對於所有的電子器材或產品而言,始終存在個共同的困擾,那就是「哼聲」──不論是電氣性的或是音響性的都是由電源變壓器所引起。電氣特性的哼聲是由於變壓器裡鐵心和線圈的磁漏感應至鄰近的電感性零件而生成,而音響性的哼聲則是由於矽鋼片在電流通過線圈時產生之振動所造成。
圓形變壓器──這項在不經意設計下的新產品,先天上就對哼聲有著免疫的功能,這對於音響器材之設計真是一大貢獻。
現代家庭中,許多傢俱的表面都漸漸改用柚木皮或合成材料來加以修飾─這正意味著,要配合家俱的擺設,音響器材的外型也必得有所改變─由從前的「軍艦化」轉變成「家俱化」。最明顯的例子就是市場的需求,漸漸趨向「苗條型」,器材外殼的高度明顯地降低,看起來小巧而美觀,但外殼尺寸的縮小卻使得設計人員在選擇合適的變壓器和安排位置時困難重重,由近來由於喇叭的效率越變越低,放大器的功率就不得不相對步步高升,以維持相同的聲音輸出。此外,固體化的整流技術和印刷線路的發展,更使得線路工程師面臨了零件安排上的困擾──到底要怎樣安置電源變壓器才不致產生令人頭痛的哼聲？
漏磁和哼聲
變壓器之所以會造成問題,簡單地說,不過是當其在做電壓轉換時,繞組與繞組間的交變磁場在作怪罷了。由變壓器中洩露出來的游離磁束感應到附近的導線或易受感染的零件,就會很容易地得到電源頻率的哼聲;而高增益、高阻抗和低電平線路,則更是難逃厄運。這也是為何代代相傳的「輸入線路必遠離電源」的法則會歷久不衰了。在真空管時代,假使發現了由於電源變壓器所造成的哼聲,而變壓器又無法移遠一些,則若干防疫措施如:雙金屬屏板(可衰減磁束)、絞線、隔離接腳和抗哼聲繞線法等就應運而生。當然,器材的體積愈小,要找個擺變壓器的恰當位置就愈是困難。
空氣隙
在傳統的變壓器中,E型和I型的鐵心交互地堆疊在一起,而大部分的問題就出在兩種鐵心造成的界面上。由於介面形成的空氣隙造成高磁阻(至少比鐵心本身為高),以致於密集的磁束就由此向外發散。同樣的道理,若鐵心上有螺絲孔的話,密集的磁束也會由此洞處溢出,要解決這種問題,最好的辦法就是消滅氣隙,而採用C型鐵心無疑地就是一個好辦法。
圓形鐵心
理論上說,要徹底消除空氣隙造成的困擾,則一勞永逸的辦法就是採用圓形或環形的鐵心。我們可以把它想像成上緊了的鬧鐘發條;雖然在這種結構上無法繞上太多層線圈,但是把線先繞在另外的線筒上再與鐵心結合,卻是個補其不足的好辦法。這一點比起傳統變壓器的鐵心要用手工一片一片地堆疊起來相形之下也就微不足道了。圓形變壓器的結構在先天上還有一項優點,那就是一旦線圈繞好,整個變壓器的特性就此定型,不會因為其他裝配手續而有所改變;繞好的線筒利用高速機具固定在鐵心上,然後加上填充料和塑膠包裝以避免外來損傷,至此,整個變壓器就算完工。
電路中感應哼聲
由一無屏蔽的疊片式變壓器中所產生的脈衝磁場足以涵蓋一標準大小的100W機構,若兩個以上的聲道使用同一變壓器,則無法避免另一個難題的發生,那就是不同的工作電流在不同的次級圈中相互影響,破壞了電源供應器的穩定性;相反的,兩個完全獨立的圓形變壓器即使面對面緊貼在一起,其產生的影響還比前者為小。
哼聲並非侷限於低電平,高增益線路中,實際上,在功率級的負回授電路中一樣有它的蹤跡。在一個圓形變壓器中,由無空氣隙的連續磁場和有天然屏蔽作用的銅線繞組的配合下,其殘留的磁漏僅為疊片式變壓器的⅛(如圖1所示)。
一旦磁漏成為問題時,則採用圓形變壓器就遠勝於去求助昂貴的雙金屬隔離罩或是把機箱重新規劃了。對於使用接線板的結構,重新規劃並非難事,只要改變一下理線方式或變動少數零件的位置就成;但若是使用PC板,則問題大矣!因為當哼聲只感應到PC板上的一小部分時,除了重新設計PC板外,別無他法,在這種情況下,圓形變壓器似乎就成了唯一的救星了。
噪音
在電磁結構中產生之噪音,最恰當的例子莫過於船隻上使用的聲納了,其所產生的乒乓聲可用來探測潛艇、魚群或是海床的深度。當電流通過換能器時,振動片對介質的擠壓造成波動,水在聲納中的運動就好像空氣在變壓器中的運動一樣。但是前者是有其必要性,而後者則令人不敢領教。
有時候,使用線路技巧來治療某些其他方面的缺點,卻導致噪音問題更形惡化,舉例來說:在高電壓、低電流的真空管電路中,使用低電容(8-10μF)、高電阻來濾波,而有高張力的變壓器線圈,則工作於低峰值電流,由於低電壓、高電流的電晶體電路的發展顯示出,必須使用甚大的電容(1000μF)來濾波,以降低漣波,這個電容就成了高峰值電流的來源。一般而言,使用低阻抗的整流器整流,而以甚大的電容器來濾波會在變壓器中造成與電源頻率相同的瞬時脈衝。譬如說:次級圈若供應整流器以100W的功率,則所造成的脈衝電流將會有高達5A的峯值和2mS的寬度,其頻率則為電源的兩倍,而這種尖銳的脈衝勢必很容易地混進放大器中。
對一般疊片變壓器而言,以螺絲上緊的鐵心,稍微有一點阻尼作用,而圓形變壓器則大小不相同,因為由長條型鐵片捲繞成的鐵心具有甚高的密度,其本身的張力加上外面緊繞的線圈,型成一道鎖緊的力量,同時也對由其所產生的任何噪音產生阻尼作用。
鐵心材料
圓形變壓器一般而言,都比傳統變壓器來的小而且輕,而其VR質與效率則相等,主要的原因,是對鐵心材料做了較有效的利用(如圖2所示)。
長條型鐵片是由「晶粒矽鋼」(Grain Oriented Silicon Steel-GOSS)所構成,其捲繞法使得金屬中的例子大都與磁場同方向。
若有不與磁場同方向的粒子,則會有較大的磁阻,而其效率較一般軟鋼為低;在疊片變壓器中,可能有百分之四十的粒子是與磁場方向或九十度角,而另外百分之四十,則僅在磁力線的回程上才有用處;體積較小的圓形變壓器(體積和重量可能僅為一般的百分之五十)意味著裝置上的靈便和能避免干擾。
鐵心尺寸
由晶粒矽鋼構成的圓形鐵心,還有一項優點,那就是在晶粒方向適當和沒有空氣隙的條件下,這種鐵心的工作範圍,可以定在磁通密度為1.6泰斯拉(16000高斯)到1.8泰斯拉(18000高斯)之間;而同等級的疊片式變壓器則只能侷限在1.2泰斯拉(12000高斯)到1.4泰斯拉(14000高斯)之間。這種較高的效率表示再設計變壓器時,可以相應減小鐵心體積和繞線圈數,同時,由於鐵損所造成的熱量也是微乎其微,其數值可低至每平方吋僅0.4W。當然,效率提高了,功率消耗必然也相對地降低。
安裝
由於在圓形變壓器設計之初,就已考慮到與印刷線路板搭配關係,所以其中央固定孔、低重心和能夠與接線柱相配合等特點,使得這種變壓器能夠和其他主要零件同時裝在PC板上,一起過焊錫爐,實在是方便之至,且由於圓形變壓器的標準化設計,使得PC板的設計、電腦鑽孔等手續,都能僅利用標準化規格資料即可順利完成。
結論
相信一般人看到這裡,都會有一個共同的想法:既然這種變壓器的好處如此多,它的售價必然也是高不可攀的吧?當然,短時間內要改變整個潮流並非容易事。先讓我們回頭看一下它的諸般優點如:低能量輻射、高磁通密度、低磁阻和鐵損、磁流僅及一般的十分之一、設計,安裝容易、體積和重量都只有傳統變壓器的一半......等等,如此多的優點集於一身,即使售價較高,似乎也頗值得,尤其在經過推廣,大眾廣泛的使用後,售價必會自然地下降。各位我們何不就現在開始參予推廣呢?
轉載音響技術第52期APR. 1980 交流哼聲的剋星──環形變壓器/錢 振(譯自Audio DEC.1979)
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