除了升高或降低信號(hào)電壓外，變壓器還具有另一個(gè)非常有用的特性，即隔離。由于變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間沒有直接的電氣連接，因此變壓器的輸入和輸出電路之間提供了完全的電氣隔離。連接在放大器和揚(yáng)聲器之間的音頻變壓器也可以利用這種隔離特性。
我們?cè)诒竟?jié)關(guān)于變壓器的介紹中了解到，變壓器是一種電氣設(shè)備，它允許正弦輸入信號(hào)（例如音頻信號(hào)或電壓）產(chǎn)生輸出信號(hào)或電壓，而無需輸入側(cè)和輸出側(cè)物理連接。這種耦合是通過將兩個(gè)（或更多）線圈（稱為繞組）的絕緣銅線纏繞在軟磁鐵芯上來實(shí)現(xiàn)的。
音頻變壓器
當(dāng)交流信號(hào)施加到初級(jí)輸入繞組時(shí)，由于軟鐵芯的電感耦合，輸出次級(jí)繞組上會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的交流信號(hào)。輸入和輸出線圈之間的匝數(shù)比決定了施加信號(hào)通過變壓器時(shí)的增加或減少。
然后，音頻變壓器可以被視為升壓型或降壓型，但音頻變壓器不是繞制以產(chǎn)生特定的電壓輸出，而是主要用于阻抗匹配。此外，匝數(shù)比為 1:1 的變壓器不會(huì)改變電壓或電流水平，而是將初級(jí)電路與次級(jí)側(cè)隔離。這種類型的變壓器通常稱為隔離變壓器。
變壓器不是智能設(shè)備，但可以用作雙向設(shè)備，使得正常的初級(jí)輸入繞組可以成為輸出繞組，正常的次級(jí)輸出繞組可以成為輸入，并且由于這種雙向特性，變壓器在一個(gè)方向上使用時(shí)可以提供信號(hào)增益，在反向使用時(shí)可以提供信號(hào)損失，以幫助匹配不同設(shè)備之間的信號(hào)或電壓水平。
還要注意的是，單個(gè)變壓器可以有多個(gè)初級(jí)或次級(jí)繞組，這些繞組沿其長度還可以有多個(gè)電氣連接或“抽頭”。多抽頭音頻變壓器的優(yōu)點(diǎn)是它們提供不同的電阻抗以及不同的增益或損耗比，使其可用于放大器和揚(yáng)聲器負(fù)載的阻抗匹配。
顧名思義，音頻變壓器設(shè)計(jì)用于在音頻頻帶內(nèi)工作，因此可以應(yīng)用于輸入級(jí)（麥克風(fēng)）、輸出級(jí)（揚(yáng)聲器）、級(jí)間耦合以及放大器的阻抗匹配。在所有情況下，都需要考慮頻率響應(yīng)、初級(jí)和次級(jí)阻抗以及功率能力。
音頻和阻抗匹配變壓器的設(shè)計(jì)與低頻電壓和電源變壓器相似，但它們的工作頻率范圍要寬得多。例如，20Hz 至 20kHz 語音范圍。音頻變壓器還可以在一個(gè)或多個(gè)繞組中傳導(dǎo)直流電，用于數(shù)字音頻應(yīng)用以及轉(zhuǎn)換高頻電壓和電流水平。
音頻變壓器阻抗匹配
音頻變壓器的主要應(yīng)用之一是阻抗匹配。音頻變壓器非常適合平衡具有不同輸入/輸出阻抗的放大器和負(fù)載，以實(shí)現(xiàn)功率傳輸。
例如，典型的揚(yáng)聲器阻抗范圍為 4 至 16 歐姆，而晶體管放大器輸出級(jí)的阻抗可能高達(dá)幾百歐姆。一個(gè)典型的例子是 LT700 音頻變壓器，它可用于放大器的輸出級(jí)以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。
我們知道，對(duì)于變壓器來說，初級(jí)繞組的線圈匝數(shù) (N P ) 與次級(jí)繞組的線圈匝數(shù) (N S ) 之比稱為“匝數(shù)比”。由于兩個(gè)繞組的每個(gè)單線圈匝內(nèi)都會(huì)產(chǎn)生相同量的電壓，因此初級(jí)與次級(jí)電壓比 (V P /V S ) 將與匝數(shù)比相同。
阻抗匹配音頻變壓器總是通過其匝數(shù)比的平方給出從一個(gè)繞組到另一個(gè)繞組的阻抗比值。也就是說，它們的阻抗比等于其匝數(shù)比的平方，也等于其初級(jí)與次級(jí)電壓比的平方，如圖所示。
阻抗比
音頻變壓器阻抗比
其中 Z P是初級(jí)繞組阻抗，Z S是次級(jí)繞組阻抗，(N P /N S ) 是變壓器匝數(shù)比，(V P /V S ) 是變壓器電壓比。
例如，阻抗匹配音頻變壓器的匝數(shù)比（或電壓比）為 2:1，其阻抗比為 4:1。
音頻變壓器示例 No1
需要使用阻抗比為 15:1 的音頻變壓器來匹配功率放大器的輸出和揚(yáng)聲器。如果放大器的輸出阻抗為 120Ω。計(jì)算功率傳輸所需的揚(yáng)聲器的標(biāo)稱阻抗。
阻抗匹配示例
然后功率放大器可以有效地驅(qū)動(dòng)8歐姆揚(yáng)聲器。
音頻 100V 線路變壓器
另一種非常常見的阻抗匹配應(yīng)用是用于 100 伏線路變壓器，用于通過公共廣播擴(kuò)音系統(tǒng)傳輸音樂和語音。這些類型的天花板揚(yáng)聲器系統(tǒng)使用距離功率放大器一定距離的多個(gè)揚(yáng)聲器。
通過使用線路隔離變壓器，可以將任意數(shù)量的低阻抗揚(yáng)聲器連接在一起，以便它們正確地加載放大器，從而在放大器（源）和揚(yáng)聲器（負(fù)載）之間提供阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)功率傳輸。
由于對(duì)于給定的電纜電阻，信號(hào)通過揚(yáng)聲器電纜的功率損耗與電流的平方 (P = I 2 R) 成正比，因此用于公共廣播 (PA) 或擴(kuò)音器的放大器的輸出電壓使用標(biāo)準(zhǔn)恒定電壓輸出電平，即峰值 100 伏 (均方根 70.7 伏)。
例如，驅(qū)動(dòng) 8 歐姆揚(yáng)聲器的 200 瓦功放提供 5 安培電流，而使用 100 伏線路的 200 瓦功放全功率時(shí)僅提供 2 安培電流，因此可以使用較小規(guī)格的電纜。但請(qǐng)注意，只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)線路的功率放大器以全額定功率運(yùn)行時(shí)，線路上才會(huì)存在 100 伏電壓，否則功率（音量較低）和線路電壓會(huì)降低。
因此，對(duì)于 100V（70.7V rms）線路揚(yáng)聲器系統(tǒng)，線路變壓器將音頻輸出信號(hào)電壓升壓至 100 伏，以便給定功率輸出的傳輸線電流相對(duì)較低，從而減少信號(hào)損耗，從而允許使用直徑或規(guī)格較小的電纜。
由于典型揚(yáng)聲器的阻抗通常較低，因此每個(gè)連接到 100V 線路的揚(yáng)聲器都使用一個(gè)阻抗匹配降壓變壓器（通常稱為線到音圈變壓器），如圖所示。
100V 輸電線路變壓器
100V 線路變壓器
在這里，放大器使用升壓變壓器，在給定功率輸出的情況下，以較低的電流提供恒定的 100 伏傳輸線電壓。揚(yáng)聲器并聯(lián)在一起，每個(gè)揚(yáng)聲器都有自己的阻抗匹配降壓變壓器，以降低次級(jí)電壓并增加電流，從而使 100V 線路與揚(yáng)聲器的低阻抗相匹配。
使用這種音頻傳輸線的優(yōu)點(diǎn)是，即使多個(gè)單獨(dú)的揚(yáng)聲器、擴(kuò)音器或其他此類聲音執(zhí)行器具有不同的阻抗和功率處理能力，它們也可以連接到一條線路上。例如，4 歐姆時(shí)功率為 5 瓦，或 8 歐姆時(shí)功率為 20 瓦。
阻抗匹配變壓器
通常，傳輸線匹配變壓器在初級(jí)繞組上有多個(gè)連接點(diǎn)，稱為分接點(diǎn)，允許為每個(gè)單獨(dú)的揚(yáng)聲器選擇合適的功率水平（以及音量）。此外，次級(jí)繞組也有類似的分接點(diǎn)，提供不同的阻抗以匹配所連接揚(yáng)聲器的阻抗。
在這個(gè)簡單的例子中，100V 線路到揚(yáng)聲器變壓器可以在其次級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng) 4、8 或 16 歐姆揚(yáng)聲器負(fù)載，其初級(jí)側(cè)的放大器額定功率分別為 4、8 和 16 瓦，具體取決于所選的分接點(diǎn)。實(shí)際上，PA 系統(tǒng)線路變壓器可以選擇用于任何串聯(lián)和并聯(lián)揚(yáng)聲器負(fù)載組合，功率處理能力高達(dá)幾千瓦。
但是，除了恒壓阻抗匹配線路變壓器外，音頻變壓器還可用于將低阻抗或低信號(hào)輸入設(shè)備（如麥克風(fēng)、轉(zhuǎn)盤動(dòng)圈拾音器、線路輸入等）連接到放大器或前置放大器。
由于輸入音頻變壓器必須在很寬的頻率范圍內(nèi)工作，因此它們通常被設(shè)計(jì)成使得其繞組的內(nèi)部電容與其電感產(chǎn)生共振，以改善其工作頻率范圍，從而允許使用更小的變壓器磁芯尺寸。
我們?cè)诒窘坛讨辛私庖纛l變壓器時(shí)已經(jīng)看到，音頻變壓器用于匹配不同音頻設(shè)備之間的阻抗，例如，作為線路驅(qū)動(dòng)器在放大器和揚(yáng)聲器之間進(jìn)行阻抗匹配，或在麥克風(fēng)和放大器之間進(jìn)行阻抗匹配。
與在 50 或 60Hz 等低頻下工作的電力變壓器不同，音頻變壓器設(shè)計(jì)用于在音頻頻率范圍內(nèi)工作，即從大約 20Hz 到 20kHz 或?qū)τ谏漕l變壓器來說更高的頻率。
由于頻帶較寬，音頻變壓器的鐵芯由特殊等級(jí)的鋼制成，例如硅鋼或具有極低磁滯損耗的特殊鐵合金。
音頻變壓器的主要缺點(diǎn)之一是體積較大且價(jià)格昂貴，但使用特殊磁芯材料可以實(shí)現(xiàn)更小的設(shè)計(jì)。這是因?yàn)橐话銇碚f，變壓器磁芯尺寸會(huì)隨著電源頻率的降低而增大。 |
