Izlazni transformator u cijevnom pojačalu

Prvenstvena zadaća izlaznog transformatora u cijevnom pojačalu je impedancijska prilagodba. Elektronke, elementi za pojačanje snage u pojačalima, imaju relativno visoku izlaznu impedanciju, a zvučnik izrazito nisku, pa to uzrokuje nemogućnost direktnog povezivanja zvučnika sa cijevnim izlaznim stupnjem. Jedini je način da se upotrijebi transformator impedancije, koji će idealno prilagoditi potrebne parametre. I još će usput biti zadovoljena i galvanska odvojenost zvučnika od visokog napona napajanja elektronki. Zvuči jednostavno, no ipak nije baš tako. Osnovni problem je zahtjev da izlazni transformator prenese cijeli spektar audiofrekvencija kao i da to učini u kompletnom rasponu snage pojačala. Potpuno je jasno da je transformator nelinearni element u kojem je induktivitet dominantna veličina, i već po tome se može pretpostaviti da su mnogi parametri transformatora uvelike zavisni upravo od frekvencije. No to naravno nije sve, jer su osim induktiviteta u igri i kapaciteti, omski otpori ali i parametri u magnetskoj jezgri poput vrtložnih struja i histereze, a to sve izrazito komplicira situaciju kad se govori o širokom spektru frekvencija. I sve to uz poželjan faktor iskoristivosti od barem 80%.

Izlazni transformator je najkritičniji dio svakog cijevnog pojačala. Neadekvatno dizajniran transformator može biti uzrok mnogih neželjenih pojavnosti. Najčešće je frekvencijsko izobličenje, uzrokovano  premalim induktivitetom primara, previsokim rasipnim induktivitetom, ili efektom rezonancije. Zatim su tu fazna izobličenja, uzrokovana faznim pomakom kad je napon negativne reakcije uzet sa sekundara izlaznog transformatora. U pravilu ta izobličenja poprimaju oblik parazitskih oscilacija na visokim frekvencijama, a sve je uzrokovano faznim pomakom zbog visokog rasipnog induktiviteta i neželjenih kapaciteta. Treba znati da fazni pomak izlaznog transformatora na  rezonantnoj frekvenciji iznosi  180°, pa uz negativnu reakciju od 180° to se pretvori u pozitivnu od 360°, i imamo oscilator. Tada se radi kompenzacija u kojoj se te frekvencije potisnu odnosno miču iz pojačanja, no to je ustvari problematika dizajna pojačala a ne transformatora.

Intermodulacijska i harmonička izobličenja mogu biti uzrokovana zasićenjem na niskim frekvencijama kad je induktivitet primara prenizak. Prije svega to vodi u redukciju efektivne impedancije primara na najnižim frekvencijama, što dodatno opterećuje izlazne elektronke, te kao posljedicu donosi smanjeno pojačanje. Intermodulacijska i harmonička izobličenja nastaju i iz nelinearnog odnosa između magnetskog toka i jakosti magnetskog polja u transformatorskoj jezgri. To izobličenje je uvijek prisutno, no može se držati na jako niskim vrijednostima ako je magnetska indukcija relativno niska. Spomenut ću još i harmonička izobličenja uzrokovana previsokim omskim otporom zavojnica, što je još i dodatno nepovoljno iz razloga efikasnosti.

Iz ovoga slijedi da dobar izlazni transformator mora udovoljiti mnogim zahtjevima koji su međusobno u koliziji. Induktivitet primara bi trebao biti visok. Rasipni induktivitet kao i neželjeni, parazitski kapaciteti u zavojnici bi trebali biti što niži. Maksimalna magnetska indukcija ne smije biti pretjerana. Poželjni su što manji gubici u bakru i željezu, da bi iskoristivost bila visoka. Jasno je da transformatorski dizajn mora biti mudar kompromis između ovih suprotstavljenih zahtjeva. Veliki induktivitet primara implicira velik broj zavoja, što je u sukobu i sa omskim otporom i sa parazitskim kapacitetima. Niska vrijednost maksimalne magnetske indukcije vodi ka većem kvadratnom presjeku jezgre, što vodi prema velikim dimenzijama zavojnice, sa istom posljedicom kao i veliki induktivitet primara.

Rasipni induktivitet i parazitski kapaciteti mogu se zadržati u razumnim granicama kompleksnim metodama motanja, što svakako dovodi do toga da se neželjena rezonantna frekvencija transformatora pomakne u čim viši frekvencijski razred. Poželjno je da se rezonantna frekvencija nalazi debelo iznad gornje granice čujnog spektra, najmanje na 60 kHz, a na još i više ako se koristi globalna negativna reakcija. Ne treba zaboraviti da sekundar izlaznog transformatora čini dio sklopa negativne reakcije. Prilično dobar rezultat se postiže ako se primarna zavojnica podijeli u određen broj paralelno spojenih zavojnica, između kojih su motane sekundarne zavojnice, isto spojene u paralelu. No, spregnutost dijelova primara zbog fizičke razdvojenosti ipak nije idealna, što dovodi do povećanog rasipnog induktiviteta. Poboljšanje se može postići korištenjem još kompliciranijih metoda motanja, no takav je transformator vrlo teško proizvesti. Promjenama smjera motanja pojedinih zavojnica može se balansirati kapacitetima, no narušena simetrija i točnost čine eventualne dobitke iluzivnima.

Bolje rezultate se dobiva upotrebom serijske metode za primarnu zavojnicu. Tijelo zavojnice je podijeljeno u dva identična dijela. Svaki dio sadrži pet primarnih zavojnica spojenih u seriju, a četiri sekundarne zavojnice su motane između primarnih. Ukupno se ima deset primarnih i osam sekundarnih zavojnica. Primarne su spojene serijski, a sekundarne u paralelno-serijske grupe, već prema potrebi impedancije sekundara. Ovo je jedan prilično svestrani dizajn koji omogućuje različite prijenosne odnose, kao i laganu izvedbu izvoda za ultralinearni dizajn. No odmah treba reći da je ovakav transformator jako teško namotati. Ovaj dizajn ima najveću prednost u idealnoj simetriji. To sve je donijelo više nego prihvatljive rezultate pa je taj dizajn upotrijebljen i u čuvenom Williamsonovom pojačalu iz 1947.godine.  

Već više od 30 godina koristim metodu motanja koja je najkompleksnija od svih s kojima sam se ikada susreo, ali nudi najširi frekvencijski spektar i najvišu rezonantnu frekvenciju. Zvuk tako koncipiranog transformatora je superiorniji od zvuka transformatora rađenih drugim metodama, što sam još davnih godina dokazao i mjerenjem i slušnim testiranjem. Ukupno se radi o 17 galvanski odvojenih sekcija. Postoji šest primarnih sekcija, spojenih serijski. Sekundara je osam i motani su bifilarno. Podijeljeni su u dvije serijski spojene grupe, koje su međusobno spojene paralelno. Sve željene izlazne impedancije su dostupne. Postoje još i tri korekcione zavojnice, motane su uz početak, sredinu i kraj primarne zavojnice, međusobno su spojene u paralelu, te su konačno spojene u paralelu na najnižu impedanciju na sekundaru. Te tri zavojnice omogućuju dobar međuinduktivitet između sekcija primara, te na taj način osiguravaju minimalnu faznu grešku. Cijela ta metoda počiva na geometriji, te omogućuje skoro savršenu simetriju. Točno je određen međupoložaj, kao i broj slojeva svake pojedine zavojnice, i tu nema odstupanja. Nakon osnovnog proračuna transformatora, debljina pojedinih žica se ne računa po konkretnom proračunu, nego se poštujući broj slojeva određuje prema raspoloživom prostoru, uz poštivanje maksimalne gustoće struje za pojedinu zavojnicu. Metoda zahtijeva jako precizno motanje, jer se tu ne smije desiti da ako vam nešto nije stalo možete to namotati u sljedećem sloju. Mora se dobro proračunati, i zatim precizno izvesti. Jako je važno paziti na međusobnu izolaciju pojedinih sekcija da bi se zadovoljio siguran rad uz visoke napone napajanja. Ova metoda pokazuje svoje prednosti čak i kod jako velikih transformatora, kod kojih bi neke druge metode pokazale svoja ograničenja. Koliko god ova metoda bila komplicirana, kad se jednom uđe u rutinu i metoda do kraja usvoji, onda je relativno lako. Jedno je sigurno, nijedna od opisanih metoda motanja nije primjerena za rad na automatu, nego traži manualca stručnjaka koji će ručno posluživati motalicu, ulagati međuslojnu izolaciju i pritom paziti na svaki zavoj. To je vještina koja se uči jedino kroz praksu.

Iz svega dosadašnjeg može se izvesti zaključak da je izlazni transformator kritična ali i skupa komponenta. Vjerujem da ne postoji nijedan drugi element u cijevnom audiopojačalu uz kojeg bi bilo vezano više kontroverzi, mistifikacija pa i predrasuda o performansama. Silan broj komentara i članaka sam pročitao o toj temi, i moja jedina konstatacija je da o tome pišu ljudi koji uglavnom nisu nikad ni dizajnirali a kamoli proizveli izlazni transformator, kao ni pojačalo u cjelini. Ne želim pojednostaviti tu problematiku, svakako je kompleksna, ali nikako ne mogu prihvatiti tvrdnje koje kažu da je izlazni transformator krivac za loše parametre cijevnih pojačala. Transformator je integralni dio cijevnog pojačala, kakav god on bio. I svakako treba znati da na ovom svijetu ima jako puno dobrih izlaznih transformatora, no idealni transformatori zasigurno ne postoje. No ni ne trebaju postojati, kad se s transformatorima kakve imamo grade vrhunska state-of-the-art pojačala koja sviraju kao božja harfa.