Trasformatori di Uscita., Come costruirli e quali sono i segreti.

Ecco. La discussione l'ho aperta, ora non ho tempo ma domani dovrei riuscire a buttare giù qualche appunto che male non fa anche a ricordare...

Finalmente ho tempo di scrivere qualche appunto sui trasformatori di uscita.

Uno dei tanti problemi che deve affrontare l'obbista serio che si vuol cimentare nella costruizione di un amplificatore a valvole è il trasformatore di uscita. A meno che non si voglia costruire un amplificatore OTL (Output Transformer Less) altrimenti chiamato Futterman, egli dovrà trovare, comprare o costruirsi un buon trasformatore di uscita per la sua creatura.

Trovare oggi, in buono stato, un trasformatore di uscita adatto, è molto difficile. Rivolgersi a chi li costruisce è molto più semplice, la rete aiuta a trovare i vari costruttori intorno al globo dai quali si può acquistare il già costruito. Ma spesso la qualità non è quella desiderata oppure le caratteristiche del già costruito non si adattano al 100% al circuito finale che si intende costruire. Spesso i trasformatori di commercio sono standard per il push pull di tale valvola o il single-ended della talaltra, mentre l'obbista cerca qualcosa per un'altra valvola o per un circuito di uscita particolare ed i trasformatori adatti espressamente per quella applicazione non si trovano. Quindi, non resta che farseli costruire su misura da un avvolgitore adatto. Ma gli avvolgitori adatti sono rari ed in ogni caso occorre fare il progetto di ciò che si vuole.
Davanti a questi problemi, oltre a quelli delle impedenza di filtro ed a quelli dei trasformatori di alimentazione io ho da tanto tempo deciso e imparato a farmi i trasformatori e le impedenze da me.

I segreti per fare un ottimo lavoro, molto oltre il professionale, son tanti, ma nessuno è tanto segreto da essere sconosciuto. Perchè molto oltre il professionale? Beh, chi si fa un trasformatore per conto proprio fa un'opera d'arte, se non è fatta bene è tempo sprecato, quindi da un trasformatore realizzato a mano da quello che sarà il definitivo proprietario dell'amplificatore il minimo che ci si può aspettare è che duri una vita, funzioni alla perfezione, e sia anche bello da vedere, cioè un'opera d'arte.

I segreti per realizzare quell'opera d'arte che è un trasformatore di uscita sono numerosi. Tanto per cominciare, la domanda più comune è: "Ma perchè non si prende un comune trasformatore di rete con primario a 380V e secondario a 24V di adeguata potenza?"

La risposta è semplice, perchè quel tipo di trasformatore è stato disegnato per funzionare a 50Hz. Quindi se l'amplificatore dovesse funzionare a questa frequenza la risposta sarebbe "si, si può". Ma siccome la banda di frequenza interessata dall'amplificatore parte da 12Hz e finisce a 100KHz (20-100Khz) questo per non avere nodi o poli (filtri naturali passa basso o passa alto) all'interno della banda audio che va da 20Hz a 20KHz che modificano l'amplificazione del sistema. Quindi il nostro trasformatore dovrà avere un ottimo rendimento, oltre ad essere capace di funzionare a piena potenza, in tutta questa banda.
Poi sorge un altro problema che si chiama impedenza di uscita del circuito a valvole. Ogni circuito a valvole, e si badi bene, non la valvola di uscita, richiede una impedenza di carico ben precisa per ottenere il meglio da quella valvola in quella configurazione. Il trasformatore di uscita serve a trasferirie il carico dell'altoparlante p.es. 8 Ohm sull'anodo della/delle valvole dello stadio di potenza che può p.es. essere di 10KOhm e quindi il rapporto di trasformazione dovrà essere di 35.35/1. Notare che l'impedenza di 8Ohm che si trova sul secondario deve essere moltiplicata per il quadrato del rapporto di trasformazione. Quindi un errore piccolo del rapporto di trasformazione porta ad un grosso errore di trasferimento dell'impedenza. (Più avanti ritornerò sul rapporto di trasformazione). Questo indica quanto sia importante avere un trasformatore disegnato ad-hoc per il sistema di altoparlanti e per il circuito di uscita.
Un altro piccolo segreto è che i trasformatori commerciali sono disegnati per lavorare sotto carico. Quindi un trasformatore 380/24 da 100VA funziona bene solo se ha connesso un carico sul secondario tra i 50VA e i 100VA. Questo è dovuto al fatto che il flusso di un trasformatore con il secondario aperto è molto alto ed il ferro necessario per non mandare il nucleo in saturazione è tanto. Mentre, quando viene connesso il carico sul secondario, il flusso diminuisce considerevolmente. Quindi, se un trasformatore deve essere impiegato, si suppone che questo alimenti un carico, perciò il ferro impiegato non è sufficiente a contenere il flusso magnetico a vuoto ma solo a pieno carico. In altre parole, un trasformatore da 100VA ha un nucleo ridotto come un trasformatore che può funzionare a vuoto da 50VA. Insomma, con il ferro di un trasformatore da 100VA si può ottenere un buon trasformatore che lavori anche a vuoto, ma da 50-60VA. Attenzione, questo non significa collegare al trasformatore da 100VA un carico da 50VA, ma ricostruirlo con gli avvolgimenti adatti per essere un trasformatore da 50VA. Parlando di flusso, i trasformatori commerciali sono costruiti per lavorare con un flusso di 1.6 o addirittura 1.8 Wb/mq. Molto prossimi alla saturazione in pieno carico. Come abbiamo detto, se togliamo il carico il fluso aumenta saturando il nucleo e lavorando in piena zona di isteresi e riscaldando il ferro. Un buon trasformatore per impieghi audio Hi-Fi con nucleo in lamierini al silicio comuni non può contenere un flusso superiore agli 0.8Wb/mq. Perciò, il nucleo di un trasformatore da 100VA commerciale, di quelli economici, può essere impiegato per un trasformatore da 30-40W audio. Ma non è tutto.
Il flusso in un trasformatore è anche funzione della frequenza, raddoppiando ogni volta che la frequenza si dimezza. Tenendo conto che il nucleo da 100VA commercial-economico è stato calcolato per 50Hz, a 25Hz sarebbe capace di soli 15-20W, e a 12Hz di solo 8-10W. Ecco cosa possiamo ottenere dal ferro di un trasformatore commerciale.

Per oggi è tutto. Si accettano domande e obiezioni in merito...

Tornando ai trasformatori di uscita per amplificatori Hi-Fi a valvole, vorrei scrivere qualche cosa che non si trova o si trova molto stringato nei libri di testo.
Parliamo di tecnologia. I soliti trasformatori hanno gli strati, quando li hanno, isolati in carta, carta backelizzata, o carta trattata al silicone. Sempre di carta si tratta. Ma attenzione! Si "tratta" di trasformatori di potenza, di tensione di rete! Il concetto che passa inosservato è che la rete ha una solo frequenza, 50Hz e le sue armoniche proprio non interessano a nessuno. Perciò i soliti trasformatori sono "motonali" cioè studiati per svolgere la loro funzione di conversione di energia (elettrica/magnetica/elettrica) al meglio a 50Hz.
Un trasformatore per impieghi audio deve poter svolgere in modo lineare (presumibilmente) la sua funzione da 10Hz a 50Khz e possibilmente anche di più.
Un nemico di questa larghezza di banda è la frequenza di oscillazione naturale degli avvolgimenti. Insomma, non si possono costruire induttanze pure, come non si possono costruire capacità pure. Tali concetti sono stati inventati dall'uomo per facilitare la comprensione dei fenomeni elettrici e costruire modelli di simulazione. Quindi il nostro trasformatore con nucleo in ferro per l'adattamento dell'impedenza di uscita delle valvole con quella degli altoparlanti è come se fosse accordato su una certa frequenza. Questa dipende dall'induttanza equivalente generale e dalle capacità parassite distribuite negli avvolgimenti. In pratica, il modello da sostituire al trasformatore di uscita sarebbe qualcosa di questo tipo:



Collegando al punto A la tensione anodica ed al punto B l'anodo della valvola questa vede un carico dovuto a:

L= Impedenza totale dell'avvolgimento.
Rs= Resistenza equivalente del rame dell'avvolgimento primario.
R= Resistenza equivalente del carico applicato al secondario riportato sul primario in serie alla resistenza del rame del secondario.
C= Capacità complessiva delle capacità distribuite sul secondario riportate sul primario in parallelo alle capacità distribuite del primario.

Se interessa ci possiamo anche infilare nei meandri del calcolo di quello che viene fuori, ma qualitativamente parlando si vede immediatamente che a limitare la banda passante superiore, l'alta frequenza, sono le capacità C.
Queste capacità sono dovute all'affacciamento della superficie tra spira e spira, la tensione tra spira e spira e la costante dielettrica che è l'integrale delle costanti dielettriche dell'isolante del filo da avvolgimenti e l'aria che rimane tra i cerchi delle due semi spire. A questa capacità non possiamo porre un granchè di rimedio. L'isolante del filo è quello che è. L'aria ha una costante dielettrica molto bassa, quindi non possiamo intervenire.
Un'altra causa, e forse la maggiore, delle capacità distruibuite che contribuiscono ad elevare il valore di "C" e quindi abbassare la frequenza di taglio superiore del trasformatore sono le capacità tra strato di avvolgimento e strato di avvolgimento. E quì viene la furbizia. Se usiamo carta per isolare i vari strati introduciamo una costante dielettrica almeno 10 volte più alta che se non usassimo una plastica tipo PPL (polypropylene).
Quindi, se isoliamo gli strati del trasformatore con fogli di PPL anzichè di carta otteniamo delle perdite capacitive dovute alle capacità tra strato e strato molto più basse.
Per questa volta è tutto. Più avanti proporrò un sistema per ridurre ulteriormente queste insidiose capacità parassite.


Edited by Lawrence - 19/7/2006, 10:56

La parte teorica, caro Max, non è molto complessa. È la parte tecnologica che da spessore, poi, alla teoria.
In poche parole, una corrente variabile in un avvolgimento genera un campo magnetico di intensità proporzionale alla corrente e al numero di spire dell'avvolgimento. La corrente sarà causata dalla differenza di potenziali ai capi della bobina. Non occorre addentrarsi nelle forze e nei vettori campo magnetico e intensità di flusso, perchè se tale campo magnetico variabile è originato da un flusso di cariche elettriche, è facilmente dimostrabile che una bobina identica che è attraversata dalle stesse linee di flusso dia ai suoi capi una tensione identica alla prima. Fine della teoria senza formule nè algebra.
Perciò in un trasformatore dove tutto il campo magnetico coinvolge primario e secondario VxN del primario è uguale a VxN del secondario. Sempre parlando di tensioni e correnti alternate sinussoidali pure di frequenza stabile e nota.
Naturalmente senza carico sul secondario un trasformatore si comporta come una semplice bobina dove la tensione si manifesta con 90º di anticipo rispetto alla corrente cioè niente potenza attiva. Ma la corrente purtroppo passa attraverso la resistenza del filo reale e non ideale di cui è composto il primario. Per cui per tenere bassa la corrente occorre una reattanza induttiva XL adeguata in modo che il filo non si fonda. Ecco perchè si hanno tante spire nel primario dei trasformatori di rete. Perchè la tensione è alta e per tenere bassa la corrente occorre anche una reattanza induttiva alta perchè i=v/z.

Ora se colleghiamo una resistenza sul secondario, questa assorbe energia che si presenta sul primario come un cambio di impedenza. In pratica ci troviamo in parallelo all'impedenza Z=R+jwL un'altra resistenza R di valore proporzionale al valore della R che abbiamo collegato al primario moltiplicata per il valore elevato al quadrato del rapporto di trasformazione. Poi se vui si può dimostrare perchè ciò avviene semplicemente supponendo che a scanso di efficienze varie la potenza P₁=v₁i₁ del primario deve essere uguale alla P2=v₂i₂. Supponendo che il rapporto di trasformazione n=v₁/v si riesce a risolvere facilmente il mistero risolvendo il sistema di equazioni secondo la legge di Ohm per la variabile R. Provare per credere.

Edited by Lawrence - 31/3/2009, 09:05

Riassumendo, uno stadio finale a valvole richiede un'impedenza di uscita che può variare, dipendentemente dal tipo di valvola, da 2KOhm fino anche ad oltre i 10KOhm.
Il trasformatore di uscita serve a convertire l'impedenza tipica degli altoparlanti da 4-8-16 ohm fino a quella richiesta dallo stadio finale a valvole in modo da avere il massimo trasferimento di potenza tra sorgente (stadio finale) e carico.
Abbiamo detto che l'impedenza sul secondario si trasferisce sul primario proporzionalmente al quadrato del rapporto di trasformazione. Quindi non è difficile arrivare alla conclusione che più alta è l'impedenza dello stadio finale e più è bassa l'impedenza degli altoparlanti maggiore dovrà essere il rapporto di trasformazione. Unitamente al fatto che maggiore è l'impedenza di uscita dello stadio finale e maggiore dovrà essere la reattanza induttiva, e quindi l'induttanza, a vuoto del trasformatore per tenere bassa la corrente anodica delle valvole e più prossima a quella effettiva del carico.
Ma, se maggiore deve essere l'induttanza del primario del trasformatore maggiore dovrà essere il numero di spire di filo avvolto. A parità di volume, questo significa filo più sottile e quindi maggiore resistenza. Ma non è la resistenza quella che ci preoccupa quanto le capacità parassite tra strato e strato e tra spira e spira. Aumentando gli strati ed il numero delle spire si aumenta irrimediabilmente la capacità parassita totale. Questo porta le frequenza di risonanza del trasformatore dentro o pericolosamente vicino alla parte superiore della banda audio, da evitare assolutamente.
Riassumendo, per avere dei buoni risultati da un amplificatore occorre che lo stadio finale abbia una impedenza di uscita la più bassa possibile.
Per ottenere questo risultato occorrono valvole a bassa resistenza interna, a bassa tensione anodica, tanto per cominciare, poi la reazione ed altre diavolerie potranno contribuire allo scopo.
Questo è uno dei motivi perchè i triodi a riscaldamento diretto sono le migliori valvole da impiegare come finali.

Alcuni suggerimenti per chi potrebbe avere la malaugurata idea di infognarsi nella costruzione di un trasformatore di uscita per amplificatori a valvole.

1) Evitate categoricamente trasformatori per basse potenze, mai sotto i 10Watt. Perchè i fili che dovreste utilizzare sarebbero troppo sottili da avvolgere a mano e comunque avvolgere spira accanto a spira uno strato di filo da 0.1 mm di diametro è da ricovero alla neuro.

2) Calcolare il pacco lamellare basandosi su di un trasformatore di commercio. Trasformatore e non autotrasformatore, moltiplicando per 0.6 la potenza nominale. Cioè un trasformatore 220/12V da 100VA ha un pacco di ferro che può servire per un OPT push pull da 60W oppure per un OPT single ended da 40W. Dividere per due la potenza per ogni riduzione di una ottava del limite inferiore della banda passante. Il solito trasformatore da 100VA ovvero da 60W a 50Hz rende soltanto 30W a 25Hz ovvero 15W a 12.5Hz. Insomma, il pacco di un trasformatore 220-12V da 100VA può servire decentemente per un amplificatore da 15W push pull o per un 10W single ended il cui limite inferiore di banda è limitato a 12.5Hz.

3) Calcolate tutti gli avvolgimenti in modo da riempire totalmente il volume a disposizione intorno alla colonna centrale. Questo porta alla maggior efficienza degli avvolgimenti.

4) Calcolate il volume per il primario e per il secondario in modo che sia il più possibile uguale.

5) Calcolate il diametro dei fili impiegati in modo da terminare sempre l'avvolgimento alla pari della guancia del nucleo. Se serve aumentate o riducete il diametro aumentando anche gli altri avvolgimenti di conseguenza.

6) Non terminate gli avvolgimenti a metà strato.

7) Dividete intercalando, strati di primario e secondario o altri avvolgimenti in modo costante per diminuire i flussi dispersi alle alte frequenze.

8) Usate isolante plastico invece che carta. Questo accorgimento riduce le capacità parassite in quanto la carta ha un alto valore dielettrico.

9) Dividete il nucleo in più sezioni, almeno due. Anche questo riduce drasticamente le capacità tra strato e strato.

10) Avvolgete le spire molto strette e ravvicinate tra di loro in modo il più possibilmente pari. Riempendo gli spazi con cera d'api o resina per impieghi elettrici tipo Scotchcast. Io preferisco la cera d'api perchè consente lo smontaggio.

Questo è il decalogo per costruire buoni trasformatori, ma come il proverbio della coperta corta occorre fare una buona progettazione preventiva.

Edited by Lawrence - 6/9/2006, 09:39

Prima di partire con gli avvolgimenti occorre fare un pò di bricolage e costruirsi la spola che supporterà gli avvolgimenti. Quindi, scelto il pacco lamellare in base alla potenza richiesta, alla potenza del trasformatore dal quale viene tolto il ferro, dai fattori di riduzione in base alla frequenza minima dell'energia da trasformare (12Hz o anche meno a piacere). Possibilimente con sezione della colonna centrale quadrata, si hanno le dimensioni della spola da costruire. L'interno deve essere poco più largo del pacco in modo che ci si possa infilare agevolmente senza usare il martello. Per evitare vibrazioni si potranno inserire delle zeppettine di legno sottili alla fine del lavoro, quindi 5/10 di mm in più per il verso della pila di lamine e 2/10 di mm per il lato della costola delle lamine sono più che sufficienti per un buon risultato.
Le altre dimensioni si ricavano dalla gola che rimane libera nel ferro che di solito è uguale alla colonna "I" dei nuclei "E" "I" dei quali stiamo parlando. Questo discorso non vale per il nuclei a "C" che sono migliori ma difficili da reperire.
La scelta del materiale per la costruzione della spola non è semplice. Si può partire dal compensato di legno, ma difficilmente si trovano spessori intorno ai 2mm. La plastica tipo il policarbonato è ottima e anche bella da vedersi una volta terminato il lavoro, ma anche in questo caso lo spessore è un problema. Io ho sempre usato dei fogli di backelite, e ultimamente con dei fogli di Tufnol 6F che è tessuto di cotone e resina epossidica modificata di spessore 2mm che si trovano alla RS-COMPONENTS.
Il collante che impiego per tenere insieme le guance e le piastre della struttura centrale tubulare quadra è resina bicomponente 3M Scotchcast, che uso ovunque sia necessario una buona tenuta solida e ottimo isolamento.
























Queste immagini dovrebbero illustrare bene come ho costruito i pezzi che costituiscono la spola e che dopo aver incastrato insieme ho incollato usando le resine scotchcast.
Non aggiungo i disegni perchè se non viene usato un nucleo uguale a quello che ho scelto per questo trasformatore le misure sono inutili.



Edited by Lawrence - 18/2/2009, 18:07

Qualche giorno fa ho terminato di costruire il trasformato e l'ho provato.
L'impedenza senza carico del primario è risultata essere sorprendente, ben 350H. Tra anodo e anodo. L'isolamento regge i 2500V di un flash tester senza sparare tra primario e i secondari. La frequenza di risonanza naturale, sempre senza carico, è ben oltre i 20Khz, intorno ai 35Khz per bassi livelli di segnale perchè non ho un generatore con 1200Vrms di segnale in uscita per fare le prove.
Una delle paure più assillanti era che gli avvolgimenti non entrassero nel rocchetto. Un conto è fare i conti dello spesore dei fili per il numero degli strati più la somma degli strati di isolante, ed altra cosa è il risultato degli avvolgimenti nella realtà. In teoria dovevano avanzare circa sei millimetri di spessore sull'esterno, in pratica avanza soltanto un millimetro. Ma è più che sufficiente per far entrare il "cartoccio" nel nucleo senza strusciare.
Insomma, per ora il "large williamsons" si comporta bene.
Il prossimo passo sarà di finire di montare il resto dell'ampli e "sentire" cosa succede.

Ritornando all'argomento, direi che il trasformatore in questione funziona molto bene. Dopo diverse prove ho deciso di usarlo in un circuito di uscita con reazione di catodo. L'idea iniziale era di usare parte di reazione tipo "ultralinear" e parte reazione di catodo, per usufruire dei benefici di entrambi i sistemi. In realtà alla fine erano più le grane che i benefici. Quindi, sono passato a fare le prove solo come "ultralinear" (ricordo che ultralinear connette la g2 all'avvolgimento di reazione linearizzando le curve del pentodo) e poi alla reazione di catodo. Il risultato è stato che la reazione di catodo è lievemente migliore di quella di g2 (ultralinear) sia all'ascolto sia dal rilievo delle armoniche. Quindi, evviva la reazione di catodo tipo QUAD.

http://www.dc-daylight.ltd.uk/Valve-Audio-...&S-WW-1952.html

Eh? Fogli di cartone? Ma come si permette lei... Quello è TUFNOL della migliore qualità...

http://it.rs-online.com/web/search/searchB...fnol#breadCrumb

Ehm... Ricomponiamoci. Un flash tester è un coso che genera 2500Vrms e capace di fornire in uscita almeno 30mA per arrostire tutto quanto scarica a quella tensione. Ovvero è un tester per la misura della rigidità dielettrica.

E si, l'oggetto fatto di "cartone" () è quello che si chiama appunto "cartoccio" elegantemente "spola" in inglese "core" dal romano "core" cuore. E dentro il foro centrale quadrato si infilano i lamierini di ferro al silicio tagliati a forma di E e a forma di I. E poi, ragazzo mio, smontatelo un trasformatore no? Vai in disfattura, recupera qualcosa che all'interno abbia un trasformatore e vai.
Poi, quando sai come funziona, modello teorico di calcolo, rapporto di trasformazione ecc... sai già tutto. Che altro c'è da sapere? Qualche altra fesseria sui trasformatori di uscita che trovi scritto quì.
Il difficile è avere la pazienza e l'arte manuale di metterne insieme uno adatto a ciò che ci vuoi fare. Specialmente il TU più adatto al circuito a valvole che vuoi sfruttare. E non un trasformatore all'incirca più o meno quasi, ma quello più adatto a sfruttare il tuo circuito con il minimo di distorsione ed il massimo dell'efficienza, con la distorsione che viene per prima.