ترانسفورماتورهای صوتی

ترانسفورماتورهای صوتی

«ترانسفورماتورهای صوتی» (Audio Transformers) به منظور استفاده در «تقویت‌کننده صوتی» (amplifier) و صوت با فرکانس بالا و مدارهای صوتی، برای اتصال و استفاده در تطبیق‌دهنده «امپدانس» (impedance) طراحی شده‌اند.

این ترانسفورماتور‌ها افزاینده (افزایش‌دهنده) یا کاهنده (کاهش‌دهنده) سیگنال ولتاژ هستند، همچنین دارای یک ویژگی بسیار مفید دیگر به نام «ایزولاسیون» (isolation) هستند. از آنجا که هیچ ارتباط مستقیم الکتریکی بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه وجود ندارد، ترانسفورماتورها ایزولاسیون کامل الکتریکی را بین مدارهای ورودی و خروجی خود ایجاد می‌کنند. این ویژگی ایزولاسیون می‌تواند در مدار بین آمپلی‌فایرها و بلندگوها استفاده شود.

ما در این بخش در مورد ترانسفورماتور فهمیدیم که ترانسفورماتور یک دستگاه الکتریکی است که اجازه می‌دهد سیگنال ورودی سینوسی (مانند یک سیگنال صوتی یا ولتاژ) یک سیگنال یا ولتاژ خروجی را بدون اینکه طرف ورودی و خروجی به صورت فیزیکی با یکدیگر ارتباط داشته باشند، تولید کند. این جفت‌شدگی با داشتن دو (یا چند) سیم‌پیچ ممکن می شود. سیم‌پیچ از تاباندن سیم مسی لخت عایق‌بندی شده به دور یک هسته آهنی مغناطیسی نرم به دست می آید.

هنگامی که یک سیگنال AC بر سیم‌پیچ اولیه اعمال می‌شود، یک سیگنال AC متناظر با آن در سیم‌پیچ ثانویه خروجی به دلیل اتصال القایی هسته نرم آهنی ظاهر می‌شود. نسبت تبدیل بین سیم‌پیچ‌های ورودی و خروجی، یا باعث افزایش یا باعث کاهش سیگنال اعمال شده از طریق ترانسفورماتور می‌شود.

پس ترانسفورماتورهای صوتی می‌توانند یا از نوع افزاینده یا از نوع کاهنده در نظر گرفته شوند، اما ترانسفورماتورهای صوتی به جای تولید یک ولتاژ خروجی خاص، به طور عمده برای تطبیق امپدانس طراحی شده‌اند. همچنین یک ترانسفورماتور با نسبت تبدیل ۱:۱، ولتاژ یا سطح جریان فعلی را تغییر نمی‌دهد، بلکه به جای آن مدار اولیه را از طرف ثانویه ایزوله می‌کند. این نوع ترانسفورماتور معمولا به عنوان یک ترانسفورماتور ایزولاسیون شناخته می‌شود.

ترانسفورماتورها چه وظیفه‌ای دارند

ترانسفورماتورها دستگاه‌های هوشمندی نیستند بلکه می‌توانند به عنوان دستگاه‌های دو طرفه مورد استفاده قرار گیرند به طوری که سیم‌پیچ معمولی اولیه ورودی می‌تواند به یک سیم‌پیچ خروجی تبدیل شود و سیم‌پیچ خروجی ثانویه نرمال نیز می‌تواند به یک سیم‌پیچ ورودی تبدیل شود و به دلیل همین ذات دو جهته، ترانسفورماتورها می‌توانند یک سیگنال را هنگامی که در یک جهت استفاده می‌شود، تقویت کنند یا هنگام استفاده به صورت معکوس می‌توانند برای کمک به مطابقت با سیگنال یا ولتاژ بین دستگاه‌های مختلف، از یک سیگنال بکاهند.

همچنین توجه داشته باشید که یک ترانسفورماتور تنها، می‌تواند چندین سیم‌پیچ‌ اولیه یا ثانویه داشته باشد و همچنین این سیم‌ها می‌توانند اتصالات الکتریکی متعدد یا در امتداد طول خود tap (تپ یا لغزانه)هایی داشته باشند. مزیت ترانسفورماتور صوتی دارای چند تپ این‌ است که این تپ‌ها، امکان داشتن امپدانس‌های الکتریکی مختلف و همچنین نسبت‌های مختلف افزایشی یا کاهشی را ایجاد می‌دهند که بدین ترتیب برای تطبیق امپدانس تقویت‌کننده‌ها و بارهای بلندگو ابزارهای مناسبی محسوب می‌شوند.

ترانسفورماتورهای صوتی همان‌طور که از نام‌شان پیداست برای کار در باند فرکانس‌های صوتی طراحی شده‌اند و به این ترتیب می‌توانند در مرحله ورودی (میکروفون‌ها)، مرحله خروجی (بلندگوها)، اتصال بین طبقه‌ای و همچنین تطبیق امپدانس تقویت‌کننده‌ها استفاده شوند. در تمام موارد، پاسخ فرکانسی، امپدانس اولیه و ثانویه و قابلیت‌های توان باید در نظر گرفته شوند.

ترانسفورماتورهای صوتی و ترانسفورماتورهای تطبیق امپدانس در طراحی برای ولتاژ با فرکانس پایین و توان ترانسفورماتور، مشابه هستند، اما محدوده فرکانسی که در آن عمل می‌کنند بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، محدوده صوتی از فرکانس ۲۰HZ تا ۲۰kHz است. ترانسفورماتورهای صوتی همچنین می‌توانند جریان DC را از یک یا چند سیم‌پیچ خود برای استفاده در کاربردهای صوتی دیجیتال عبور دهند و همچنین تبدیل ولتاژ و جریان را در فرکانس‌های بالا انجام می‌دهند.

تطبیق امپدانس ترانسفورماتور صوتی

یکی از کاربردهای اصلی ترانسفورماتورهای فرکانس صوتی در تطبیق امپدانس است. ترانسفورماتورهای صوتی برای متعادل‌سازی تقویت‌کننده‌ها و همچین بارهای همزمانی که دارای امپدانس‌های ورودی/خروجی مختلفی هستند به منظور دستیابی به بیشترین انتقال توان، ایده‌ال هستند.

برای مثال، امپدانس بلندگوهای معمولی بین ۴ تا ۱۶ اهم است، در حالی که امپدانس مرحله خروجی تقویت‌کننده ترانزیستور می‌تواند چند صد اهم باشد. یک مثال کلاسیک از این مورد ترانسفورماتور صوتی LT700 است که می‌تواند در مرحله خروجی تقویت‌کننده برای به کار انداختن بلندگو استفاده شود.

ما می‌دانیم که برای یک ترانسفورماتور، نسبت بین تعداد سیم‌های پیچیده شده روی سیم‌پیچ اولیه (N_P) به تعداد سیم‌های پیچیده شده روی سیم‌پیچ ثانویه (N_S)، «نسبت تبدیل» نامیده می‌شود. از آنجایی که مقدار ولتاژ یکسانی روی هر سیم پیچیده شده روی دو سیم‌پیچ اعمال می‌شود، بنابراین نسبت ولتاژ اولیه به ولتاژ ثانویه (V_P/V_S) برابر با همان مقدار نسبت تبدیل خواهد بود.

در ترانسفورماتورهای صوتی تطبیق امپدانس، همیشه مقدار نسبت امپدانس بین دو سیم‌پیچ برابر با مربع نسبت تبدیل دو سیم‌پیچ است. به عبارت دیگر، نسبت امپدانس آن‌ها برابر است با مربع نسبت تبدیل آن‌ها و این یعنی مربع نسبت ولتاژ اولیه به ولتاژ ثانویه، همان‌گونه که در زیر نشان داده شده است.

نسبت امپدانس ترانسفورماتور صوتی

که در آن Z_P امپدانس سیم‌پیچ اولیه، Z_S امپدانس سیم‌پیچ ثانویه، (N_P/N_S) نسبت تبدیل ترانسفورماتور و (V_P/V_S) نسبت ولتاژ ترانسفورماتور است. به عنوان مثال، یک ترانسفورماتور صوتی تطبیق امپدانس که دارای یک نسبت تبدیل (یا نسبت ولتاژ) برابر با ۲:۱ است، دارای نسبت امپدانس ۴:۱ خواهد بود.

مثال شماره ۱ ترانسفورماتور صوتی

یک ترانسفورماتور صوتی با نسبت تبدیل ۱۵:۱ برای انطباق خروجی تقویت‌کننده قدرت بلندگویی استفاده می‌شود. اگر امپدانس خروجی تقویت‌کننده ۱۲۰ اهم باشد، امپدانس اسمی بلندگوی مورد‌نیاز را برای انتقال حداکثر قدرت محاسبه کنید.

پس تقویت‌کننده قدرت می‌تواند یک بلندگوی ۸ اهمی را به طور کاملا موثری راه‌اندازی کند.

ترانسفورماتور صوتی ۱۰۰V خطی

یکی دیگر از کاربردهای بسیار متداول تطبیق امپدانس، ترانسفورماتورهای ۱۰۰ ولت خطی هستند که برای ارسال موسیقی و صدا روی سیستم‌های تانوی (tannoy system) به کار می‌روند. این نوع از سیستم‌های بلندگو که معمولا روی سقف نصب می شوند، از بلندگوهای چندگانه‌ای استفاده می‌کنند که با قدری فاصله از تقویت‌کننده قدرت مستقر شده‌اند.

با استفاده از ترانسفورماتورهای جداسازی خطی، هر تعداد بلندگوی با امپدانس پایین را می‌توان به هم متصل کرد. به طوری که آن‌ها تقویت‌کننده بار مناسبی را به شرط تطبیق امپدانس بین تقویت‌کننده (منبع) و بلندگوها (بار) برای حداکثر قدرت، انتقال دهند.

همانطور که قدرت سیگنال‌ها از طریق کابل‌های بلندگو، متناسب با مربع جریان (P=I^۲R) برای یک مقاومت مشخص از کابل کاهش می‌یابد، ولتاژ خروجی تقویت‌کننده مورد استفاده برای آدرس عمومی (PA) یا سیستم‌های تانوی از یک سطح ولتاژ خروجی استاندارد و ثابت حداکثر ۱۰۰ ولتی (۷۰.۷ ولت rms) استفاده می‌کنند.

مثال شماره ۲

بنابراین برای مثال یک آمپلی‌فایر ۲۰۰ واتی که یک بلندگوی ۸ اهمی را به کار می‌اندازد جریان ۵ آمپری ارائه می‌دهد، در حالی که تقویت‌کننده ۲۰۰ واتی با استفاده از یک ولتاژ ۱۰۰ ولتی در حداکثر توان، تنها ۲ آمپر جریان ارائه می‌دهد که امکان استفاده از کابل‌هایی با سایز کوچک‌تر را فراهم می‌کند. توجه داشته باشید که این ۱۰۰ ولت تنها زمانی که تقویت‌کننده قدرت، با حداکثر توان کار می‌کند، وجود خواهد داشت. در غیر این صورت قدرت (حجم صدا) و ولتاژ سیم، کاهش می‌یابد.

بنابراین برای یک سیستم بلندگوی خط (۱۰۰V (70.7V rms، ترانسفورماتور خط، ولتاژ سیگنال خروجی صوتی را به ۱۰۰ ولت افزایش می‌دهد به طوری که جریان خط انتقالی برای یک توان خروجی مشخص، نسبتا کم است و کاهش تلفات سیگنال امکان استفاده از کابل با قطر کوچکتر را فراهم می‌کند.

از آنجا که امپدانس یک بلندگوی معمولی به طور کلی کم است، یک ترانسفورماتور کاهنده انطباق آمپدانس (که معمولا با عنوان ترانسفورماتور line to voice-coil نامیده می‌شود) برای هر بلندگوی متصل به خط ۱۰۰V مطابق تصویر زیر، استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور انتقال خطی ۱۰۰V

در اینجا تقویت‌کننده از یک ترانسفورماتور افزاینده استفاده می‌کند تا یک ولتاژ خط ثابت ۱۰۰ ولتی را در جریان کاهش یافته، برای یک توان خروجی مشخص فراهم کند. بلندگوها به صورت موازی به هم متصل شده‌اند و هر بلندگو برای خودش دارای یک ترانسفورماتور کاهنده انطباق امپدانس برای کاهش ولتاژ ثانویه و افزایش جریان و در نتیجه تطبیق ولتاژ ۱۰۰V خط با امپدانس پایین بلندگو است.

مزیت استفاده از این نوع خط انتقال صوتی این است که بسیاری از بلندگوهای منفرد، تانوی و یا از این قبیل تحریک‌کننده‌های صوتی‌ حتی اگر دارای امپدانس و قابلیت جابجایی قدرت متفاوتی باشند، می‌توانند به یک خط متصل شوند. به عنوان مثال، ۴ اهم در ۵ وات، یا ۸ اهم در ۲۰ وات.

به طور کلی ترانسفورماتورهای تطبیق خط انتقال، دارای اتصالات چندگانه به نام نقاط انشعاب (tapping) بر روی سیم‌پیچ اولیه هستند که اجازه می‌دهند سطوح قدرت مناسب (و به همین ترتیب حجم صدا) برای هر بلندگو به صورت جداگانه انتخاب شود. همچنین، سیم‌پیچ ثانویه دارای نقاط انشعاب مشابهی است که امپدانس‌های مختلفی را برای مطابقت با بلندگوهای متصل شده فراهم می‌کند.

در این مثال ساده، می بینیم که یک ترانسفورماتور خط با بلندگوی ۱۰۰ ولت می‌تواند بارهای بلندگو‌های ۴، ۸ یا ۱۶ اهمی را در طرف ثانویه خود، بسته به نقاط انشعاب انتخاب شده با نسبت قدرت تقویت‌کننده ۴، ۸ و ۱۶ وات بر روی قسمت اولیه‌اش به کار اندازد. در واقع، ترانسفورماتورهای خطی سیستم PA می‌توانند برای هر ترکیب بار بلندگو با اتصال سری و موازی و همچنین قابلیت جابجایی قدرت تا چند کیلو وات انتخاب شوند.

کاربردهای دیگر ترانسفورماتورهای صوتی

اما علاوه بر ترانسفورماتورهای تطبیق خط آمپدانس با ولتاژ ثابت، ترانسفورماتورهای صوتی می‌توانند برای اتصال دستگاه‌های با امپدانس یا سیگنال ورودی پایین از قبیل میکروفون‌ها، سیم‌پیچ گرامافون‌های با صفحه گردان، ورودی‌های خطی و غیره، به عنوان یک تقویت‌کننده یا پیش تقویت‌کننده استفاده شوند. از آنجا که ترانسفورماتورهای صوتی ورودی باید در طیف وسیعی از فرکانس‌ها عمل کنند، معمولا آن‌ها را به نحوی طراحی می‌کنند که ظرفیت خازنی (capacitance) سیم‌پیچ‌های آن‌ها با ظرفیت القای مغناطیسی‌شان برای بهبود محدوده فرکانس کاری تشدید شود و بدین ترتیب بتوان یک ترانسفورماتور با هسته کوچکتر داشت.

ما در این نوشته در مورد ترانسفورماتورهای صوتی توضیح دادیم که ترانسفورماتورهای صوتی برای مطابقت امپدانس بین دستگاه‌های مختلف صوتی، به عنوان مثال، بین تقویت‌کننده و بلندگو به عنوان یک پیش‌برنده خطی یا بین یک میکروفن و آمپلی‌فایر برای تطبیق امپدانس استفاده می‌شوند. بر خلاف ترانسفورماتورهای قدرت که در فرکانس‌های پایین مانند ۵۰ یا ۶۰ هرتز عمل می‌کنند، ترانسفورماتورهای صوتی برای کار روی محدوده فرکانس‌های صوتی طراحی شده‌اند که این محدوده از حدود ۲۰ هرتز تا ۲۰ کیلوهرتز یا بیشتر برای ترانسفورماتورهای فرکانس رایدیویی است.

با توجه به این طیف گسترده فرکانسی، هسته ترانسفورماتورهای صوتی از درجه‌های خاصی از فولاد، از جمله فولاد سیلیکون و یا از آلیاژهای خاص آهن که دارای اتلاف پسماند بسیار کمی هستند، ساخته می‌شوند. یکی از معایب اصلی ترانسفورماتورهای صوتی این است که ممکن است تا حدودی بزرگ و گران‌قیمت باشند، اما با استفاده از مواد خاصی برای هسته، امکان طراحی کوچک‌تر نیز وجود دارد. این بزرگ شدن به این دلیل است که به عنوان یک قاعده کلی، اندازه هسته یک ترانسفورماتور با کاهش فرکانس منبع افزایش می‌یابد.