Start Nieuws ESL-dagen Inhoud Weblinks

Step-up Trafo

 

LEZING

Step-Up-trafo voor ESL's 

Herbert Rutgers

1. Inleiding

'ESL's hebben een slecht rendement', wordt er altijd gezegd. Over het algemeen is dat waar. Het blijkt erg moeilijk te zijn om step-up-trafo's te wikkelen met een voldoende grote wikkelverhouding om niet te ver achter te blijven bij elektrodynamische luidsprekers.
Trafo's voor ESL's moeten een bandbreedte van tien octaven hebben (50 - 20.000 Hz) en een grote wikkelverhouding (1 : 150). Dat is strijdig met elkaar.
Een 1 : 1 - breedbandige trafo maken is niet zo moeilijk. Een beetje 600
W -lijntrafo bestrijkt 12 octaven. Een hoogspanningstrafo van 1 : 800 maken (op een frequentie) is ook goed te doen. Een breedbandige trafo met een grote wikkelverhouding maken, is een andere zaak. Daar gaan we het hier over hebben. 

Tien octaven bij 1 : 150 gaat overigens niet. We zullen het audio-gebied moeten opdelen: verdeel en heers niet waar?

2. De lage kant

Uitgaande van een nominale impedantie van 4 W, zal de trafo aan de primaire kant bij de laagste weer te geven frequentie een eigen reactantie van minstens 12 W moeten hebben wil het ding niet onmiddellijk in verzadiging raken. Voor 50 Hz zal de primaire zelfinductie (L) dus minstens: 

          12
L =  ______   = 38 mH
moeten zijn.
        2p50
    

Voor 300 Hz wordt dat zes keer zo klein: 6 mH. Het aantal benodigde primaire windingen daarvoor hangt af van de doorsnede van de ijzerkern en het soort ijzer: hoe meer ijzer, des te minder windingen. Gelukkig neemt de zelfinductie van de wikkeling toe met het kwadraat van het aantal windingen. Twee keer zo veel windingen geeft dus een vier keer zo grote zelfinductie.
We willen natuurlijk zo min mogelijk (primaire) windingen gebruiken. Ga maar na: bij 100 primaire windingen moet de secundaire wikkeling bestaan uit 15.000 windingen om aan 1 : 150 te komen! 
Is dat erg? Ja! Dat zien we straks.

2.1 De primaire wikkeling

Om weinig spreidingszelfinductie te krijgen, moeten de primaire- en secundaire wikkelingen op een vrij lange spoelkoker over elkaar gewikkeld worden. Bij voorkeur bestaat de primaire uit een laag. Een koker van 70 mm is geen uitzondering. Voor een trafo die bij 300 Hz moet beginnen, zullen 25 windingen op een niet al te groot trafo-juk voldoende zijn. 25 windingen over een lengte van 70 millimeter. Dan wordt de draaddikte bijna 3 mm! Behalve dat het jammer is van de ruimte (die gaat in de hoogte af van de ruimte voor de secundaire!) is dat helemaal niet nodig voor de ohmse weerstand van de wikkeling. Die mag zelfs een paar ohm zijn zullen we straks zien. 
Mijn oplossing is: een aantal primaire windingen van dun draad parallel (naast elkaar). In dit voorbeeld hebben we per winding 70/25 = 2,8 mm beschikbaar. Vier draden van 0,7 mm, vijf draden van 0,55 mm of 6 draden van 0,45 mm.... Mogelijkheden genoeg. Het aardige daarvan is bovendien dat later het aantal primaire windingen hoger gekozen kan worden. Als we bijvoorbeeld de primaire van 25 windingen met vier draden van 0,7 mm maken, kunnen we later door in serie schakelen 50, 75 of 100 wikkelingen kiezen!

3. De hoge kant

Het aantal secundaire windingen wordt aan de hoge kant beperkt door de capaciteit die deze windingen t.o.v. elkaar vormen, afgezien van de capaciteit van de luidspreker zelf natuurlijk.
Ik ga uit van een simpele ESL zonder opdeelconstructies om het stralingsdiagram gunstiger te maken. We kiezen de ESL niet te groot. Voor de hoogste frequenties zal die ook nooit groot kunnen zijn. Laten we aannemen dat de capaciteit tussen de twee stators 50 pF is, dan is de capacitieve reactantie bij 20 kHz:

                1
___________________ = 160 kW.
2p◊20.000◊50◊10 -12

Bij een wikkelverhouding van 1 : 150 wordt dat aan de primaire kant: 160.000/150≤ = 7,1 W. Dat betekent dat de secundaire trafo-wikkeling daar niet veel meer dan 50 pF aan toe mag voegen om de versterker niet te veel te belasten bij 20 kHz!

Eerste conclusie: 
Voor een goede weergave in het laag moeten er in verband met de zelfinductie veel (primaire)
windingen op de trafo komen en voor het hoog mag het aantal (secundaire) windingen niet te groot zijn in verband met de capaciteit. 
Dat zijn strijdige eisen.

3.1 De impedantie-kromme

Bij de lage en de hoge frequenties zal de impedantie van de trafo dus laag zijn. Ergens daar tussenin ligt de eigen-(parallel)-resonantie. Afhankelijk van de constructie ligt die tussen de 2 en de 5 kHz. De impedantie kan daar wel een paar honderd ohm zijn! Dit betekent dat de trafo daar voor de versterker 'onzichtbaar' wordt: het is net of die recht in de ESL kijkt weliswaar met een 150≤ keer zo grote capaciteit natuurlijk, maar verder niets. In dit gebied is dus niets te vrezen.

4. Symmetrie en zo...

Hopelijk is aan een ieder duidelijk dat de capaciteit aan de uiteinden van de (twee in serie staande) secundaire wikkeling 'harder meetelt' dan capaciteit dicht bij de midtap. Aan de uiteinden is immers de wikkelverhouding het grootst.
Als we een trafo-juk gebruiken van E-I-blik met
ťťn spoelkoker, dan moeten de twee in serie-staande primaire wikkelingen op elkaar komen te liggen met de midtap in het midden. Dat betekent dat het uiteinde van de ene wikkeling direct boven de primaire wikkeling komt te liggen en het andere uiteinde 'bovenop'. De wikkeling die 'onderop' ligt, zal dus een veel grotere capaciteit hebben dan de andere. We zagen zo-even al dat die capaciteit zo klein mogelijk moet zijn, anders redden we het niet. We zien hier bovendien dat de capaciteit van de ene wikkeling veel groter zal zijn dan de andere. Dat gaat niet goed!

4.1 Een oplossing

Quad heeft dat opgelost door twee trafo's te gebruiken waarvan de primaire wikkelingen parallel staan en de secundaire in serie. Bovendien zetten ze de primaire wikkelingen 'in tegenfase' zodat de midtap aan de secundaire kant bij beide trafo's 'onderop' komt te liggen. De capaciteit van de secundaire wikkelingen is dan zo klein mogelijk en bovendien gelijk! Prima truc! De wikkelverhouding van zo'n enkele trafo is slechts 1 : 75 als je ten minste vasthoudt aan 1 : 150. 
Er is echter een nadeel: de twee primaire wikkelingen komen parallel te staan! Dat wil zeggen dat de primaire zelfinductie per trafo twee keer zo groot moet zijn. Er moeten dus, om bij ons voorbeeld te blijven, 25÷2 = 35 i.p.v. 25 windingen op. Voor de secundaire geldt uiteraard hetzelfde. Het voordeel van deze oplossing gaat dus weer gedeeltelijk verloren.

4.2 Mijn oplossing

Als we de spoelkokers van de twee trafo's van Quad nu eens op een en hetzelfde trafo-juk weten te zetten, dan gaat er door de beide kokers (en dus door te twee primaire wikkelingen) hetzelfde magnetische veld. Met andere woorden; de twee primaire wikkelingen staan wel parallel maar de primaire zelfinductie wordt er niet door verkleind. We kunnen dan volstaan met twee wikkelingen van 25 windingen. Hoe doe je dat?
Daar is maar een oplossing voor: gebruik een z.g. dubbel-C-kern
De wijze van parallelschakelen van de primaire wikkelingen kun je dan echter niet meer kiezen. Die wordt bepaald door het gezamenlijke magneetveld. Let nu op! Om de midtap van de beide secundaire wikkelingen toch onderop te krijgen en de 'hete' uiteinden dus bovenop, voor minimale capaciteit en goede symmetrie, moeten de secundaire wikkelingen tegengesteld gewikkeld worden! Als de ene wikkeling linksom ligt, moet de andere dus rechtsom.

5. De weerstand van de wikkelingen

We zagen boven reeds dat de reactantie van de capaciteit van een ESL, zelfs bij 20 kHz, hoog is. In ons voorbeeld 160 kW. Vooruit, laat die bij grote ESL's nu eens vijftig keer zo klein zijn (een capaciteit van 2,5 nF), dan komen we uit op 3,2 kW. Ik heb de trafo van ons voorbeeld eens helemaal doorgerekend en kwam met een secundaire wikkeling van 0,1 mm koperdraad uit op 560 W. Ik weet niet of je wel eens draad van 0,1 mm gewikkeld hebt...... dat doe je maar een keer! Er is ruimte genoeg dus is er geen enkele reden om geen draad van 0,15 of 0,2 mm te nemen. Met 0,2 mm kom je uit op ruim 100 W weerstand. Dat is altijd klein genoeg.
Met 25 windingen van vier draden parallel van 0,6 mm komt de primaire wikkeling op een ohmse weerstand van minder dan 0,1
W uit. Dat wil je niet eens direct aan je versterker hebben!

6. De secundaire nader beschouwd

De secundaire wikkeling zal uit vele lagen moeten bestaan. De weerstand van de wikkeling mag hoog zijn, zagen we boven. Door dun draad te kiezen, wordt de capaciteit tussen de wikkelingen-op-dezelfde-laag klein. Bovendien is de capaciteit tussen de wikkelingen minder 'erg' dan de capaciteit tussen windingen van de boven- of onderliggende laag. Daar staat immers meer spanning tussen. Door nu de lagen 'dik' te isoleren, vooral van de bovenste lagen (0,8 mm bij een van mijn trafo's) blijft de capaciteit binnen de perken. Je hebt dan ook minder kans op spanningsdoorslag.

6.1 De mooiste secundaire....

Het fraaiste resultaat heb ik (zo'n 15 jaar geleden) bereikt met een secundaire wikkeling van het dunste wire-wrap draad met teflon (PTFE) isolatie. Dat materiaal is superieur aan alle andere materialen. De isolatie is vrij dik en het draad dun dus de capaciteit van de wikkeling is laag.
Zonder ESL er aan gaf die trafo aan de primaire kant een impedantie van 25 W te zien bij 20 kHz !

Ik ben onlangs op zoek geweest naar meer van dat draad, doch wire-wrapping is een verouderde techniek.... Na veel omzwervingen kon ik aan dunne wire-wrap draad komen met ETFE isolatie.

Hetzelfde geldt voor dubbel-C-kernen. Er zijn er twee onderweg vanuit ItaliŽ...

7. Tot slot

Ik maak hybride ESL's. Ik heb een zeer tolerante vrouw, doch ESL's-van-een-vierkante-meter-of-meer krijg ik de huiskamer niet in. Ik wil dat zelf ook niet, vooral omdat ik de meest-gunstige luisteropstelling dan niet meer kan kiezen.
Voor degenen die het rijk voor zich alleen hebben, of een nog tolerantere partner, hoe moet het nu met een trafo voor 'het hele audio-gebied'? Gewoon in tweeŽn verdelen! Ik kan me niet voorstellen dat een groot membraan met twee vaste stators aangestuurd moet worden. Ik heb genoeg gezien van bouwbeschrijvingen met de meest ingenieuze constructies. Daar volgt straks nog een lezing over.
Op de hierboven beschreven manier is uitstekend een trafo van 1 : 180 te maken die het frequentiegebied van 300 - 20.000 Hz bestrijkt. Het moet toch een peulenschilletje zijn om een trafo te construeren die dat presteert van 30 - 300 Hz. Dat is maar 3,5 octaaf. De eerste de beste 50 Hz-hoogspanningstrafo voldoet hier!

Nog een opmerking: 
Het heeft geen enkele zin om van zeer duur trafo-blik gebruik te maken. Hoge-m-materiaal voor 50 Hz volstaat. Er is geen enkel verschil te meten noch te horen tussen 50 Hz (0,3 mm)- of 400 Hz (0,1 mm)-trafo-blik. Bij dat laatste is de hoogste impedantie bij resonantie een stuk hoger, maar daar heb je toch niets aan! 
Over 'amorfe' kernen wil ik het helemaal niet hebben (die hebben trouwens een lagere
m !) en speciaal koperdraad of zelfs zilverdraad als wikkelmateriaal hoort tot de audio-religie, en ik ben op dat gebied totaal niet religieus. 

Wil Blauw in Schagen maakt audio-trafo's. Hij wordt 'aangestuurd' door audio-goeroe 'Triode-Dick', de religie ten top. Jammer. 

Wetenschap, daar komt het op aan. Ik zal de volgende keer demonstreren wat daar mee te bereiken is.  

Uitgesproken op 29 mei 2005 voor 'De ESL-club' door:

Herbert Rutgers,   herbert_rutgers@hccnet.nl  

Zie ook de pagina  Elektrostaten Materialen

 

 


Start ] Omhoog ] esl-club@dds.nl

Webmaster:
   
Copyright © 2002 ESL-club           


Laatst bijgewerkt: 22 maart 2006