音頻變壓器的詳細的知識

除了升高或降低信號電壓外，變壓器還具有另一個非常有用的特性，即隔離。由于變壓器的初級和次級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。連接在放大器和揚聲器之間的音頻變壓器也可以利用這種隔離特性。

我們在本節(jié)關于變壓器的介紹中了解到，變壓器是一種電氣設備，它允許正弦輸入信號（例如音頻信號或電壓）產(chǎn)生輸出信號或電壓，而無需輸入側和輸出側物理連接。這種耦合是通過將兩個（或更多）線圈（稱為繞組）的絕緣銅線纏繞在軟磁鐵芯上來實現(xiàn)的。

音頻變壓器

當交流信號施加到初級輸入繞組時，由于軟鐵芯的電感耦合，輸出次級繞組上會出現(xiàn)相應的交流信號。輸入和輸出線圈之間的匝數(shù)比決定了施加信號通過變壓器時的增加或減少。

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 的變壓器不會改變電壓或電流水平，而是將初級電路與次級側隔離。這種類型的變壓器通常稱為隔離變壓器。

變壓器不是智能設備，但可以用作雙向設備，使得正常的初級輸入繞組可以成為輸出繞組，正常的次級輸出繞組可以成為輸入，并且由于這種雙向特性，變壓器在一個方向上使用時可以提供信號增益，在反向使用時可以提供信號損失，以幫助匹配不同設備之間的信號或電壓水平。

還要注意的是，單個變壓器可以有多個初級或次級繞組，這些繞組沿其長度還可以有多個電氣連接或“抽頭”。多抽頭音頻變壓器的優(yōu)點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聲器負載的阻抗匹配。

顧名思義，音頻變壓器設計用于在音頻頻帶內(nèi)工作，因此可以應用于輸入級（麥克風）、輸出級（揚聲器）、級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、初級和次級阻抗以及功率能力。

音頻和阻抗匹配變壓器的設計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或多個繞組中傳導直流電，用于數(shù)字音頻應用以及轉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載，以實現(xiàn)功率傳輸。

例如，典型的揚聲器阻抗范圍為 4 至 16 歐姆，而晶體管放大器輸出級的阻抗可能高達幾百歐姆。一個典型的例子是 LT700 音頻變壓器，它可用于放大器的輸出級以驅動揚聲器。

我們知道，對于變壓器來說，初級繞組的線圈匝數(shù) (N P ) 與次級繞組的線圈匝數(shù) (N S ) 之比稱為“匝數(shù)比”。由于兩個繞組的每個單線圈匝內(nèi)都會產(chǎn)生相同量的電壓，因此初級與次級電壓比 (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繞組到另一個繞組的阻抗比值。也就是說，它們的阻抗比等于其匝數(shù)比的平方，也等于其初級與次級電壓比的平方，如圖所示。

阻抗比

音頻變壓器阻抗比

其中 Z P是初級繞組阻抗，Z S是次級繞組阻抗，(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聲器。如果放大器的輸出阻抗為 120Ω。計算功率傳輸所需的揚聲器的標稱阻抗。

阻抗匹配示例

然后功率放大器可以有效地驅動8歐姆揚聲器。

音頻 100V 線路變壓器

另一種非常常見的阻抗匹配應用是用于 100 伏線路變壓器，用于通過公共廣播擴音系統(tǒng)傳輸音樂和語音。這些類型的天花板揚聲器系統(tǒng)使用距離功率放大器一定距離的多個揚聲器。

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）和揚聲器（負載）之間提供阻抗匹配，實現(xiàn)功率傳輸。

由于對于給定的電纜電阻，信號通過揚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) 或擴音器的放大器的輸出電壓使用標準恒定電壓輸出電平，即峰值 100 伏 (均方根 70.7 伏)。

例如，驅動 8 歐姆揚聲器的 200 瓦功放提供 5 安培電流，而使用 100 伏線路的 200 瓦功放全功率時僅提供 2 安培電流，因此可以使用較小規(guī)格的電纜。但請注意，只有當驅動線路的功率放大器以全額定功率運行時，線路上才會存在 100 伏電壓，否則功率（音量較低）和線路電壓會降低。

因此，對于 100V（70.7V rms）線路揚聲器系統(tǒng)，線路變壓器將音頻輸出信號電壓升壓至 100 伏，以便給定功率輸出的傳輸線電流相對較低，從而減少信號損耗，從而允許使用直徑或規(guī)格較小的電纜。

由于典型揚聲器的阻抗通常較低，因此每個連接到 100V 線路的揚聲器都使用一個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。揚聲器并聯(lián)在一起，每個揚聲器都有自己的阻抗匹配降壓變壓器，以降低次級電壓并增加電流，從而使 100V 線路與揚聲器的低阻抗相匹配。

使用這種音頻傳輸線的優(yōu)點是，即使多個單獨的揚聲器、擴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 歐姆時功率為 5 瓦，或 8 歐姆時功率為 20 瓦。

阻抗匹配變壓器

通常，傳輸線匹配變壓器在初級繞組上有多個連接點，稱為分接點，允許為每個單獨的揚聲器選擇合適的功率水平（以及音量）。此外，次級繞組也有類似的分接點，提供不同的阻抗以匹配所連接揚聲器的阻抗。

在這個簡單的例子中，100V 線路到揚聲器變壓器可以在其次級側驅動 4、8 或 16 歐姆揚聲器負載，其初級側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。實際上，PA 系統(tǒng)線路變壓器可以選擇用于任何串聯(lián)和并聯(lián)揚聲器負載組合，功率處理能力高達幾千瓦。

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輸入設備（如麥克風、轉盤動圈拾音器、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，因此它們通常被設計成使得其繞組的內(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。

我們在本教程中了解音頻變壓器時已經(jīng)看到，音頻變壓器用于匹配不同音頻設備之間的阻抗，例如，作為線路驅動器在放大器和揚聲器之間進行阻抗匹配，或在麥克風和放大器之間進行阻抗匹配。

與在 50 或 60Hz 等低頻下工作的電力變壓器不同，音頻變壓器設計用于在音頻頻率范圍內(nèi)工作，即從大約 20Hz 到 20kHz 或對于射頻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之一是體積較大且價格昂貴，但使用特殊磁芯材料可以實現(xiàn)更小的設計。這是因為一般來說，變壓器磁芯尺寸會隨著電源頻率的降低而增大。