Трансформаторный фильтр

По мере роста качества звуковоспроизводящей аппаратуры закономерно появляется проблема проникновения помех из электросети непосредственно в звуковой канал. Звучание музыки воспроизводимой в позднее вечернее или ночное время суток значительно отличается от дневного прослушивания. Многие ошибочно оправдывают эту разницу психоакустическим эффектом за счет лучшего эмоционального восприятия в ночное время (вспомним, что все концерты стараются проводить вечером или даже ночью). К тому же считается, что обычные бытовые электрические фильтры вполне справляются с возложенной на них функцией. А если возникает желание провести более глубокую «очистку», то достаточно просто приобрести дорогой сетевой фильтр, или стабилизатор электросети. Однако те любители качественного звука, которые уже перепробовали все вышеперечисленные устройства и не получили ожидаемого улучшения, по-прежнему задаются вопросом: «Каким образом получить натуралистичное звучание?» Особенно ярко эта проблема проявляется на этапе апгрейда хорошей аппаратуры на технически еще более лучшую, при этом качество звука остаётся на том же уровне. Возникает парадокс: параметры совершеннее, а звучание без изменения.
Благодаря форумам многие меломаны знают о существовании специальных устройств для борьбы с явлением «грязной» электросети. Высокая стоимость не позволяет всем желающим приобрести эти устройства и очистить электросеть.
Но меломаны, обладающие навыками радиолюбителя, могут самостоятельно собрать подобные очистители сети. Ниже представлены примеры достаточно простых в сборке в домашних условиях и эффективных фильтрующих трансформаторов.
Для начала, рассмотрим обычный тороидальный трансформатор с соотношением 1:1 (Рисунок 1).

Первичная и вторичная обмотки находятся в непосредственной близости друг от друга - одна над другой. При таком расположении между катушками имеется не только индукционная магнитная связь через сердечник трансформатора, но и электрическая (ёмкостная электростатическая) за счет очень близкого расположения проводников первичной и вторичной обмоток. Из-за последней как раз и происходит проникновение высокочастотных составляющих из электросети.
На графике представлена АЧХ обычного тороидального трансформатора 1:1. Спад на частоте 20 кГц составляет 12 Дб (Рисунок 2).

Для того, чтобы минимизировать емкостную электростатическую связь логичным действием будет физическое разнесение обмоток друг от друга (Рисунок 3).

*Здесь и далее коричневым цветом будет обозначена первичная обмотка, а желтым – вторичная.
Существуют различные варианты изготовления трансформаторов с разнесением обмоток. Одна из самых громоздких и трудозатратных по сборке может считаться конструкция с четырьмя обмотками, расположенными напротив друг друга. (Рисунок 4).

Использование четырех обмоток позволяет более равномерно нагрузить магнитопровод.
На рисунке 5 представлен готовый трансформаторный фильтр (Вариант№1), имеющий магнитопровод сечением 25 кв. мм. Первичные и вторичные полуобмотки расположены на противоположных сторонах и намотаны проводом ПЭЛ1 диаметром 1.3 мм. Расчетная мощность – 550 Вт.

На рисунке представлена АЧХ такого трансформатора.

Спад АЧХ на частоте 20кГц относительно рабочей частоты 50Гц составляет 62 Дб.
Демонстрация работы источника сигнала и усилителя через этот трансформатор и без него в период с 12 до 15 часов дня показала очень хорошие фильтрующие свойства. Согласно набранной в течении года статистики, в данный промежуток времени электросеть является наиболее загрязненной.
Для получения того же эффекта можно собрать более простые конструкции фильтра, например, с использованием трёх обмоток, расположенных на одной линии (Рисунок 6).

Для изготовления такой конструкции можно взять в качестве основы обычный трансформатор с броневым ПЛ сердечником и готовой первичной обмоткой. Вторичные наматываются при помощи челнока до необходимого напряжения (Рисунок 7).

Спад на частоте 20кГц для данного вида трансформатора с распределенными обмотками составляет 50 Дб (Рисунок 8)

Ещё один вариант - трансформатор с расположением первичной и вторичных катушек на одной оси, с металлическим экраном между ними (Рисунок 9).

Такой трансформатор можно собрать на основе удлиненных Ш-образных пластин (Рисунок 10).

Спад АЧХ для данного фильтра составляет более 52 Дб на частоте 20 кГц относительно рабочей частоты 50 Гц (Рисунок 11).

Самым простым и удобным решением можно считать конструкцию фильтрующего трансформатора, изготовленную из двух одинаковых типовых (промышленных) силовых трансформаторов со стержневыми сердечниками, например, ТСА270 (Рисунок 12).

Все имеющиеся вторичные обмотки и экран можно удалить за ненадобностью без разбора трансформаторов (Вариант №4) (Рисунок 13).

Включение последовательно двух полуобмоток (красные катушки на фото) на разных трансформаторах даёт первичную сетевую обмотку. А включение последовательно и синфазно оставшихся двух полуобмоток - вторичную (зеленые катушки на фото).
Необходимо иметь ввиду, что при таком виде включении общая индуктивность полученной сетевой обмотки будет недостаточной для нормальной работы фильтрующего трансформатора. Поэтому с помощью челнока необходимо добавить 75-125 витков, для получения общей индуктивности 1,1-1,3 Гн.
Из-за различия в материале сердечников трансформаторов распределение напряжения между полуобмотками будет несимметричное. Если напряжения отличаются более 5 вольт, то нужно дополнительно добавить витки к полуобмотке того трансформатора, у которого не хватает напряжения.
Для трансформатора, собранного на двух ТСА270 затухание составляет около 50Дб (Рисунок 14)

В настоящее время именно это устройство используется автором для питания источника сигнала (компьютера со звуковой картой) и усилителя мощности 4х25Вт. МНесмотря на то, что использовано два трансформатора ТСА270, мощность, выдаваемая в нагрузку таким устройством, не превышаетсоставляет 270 Вт,. Ограничения связаны с не полным использованием магнитопровода. Тем не менее этой мощности вполне достаточноно замечательно работает в качестве фильтра электросети. для питания источника сигнала (компьютера со звуковой картой) и усилителя мощности 4х25Вт.
С точки зрения эмоционального восприятия, все вышеперечисленные варианты трансформаторных фильтров заставляют звучать аудиоаппаратуру немного по-разному. Например, последний вариант создаёт эффект «воздушности» звучания, а вариант, представленный перед ним, ярче воспроизводит среднечастотный и низкочастотный диапазон и подойдёт, для питания активного сабвуфера.
Как видите, собрать фильтр, вычищающий высокочастотную грязь из электросети, можно без использования дорогостоящих компонентов, если брать за основу готовые трансформаторы. Ключевым моментом сборки такого устройства является разнесение обмоток на значительное расстояние друг от друга, а не использование толстых изолирующих прокладок между обмотками, как например в медицинском трансформаторе с гальванической развязкой.