第4-5節 輸出入變壓器概說
我們都知道裝有輸入變壓器及輸出變壓器的擴大機,其週率特性是要受該變壓器自身的特性的優劣所支配的。但是有時縱使所用的變壓器的特性極為優秀,而因使用的方法不當,以至所得到的特性卻甚為惡劣。故輸入及輸出變壓器的週率特性,可以說完全取決於變壓器自身的特性與其使用方法。現在筆者願就此等變壓器的特性的其使用方法之不同,略述其對於週率特性影響的差異。(蘇桑註：文中之"週率"現稱為"頻率")(另摘高傳真視聽第276期文章-「MHz」到底是「兆赫」還是「百萬赫茲」？註:大約在三、四十年前,無線電頻率的單位其實並不是「赫茲」(Hertz),而是「週」(Cycle),在那個時候,收音機的刻度盤上面印的是Kc及Mc,即Kilo Cycle與Mega Cycle的意思,那時中文就直接稱為千週或是兆週,後來不知道是哪一個國際單位,也許是世界無線電學會吧,為了紀念發現電磁波的赫茲先生(德國物理學家Heinrich Hertz,1857-1894),乃決議把無線電頻率的單位改為「Hertz」就如同電壓的單位為「伏特」(Volt)、電流的單位為「安培」(Ampere)、電阻的單位為「歐姆」(ohm)一樣,全是人名,於是我國的政府(應為交通部)也就明令國內的電台、電視台把「千週」改為「千赫」,「兆週」改為「兆赫」,從此以後收音機的頻率刻度也就變為KHz及MHz了！所以,各位讀者若是在逛古董店的時候,看中一台古董收音機,老闆又說這是40年以上的機種,這時,你只要看看頻率刻度是Kc、Mc或KHz、MHz就知道是真偽了！)
第4-6節 A類與AB1類放大所用輸入變壓器
放大級之採用變壓器交連方式者,若將輸入變壓器置於電源變壓器一類的浮游磁場內,容易接受電磁感應,並且價格方面也頗昂貴,不甚可取。話雖如此,但是只要把輸入變壓器的次級圈抽出中心抽頭便容易構成倒相,所以多被作為推挽式放大之用。下面所說到的各種紀錄,都是A類與AB1類放大(亦即不使用放大管有柵電流通過的放大)所採用的輸入變壓器。
普通的使用方法如第1圖A,圖B是表示包括真空管在內的週率特性,此種特性可以說是變壓器交連的典型的特性。在低音週率處所以下降的原因,乃是受了變壓器的初級圈感應量的影響,又於高音週處所呈現的峰癲(Peak)乃是由變壓器的磁漏與有效分佈電容量所形成的諧振所致。
第2圖示表示因初級圈感應量的大小不同,低音部分特性差異的情形,此乃假想具有10KΩ屏內阻的真空管在理論上的曲線。由此可知,要想低音部分的情況良好,務必使初級圈的感應量愈大愈好。
真空管中具有10KΩ左右的屏內阻者有6J5,6C5,76已即將五級管6SJ7,6C6等接成三極接音法者。使用這一類真空管,要想得到十分低音週率都能做均衡的放大,則其初級圈感應量必須要在100H以上,但實際上這是很成問題的。其原因如第1圖A所示,當真空管的屏流流入初級圈方面時,則變壓器的鐵心必發生直流磁化作用,故使初級圈感應量遠較最初時之值為小。有時鐵心未裝有空隙的變壓器,雖僅受有數mA的直流屏流,其感應量甚至會比不流通屏極電流的變壓器要低到一半以下。這種情形尤其是圈數愈多愈為顯著。因此很難達到100H。即使鐵心具有空隙的變壓器,要想保持40H也不很容易。所以像第1圖那樣直接把變壓器一次方面插於放大管的屏極回路的方法,其所能獲得的低音部特性自屬有限了。
第3、4兩圖,是表示對漏磁與有效分布電容量給予一個假定的值,在理論上可能呈現的諧振峰。此時真空管的屏內阻也假定為10KΩ。由該圖中可以知道,分佈電容量及漏磁多者,其諧振週率愈低,而且奇峰癲(Peak)的高度也愈有加高的傾向。所謂有效分佈容量者,就是變壓器的線圈的分布電容量及初次級間和它們與鐵心間的容量,乃至於次一級真空管的輸入電容量是也。故因次級真空管的種類不同,高音部的諧振點多少也有點出入,再者由於變壓器的接續極性關係,其諧振點多少也有移動的傾向。欲求高音部的特性良好,一定要使用漏磁和分布電容量極少的變壓器。
第5圖是用20H的初級圈感應量的變壓器,以三種屏內阻不同的真空管,比較其低音部的輸出的圖面。依照該圖所示,很明顯地屏內阻不同的真空管對於低音部的特性愈有利。
但是,也有不然的,請看第6圖：屏內阻過低的真空管,其高音部的峰癲反而愈見升高,這也是不如理想的事情。又如屏內阻過高的真空管,在高音部方面也很難出現,換句話說,也就是不堪使用。由此證明,真空管的屏內阻應以具有10KΩ者最為適合。
此一事實,從第7圖的比較看來更為明顯。同樣的變壓器,假使前級管用五極管6F6接成三極接法時,低音部的情形固然很好,但高音部的峰癲必然變高,又如使用6SQ7的話,就如同廣域的調諧電路一樣,除某一點外,無論高音部或低音部都很惡劣。在這中間比較合適的只有6J5。如不用6J5,可改用五極管6SJ7,6C6的三極接法,或6C5或76都行,因為那樣週率特性與6J5完全一樣,很合理想的。
要想防止變壓器初級圈方面因受前級管的屏極電流影響而發生感應量下降現象,只需採取第8圖之並聯饋電方式即可奏效。尤其是使用高導磁率鐵心的變壓器,更非採取並聯饋電不可。並聯饋電還有一個特長,就是可以利用交連電容器與變壓器的線圈感應量的諧振來補償低音部的週率特性。以高音部的特性而言,即使採用並聯饋電,與採用串聯饋電(即屏流直接流入初級圈)的情形,在根本上並無不同。
第9圖說明在一定的變壓器的情形下,而變換交連電容器的容量,低音部的輸出究竟有如何變化。請注意,電容量愈大時則諧振週率極愈彽,同時期峰癲也愈彽。當電容量到達2uf以上時,峰癲幾乎完全消失。此乃以屏內阻10KΩ的真空管為例,所假想在理論上應有之曲線。事實上在低域動作時,固然能得到這樣的特性,但如在全帶域動作時,其諧振點多少要往低的方面移動的。
第10圖是假設交連電容器的容量不變,而以初級圈感應量不同的變壓器比較的結果。變壓器的初級圈感應量愈大,則特性曲線就愈朝低音部延展,同時其峰癲也愈高。
我們試就地9、10兩圖加以檢討,雖說利用諧振可以改善低音部的輸出情況,但在諧振以下的週率,卻急趨下降,其輸出反而更為惡劣。由此可見,即使採用並聯饋電,也還應選用初極感應量最大的變壓器。又如想要得到理想的特性,更應使用大容量的交連電容器,以避免諧振峰癲為佳。同時我們還可以看出,如果使用低音部輸出惡劣的初極感應量小的變壓器,無論你採取並聯饋電,利用諧振,而輸出艱難的低音的低音部還是依然故我,絲毫不能獲得改善。蓋我們所能寄望於並聯饋電者,只是為防止直流進入初級圈方面,使感應量高的變壓器不致低下而已。故僅可以說比較串聯饋電式者,容易獲得較好的低音特性罷了。
第11圖是以三種屏內阻不同的真空管,分別用於並聯饋電時所比較的結果。從這裡可知道：好像6SQ7那樣屏內阻愈高的真空管,愈難得到較佳的特性。並且好像6F6接成三極接法那樣,屏內阻極低的真空管,也頗有「過猶不及」之感。然而即使屏內阻的真空管,只要把它的負荷電阻Ro降為10kΩ,特性固亦可獲得改善,但那樣一來就失去使用高放大係數真空管的意義了。
第12圖示說明即使是同一變壓器,也會因負荷電阻值之變化而使其特性多少發生變化的。還有一點市途中所省略了的,就是因陰極電阻Rk值(圖中為2.8kΩ)的選定方法,也會使得特性有變化的傾向,不過沒有12圖那樣顯著罷了。尤其是向13圖那樣的接續方式,假如陰極的傍路電容器的容量不十分大的話,則低音部的特性就會受到影響,又假如取去這一電容器而構成所謂電流負回授時,則對於高音部又發生影響(見第13圖曲線),故也不合適。此種現象不限於採用並聯饋電式才會發生,即如第1圖那樣的接續方式,亦每屢見不鮮。
第14圖是表示在次級方面接一適當值的電阻,以使同時產生等化之效,這種方法的增益難免略微低下,但頗為大家所樂於採用。
綜上論述,可知初級圈感量應盡量加大,反之,漏磁和分布電容量卻應儘可能地予以縮小,但其限界則應考慮經濟條件而決定之。以使用方法而言,在真空管方面最好能採用6C5或76三極管接成三極接法,至於採用並聯饋電方式自不待言了。
從一般情形看來,所謂輸入變壓器在構造上為減少分布容量起見,其線圈多採分層疊繞方式,又為減少漏磁起見,則多採用所謂「三明治」(Sandwich)式繞製方法,而且其初級圈數並不太多,因此為求獲得較高的感應量,又常採用高導磁率的鐵心,這種變壓器性能頗為優越。至於線圈的直流電阻的大小,除了特別高的情形以外,對於性能大都無甚關係。從次級線圈的中點開始,其兩半邊的直流電阻縱然不能平衡,也全無問題。關於變壓比問題,如以尺寸、結構、品質相同的變壓器來做個比較,變壓比愈低者特性愈好。又自實際使用上來說,次級圈方面的阻抗(Impedance)的界限,應抑制於50kΩ之下,所以假使前級所用的真空管是屬於6C5一類而屏內阻rp為10KΩ左右的話,則其變壓比應為：
換言之,只要在1:2的限度以內就可以了。
第4-7節 AB2類或B類所用的輸入變壓器
有柵電流流通的強力放大級,亦即所謂AB2類或B類所用的輸入變壓器,則與上節所述者大不相同了。
就AB2類與B類而言,當其輸入音週電壓的振幅再負半週以內時,柵極電流即難以外流,固真空管的屏內阻是無限大的,然而當輸入振幅在正半週時,柵極電流遂即外流,其對次級強力放大管的柵級輸入電阻之值必變得相當的低。因此在此種場合之下所用的輸入變壓器,在小信號動作時,恰如次級方面被開放著的一樣;如大的輸入信號電壓到來時,則次級圈方面就好像次級強力放大管的柵極內部電阻受有負荷的一樣。此乃如第15圖所示,因輸入變壓器的次極圈方面為了適應從被開放的(a)的狀態到接受負荷的(b)的狀態之動作信號,故常常發生變化。但如係以零柵負壓使其動作的B類放大用真空管(例如6N7)的話,則當其動作時,柵極電流馬上就會流動,故次級圈方面就經常地像15圖(b)那樣成為負荷狀態。
這些放大器上所用的輸入變壓器,普通都是採取降壓式(Step-down)對比的。而且其前級管［即所謂末級推動管(Driver)]亦多採用強力三極管。例如以輸出電功率20~30瓦特的強力放大管所用的末級推動管而言,則多採用6F6強力五極管接成三極接法,輸入變壓器的變壓比為1:0.5 x 2,即全對比為1:1上下,而且線圈的電阻值也多是很少的。
第16圖是比較次級強力放大管柵極電流流通與不流通時的週率特性變化的型態圖。
高音部的輸出情形其所以隨著動作狀態而變化者,完全是受漏磁影響所致。此種變壓器的高音部的諧振點多數在可聽界限以上,故即使用屏內阻極低的真空管作為末級推動管,其峰巔也不能像用於A類及AB類的輸入變壓器那樣顯著的表現出來。又其柵極電流電流的流動狀態,其峰巔亦被柵極輸入阻抗的並聯效果所抑制,不但不高,反而有下降的趨勢。
至於低音部的情形如何呢？當柵極電流流動時,其所以有向低音部伸展的趨勢者,與其說是受柵極輸入阻抗的並聯效果的影響,還不如說是因為變壓器的初極圈感應量由於低音週電壓的水準(Level)提高而增加較為恰當。
第17圖示就初級感應量不同的輸入變壓器,表示其低音部輸出不同的情形。不過這是指以極小輸入電壓的動作情形而言,當然此時是在柵極電流未流動的狀態之下。這種特性近乎第16圖所示,即當把輸入信號電壓增大時,就有朝低音部方面伸展的傾向。
至於B類或AB2類所用的輸入變壓器,因其所處理的低音週電壓水準較高,故為減少變壓器自身所生之失真起見,必須在低的磁束密度下進行工作。為了達到這種目的.需增多其圈數,或擴大鐵心斷面面積,但圈數家多就有增大漏磁的危險,故普通都採用擴大鐵心斷面面積的辦法。在者一般多把初極圈方面直接連接於屏極回路,因此,為防止由於直流磁化而達飽和,亦多不用增加圈數的方法,而採取擴大鐵心斷面積之手段,但採取這種手段時最好能於鐵心的連續處留有空隙比較安全。
由於上述緣故,所以此種輸入變壓器要比他種變壓器的外型較大。在減少漏磁上,以菜取所謂「三明治」(Sandwich)式繞製法者比較優秀。
AB2類及B類放大方面,為例求減少由柵極電流所生之反作用起見,柵極回路的阻抗以每一真空管不超過750Ω為最好。故輸入變壓器的變壓比,以用6F6的三極接法作為末級推動管的場合而言,應為
就是說,必須不超過1:0.5 x 2以上。
此外,還有採用如第8圖B那樣之並聯饋電者,在那種情形之下,交聯電容器需在1u以上,而且阻流圈(A.F.C.)的感應必須要在輸入變壓器的初極圈感應量的1.5倍以上。
第4-8節 輸出變壓器
談到輸出變壓器的週率特性,則對於強力放大管的輸出負荷阻抗的配合(Impedance-Matching)必盡量求其正確,這當然是不用多說的了。但並不能說在配合脫節(Miss-Matching)狀態下,對於週率特性一定會發生多大的變化。要知道觀察輸出變壓器,在它的次級圈方面不能像實際上喇叭音圈那樣,僅靠連續於具有隨週率變化的阻抗特性的東西上,就可判斷出變壓器自身的特性來的。因為那樣做不但麻煩,甚且完全不可能,故此時純電阻必須是負荷的。以下所述就是所有純電阻負荷的特性。
第18圖是把同樣的輸出變壓器分別用於6L6推挽式放大和2A3推挽式放大的比較。從該途中可以看出,即使是同樣的變壓器也會因使用真空管的不同而有所差別的。析言之：同樣的變壓器,用於2A3時低音部效果很好,但高音部卻有下降的傾向;用於6L6時則恰恰相反。此乃因強力放大管屏內阻不同的緣故,這種傾向對於其他所有的強力放大管也皆可適用。
這種特性在低音部之所以下降的原因,乃是由於變壓器的初極圈感應量的關係;在高音部下降的原因則又由於漏磁的影響。但若用於強力五極管或集流強力管時,相反的在高音部卻有上升的趨勢,此乃因漏磁與分布電容量的串聯諧振點在週率較高之點,由於強力放大管的屏內阻較高,故產生出諧振峰巔來。
第19圖A及B是表示初極圈感應量對於低音部效果的關係。即使感應量相同,也會因真空管及負荷阻抗的不同,而使低音部效果大有差異。
第20圖是表明就強力三極管而言,漏磁對高音部效果的影響情形。
至於漏磁對集流強力管或強力五極管的影響大都有同樣的傾向,並不因真空管的種類而有此差別。它的上升傾向與第18圖極為相似,即係由於漏磁與分布電容量諧振的結果所形成的。但縱使強力五極管或集流強力管,也有時會受來自屏極方面的負回授的影響,並因其影響之大小,而使低高音兩部都發生近于三極管之特性。此乃因受回授之影響使其屏內阻降低之故。
三極管雖然低音部很好,但高音部卻不見佳,五極管則恰恰相反,依常識判斷,當係屬於上述之特性關係。但並不是真空管本身有什麼低音好或高音不好的特性,此處所謂特性乃是指它的輸出變壓器相組合後所產生的結果而言。
以上所說的無論是哪種週率,都是在不致引起波型失真的原則下,就極小的輸出所比較的結果。也就是說當失真波形出現後,其有效值就有與真空管電壓表的指示相誤謬的危險,要想比較其特性就很難正確。假使在最大輸出附近做測驗時,則如第22圖所示,其低音部的輸出一定比在極小輸出時更見伸展。此乃由於加於控壓器的低音週電壓變高,鐵心的磁束密度漸多,導磁率也增加,初極圈感應量亦隨同輸出而增大之故。因此我們知道輸出加大,低音部的輸出自然良好,並不只是耳朵的靈敏度特性的關係而已。
從上面這些事實看來,可獲得來一個結論,那就是對於強力三極管應該使用初極圈感應量較小而且漏磁較小的輸出變壓器;對於強力五極管或集流強力管則恰恰相反。但這樣結論還有再加考慮的必要,因為不論週率特性如何好,假使輸出方面發現失真還是不中用的。
第23圖是具有如22圖那樣週率特性的輸出變壓器的阻抗特性。從這個圖面上可以知道,雖然在週率特性上表現很平穩(Flat),但阻抗特性卻並不一定剛好合適。最理想的無論在任何週率上初級阻抗最好都能維持一定不變,當然像那樣的變壓器即使在最大輸出水準上奇週率特性也必定是恰好平穩的。
實在說起來,輸出變壓器的阻抗特性似乎比週率特性更為重要。
談到阻抗特性,最理想的變壓器其特性的水平部分應該愈廣愈好。因為初級感應量對於負荷是並聯的,故朝低音部下降;又因漏磁對於負荷是串聯著的,故朝高音部上升。換句話說,以初級感應量頂大而漏磁小的才算標準。至於分布電容量在可聽範圍上卻完全沒有影響。像這樣理想的輸出變壓器當然不易得到,不過近乎理想的輸出變壓器必須選用品質優良的鐵心,而且應採取多層三明治(Sandwich)式繞製法。分布電容量對於強力五極管或集流強力管或許多少有點影響,但對於輸出變壓器來說,卻大可不必顧慮,因此也不必為減少分布電容量而採取分層繞製法。因為分層繞製法對於像用在高電壓上的輸出變壓器,於構造上很可能引起短路,故並不合適。
輸出變壓器和其他輸入力變壓器一樣,當直流通過初級圈的時候,也會引起鐵心的直流磁化作用,屏流愈多,這種影響愈顯著。故單一式(Single)用的輸出變壓器為了防止感應量因直流磁化而低下,特於鐵心中留以適當的空隙,職是之故,很難得到較高的感應量。但關於這一點,在做為推挽式放大用的輸出變壓器則因流入其初級方面的屏流方向恰好兩者彼此相反,故直流磁化作用相互抵銷,在他們完全平衡(Balance)時,即可獲的最好的特性。
摘錄無線電界雜誌社印行 民國六十二年三月再版 無線電零件之構造及使用法 變壓器之構造及使用法 第4-5節輸出入變壓器概說 第4-6節A類與AB1類放大所用輸入變壓器 第4-7節AB2類或B類所用的輸入變壓器 第4-8節輸出變壓器/黃鑑村 編著
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