作用除了和上述一种有点相似外，还使得在高音频时与初级电感L\(_{1}\)发生谐振，如图3的曲线（4），谐振频率一般在5～10千赫之间，利用谐振以后急剧衰减的特性，可以很好地滤除收音机的高音噪声频率。因谐振回路的Q值不高，谐振的峰顶较为平坦，不会在谐振频率附近发生尖声的毛病。而谐振以前附近的高音频率有些提升，对补偿收音机中放级中频变压器通频带的限制也是有好处的。

如果放大器接有负反馈电路，则因负反馈本身就能减小频率失真和非线性失真，上述几种补偿网络可以省去，若反馈量不深，也可以同时加用。

铁心内磁通密度和磁场的关系不是直线性的，所以信号通过输出变压器以后要产生非线性失真，失真的程度是随着磁通密度的增加而增大。磁通密度B与输入到变压器的功率P\(_{1}\)的平方根成正比，与变压器的工作频率f、铁心截面积Qc和初级绕线匝数W\(_{1}\)成反比，它们之间的关系是：B=1.13×10\(^{7}\)（1+η)\(\sqrt{P}\)1R\(_{a}\)/(fQcW\(_{1}\)），而初级电感L1则是与Q\(_{c}\)及W12成正比,所以，设计输出变压器铁心的截面积Q\(_{c}\)和初级圈W1，除了能达到所需的电感L\(_{1}\)外, 同时还要保证在最大输入功率和最低工作频率时，磁通密度不致过大，使得非线性失真不超过允许值。当正确设计时，变压器的失真与功率输出管的失真相比是很小的。

使用在单管输出级和推挽输出级的输出变压器,计算方法有些地方不同。这里只讨论常用的5瓦以下单管输出级的变压器。计算步聚如下:

1．确定初级电感：

其中R\(_{a}\)为电子管屏路所要求的负载电阻，单位为欧。fк为最低工作频率。M为中音频率的增盎与f\(_{к}\)时的增益的比值，一般可为3分贝左右。若是3.5分贝，即M=1.5时，公式可简化为L1≈R\(_{a}\)/7fк。f\(_{к}\)在三级机时可取150～200赫。一级机可取80～100赫。

2. 选择铁心截面积：Q\(_{c}\)=L1I\(^{2}\)\(_{ao}\)/3000（平方厘米）。其中Iao为通过变压器的直流磁化电流，即电子管的屏流，单位为毫安。

通常三级机的铁心为Ш型，中心宽1.4～1.6厘米，叠厚1.4～2厘米。一级机的铁心为Ш型，中心宽2～2.5厘米，叠厚2～3厘米。

3．计算初级圈数，以达到所需的电感

4．检查最大磁通密度：

B\(_{m}\)=1.13×10\(^{7}\)(1＋η)\(\sqrt{P}\)1mR\(_{a}\)/(fкQ\(_{c}\)W1）（高斯）。其中P\(_{1m}\)为最大输入功率；效率η在1～5瓦的输出变压器通常为70～80%。使用普通硅钢片做铁心而功率在上述范围的输出变压器，最大磁通密度Bm 应小于6000高斯。如超过此数，需加大Q\(_{c}\)和增加W1。

5．初、次级的圈数比：n=\(\sqrt{R}\)\(_{o}\)/(Raη），其中R\(_{o}\)可将扬声器的标称阻抗代入，一般是在400赫时所测得。

6．次级圈数：W\(_{2}\)=nW1（圈）

7．计算导线直径：通常由电流密度来决定。

初级导线的直径d\(_{1}\)=0.023\(\sqrt{I}\)aD(毫米，包括漆皮在内）

次级导线的直径d\(_{2}\)=0.7\(\sqrt{4}\)\(^{P}\)2/R\(_{o}\)（毫米，包括漆皮在内）

8．求出铁心空隙的宽度：交流机单管输出级的变压器内有较大的直流磁化电流，铁心需加一个空隙，否则会降低初级电感和增加非线性失真。每边的空隙D= （W\(_{1}\)Iao／16）×10\(^{－5}\)（毫米)。用相当于此厚度的绝缘纸充填即可。

9．验算线包能否装进铁心：求出初、次级导线所需绕的层数和厚度，加上绝缘纸及线圈架等所占的厚度，检查能否放进铁心的窗口里去，否则应加大铁心重新计算。一般应使窗口的宽度等于计算所得的线包总厚度的1.1～1.3倍。

10. 检查匹配程度：根据所确定的初、次级圈数和导线直径，分别求出初、次级平均每圈长度，乘以圈数，得到总长度。再在一般导线数据表上查出单位长度的直流电阻值，乘以总长度，分别算出初、次级的电阻r\(_{1}\)和r2。

r\(_{1}\)+r2/n\(^{2}\)+R\(_{o}\)/n2之和应接近于所需的负载电阻Ra，如相差较大，应调整效率η值或导线直径，重新计算。

如简便一些，也可在绕好处后用欧姆表测量出初、次级的直流电阻r\(_{1}\)+r2，再行验算。

在普通的收音机音频放大器里，一般具有上述高音补偿网络或深度不大的负反馈，对频带宽度和相移程度也要求不高，故输出变压器的漏感和分布电容影响不大，在绕制时可以用最简单的方法，通常用层绕法先绕完初级，再绕上次级。因初级线径较细，需另用粗线或焊片引出。

如果放大器有深度的负反馈，或其他特殊目的，需要很宽的频带和很小的相移，则变压器的漏感和分布电容成为限制高音特性的因素，故必须采用初、次级分段、分层、夹绕等办法来降低漏感和分布电容。

小功率输出变压器绕线的层间绝缘衬垫，初级通常用厚0.05毫米左右的电话纸（或牛皮纸等）；次级则用0.12毫米左右的电缆绝缘纸。初级线包对次级线包和铁心之间，均需耐受较高的电压。初、次级间的绝缘可用0.12毫米的缆纸3、4层。线圈架一般采用无框的纸心，可用厚0.2毫米的青壳纸2层加0.12毫米的电缆纸2～4层做成。

为了增加变压器的防潮和耐热等能力，最好用清漆浸渍处理。简单的条件下，放在石腊或地腊中煮一煮对防潮也有好处。

设电子管要求的负载电阻为5500欧，直流屏流32毫安，输入到变压器的功率2瓦，扬声器的标称阻抗3.5欧。计算一架三级机的输出变压器。

1．初级电感L\(_{1}\)=5500／（7×150）=5.2亨利，其中fк选150赫。

2．铁心截面积Q\(_{c}\)=5.2×322/3000=1.8平方厘米，选用Ш型铁心中心宽1.6厘米，叠厚1.6厘米，则Qc=1.6×1.6×0.9=2.3米，平方厘米。其中0.9为铁心的占空系数。

3．初级圈数W\(_{1}\)＝40×5.2×32/2.3=2900圈。

4．最大磁通密度B\(_{m}\)=1.13×10\(^{7}\)(1+0.75）\(\sqrt{2×55}\)00/（150×2.3×2900）=2060高斯，这是允许的。其中η取75%。

5．初、次级圈数比

6．次级圈数W\(_{2}\)=0.029×2900=84圈。

7. 初级导线直径d\(_{1}\)=0.023\(\sqrt{32}\)=0.13毫米(包括漆皮在内)。

次级导线直径d\(_{2}\)=0.7\(\sqrt{4}\)\(^{(}\)2×0.75)/3.5=0.56毫米（包括漆皮在内）

8．铁心每边空隙宽度D=（2900×32／16）×10\(^{－5}\)=0.058毫米。用0.06毫米的电话纸一层充填，铁心顺插。

9．验算线包能否装进铁心；所用铁心窗口高24毫米，见图4。设初级绕线时两端各留空2毫米，则初级每层可绕（24-2×2）÷0.13=150圈，需绕层数=2900÷150=20层。设层间绝缘纸厚度为0.05毫米，则初级线包共占厚度=0.13×20＋0.05（20－1）=3.55毫米。设次级绕线时两端各留空3毫米，每层可绕（24－3×2）÷0.56=32圈，需绕层数=84÷32=3层。设层间绝缘纸厦0.12毫米，则次级线包共占厚度0.56×3＋0.12×(3-1）=1.92毫米。设线圈架占厚0.8毫米，初、次级间绝缘用0.12毫米电缆纸4层，占厚0.48毫米，次级外层用电缆纸2层，占厚0.24毫米。则线包总厚度为0.8＋3.55＋0.48＋1.92＋0.24=7毫米，可以放进8毫米厚度的窗口中去，但需绕得紧凑一些。

10．检查匹配程度：参看图5。初级线圈每匝平均长度=2×16+2×16+8×0.8+4×\(\frac{1}{4}\)×2π×3.55;2×1.1=82.7毫米,其中1.1为制作中线包松起的因数。初级总长度=82.7×2900=240米，直径0.13毫米的漆包线每米的电阻查得为1.84欧，故初级线圈的电阻为1.84×240=440欧。次级线圈每匝平均长度为2×16＋2×16＋8×0.8＋2π(3.55＋0.48＋12×1.92)1.1=105毫米，次级总长度=105×84=8.85米,直径0.56毫米的漆包线每米的电阻为0.0857欧，故次级线圈的电阻为0.0857×8.85=0.76欧。

440+0.76/0.0029\(^{2}\)+3.5/0.0292=440+904+4160=5504欧，与原来要求的5500欧较为接近，可认为合适。（俞锡良）