分频器设计中最佳结构电感制作

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所属分类:音箱设计

1.最佳结构电感的提出
空心分频电感(简称电感)的基本参数是电感量和直流电阻。一般来说,电感量不准会导致分频点偏离设计要求并可能影响扬声器系统的频响,大家都比较重视。然而其直流电阻不宜过大,否则会对音质产生影响。通常人们对此电阻在电路中的影响及其定量要求不甚了解,因此未引起足够重视,对此特作以下简要分析。

分频器设计中最佳结构电感制作

图3 三分频电路原理图

以图3 的分频网络为例,由于低音单元的分频电感L2 与负载R(L 低音单元额定阻抗)相串联,因此若L2 的阻抗过大,功放输出功率在其上的损耗将增大。同时,功放内阻对低音单元的阻尼作用也将大大减弱。前者影响功放的有效输出功率,后者对音质的影响却无可挽回。由于分频网络中L2 的电感量最大,且随分频点的降低而增大,所以L2 的直流电阻的影响相当突出。

至于高音单元的分频电感L1,因它未与负载串联,就不存在L2 那样的功耗和阻尼问题。但是仍希望其阻抗尽可能小些。因为它与负载并联,起着旁路来自C1 的残余低音频成分的作用。若阻值过大,就会影响高音分频网络对低音频的衰减陡度。

综上所述,电感直流电阻的数值在理论上是越小越好,实际应用中对电感直流电阻数值的要求,应从减小它对电路的影响方面去考虑。具体说又分2 种情形,对与负载串联的电感(如L2),应从允许的功率损耗和有足够的阻尼两方面去考虑;对与负载并联的电感(如L1),则主要从具有足够的旁路作用去考虑。

对L2 电阻影响功率损耗和L1 电阻影响旁路作用的处理原则相同,即应使L1 和L2 的阻抗R 远小于扬声器的额定阻抗R(L 即R<<RL)。从数学上分析这相当于要满足条件:R≤RL/10。此时,在L2 上的功率损耗已相当小,L1 对负载的旁路作用很明显。至于阻尼作用对L2 电阻的要求,可根据对晶体管功放阻尼系数、扬声器与功放之间的馈线及功率分频电感直流电阻之间的关系及其典型值的考查后认为,作为家用高保真声箱中与负载串联的分频电感直流电阻应小于负载阻抗的1/20,即满足条件R≤RL/20,才能得到良好的阻尼特性。对于C3,C4,L3,L4 组成的中音分频电路,则因需满足图2 的频谱特性,已取C3=C2,C1=C4,L1=L3,L4=L2。故可不予分析,只照图连接即可。若是多个电感串联时,应把用以上方法确定的电阻均分到各个电感上去。

综上所述,可得出这样的结论:对与负载串联的电感,一般按阻尼要求R≤RL/20 确定其电阻值。例如,对8Ω 负载,L2 的电阻不应高于0.4Ω;对4Ω 负载则不应高于0.2Ω。对与负载并联的电感按R≤RL/10 确定其阻抗值。例如对8Ω 负载,L1 的电阻不应高于0.8Ω;对4Ω 负载,则不应高于0.4Ω。按这样的要求可能许多著名的扬声器系统都达不到指标。

对同一电感量,其绕组结构可任意多。因此空心电感线圈必然存在一个最佳结构尺寸,它应使电感量L 对其电阻R 之比L/R 达到最大值。即可找出一套合理绕制空心电感线圈的经验计算公式,与其它方法得出的结构尺寸相比,相同的电感值具有最小的阻抗值。

其实电感结构是否最佳很容易从其外形判别。如果绕组截面大致呈正方形,且绕组内径为绕组宽度(即绕组高度)的4 倍,那么基本上属于最佳结构。

结构最佳的电感线圈应该用料省、体积小,并可使电感量和电阻同时满足预先给定的数值。

由于对每一电感值和电阻值均有一个最佳结构尺寸,因此应舍弃传统的计算方法求取、制作电感。因为传统方法不经测试修正难以满足最佳要求。

下面介绍改用经验公式的计算方法,此方法能满足最佳要求。而且它对一些特殊结构尺寸的电感计算精确度也很高。

2.最佳结构电感的计算
设所需电感量为L(μH),其阻抗值为R(Ω),先求出绕组的结构参数
b=√(L/R)/8.66(mm) (1)
参数b 是绕组的高度(宽度),决定了绕组的内径和外径。所以求得b 后即可按图4 制作绕组骨架,其中骨架外径适当加大10%左右,然后求取
N=19.88√L/b (匝) (2)
d=0.841b/√N (mm) (3)
i=187.3√Lb (mm) (4)
w=b^3/21.4(g) (5)
其中,N 为绕组匝数,d 为导线铜芯直径,i 为导线总长度,w 为导线总重量。

分频器设计中最佳结构电感制作

电感骨架结构尺寸图

根据铜芯直径d 从线规表中选取对应的标称直径,由导线总重量可选购足够用量的高强度漆包线。
采用该计算方法绕制的电感经与实验对比,误差一般小于5%,绕制后是否测量已无关紧要了,基本上能满足直接应用的要求。

由于以上绕制方法中,实际使用导线铜芯直径D 总是选得比计算直径d 大一些,从而造成绕制后的电感量总比计算值低些,显然,加长绕制导线长度,即多绕几匝就可使实际电感量更接近计算值。实际绕制导线的总长度可由
k=0.4[(D/d)-i] (6)
l=(i+k)i (7)
求出。其中k 为实际导线的加长系数,l为实际绕制导线总长度,把长度l全部绕入骨架即可。D 为实际导线直径。
如计算1 mH、电阻值为0.8Ω 的空心电感线圈的最佳结构尺寸及绕制参数。将数值代入式(1)~式(5)得

分频器设计中最佳结构电感制作
骨架的中心轴外径取2b=24 mm,骨架两夹板间距为b=12 mm,骨架夹板外径取4b=48mm,(实际制作时可加大10%)。计算结果如下
b=12 mm;2b=24 mm;N=181.5 匝;d=0.75 mm;i=20.52 m;w=81 g。
如果采用导线直径实际为D,则用k=0.4([D/d)-i],I(=i+k)i 进行修正。采用该方法计算出L1,L2,L3,L4 的值,照图装配即可。

作为计算验证,笔者按Hi-Vi S8 plus 扬声器系统分频器的参数制作了一个家用扬声器系统。其中2 只0.55 mH 和0.18 mH 的电感按上述结果计算制作,实测电感值为0.565 mH和0.187 mH。误差不超过5%。说明此法绕制的电感量准确。通常该计算法即使没有电感表测量,电感误差也不超过5%。

将该计算法与以往的图表法比较,还可体会出该方法的优点:用料省、体积小、不需绘制图表、误差小。

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