Выходные трансформаторы для лампового усилителя

Сразу оговорюсь! Я вовсе не являюсь специалистом в области схемотехники, просто, могу уверенно отличить конденсатор от резистора, транзистор от диода и т.д. А также самостоятельно изготовить печатную плату и спаять несложные поделки по имеющимся электро-схемам, но без глубокого понимания принципа их схемотехники и, тем более, наладки ... .
А в ламповой технике я, вообще, новичок....
Однако, в силу определённых причин, на настоящий момент времени у меня созрела реальная необходимость в изготовлении лампового усилителя для моей аудиосистемы. Опуская подробности, требования к его концепции следующие: двухтактный моноблочный усилитель на двух лампах КТ120 в канале, желательно, без ООС, с выходной мощностью в чистом классе "А" порядка 30-35 ватт и в УЛ, соответственно, 60-70 Вт. .
Для получения корректных результатов, намотку трансформаторов, настройку и, возможно, монтаж решил поручить специалистам .
Но постепенно вникая в суть темы, к своему удивлению, выяснилось, что одним из самых важных компонентов (если не самым важным!) в схемотехнике лампового усилителя являются именно выходные трансформаторы! .
Оказывается, качество звучания лампового усилителя кардинально зависит именно от качества материала и конфигурации магнитопроводов, а также от правильности расчётов параметров ТВЗ и корректности его изготовления. И, как выяснилось, информация по данному вопросу вовсе неоднозначна, если не сказать, откровенно противоречива... .
Я попытался разобраться с этим вопросом просто лично для себя, чтобы определиться с конфигурацией и параметрами нужного выходного трансформатора - ну, и началось... .
Думаю, многие из ценителей качественного звуковоспроизведения уже сталкивались с этой проблемой, а многим - это ещё предстоит, поэтому решил создать данную тему и "выкладывать" в ней интересную, с моей точки зрения, информацию, которая таки позволит, хотя бы в общих чертах сориентироваться в этом, как выяснилось, вовсе непростом вопросе .
Данная информация представляет собой сжатую отредактированную мной версию форумных дискуссий и рекомендаций специалистов компаний, профессионально занимающихся изготовлением и продажей аудио-трансформаторов.

Что касается типа/марки трансформаторной стали.
Если говорить о двухтактном усилителе и выходном трансформаторе, то лучшим выбором из отечественных сталей будут – 3414 (Э330А), 3413 (Э330), также неплохие трансформаторы получаются при использовании стали 3411 (Э310). Вопрос использования стали марки 3408 (сейчас часто используют именно при изготовлении тороидальных трансформаторов) немного "скользкий". Хотя, сталь имеет лучшие магнитные свойства, но, при этом, вносит и больше искажений. Приходится снижать индукцию, и получается "так на так".
Попробуем сравнить наше железо с импортным. Есть отрывочные параметры стали М6 и нашей 3408. Максимальная проницаемость достигается при напряжённости поля: у 3408 70 А/м, у М6 22 А/м. Наша лучше работает при сильных полях. Видимый загиб хар-ки намагничивания Н - В одинаков, ~ 1.7 А/м. Потери на напряжённости 1.7 А/м тоже одинаков, ~ 1.4 Вт/кг. Начальная проницаемость у 3408 - 1000. Что для ТВЗ, очень даже неплохо! Другое дело - стабильность параметров...
Также часто ведутся разговоры об использовании для производства ТВЗ стали от трансформаторов серии ОСМ (однофазные, сухие, многоцелевого назначения). По отзывам авторитетных людей, имеющих опыт работы с отечественным и импортным железом, "... ОСМ- это Особо Свёрнутым Меломанам, подарок от станкостроения, типа - на тебе Боже, что себе негоже...". Хотя, многие специалисты, работающие в основном с отечественным железом, считают его чуть ли не самым лучшим...
Наиболее распространёнными вариантами импортного трансформаторного железа являются марки М4 и М6. Причём, М4 (Z11) чаще предлагается с толщиной железа 0,23 мм., а М6 - почему-то, с толщиной железа 0,3-0,35 мм.
Близкий аналог отечественной стали 3413 – сталь М4 японского производства. И, если "не зажиматься", то лучше сразу приобрести сердечники из стали М4 или М6, хотя, справедливости ради, следует отметить, что некоторые специалисты особого смысла в этом не усматривают.
М6 - это специализированная марка, кремнистое железо для трансформаторов - на нём мотаются все фирменные звуковые трансформаторы. Кремний снижает потери на вихревые токи при перемагничивании с высокой частотой, увеличивая омическое сопротивление стали. И не только это является достоинством этой стали, а ещё и высокая начальная проницаемость а также высокая индукция насыщения. А значит, можно уменьшить размеры трансформатора или увеличить его мощность, или же понизить нижнюю граничную трансформатора.
Насчет аморфных сплавов стопроцентной уверенности, хорошо это или плохо - нет. Приведу комментарий уважаемого человека с одного известного ресурса: "Когда-то мне присылали сердечники производства «Гаммамет» (сталь 5БДСР) "на попробовать" и был справочник, где приводятся характеристики их материалов. В итоге - от этих магнитопроводов отказались. Оптимизированный выходной трансформатор на таком сердечнике не обладал, сколько-нибудь существенными преимуществами, ни по параметрам, ни по звуку, при значительно большей стоимости самого сердечника. Вполне возможно, я сам где-то "маху дал" – не те материалы, не те режимы... Вопрос требует дополнительных исследований.
Короче, если мотать опытные образцы, проводить измерения и эксперименты у вас нет возможности, то в такой ситуации я бы предпочел магнитопроводы из трансформаторной стали марки 3408. Или сразу же порекомендовал бы приобрести сердечники из стали М6 или М4. Есть возможность купить фирменные сердечники из стали М4 или М6 – покупайте, они имеют допустимый разброс параметров, достаточно точную геометрию, и хороший срез. А вот, то, что делалось при "совке" а теперь в "нью-совке", и без военной приемки, вполне может оказаться "кривым" и "косым" во всех смыслах. Поэтому их параметры нужно обязательно проверять - дело в том, что здесь есть одна тонкость. Отечественные сердечники имеют значительный разброс параметров (примерно от 20 до 30%). То есть, если создается эксклюзивное устройство, то отечественные трансформаторные магнитопроводы еще придётся и отбирать, как минимум – по идентичности, желательно еще и выбрать лучшие образцы. Так что это получается ещё и вовсе недёшево..."

Но это просто марки стали, а сделать из нее можно любой тип сердечника (по геометрии – тороидальный, разрезной, штампованный, наборной из полос).

О геометрии магнитопроводов.
Сердечник ТВЗ должен быть обязательно заводского изготовления (в смысле – крупного специализированного производства) с известной маркировкой.
Сердечники из трансформаторной стали бывают двух типов: наборные (в иностранной литературе – ламинированные, laminate) – сердечник собран пакетом из штампованных пластин (могут быть разной формы), и витые ленточные (strip-wound, tape-wound) – непрерывная лента намотана на оправку нужной формы. Витые сердечники делятся в свою очередь на тороидальные и разрезные. Тороидальные – это цельное кольцо, разрезные – то же кольцо (хотя, это может быть и не кольцо, а нечто, похожее на букву "О"), разрезанное на две части. Получается две "подковы" похожие на букву "П" (тип сердечника ПЛ). Если же соединить 4 такие "подковы" определённым образом – получится сердечник типа ШЛ.
Витые сердечники, чаще всего, имеют несколько лучшие электромагнитные параметры, так как для их изготовления используется только холоднокатаная анизотропная сталь, и необходимую механическую и термическую обработку они проходят в заводских условиях уже как готовый сердечник.
Одно из основных требований к ТВЗ двухтактного лампового усилителя - это строгая симметрия обмоток для подключения ламп, работающих в паре. В этом плане ПЛ магнитопровод имеет явные преимущества перед тороидальным сердечником.
Дело в том, что требования к силовым и выходным трансформаторам существенно отличаются, как и принципы расчета. Поэтому, преимущества тороидальных силовых трансформаторов не переносятся автоматически на выходные. Основной теоретический возможный плюс тороидального выходного трансформатора – меньшие габариты и меньшее сопротивление обмоток (выше КПД, меньше паразитные параметры), но для двухтактных усилителей, где важна электрическая и геометрическая симметрия, эти преимущества сводятся на нет. Кроме того, что обеспечить симметрию в тороидальном трансформаторе технологически сложно, еще такой трансформатор имеет повышенную чувствительность к постоянному подмагничиванию – что является явным "минусом".
Таким образом, подытожим информацию по геометрии магнитопроводов для ТВЗ двухтактного лампового усилителя:
1. В конструкции выходного трансформатора для двухтактного усилителя целесообразно использовать сердечник, несущий обмотки на двух стержнях, что обеспечивает высокую симметрию и дает «бесплатное» увеличении глубины секционирования.
2. Лучше использовать один большой сердечник нужного сечения типа ПЛ, чем набирать нужное сечение путём объединения четырёх "подков" - по два в каждом из встречно-направленных магнитопроводов, поскольку в первом варианте более оптимальное соотношение размеров сечения по определению.
3. Трансформаторы на сердечниках типа "ПЛ" и "П", при одинаковых геометрии и материале сердечников, совершенно одинаковы по параметрам.
4. Важным параметром трансформатора является индуктивность намагничивания на малом сигнале. На эту величину влияет, в том числе, длина магнитной линии сердечника. Вывод – из двух сердечников с одинаковым сечением, предпочтительнее сердечник с меньшей длинной магнитной линии.
5. Возможная геометрия ленточных сердечников типа "ПЛ", имеет чисто технологические ограничения. Шихтованные сердечники типа "П", таких ограничений не имеют, пластины можно нарубить как угодно.
6. Промышленность не выпускает серийно сердечников для выходных трансформаторов. Ряды сердечников проектируются по критериям – минимальная стоимость, минимальный вес, минимальные габариты при заданной габаритной мощности. Достаточно крупная фирма может себе позволить заказать штамп (или оправку), и изготовить сердечник по другим критериям, допустим – максимальная индуктивность намагничивания и нужный размер окна. Сделать это проще для шихтованных сердечников типа "П".
В практическом плане сначала лучше самому приобрести магнитопроводы/сердечники (в качестве именно просто сердечника). В принципе, нет особых сложностей с покупкой, как сердечников из отечественных сталей, так и импортных. А вот, катушки имеет смысл заказать специалистам уже под имеющееся железо. Дело в том, что широко распространенные "универсальные" литые катушки слишком габаритны и они могут попросту не влезть в "окно" приобретённого магнитопровода.

Общался с представителем http://www.tubesoundelectronics.de/ - с его слов, яко бы, П-образное железо является более предпочтительным, чем ПЛ и поэтому они используют его практически во всех проектах... Привожу комментарии с данного ресурса: "Во всех изделиях, включая трансформаторы питания для аудиотехники, применяется только немецкая сталь М6/М111 толщиной 0,3-0,35 мм. с направленной структурой и дополнительным отжигом в специальной среде после штамповки (Ш и П – образные) или навивки. Витые разрезные сердечники ПЛ/ШЛ на железе М6, М5 и М4, в виду своих особенностей, в основном находят свое применение в трансформаторах питания и дросселях сглаживающих фильтров. Исключение составляет – желание клиента!".
В то же время, те же http://audioalt.ru/ и http://panstep.com.ua предлагает магнитопроводы и ТВЗ на них, с использованием железа М4 по более высокой цене и из М6, соответственно, по более низкой... Почему так? Очевидно, это обусловлено не столько "аудиофильской" составляющей, сколько более высокими затратами при производстве (прокате) более тонкой ленты.

О толщине железа, то есть, толщине листа/ленты.
Наиболее оптимальной толщиной ленты считается толщина 0,3 – 0.35 мм. (хотя, это вовсе неоднозначная позиция!). Почему именно так? В общем, есть такая тенденция (не берусь утверждать, что она вселенская и для любых сталей) – чем тоньше лента, и чем круче идет основная петля намагничивания, тем больше высокочастотных гармоник генерирует сам сердечник. Толщина ленты 0.35мм получается оптимальной, учитывая очень низкие значения индукции на высоких частотах и соответственно незначительные потери при использовании такой ленты.
Таким образом, подытожим информацию по толщине листа/ленты магнитопроводов для ТВЗ лампового усилителя:
1. Прямой связи между материалом сердечника и толщиной листа (ленты) – нет. Существует связь опосредованная через область применения. Материал типа ХХХ, подходит для таких-то применений и для этого нужна толщина листа t. Поэтому, в основном, серийные сердечники из материала ХХХ, имеют толщину t. Некоторые типы сталей могут выпускаться толщиной от 0.15 до 0.5мм, все зависит от области использования.
2. Сталь типа М6, имеет лучшие магнитные свойства, меньшие потери, и лучше линейность – чем сталь М4. Я держал в руках витые сердечники из стали М4 из ленты толщиной 0.35мм, а шихтованные, вообще, из пластин толщиной 0.5мм.
3. Еще надо помнить, чем тоньше пластины (или лента), тем хуже коэффициент заполнения сталью. При одинаковых геометрических размерах, сердечник с более тонкими пластинами имеет меньшее эффективное сечение.

Во многих источниках информации (в частности, от http://panstep.com.ua и http://audioalt.ru/) утверждается, что лучшим и, соответственно, более дорогим вариантом таки являются ПЛ (C-core) магнитопроводы из ленты толщиной 0,23 мм. (и даже ещё меньше, скажем, 0,1 мм.), по сравнению с более распространёнными и, соответственно, более дешёвым вариантом 0,3-0,35 мм. В то же время, и спецы из tubesoundelectronics, и уважаемые люди с нашего форума, говорят, как раз, об обратном, а именно - о преимуществах именно железа толщиной 0,3-0,35 мм... Но, очевидно, это, как уже говорилось выше, таки обусловлено не столько "аудиофильской" составляющей, сколько более высокими затратами при производстве (прокате) более тонкой ленты.

Рекомендации по выбору мощности ТВЗ и сечению магнитопровода.
Конкретно в данном случае (вводные оговорены в первом посте), приблизительно (это надо считать с учетом параметров ламп и их режимов), габаритная мощность сердечника (на 50-60 Гц.) выходного трансформатора должна находиться в районе 200-300 ватт. Если сердечник из стали 3408, то очевидно, таки ватт 400, поскольку у неё больше допустимая индукция.
Простой расчёт показывает, что для обеспечения такой мощности двухтактного лампового усилителя потребуются магнитопроводы сечением примерно 17-20 см.кв. Для справки, вес одного такого ТВЗ составляет 5,5-7,5 кг.!!! Ну, и стоимость, соответствующая, порядка 300-400$ за штуку.

Некоторые рекомендации специалистов:
- Для выходного трансформатора - никаких пропиток! Пропитка лаком резко увеличивает собственную ёмкость. Помимо этого, некоторые почему-то указывают на ненадобность пропитки при ручной намотке...
- если напряжения высокие, то обмотки мотаются с защитным зазором.

А теперь, в конце пути - "один взгляд назад", так сказать, резюме
На сегодняшний день имею чёткое представление о том, что если хочешь без проблем решить вопрос с выходными трансформаторами для лампового УНЧ - просто купи пару импортных фирменных трансформаторов от известного производителя (само собой, подходящих по параметрам).
Я в конце концов приобрёл пару 100-ваттных тороидальных ТВЗ от голландского мастера Menno Nan Der Veen с дополнительными катодными обмотками для двухтактного выходного каскада на лампах КТ120. Да, не дёшево, но оно того однозначно стоит. Результат потрясающий - измерения и субъективные впечатления отличные! Даже опытный МАСТЕР, который делал мои моноблоки сказал, что если бы сам не проводил измерения, то не поверил бы полученным результатам, озвученным другим человеком.
Что касается местных мастеров по изготовлению ТВЗ. Думаю, что некоторые немногие местные мастера, возможно, тоже могут "родить" нечто внятное, но это вовсе не факт! То есть, в таком варианте ты всегда остаёшься заложником эксперимента "получится-не получится", "устроит-не устроит"... А в результате, даже если сильно повезёт, дешёвыми трансформаторы всё равно не будут или их качество таки не будет достаточным...
Теория - несомненно дело нужное и важное, но, с одной стороны, это удел профильных специалистов, а с другой стороны, таких реальных практических специалистов ещё поищи... Да, и в их среде - постоянные разночтения и "бодания"... Дело в том, что данные по технологии намотки (порядок расположения обмоток, секционирование и т.п.) у иностранных производителей являются коммерческой тайной и нигде не публикуются.
Ну, а если попытаться обратиться с вопросом по расчёту и изготовлению выходных трансформаторов, скажем, на специализированное предприятие по производству различных типов трансформаторов (коих в России сейчас "пруд пруди") - они сразу запросят ТЗ. Без него даже не станут разговаривать

Думаю, полезная информация.
Вчера задавал вопросы по расчёту параметров конкретного выходного трансформатора ИИ на сайте _https://chatgpt.com/ в бесплатном режиме.
Результат отличный - получил полный профессиональный расчёт с комментариями, рекомендациями и иллюстрациями :)
Он даже сделал обратный инжиниринг по введённым данным готового трансформатора с математическим анализом корректности заявленных характеристик и выдал подробное ТЗ для изготовления.