Perguntas e Respostas sobre os Transformadores Schatz

[Jairo]

Caro Alexandre, nome de fórum a.sim: a razão de eu ter pedido a voce uma resposta ao questionamento do colega de fórum guilherme é a seguinte: acompanhei algumas discussões aqui no fórum onde voce defende seus pontos de vista veementemente. O colega guilherme formulou algumas questões a voce quanto a sua integridade profissional para as quais só encontrei de sua parte respostas genéricas. Diante das suas respostas incisivas a outras questões e seu quase silêncio diante das perguntas do membro guilherme e como se subentende no seu texto que voce está sendo vítima da inveja e por conta da "postura nada ética que os colegas têm presenciado neste e em outros tópicos do forum", explicite seus métodos de trabalho

[Matec]

"Excelente pergunta, colega Matec. Quem sabe o colega mesmo não dá a resposta ? Está caindo " de maduro " ..."

a.sim


Eu posso dar a minha opinião, mas quero saber mais sobre suas pesquisas, e afinal o tópico é seu. E preciso avaliar as informações que estou recolhendo. Parece que há mais detalhes sobre esse assunto GO-GNO, e que a maioria dos colegas não está se dando conta. Eu não quero perder nada.  

[Victor Nery]

Saudações,

Bom e já que o tópico foi criado para "perguntas e respostas"  também não gostaria de ficar no vácuo...

Abraço

[a.sim]

Continuando a postagem anterior :

O mesmo transformador montado com um núcleo GNO proporcionaria uma tolerância no desequilíbrio DC maior, pelo menos o dobro do valor calculado anteriormente. Ainda que a indutância de magnetização do transformador com núcleo GNO seja menor ( cerca da metade ) em relação àquele que usa GO, aquela ainda é " alta " o suficiente para garantir que o transformador tenha sua resposta limitada pela saturação do núcleo. A indutância primária, assim, efetivamente deve ser " alta ", mas não " alta demais " ou o transformador PP será muito propenso aos efeitos do desbalanço DC entre as válvulas...sem falar no desbalanço AC...

Será por isso que os grandes fabricantes estrangeiros montam as lâminas intercaladas em grupos ao invés de intercalá-las uma a uma ?

Pois é...quem sabe ? Deve haver uma razão para isso, não ? Ou será que os fabricantes internacionais, que são tão venerados aqui e ali, estão fazendo isso só por beleza ? Interessante que, nos transformadores de força, eles intercalam as lâminas uma a uma...deixo o mistério no ar, para suscitar a curiosidade dos que estão acompanhando este texto...

A indutância de magnetização elevada, entretanto, traz um benefício obscurecido pela resposta em frequência : a distorção harmônica do transformador. Conforme mencionei anteriormente, o transformador de saída é excitado em corrente, já que a resistência de placa das válvulas de saída não é desprezível frente à impedância de carga. Como a relação entre fluxo magnético e corrente primária não é linear ( devido à curva de magnetização do material ) segue que as tensões primária e secundária apresentam certa distorção em relação à forma de onda da corrente.

Norman Partridge apresentou em 1942 sua tese de doutorado propondo uma forma de calcular a distorção que aparece em um transformador, quando este é conectado a um estágio amplificador ( vejam como era legal e fácil obter um título de doutor naquela época...). Resumindo o trabalho do Dr. Partridge, a distorção introduzida pelo transformador pode ser calculada por :

Eh/Ef = Ih/If * Rpar / Xm * ( 1- Rpar / ( 4 * Xm)) onde

Eh/Ef - relação entre a tensão da harmônica e a tensão da fundamental que aparecem na saída. Multiplicada por 100, dá a distorção harmônica percentual existente na tensão de saída;

Ih/If - relação entre a corrente da harmônica considerada e a corrente fundamental;

Rpar - resistência total existente em paralelo com o primário. É o paralelo da impedância de carga primária e a resistência de placa da(s) válvula(s);

Xm - reatância indutiva primária na frequência da fundamental.

A distorção harmônica deve ser calculada em uma dada frequência ( a fundamental ) e para uma certa harmônica ( 3a, 5a, etc ). O parâmetro Ih/If é dependente da frequência e do nível de indução do núcleo, e varia um pouco se o material é GNO ou GO. A 5a. edição do Reference Data for Radio Engineers apresenta à p. 12-9 uma tabelinha com os valores de Ih/If para a 3a e a 5a harmônica em função de Bmax:

Bmax           100     500    1000    3000    5000   10000
Ih/If%, 3a       4        7         9        15       20        30
Ih/If%, 5a       1      1.5        2        2.5       3          5     

Observa-se que a distorção de 3a harmônica é a mais severa, mas os valores de Ih/If caem rapidamente à medida que Bmax diminui. Da análise da equação apresentada, nota-se que a distorção de um transformador depende não só do transformador em si, mas também da parcela resistiva associada ao primário do transformador. Como já vimos, a indução Bmax de um transformador reduz-se à medida que a frequência do sinal amplificado aumenta, considerando-se potência de saída constante. Disso se conclui :

a) a distorção é dependente do Rp da válvula - triodos ( baixa Rp ) são mais vantajosos do que  pentodos ( alta Rp ) como válvulas de saída, com relação à distorção. Como a ligação ultra-linear reduz drasticamente a impedância de saída dos pentodos, ela também propicia a melhoria da distorção.

b) a distorção máxima ocorre à máxima potência e na frequência mínima de trabalho do transformador, que é onde B = Bmax. Mas, à medida que a frequência aumenta, a distorção reduz-se rapidamente pois Bmax e Ih/If diminuem de valor com a frequência.

c) quanto maior Xm, menor a distorção. Logo, a indutância primária deve ser a mais elevada possível.

Com esses argumentos, eu concordo que o uso do núcleo GO permite obter um transformador cuja distorção harmônica é menor do que aquela que seria obtida com um núcleo GNO. A maior indutância de magnetização proporcionada pelo GO permite reduzir a distorção pela metade.

Para ilustrar o exposto, voltemos ao transformador de 100 W, 60 Hz, 1 T, Zpri = 1800 ohms, Lmag = 130 H. Desconsiderando a presença das válvulas 6L6 ( cuja Rp é muito maior do que 1800 ohms ), obtém-se que a distorção a 1T, 60 Hz, é de ( 30 % ) * ( 1800/49000 ) * ( 0,9908 ) = 1,09 %. O mesmo transformador com núcleo GNO daria cerca de 2 % de distorção. Não é muito, considerando-se que :

a) a distorção introduzida pelas válvulas e alto-falante, sozinhas, será igual ou maior do que esse valor;

b) se o amplificador é para instrumento, uma resposta linear não é algo que o músico exatamente deseja...

c) se o amplificador é para HiFi, existe ainda a realimentação negativa, que elimina boa parte das distorções do circuito, inclusive as do transformador...

d) o valor apresentado vale para 1 T ( plena potência ), 60 Hz e irá reduzir-se rapidamente à medida que a frequência do sinal aumenta. A 600 Hz, a distorção cai de 1,1 % para  0,033 %...


Com tudo isso, será que já dá para tirar alguma conclusão ?

Segue em nova postagem.

[Matec]

a.sim

Os seus argumentos estão tão acadêmicos que estou tendo um nó no cérebro para destrichar essa exposição.
Deixa ver se entendi:

O núcleo GNO responde menos aos graves.

Mas isso não é ruim porque a resposta aos desequilíbrios DC (sub-subgraves) é menor e isso é desejável.
(É por isso que alguns fabricantes de transformadores estrangeiros montam o núcleo GO em grupos de 2 ou 3 lâminas? Para diminuir um pouco a eficiência do núcleo GO em muito baixas frequências?)

Todos os transformadores ligados á válvulas de saída, que possuem alta impedância de placa, apresentam distorção proveniente do núcleo (?). A distorção é menos expressiva conforme a impedância de entrada tenha um valor menor. (O Norman Partridge é daquela fábrica que fazia os transformadores dos amplis Hiwatt, certo?)

Mas os amplis para instrumentos mantém sempre uma impedância de saída alta. Logo além da distorção da própria válvula podemos sempre adicionar uma parcela de distorção de núcleo de transformador na nossa conta.

Me corrijam se eu entendi errado!

[a.sim]

Olá.

Eu queria continuar com o texto da postagem anterior, mas percebo que é hora de reunir os conceitos apresentados nas " apenas cinco " postagens quilométricas anteriores e tirar algumas conclusões. Feito isso, poderíamos prosseguir no tema " transformadores de saída "...

então, o que foi postulado a partir da teoria dos transformadores PP ?

a) Um transformador de áudio é dimensionado considerando-se uma certa indução magnética Bmax que ocorre no núcleo em uma dada frequência mínima de projeto fmin e quando o transformador está entregando a potência máxima nominal;

b) se mantivermos a tensão alternada primária constante, o aumento da frequência do sinal causa uma redução na indução do núcleo de forma inversamente proporcional. Se a frequência dobra, B cai pela metade ( f * B = cte );

c) É possível operar um transformador abaixo de fmin sem saturá-lo desde que a máxima tensão primária seja reduzida na mesma proporção da frequência ( Vpri/f = cte );

d) A resposta de baixa frequência de um transformador de saída é determinada pela máxima saturação do núcleo e pela frequência onde a reatância de magnetização iguala-se à impedância primária, o que ocorrer primeiro;

e) A distorção não-linear introduzida pelo núcleo é tanto menor quanto maior for a relação reatância de magnetização / impedância primária, é fortemente dependente de B e seu valor máximo ocorre quando o transformador opera na potência máxima e na frequência mínima fmin;

f) À medida que a frequência do sinal aumenta, a distorção não-linear reduz-se sensivelmente, pois B diminui ( itens b e e );

g) O núcleo GO proporciona uma distorção menor do que o GNO porque, para um mesmo transformador, a substituição de um núcleo GNO por GO faz dobrar a indutância primária;

h) Um transformador equilibradamente dimensionado com núcleo GNO proporciona valores reduzidos de distorção. O uso de um núcleo GO apenas melhoraria esse valor por um fator de 2,0 ; em ambos os casos, a distorção não-linear introduzida pelo transformador é menor do que aquela introduzida pelas não-linearidades das válvulas operando na potência máxima;

i) O valor máximo de indução no qual um núcleo GO e um GNO podem operar é o mesmo, demandando que a seção magnética do transformador de saída seja a mesma em ambos os casos para uma dada potência e uma dada fmin. Dessa afirmação vem que os enrolamentos primário e secundário em ambos os casos ( GO e GNO ) precisam ter o mesmo número de espiras, utilizar a mesma bitola de fio e, por fim, possuírem a mesma resistência elétrica...

j) As perdas no núcleo de um transformador de saída são fortemente dependentes da frequência do sinal amplificado e caem rapidamente com o aumento desta. Assim, embora um núcleo GO tenha menor perda que um GNO, essa vantagem só é significativa quando o transformador opera à máxima potência amplificando sinais de frequência baixa;

k) Pelo exposto no item i, as perdas introduzidas pelas resistências dos enrolamentos fazem com que a perda no núcleo represente apenas uma pequena parcela da potência total do transformador, que diminui à medida que se amplifica sinais de frequência mais elevada. Em frequências médias e altas, as perdas com núcleo GO e GNO serão aproximadamente as mesmas.

Esses dois últimos tópicos merecem ser tratados com mais profundidade, razão pela qual vou me ater a eles na próxima postagem.

[a.sim]

Olá, colegas.

Após uns dias de " descanso ", vamos tocar no assunto " perdas ", conforme mencionei na último postagem.

Da teoria dos transformadores, sabemos que as perdas são divididas em " perdas no núcleo " e " perdas no cobre ".

As perdas no núcleo já foram motivo de nossa consideração e são devidas às correntes parasitas e ao efeito da histerese magnética. Também já vimos que ambas as perdas são dependentes da frequência e da indução magnética.

As perdas no cobre são aquelas causadas pela resistência elétrica do bobinado. Ao ser percorrido por corrente, os enrolamentos aquecem, representando uma perda de potência a ser acrescida às perdas no núcleo para fins de cálculo do rendimento do transformador.

Eu tenho aqui um transformador PP de 8000 ohms para 4 e 8 ohms, 18 W, 60 Hz. Esse transformador utiliza cerca de 690 g de ferro, tendo resistência primária de 345 ohms e resistência secundária cerca de 0,4 ohms ( 8 ohms ). De posse desses dados, podemos calcular o rendimento para os núcleos  GO e GNO.

A corrente primária a plena potência é dada por I = sqr ( 18 W / 8000 ohms ) = 47 mA rms. A corrente secundária, da mesma forma, vale 1,5 A rms. Sabendo que P  = I² x R, Ppri = ( 47 mA )² x 345 = 0,76 W e, da mesma forma, Psec = 0,9 W. Logo, perdas no cobre a plena potência = 1,66 W.

As perdas no ferro vão depender do tipo de núcleo e da quantidade de ferro utilizada - 690 g no exemplo. O material GNO que usamos tem perda de 1,5 W/kg, representando uma perda de 1,0 W a plena potência, 1 T. O material GO, por outro lado, tem perda de 0,4 W/kg a 1 T, de forma que a perda no núcleo GO é de 0,28 W.

Com isso, podemos calcular os rendimentos:

transformador GNO : n = (18 W - 1,66 W - 1,0 W) / 18 W = 0,852 ou ~85 %.

transformador GO : n = (18 W - 1,66 W -0,28 W) / 18 W = 0,892 ou ~89%.

Vejam que o rendimento dos transformadores é praticamente o mesmo, independentemente do núcleo utilizado. Essa diferença fica ainda menor à medida que a potência transformada é menor do que 18 W ou à medida que a frequência do sinal aumenta. Às frequências médias, então, o rendimento dos dois transformadores ficam praticamente iguais.

Então, afinal, enfim, o que toda essa discussão sobre transformadores, núcleos e perdas realmente significam, do ponto de vista do " som " e do amplificador, em si ?

Isso veremos na próxima postagem.

[kem]

...Isso veremos na próxima postagem.

Tem previsão?