ترانسفورماتور صوتی

ترانسفورماتورهای صوتی، برای استفاده در کاربردهای تقویت‌کننده‌ی صوتی، برای کوپلینگ و تطبیق امپدانس تقویت‌کننده‌ها و بلندگوها، طراحی شده‌اند.

ترانسفورماتورها، علاوه‌بر بالابردن (افزایش) یا پایین‌آوردن (کاهش) ولتاژ سیگنال، یک ویژگی بسیار مفید دیگر دارند و آن ایزوله‌کردن (جداسازی) است. از آنجایی‌که که اتصال الکتریکی مستقیمی بین سیم‌پیچ‌های اولیه و ثانویه‌ی ترانسفورماتورها وجود ندارد؛ ایزوله‌سازی الکتریکی کاملی بین مدارهای ورودی و خروجی ایجاد می‌شود و می‌توان از این خاصیت ایزوله‌سازی بین تقویت‌کننده‌ها و بلندگوها استفاده کرد.

در مقالات قبلی ترانسفورماتورها دیدیم که ترانسفورماتور، دستگاه الکتریکی است؛ که به یک سیگنال ورودی سینوسی (مانند سیگنال صوتی یا ولتاژ) اجازه می‌دهد؛ تا یک سیگنال یا ولتاژ خروجی تولید کند؛ بدون اینکه هیچ‌کدام از دو سمت ورودی و خروجی به‌صورت فیزیکی به‌هم متصل باشند. این کوپلینگ با داشتن یک جفت ( یا بیشتر) پیچه‌ی سیم ( به‌نام سیم‌پیچ) مسی عایق‌شده در اطراف هسته‌ی آهنی مغناطیسی نرم، به دست می‌آید.

{ درباره مفاهیم ولتاژ و جریان بیشتر بدانید }

ترانسفورماتور صوتی چیست؟

نگامی‌که، یک سیگنال AC به سیم‌پیچ ورودی اولیه، اعمال می‌شود؛ یک سیگنال AC متناظر برروی سیم‌پیچ ثانویه‌ی خروجی به دلیل کوپلینگ القایی هسته‌ی آهنی نرم، ظاهر می‌شود. نسبت دور بین سیم‌پیچ‌های ورودی و خروجی باعث افزایش یا کاهش سیگنال اعمال‌شده در هنگام عبور از ترانسفورماتور می‌شود.

۱. ترنسفورماتور صوتی معمولی

پس ترانسفورماتورها را می‌توان به‌صورت نوع افزایشی یا کاهشی، درنظرگرفت؛ اما بیشتر از آنکه از آنها برای تولید یک ولتاژ خروجی خاص استفاده شود؛ ترانسفورماتورهای صوتی، عمدتا برای تطبیق امپدانس طراحی شده‌اند. همچنین ترانسفورماتورهای با نسبت دور ۱:۱، سطوح ولتاژ یا جریان را تغییر نمی‌دهند؛ بلکه مدار اولیه را از سمت ثانویه جدا می‌کنند. این نوع ترانسفورماتور، معمولا به‌عنوان ترانسفورماتور ایزوله، شناخته می‌شود.

ترانسفورماتورها، دستگاه‌های هوشمندی نیستند؛ اما می‌توانند به‌عنوان دستگاه‌های دوطرفه، استفاده شوند، به‌طوری‌که، سیم‌پیچ ورودی اولیه معمولی، می‌تواند به سیم‌پیچ خروجی و سیم‌پیچ خروجی ثانویه معمولی می‌تواند به سیم‌پیچ ورودی تبدیل شود و به‌دلیل این ماهیت دوطرفه، ترانسفورماتورها می‌توانند یک بهره سیگنال را، هنگام استفاده در یک جهت و افت سیگنال را هنگام استفاده در جهت مخالف، فراهم آورند تا برای تطبیق سطوح ولتاژ یا سیگنال بین دستگاه‌های مختلف، کمک‌کننده باشد.

همچنین توجه داشته باشید؛ که یک ترانسفورماتور منفرد می‌تواند چندین سیم‌پیچ اولیه یا ثانویه داشته باشد و این سیم‌پیچ‌ها ممکن است؛ چندین اتصال الکتریکی یا “سروسط” در طول خود داشته‌باشند. مزیت ترانسفورماتورهای صوتی با چندین سروسط، این است؛ که امپدانس‌های الکتریکی مختلف و همچنین نسبت‌های بهره یا اتلاف مختلفی را ارائه می‌دهند؛ که آنها را برای تطبیق امپدانس بارهای تقویت‌کننده‌ها و بلندگوها مفید می‌سازد.

همانطور که نام آن‌ها گویا می‌باشد؛ ترانسفورماتورهای صوتی برای عملکرد در باند صوتی فرکانس‌ها طراحی شده‌اند و به همین دلیل، می‌توانند در مرحله‌ی ورودی(میکروفون)، مرحله‌ی خروجی(بلندگو)، کوپلینگ بین‌مرحله‌ای و همچنین تطبیق امپدانس تقویت‌کننده‌ها، کاربرد داشته‌باشند. در همه‌ی موارد، پاسخ فرکانسی، امپدانس‌های اولیه و ثانویه و نیز قابلیت‌های توان، همگی باید درنظر گرفته‌شوند.

{ درباره تقویت‌کننده‌ها بیشتر بدانید }

ترانسفورماتورهای تطبیق امپدانس و ترانسفورماتورهای صوتی، از نظر طراحی شبیه به ترانسفورماتورهای توان و ولتاژ پایین هستند؛ اما در محدوده‌ی وسیع‌تری از فرکانس‌، کار می‌کنند؛ که برای مثال می‌توان به 20 هرتز تا 20 کیلوهرتز محدوده‌ی صدا، اشاره نمود. ترانسفورماتورهای صوتی، همچنین می‌توانند DC را در یک یا چند سیم‌پیچ خود، برای استفاده در کاربردهای صوتی دیجیتال و همچنین تبدیل سطوح ولتاژ و جریان در فرکانس بالا، هدایت کنند.

تطبیق امپدانس ترانسفورماتور صوتی

یکی از کاربردهای اصلی ترانسفورماتورهای فرکانس، تطبیق امپدانس است. ترانسفورماتورهای صوتی برای متعادل‌کردن تقویت‌کننده‌ها و بارهایی که دارای امپدانس‌های ورودی/خروجی متفاوت، به‌منظور دستیابی به حداکثر انتقال توان ایده‌آل هستند؛ ایده‌آل است.

به‌عنوان مثال، امپدانس بلندگوی معمولی بین 4 تا 16 اهم است؛ درحالی‌که، امپدانس مرحله‌ی خروجی تقویت‌کننده‌ی ترانزیستوری می‌تواند چند صداهم باشد. یک مثال کلاسیک، ترانسفورماتور صوتی LT700 است؛ که می‌تواند در مرحله‌ی خروجی یک تقویت‌کننده‌، برای راه‌اندازی یک بلندگو، استفاده‌شود.

می‌دانیم؛ که برای یک ترانسفورماتور، نسبت بین تعداد دورهای کویل در سیم‌پیچ اولیه(NP) به تعداددورهای کویل در سیم‌پیچ ثانویه (NS)، نسبت دور نامیده می‌شود. از آنجایی‌که، یک مقدار ولتاژ در هر کویل دو سیم‌پیچ القا می‌شود؛ بنابراین، نسبت ولتاژ اولیه به ثانویه (VP/VS) همان نسبت دورها خواهدبود.

ترانسفورماتورهای صوتی تطبیق امپدانس، همیشه مقدار نسبت امپدانس خود را از یک سیم‌پیچ به سیم‌پیچ دیگر، براساس مجذور نسبت دور، نشان می‌دهند. یعنی نسبت امپدانس برابر با نسبت مجذور دورها و نیز نسبت مجذور ولتاژ اولیه به ثانویه، همانگونه که زیر نشان داده شده‌است؛ می‌باشد.

{ درباره ترانزیستورها بیشتر بدانید }

نسبت امپدانس ترانسفورماتور صوتی

در فرمول بالا، ZP، امپدانس سیم‌پیچ اولیه، ZS، امپدانس سیم‌پیچ ثانویه،(NP/NS) نسبت دور ترانسفورماتورها و (VP/VS) نسبت ولتاژ ترانسفورماتورها است.

پس برای مثال، یک ترانسفورماتور صوتی تطبیق امپدانس، اگر دارای یک نسبت دور (یا نسبت ولتاژ) ۲:۱ باشد؛ نسبت امپدانس آن برابر با ۴:۱ خواهدبود.

مثال ۱- ترانسفورماتور صوتی

یک ترانسفورماتور صوتی با نسبت امپدانس ۱۵:۱، برای تطبیق خروجی توان یک تقویت‌کننده‌ به یک بلندگو، استفاده می‌شود. اگر امپدانس خروجی تقویت‌کننده برابر با ۱۲ اهم باشد؛ امپدانس نامی موردنیاز بلندگو برای انتقال توان حداکثر را بیابید.

پس تقویت‌کننده‌ی توان، می‌تواند به‌طور موثری یک بلندگوی ۸ اهمی را هدایت کند.

ترانسفورماتور خط ۱۰۰ ولت صوتی

یکی دیگر از کاربردهای بسیار رایج تطبیق امپدانس، ترانسفورماتورهای خط 100 ولتی، برای انتقال موسیقی و صدا از طریق سیستم‌های تانوی (tannoy) آدرس عمومی است. این نوع از سیستم‌های بلندگوی سقفی، از بلندگوهای متعددی استفاده می‌کنند؛ که در فاصله از تقویت‌کننده‌ی توان، قراردارد.

با استفاده از ترانسفورماتورهای ایزوله‌کننده‌ی خط، می‌توان هر تعداد بلندگوی کم امپدانس را به‌گونه‌ای به‌یکدیگر متصل نمود؛ که تقویت‌کننده را به‌درستی بارگذاری کند و تطبیق امپدانس بین تقویت‌کننده (منبع) و بلندگو (بار) را برای حداکثر توان فراهم نماید.

از آنجایی‌که، اتلاف توان سیگنال‌ها از طریق کابل‌های بلندگو، با مجذور جریان (P=I۲R) برای یک رزیستانس کابل معین، متناسب است؛ ولتاژ خروجی یک تقویت‌کننده، برای آدرس عمومی (PA) استفاده می‌شود یا سیستم‌های تانوی، یک سطح خروجی ولتاژ ثابت و استاندارد از پیک 100 ولت (70.7 ولت rms) را استفاده می‌کنند.

بنابراین، برای یک سیستم بلندگوی خطی 100 ولت (70.7 ولت rms)، ترانسفورماتور خط، ولتاژ سیگنال خروجی صدا را به 100 ولت افزایش می‌دهد؛ تا جریان خط انتقال برای یک خروجی توان معین، نسبتا کم باشد و اتلاف سیگنال را کاهش می‌دهد؛ که سبب امکان استفاده‌ی کابل‌های گیج یا کابل‌های با قطر کوچکتر می‌شود.

از آنجایی‌که، امپدانس یک بلندگوی معمولی، معمولا کم است؛ یک ترانسفورماتور کاهشی تطبیق امپدانس (معمولا ترانسفورماتور خط به کویل صدا، نامیده می‌شود) برای هر بلندگوی متصل به خط ۱۰۰ ولتی، همانطور که در زیر نشان داده شده‌است؛ استفاده می‌شود.

ترانسفورماتورهای انتقال خط ۱۰۰ ولت

۲. ترانسفورماتورهای انتقال خط ۱۰۰ ولت

دراینجا، تقویت‌کننده از یک ترانسفورماتور افزایشی، استفاده می‌کند؛ تا یک ولتاژ ثابت ۱۰۰ ولتی خط انتقال را در یک جریان کاهش‌یافته برای یک توان خروجی معین، فراهم‌کند. بلندگوها به‌صورت موازی به‌هم متصل می‌شوند و هر بلندگو دارای ترانسفورماتور کاهشی تطبیق امپدانس خود است؛ تا ولتاژ ثانویه را کاهش و جریان را افزایش دهد و درنتیجه، خط ۱۰۰ ولت را با امپدانس‌های کم بلندگوها تطبیق دهد.

مزیت استفاده از این نوع خط انتقال صوتی، این است؛ که بسیاری بلندگوهای منفرد، تانوی‌ها یا انواع دیگر فعال‌کنندگان صوتی، را می‌توان به یک تک خط متصل کرد؛ حتی اگر دارای امپدانس یا قابلیت‌های مدیریت توان متفاوت باشند؛ برای مثال، ۴ اهم در ۵ وات یا ۸ اهم در ۲۰ وات.

به‌طور کلی، ترانسفورماتورهای تطبیق خط انتقال، دارای اتصالات متعددی به‌نام نقاط سروسط برروی سیم‌پیچ اولیه‌ هستند؛ که امکان انتخاب سطوح توان مناسب (و بنابراین حجم صدا) را برای هر بلندگوی جداگانه، فراهم می‌کند. همچنین، سیم‌پیچ ثانویه دارای نقاط سروسط مشابه است؛ که امپدانس‌های متفاوتی را برای مطابقت با بلندگوهای متصل به آن، ارائه می‌دهد.

در این مثال ساده، ترانسفورماتور خط به بلندگوی 100 ولت، می‌تواند بارهای بلندگوی 4، 8، یا 16 اهم  بارهای ثانویه را در سمت ثانویه با نرخ توان تقویت‌کننده‌ی 4، 8 و 16 وات در سمت اولیه‌ی خود، بسته به نقاط حساس انتخاب‌شده، هدایت کند. درواقع، ترانسفورماتورهای خط سیستم PA را می‌توان برای هر ترکیبی از بارهای بلندگوی متصل سری و موازی با قابلیت انتقال توان تا چند کیلووات، انتخاب کرد.

اما علاوه‌بر ترانسفورماتورهای خط تطبیق امپدانس ولتاژ ثابت، ترانسفورماتورهای صوتی را می‌توان برای اتصال دستگاه‌های ورودی با امپدانس کم یا سیگنال پایین مانند میکروفون‌ها، کویل‌های متحرک قابل گردش، ورودی‌های خط و … به یک تقویت‌کننده یا پیش‌تقویت‌کننده استفاده کرد.

ازآنجایی‌که، ترانسفورماتورهای صوتی ورودی، باید در محدوده‌ی وسیعی از فرکانس‌ها، کار کنند؛ معمولا به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند؛ که ظرفیت خازنی داخلی سیم‌پیچ آنها با اندوکتانس‌شان، تشدید (resonate) شود؛ تا محدوده‌ی فرکانس کاری، برای یک ترانسفوماتور با هسته‌ی کوچک‌تر از نظر اندازه، قابل استفاده‌باشد.

خلاصه

در این مقاله در مورد ترانسفورماتورهای صوتی، دیدیم؛ که از ترانسفورماتورهای صوتی، برای تطبیق امپدانس بین دستگاه‌های صوتی مختلف، به‌عنوان مثال، بین تقویت‌کننده و بلندگو به‌عنوان درایور خط یا بین میکروفون و تقویت‌کننده، برای تطبیق امپدانس، استفاده می‌شود.

برخلاف ترانسفورماتورهای توان، که در فرکانس‌های پایین مانند ۵۰ یا ۶۰ هرتز، کار می‌کنند؛ ترانسفورماتورهای صوتی برای کار در محدوده‌ی فرکانس صوتی طراحی شده‌اند؛ که برای ترانسفورماتورهای فرکانس رادیویی از حدود ۲۰ هرتز یا ۲۰ کیلوهرتز یا بالاتر است.

به‌دلیل این محدوده‌ی فرکانسی وسیع، هسته‌ی ترانسفورماتورهای صوتی از درجه‌های خاصی از فولاد، مانند فولاد سیلیکونی یا از آلیاژهای ویژه‌ی آهن که افت پسماند، بسیار پایینی دارند؛ ساخته شده‌است.

یکی از معایب اصلی ترانسفورماتورهای صوتی، این است؛ که می‌توانند تا حدودی حجیم و گران باشند؛ اما با استفاده از مواد هسته‌ای خاص، می‌توانند برای طراحی‌های کوچکتر، استفاده شوند. دلیل این امر این است؛ که براساس قاعده‌ی کلی شست، با افزایش اندازه‌ی هسته‌ی ترانسفورماتور، فرکانس منبع، کاهش می‌یابد.