Was Sie schon immer über Trafos, Siebdrosseln und NF-Übertragern wissen wollten
Man könnte auch schreiben: Der Übertrager, das unbekannte Wesen

von Gerhard Haas

In dieser Abhandlung sollen die am meisten gestellten Fragen bezüglich dieser Bauteile so beantwortet werden, daß höchstmögliches Verständnis bei geringst möglicher mathematischer Belastung gegeben ist. Im Folgenden sprechen wir vorzugsweise im übergeordneten Begriff von Übertragern, da der Netztrafo vom Prinzip her ein auf 50 Hz (in Amerika auf 60 Hz) spezialisierter Übertrager ist.

Was die Grundlagenforschung der Bauteile Übertrager und Drossel anbelangt, war diese um 1960 mehr oder weniger abgeschlossen. Die Fachliteratur, die dann noch erschien, bestand in der Regel aus Nachdrucken von Grundlagenbüchern bzw. technischen Informationen von Firmen. In den Schulen und Hochschulen wird dieses Thema oft auch stiefmütterlich behandelt nach dem Prinzip, "das ist ja schon alles bekannt" oder "dafür gibt es Trafowickler, die machen das schon".
Hier soll nicht groß auf die Konstruktion und Entwicklung von Übertragern eingegangen werden, sondern es soll das Verständnis für den Aufbau, den Einsatz und die richtige Auswahl dieser Bauteile vermittelt werden.

Vor dem zweiten Weltkrieg und danach gab es für anspruchsvolle Anwendungen das sogenannte Dynamoblech IV. Hier handelt es sich um eine Silizium-Eisen-Legierung mit weichmagnetischen Eigenschaften. Unter weichmagnetisch versteht man die Materialien, die unter Einfluß eines elektrischen Feldes einen Magneten bilden und nach dessen Abschalten wieder in den unmagnetischen Zustand übergehen. Das Dynamoblech IV konnte magnetisch mit maximal 12.000 Gauß = 1.2 T (Tesla) belastet werden; das ist die Sättigungsgrenze. Gauß ist die alte Bezeichnung für die magnetische Flußdichte. Im Zuge der weltweiten Vereinheitlichung der physikalischen Größen wurde auf Tesla umgestellt.
Im Laufe der Zeit wurden bessere Silizium-Eisen-Legierungen entwickelt, die Flußdichten bis etwa 1.75 T ermöglichen. D.h. damit ist theoretisch bei gleicher Baugröße rund 46 % mehr Leistung zu übertragen.
Eine bessere Blechlegierung allein bringt noch nicht den entscheidenden technischen Fortschritt. Erst zusammen mit dem richtigen Blechschnitt kommen die guten Eigenschaften optimal zum Tragen. Darauf wird später im Zusammenhang eingegangen.

Trafokerne werden ausschließlich als lamellierte Blechkerne oder als gewickelte Bandkerne eingesetzt. Theoretisch würde ein Stück massiver Eisenkern genügen um einen Übertrager zu bauen. Praktisch treten jedoch Wirbelströme im Kern selbst auf, die hohe Verluste verursachen. Statt Leistung zu übertragen werden Kern und Wicklung mit zunehmender Frequenz heiß. Dieser Effekt wird in der industriellen Fertigung benutzt um z.B. Stahlteile durch hochfrequente Anregung induktiv zu erhitzen womit man die Teile härten oder schmelzen kann.
Genau das ist bei Übertragern nicht erwünscht. Deshalb werden die Standardkerne in gestanzten Einzelblechen hergestellt, die früher durch dünne einseitig aufgeklebte Papierschichten, seit langem durch isolierende chemisch aufgebrachte Phosphatierungsschichten, isoliert sind. Diese sind wesentlich dünner und langzeitstabiler als das Papier.
Auf diese Weise bekommt man zudem einige Bleche mehr in den Spulenkörper. Durch die Phosphatierung haben die Einzelbleche keine galvanische Verbindung untereinander, was die Wirbelströme drastisch vermindert.

In Bild 1 sind die Wirbelströme exemplarisch dargestellt.


Für Übertrager, die höhere Frequenzen übertragen müssen, werden deshalb Bleche mit 0.35 mm Stärke verwendet, da so die Verluste bei vertretbarem Aufwand minimiert werden. Bei einfachen und preisgünstigeren Netztrafos werden Bleche mit 0.5 mm Stärke verwendet. Soll ein Netztrafo verlust- und streuarm ausgeführt werden, greift man auch hier auf die dünnere Blechsorte zurück.
Schnittband- und Ringkerne werden oft aus noch dünneren Bändern gewickelt. Auch hier sind die Bänder isoliert, damit die Wirbelströme minimiert werden. Je höher die zu übertragende Frequenz, desto mehr wirkt sich der Einfluß der Wirbelströme aus. So wie die Wirbelströme bei Übertragern unerwünscht sind, wird dieser physikalische Effekt auch zur Aussortierung von nichtmagnetischen Metallen aus dem Müll, oder in Bussen, Bahnen und LKW als verschleißfreie Bremse benutzt.

Der klassische Blechschnitt ist der EI-Kern wie in Bild 2 gezeigt.

Bei jedem Stanzvorgang fallen jeweils zwei E und zwei I heraus und es entsteht so gut wie kein Abfall. Deshalb wird dieser Schnitt auch als der abfalllose EI-Schnitt bezeichnet. Die Bleche lassen sich einseitig oder wechselseitig schichten.
Für Netztrafos und Gegentakübertrager werden die Bleche wechselseitig geschichtet, d.h. es werden abwechselnd E und I einmal von links und dann von rechts in den Spulenkörper gestopft. Dadurch wird der Luftspalt minimiert. Wird nur einseitig geschichtet, läßt sich ein definierter Luftspalt einbauen, der für Netzsiebdrosseln und für Eintakt-Übertrager notwendig ist. Darauf wird später genauer eingegangen.

In Bild 3 ist der zweite klassische Schnitt dargestellt, der M-Kern.


Damit die Bleche in den Spulenkörper gestopft werden können, ist die Mittelzunge geschlitzt. Die Bleche werden üblicherweise wechselsinnig geschichtet. Den M-Schnitt gibt es auch mit definiertem Luftspalt für spezielle Anwendungen.
EI-Schnitt und M-Schnitt haben gemeinsam, daß die Außenschenkel nur halb so breit sind wie die Mittelzunge. Dies macht auch Sinn, denn der Hauptmagnetfluß der Mittelzunge wird hälftig auf die äußeren Schenkel verteilt, so daß nur die halbe Materialbreite notwendig ist.

Sowohl EI-Schnitt als auch M-Schnitt haben gravierende Nachteile. Genau da, wo der magnetische Hauptfluß ist, besteht ein Luftspalt. Dadurch sind die Verluste bei diesen Blechschnitten relativ hoch. Beim EI-Schnitt setzt man deshalb an der Stoßstelle rechnerisch nur 50 % des Eisens an.
Da diese Probleme bekannt waren, wurde der MD-Schnitt erfunden wie in Bild 4 gezeigt.


Der erste große Vorteil ist, man kann genau die selben Spulenkörper verwenden wie beim M-Schnitt. Ein weiterer Vorteil ist, daß der Schnitt im Blech nicht in der magnetischen Hauptachse liegt sondern auf den weniger belasteten Seitenschenkeln. Das D steht für DIAGONAL so wie der Schnitt ausgeführt ist um das Stopfen des Kerns zu ermöglichen. Statt eines Luftspalts hat man hier nur einen Haarspalt.
Damit das Ergebnis optimal wird, wurden die Querschenkel um 50 % verbreitert, die Bleche nur in kornorientierter Form in der magnetischen Hauptachse sowie in dünner 0.35 mm starker Ausführung mit der bestmöglich Silizium-Eisen-Legierung eingesetzt. Damit bekommt man sehr streuarme und leistungsfähige Übertrager in kompakter Bauform. Wenn Netztrafos mit diesem Blechschnitt richtig berechnet und gewickelt werden, sind sie noch streuärmer als Ringkerntrafos.
Der einzige Nachteil der MD-Kerne ist, daß z.B. bei einem M 102 statt den Kernmaßen 102 mm x 102 mm beim MD 102 ein Kernmaß von 102 mm x 120 mm notwendig ist. Angesichts der vielen Vorteile können 18 mm mehr in einer Achse in Kauf genommen werden. Das Volumenmaß eines MD-Kerns ist auch nicht größer als ein Ringkern, denn auch hier gelten die physikalischen Regeln bezüglich des notwendigen Eisenquerschnitts und der notwendigen Windungszahl und der Drahtstärke.
Beim Ringkern hat man auch immer das Problem, was macht man mit den "runden Ecken"? Quadratische oder rechteckige Bauformen lassen sich immer bequem bei bester Raumausnutzung unterbringen. Und da bei richtig gerechneten Netztrafos mit MD-Kern die selbe Streuarmut wie bei Ringkernen erreicht werden kann, können diese problemlos eingesetzt werden.

Ein weiterer wichtiger Kernschnitt ist der SM-Kern. Auch hier können die üblichen Spulenkörper für die M-Schnitte verwendet werden, allerdings in der Regel nur die für freie Drahtenden und nicht für Lötösen. Sonst wären Befestigung und Montage nicht möglich. Der SM-Kern hat die Vorteile, daß er ohne wie mit Luftspalt montiert werden kann, je nach Anwendungsfall. Da diese Kernsorte meist mit 0.3 mm starken Bändern oder dünner gefertigt werden, sind gute Grundeigenschaften vorhanden. Ein Kern SM 102 B kann als Netztrafo etwa 300 VA übertragen, der MD 102 B kommt auf 320 VA, die Spulenkörpergröße ist gleich.
In Bild 5 ist der typische SM-Schnitt dargestellt.


Man muß nur vier Kernhälften in den Spulenkörper stecken. Aber so einfach wie es aussieht, der Teufel steckt im Detail. Die Kernhälften müssen genau übereinander sitzen und mit Stahlbändern sehr straff verspannt werden, sonst verändern sich die Übertragereigenschaften im Laufe der Zeit, wenn die Kernhälften nicht exakt und ohne Luftspalt aufeinander sitzen. Werden Drosseln oder Eintakt-A-Übertrager mit diesem Kernschnitt gefertigt, läßt sich sehr bequem der nötige Luftspalt einfügen. Das hochwertige Material ist gut für Eintakt-NF-Übertrager geeignet. Gegentaktübertrager lassen sich damit auch anfertigen.
Wenn ein Netztrafo mit Schnittbandkern angefertigt wird, der voll ausgelastet wird, tritt ein gravierendes Problem auf, nämlich das der thermischen Zyklen. Darunter versteht man, wie oft ein Bauteil oder auch Gerät eingeschaltet, betrieben und ausgeschaltet werden kann bis Materialermüdung eintritt. Obwohl z.B. Passagierflugzeuge äußerlich noch gut aussehen, werden sie irgendwann still gelegt, da die für den Außenstehenden nicht sichtbare Materialermüdung eingetreten ist.
Genauso sieht es aus mit thermisch höher belasteten Schnittbandkernen aus. Je nach Temperaturerhöhung und Abkühlung werden die stählernen Spannbänder beansprucht. Mit der Zeit werden sie lose und der Netztrafo/Übertrager fängt an zu brummen. Bei thermisch weniger belasteten Drosseln und Eintakt-A-Übertragern tritt dieses Problem nicht auf, da die Temperaturunterschiede zwischen Betrieb und Stillstand relativ gering sind.

Die verwendeten Kernmaterialien sind ein wichtiges Kriterium beim Einsatz jeglicher Übertrager und Drosseln. Wenn nur auf den Preis geachtet wird, wickelt man einen Netztrafo in Zweikammerausführung, die Primärwicklung in die eine Kammer, die Sekundärwicklung in der anderen. Damit hat man zwar gute galvanische Trennung der Netzspannung, jedoch ist der magnetische Kopplungsgrad geringer als bei übereinander angeordneter Einkammerwicklung. Ein statischer Schirm, der Störungen aus dem Netz ausfiltert, ist bei Zweikammerwicklung auch nicht möglich. Die Wicklung wird "maschinenwild" ausgeführt. Darunter vesteht man, daß durch eine Wickelmaschine die jeweils vorgegebene Windungszahl aufgebracht wird. Dabei werden keine Lagenisolationen verwendet und auch kein präziser Wicklungsaufbau erreicht. Fällt eine Windung herunter, also wenn sie in der Nähe von Windungen zu liegen kommt, wo insgesamt eine hohe Differenzspannung auftritt, kann es zu Überschlägen kommen, da der Lack des Kupferdrahtes nur eine begrenzte Spannungsfestigkeit hat.
Wenn dann noch der typische EI-Kern verwendet wird, indem man alle E von einer Seite in den Spulenkörper steckt, und alle I an der anderen Seite anbringt und die Stoßstelle verschweißt, ist dies zwar billigst in der Herstellung, aber garantiert einen schlechten Trafo mit hohen Verlusten. Mit der Schweißung erreicht man zwar, daß der Kern mechanisch nicht brummt, allerdings werden damit auch die Wirbelstromverluste erhöht. Die Kornstruktur des Eisens ist an der Schweißnaht zerstört und verursacht durch die leitende Verbindung der Bleche zusätzliche Wirbelstromverluste. Durch die unnötige Hitzeentwicklung kommt es auch zu Frühausfällen.
Millionen derartiger Netztrafos sind allein in Deutschland im Einsatz, viele davon im Stand-By-Betrieb. Steckernetzteile, Halogenlampentrafos, in Druckern, FAX-Geräten, Modems, Telefonanlagen und sogar in teuer verkauften Lötstationen findet man diesen Schrott!
Wenn alle Verlustleistungen dieser Trafos zusammen genommen werden, die entweder dauernd am Netz hängen oder lange Zeit angeschaltet sind, wie z.B. Lötstationen, könnte man ungefähr ersatzlos ein Atomkraftwerk abschalten!
Für den Anwender ergibt sich ein anderer Aspekt, der auf den ersten Blick nicht ersichtlich ist. Der bessere Netztrafo kostet in der Anschaffung zwar mehr, spielt aber sein Geld leicht über längere Lebensdauer und geringeren Stromverbrauch ein. Man muß ihm nur Zeit geben.

In der nachfolgenden Tabelle sind exemplarisch die Verhältnisse für M- und MD-Kerne auf den Kern M 102 B/MD 102 B bezogen dargestellt. Zum Vergleich ist auch noch ein SM-Kern aufgeführt. Bei allen Kerngrößen ist der Spulenkörpertyp gleich.

Bezeichnung des Kernmaterials Verluste pro Kilogramm Eisen Blechstärke Maximale Induktion übertragbare Leistung/Kernschnitt
M 530-50 A
M 400-50 A
M 330-35 A
M 111-35 N
M 111-35 N
TRAFOPERM		 5.30 W
4.00 W
3.30 W
1.11 W
1.11 W
1.11 W		 0.50 mm
0.50 mm
0.35 mm
0.35 mm
0.35 mm
0.30 mm		 1.31 T
1.39 T
1.41 T
1.64 T
1.65 T
1.78 T		 198 VA (M 102 B)
215 VA (M 102 B)
224 VA (M 102 B)
271 VA (M 102 B)
320 VA (MD 102 B)
300 VA (SM 102 B)

Wie man leicht sehen kann steigt mit fallender Verlustleistung die magnetische Belastbarkeit. Die beste Blechsorte ist gegenüber der schlechtesten magnetisch um rund 26 % höher belastbar. Noch krasser drückt sich das Verhältnis aus, wenn man einen Kern M 102 B mit dem Kernblech M 530-50 A und dem Kern MD 102 B mit der dort eingesetzen Blechsorte M 111-35 N vergleicht. Der erste Kern kann als Netztrafo 198 VA übertragen, der zweite bei nur 18 mm längerer Bauform und geringfügig höherem Gewicht stolze 320 VA oder über 61 % mehr!
Der Schnittbandkern kann u.a. auch aufgrund seines dünneren Blechs und der Legierung magnetisch höher belastet werden. Allerdings ist die Paketdicke hier fest vorgegeben. Bei lamelierten Blechkernen ist die Pakethöhe des Kerns auch genormt. Im Prinzip sollte eine bestimmte Anzahl von Blechen in den Spulenkörper gestopft werden bis die genormte Paketdicke erreicht ist. Der verbleibende Spalt wurde oder wird oft mit einem Keil aus Pertinax o.ä. aufgefüllt, damit der Kern fest im Spulenkörper sitzt.
Besser ist es jedoch, wenn statt des Keils der Spulenkörper mit Blechen vollgestopft wird. Dies kostet in der Herstellung geringfügig mehr, bringt jedoch je nach Kerngröße etwa 2 bis 5 % mehr an Kernquerschnitt. Auf diese Weise kann man noch einige VA mehr an Leistung herauskitzeln, oder, wenn die Leistung nicht verlangt wird, den Trafo streuärmer auslegen.

Als nächstes betrachten wir die Netzsiebdrosseln. Die ideale Drossel hat null Ohm Kupferwiderstand und läßt somit den Gleichstrom ungehindert passieren. Der Wechselstromwiderstand XL ist abhängig von der Frequenz f und der Induktivität L der Drossel:

Wie aus der Formel ersichtlich, ist der induktive Widerstand bei Gleichstrom null, da f auch null ist. Geht die Frequenz f gegen unendlich, wird auch der induktive Widerstand unendlich.
Soweit die Theorie, die Praxis sieht anders aus. Kupfer hat einen endlichen ohmschen Widerstand, der auch noch temperaturabhängig ist. Bei höheren Frequenzen fällt die Impedanz ab dem Punkt wieder ab, wo die kapazitiven Anteile des Bauteils zum Tragen kommen. Da Drosseln mit Eisenkern als wirksames Mittel zur Brummunterdrückung in Netzteilen eingesetzt werden, spielt das hochfrequente Verhalten keine praktische Rolle.

Wie wirksam eine Drossel ist, soll an einem Beispiel demonstriert werden. Dazu muß man zuerst die Brummspannung am Ladekondensator nach dem Gleichrichter ermitteln. Die Schaltung ist in Bild 6 dargestellt.


Mit der nachfolgenden Näherungsformel kann die Brummspannung berechnet werden:

I ist der maximal entnommene Gleichstrom, f die Netzfrequenz, der Faktor 2 steht für Zweiweg- und Brückengleichrichter, da diese als Frequenzverdoppler arbeiten, denn es gibt pro Periode zwei Sinushalbwellen. Der Faktor 2 entfällt beim Einweggleichrichter. C1 ist der Ladekondensator, und die Brummspannung an diesem wird als Spitze-Spitze-Wert und nicht als Effektivwert angegeben, was auch mit dem Oszilloskop leicht meßbar ist. Das nachfolgende LC-Glied hat den Siebfaktor S, der nach folgender Formel berechnet werden kann:

Für die Frequenz f muß in dieser Formel bei Brücken- und Zweiweggleichrichter 100 Hz eingesetzt werden, bei Einweggleichrichter bleibt es bei 50 Hz, da hier ja nur 50 Halbwellen entstehen. Bei beiden Formeln müssen die Werte immer in Hertz, Amper, Farad und Henry eingesetzt werden.
Nehmen wir nun folgende Werte an, die für eine typische Röhren-Gegentakt-AB-Endstufe gelten können:
Induktivität der Drossel 3.2 H
Gleichstromwiderstand kalt 8 W
Stromentnahme 0.5 A
C1,2 100 µF

Diese hohe Brummspannung tritt bei Vollaussteuerung auf, die durch die laute Musik übertönt wird. Ohne Aussteuerung fließen nur 0.2 A bis 0.3 A, was 20-30 V Brummspannung bedeuten. Dies wird im Lautsprecher immer noch hörbar sein.
Nun berechnen wir den Siebfaktor S unter den vorgegebenen Bedingungen:

Die Brummspannung an C2 wird um diesen Faktor verringert, was dann 475 mVss entspricht. Bei einer Strombelastung von 0.6 A ist der Spannungsabfall an der Drossel gerade mal 4.8 V, was einer Verlustleistung von 2.88 W entspricht. Mit C2=100µF müßte der der Drossel entsprechende Siebwiderstand rund 2 kW betragen, was eine Verlustleistung von rund 725 W nach sich ziehen würde!
So einfach eine Drossel vom Prinzip her ist, es handelt sich keineswegs um ein auf einen Spulenkörper aufgewickelten Kupferdraht in den ein Eisenkern gesteckt wird. Die Drossel soll den Gleichstrom möglichst ungehindert passieren lassen, den Wechselstrom aber stark dämpfen. Durch den Gleichstrom wird der Eisenkern magnetisch vorbelastet. Diese Vorbelastung kann durch einen definierten Luftspalt kompensiert werden, der in diesem Fall eine magnetische Gegenkopplung darstellt. Wenn z.B. der Kern maximal mit 1.3 T magnetisch belastet werden kann und der Gleichstrom den Kern schon mit 0.5 T vorbelastet, bleibt für den Wechselstrom zu wenig übrig. Wenn der Kern in Sättigung kommt, fällt die Siebwirkung wieder ab. Eine Siebdrossel muß optimal berechnet werden. Hierzu braucht man die Vorgaben der Induktivität, den maximal zulässigen Gleichstromwiderstand im Warmzustand, also bei dauernd vollem Strom, und den maximalen Strom. Der Grenzstrom muß eingehalten werden, denn wenn dieser überschritten wird, gerät der Kern in Sättigung, die Siebwirkung nimmt ab und die Drossel wird heiß.
In der Regel gibt es bei den oben aufgeführten Vorgaben mehrere Kerngrößen und Varianten, aus denen man dann die optimale Bauform auswählen kann. Wenn allerdings zusätzlich die maximale Einbaugröße vorgegeben ist, müssen eventuell Kompromisse bezüglich Induktivität und/oder Gleichstromwiderstand eingegangen werden.
Nun gibt es zwei Grenzfälle. Der Anwender will von der Bauform her eine möglichst kleine Drossel mit möglichst hoher Induktivität. Dies gibt eine Drossel mit hoher Windungszahl bei dünnem Kupferdraht, was zu einem hohen Gleichstromwiderstand mit entsprechendem Spannungsabfall führt. Solche Drosseln sind nur in Vorstufen mit geringer Stromaufnahme zu gebrauchen.
Hätte die Drossel, um bei dem obigen Beispiel zu bleiben, 100 W Gleichstromwiderstand, so würden bei 0.6 A stolze 36 W in Wärme verbraten werden! Ist die Bauform der Drossel zu klein gewählt, steigt die Temperatur auf über 100°C an!
Das andere Extrem ist, relativ hohe Induktivität bei einem Kupferwiderstand gegen null Ohm. Dies bedingt zuerst einen sehr dicken Draht. Damit die gewünschte Induktivität erreicht werden kann, muß der Kern sehr groß gewählt werden, damit der Eisenquerschnitt mithilft, diese zu erreichen. Denn, wenn die Windungszahl zu groß wird, steigt der Kupferwiderstand zu sehr an. So mancher Anwender hat sich gewundert, wenn er sich z.B eine Drossel mit maximal 0.2 W Kupferwiderstand bei einigen Ampere und vielen Henry vorstellt. Wenn bei Volllast die Temperatur noch moderat bleiben soll, kommen Bauteile mit einem Gewicht von 10-20 kg dabei heraus!
Deshalb ist es sehr wichtig gleich im Vorfeld zu klären, was tatsächlich gebraucht wird und was wichtig ist. Dann bekommt man handhabbare und bezahlbare Drosseln. Die gesamte Siebkette mitsamt angeschlossenem Verstärker muß für ein optimales Ergebnis berücksichtigt werden. Durch geschicktes Jonglieren mit C1 und C2 wie mit der Drossel kann praktisch immer bei gutem Preis-Leistungs-Verhältnis ein brauchbares Ergebnis erreicht werden. Im Zweifel sollte man sich durch Fachleute beraten lassen und die tatsächlichen Verhältnisse darlegen, wo die Drossel eingesetzt werden soll. Dann gibt es optimale Lösungen.

Bei den Eintakt-A-Übertragern tritt prinzipiell das selbe Problem mit der Gleichstromvorbelastung auf wie bei den Siebdrosseln. Auch hier muß ein definierter Luftspalt eingebaut werden, damit der Arbeitspunkt des Kerns nicht verschoben wird.
Wie sich die Sache auswirkt, ist in Bild 7 dargestellt.


ausgezogene Linie: Hystereseschleife ohne Luftspalt
            gepunktete Linie: Hystereseschleife mit kleinem Luftspalt
               gestrichelte Linie: Hystereseschleife mit größerem Luftspalt

Viele Anwender täuschen sich über die Größe und den Preis eines hochwertigen Eintakt-A-Übertragers. In Oma´s Dampfradio sind meist nur sehr kleine Ausgangsübertrager mit EI-Kernen eingebaut. Bei 100 Hz fällt der Frequenzgang dieser Exemplare schon deutlich ab, was auch durchaus gewollt ist. Denn auf diese Weise kommt man mit einfachsten Netzteilen aus, die von Haus aus hohe Brummspannungen haben. Wenn bei 50 Hz der Abfall 6 dB ist, wird die Brummspannung des Stromnetzes schlichtweg halbiert. Solche Frequenzgänge sind für moderne HiFi-Anwendungen untragbar. Man will mindestens 20 Hz bis >20 kHz mit einem Abfall von weniger als 0.5 dB. Dies bedingt große Kerne und hohe Windungszahlen auf der Primärseite, damit auch die untere Grenzfrequenz von 20 Hz erreicht wird. Der Kern muß relativ groß gewählt werden, damit einerseits genügend Reserven für die Gleichstromvorbelastung vorhanden sind. Andererseits darf die Primärwindungszahl nicht zu hoch werden und die Drahtstärke muß dicker gewählt werden, damit sich der Kupferwiderstand in Grenzen hält.
Durch Verschachtelung der Wicklungen wird die Wicklungskapazität vermindert, was die obere Grenzfrequenz erhöht. Wenn man für Spitzenergebnisse die Kernleistung etwa um den Faktor 5-10 größer wählt als die maximal zu übertragende Leistung als Netztrafo, liegt man auf der sicheren Seite und bekommt einen High-End-HiFi-Übertrager.
Wenn also 30 W Verstärkerleistung gewünscht sind, nimmt man z.B. den Kern SM 102 B mit 300 W Leistung, die er als Netztrafo kann. Zweifellos kann man auch kleinere Kerne wählen. Aber die Induktion, also die magnetische Belastung des Kerns, nimmt mit fallender Frequenz zu. Wenn 20 Hz bei voller Leistung übertragen werden sollen, tritt gegenüber 50 Hz die 2.5-fache magnetische Belastung auf. Zusätzlich steht noch die Gleichstromvorbelastung an. Deshalb werden Eintakt-A-Übertrager, wenn sie High-End-Ansprüchen genügen sollen, relativ groß und teuer.

Bei Gegentakt-AB-Übertragern wird die Primärwicklung auch durch Gleichstrom belastet. Dies stellt jedoch kein Problem dar, da die Gleichströme gegensinnig durch die Primärwicklung fließen. Sie erwärmen lediglich den Wickel durch die Verlustleistung, die am ohm`schen Widerstand des Kupferdrahts entsteht, haben aber keinerlei Einfluß auf die Magnetisierung des Eisenkerns. Wenn beide Endröhren auf den gleichen Ruhestrom eingestellt sind, findet keine Magnetisierung des Kerns statt. Deshalb genügt für 30 W Verstärkerleistung z.B. der Kern MD 74, der als Netztrafo 90 W kann. Damit liegt man sehr weit weg von der magnetischen Sättigungsgrenze und erreicht spielend die 20 Hz als untere Grenzfrequenz.

Wie schon angesprochen wird der Wicklungsaufbau bei NF-Übertragern für breiten Freqenzgang verschachtelt ausgeführt. Seit Jahrzehnten kursieren Gerüchte, daß die Qualität eines NF-Übertragers mit dem Verschachtelungsgrad steigt. Bei tiefen Frequenzen sind Windungszahl und Eisenquerschnitt maßgebend. Beides geht in die mögliche unverzerrt zu übertragende untere Grenzfrequenz ein. Wenn ein Übertrager statt 40 Hz bei voller Leistung 20 Hz übertragen können soll, ist das musikalisch eine volle Oktave! Beim Sprung von 40 Hz auf 20 Hz verdoppelt sich die magnetische Feldstärke, was ohne konstruktive Maßnahmen den Kern in Sättigung bringt und erhebliche Signalverzerrungen verursacht.
Man kann die Windungszahl verdoppeln oder auch den Eisenquerschnitt. Beides hat den selben Effekt. Meistens wird es aus praktikablen und ökonomischen Gründen ein Mittelding sein. Ob der Übertrager 50 kHz oder 80 kHz an der oberen Bereichsgrenze kann, spielt eher meßtechnisch eine Rolle. Zweifelllos sollen keine nennenswerte Phasenverschiebungen am oberen Bereichsende auftreten. Deshalb muß auch gefordert werden, daß bei 20 kHz kein nennenswerte Abfall auftritt. Man kann die obere Grenzfrequenz sehr weit nach oben schieben, was gehörigen Wickelaufwand verursacht.
Die obere Grenzfrequenz hängt im Wesentlichen von den Wicklungskapazitäten ab. Wie hoch diese sind wird durch die Wickeltechnik mit bestimmt, maschinenwild gewickelt, lagenweise ohne Lagenisolationen, oder exakt lagenweise mit Isolationen.
Die Dielektrizitätskonstante des Isolierlacks des Kupferdrahts geht genauso ein wie die der Isolierfolie. In der klassischen Übertragerliteratur werden einige Formeln zur Berechnung der Wicklungskapazitäten angeführt. Hier verhält es sich genauso wie mit den meteorologischen Klimarechenmodellen. Je nach dem welche Parameter eingegeben werden, bekommen wir demnächst eine Hitzeperiode oder eine Eiszeit, die tatsächlichen Verhältnisse sind nicht hundertprozentig berechenbar.
Die Aussage, ein 14-fach verschachtelter Übertrager muß zwangsläufig besser sein als ein 6-fach verschachtelter ist schlichtweg falsch und purer Unsinn. Es gibt reihenweise Übertrager, die nur einfach verschachtelt sind, also Primär-/Sekundär-/Primärwicklung, und mühelos 20 Hz bis über 250 kHz an Bandbreite können. Es kommt immer auf die Gesamtkonstruktion und den Einsatzfall an. Bei EXPERIENCE electronics wurden z.B. Gegentakt-Ausgangsübertrager mit aufwändiger Wickeltechnik entwickelt und gebaut, die 10 Hz bis über 250 kHz können. Aufgrund des hohen Zeitaufwandes in der Fertigung steigt der Preis allerdings überproportional an und man muß sich fragen, ob nicht auch z.B. 70 kHz als obere Grenzfrequenz reichen. Lautsprecherboxen können auch nicht mehr als gut 20 kHz und pro Lebensdekade verliert der Mensch im Durchschnitt 1 kHz an Hörvermögen. D.h. ein neugeborenes Kind hört vom Prinzip her 20 kHz. Ein Fünzigjähriger hört theoretisch noch 15 kHz, meistens ist es weniger. Dies ist bedingt durch den Alterungsprozess wie auch durch Umwelteinflüsse wie lauter Arbeitsplatz, Techno-Disco o.ä.
Es gibt auch sehr große Mengen junger Menschen, die schlechter hören als ein Großvater, dank Techno-Disco, Autos, die fast nur aus Verstärkern und Lautsprechern bestehen, usw.
Fazit: Der Verschachtelungsgrad allein hat nichts mit der Qualität eines NF-Übertragers zu tun.

Nun kommen wir nochmals auf das berühmte Dynamoblech IV zu sprechen. Bei einer maximalen magnetischen Belastung von 1.2 T wurden in der alten Literatur z.B. Empfehlungen gegeben, daß bei nicht gegengekoppelten Verstärkern das Blech nur mit etwa 0.4 T belastet werden soll, mit Gegenkopplung dürfen es etwa 0.6 T sein. Damit geht man nur bis auf die Hälfte der möglichen magnetischen Belastbarkeit des Blechs. Die modernen Bleche können, wie bereits beschrieben, wesentlich höher belastet werden; man kann durchaus auf 1 T gehen. Mit modernster Wickeltechnik ist die Ausnutzung des Wickelraumes des Spulenkörpers auch wesentlich besser als vor 50 oder mehr Jahren. Hinzu kommt, daß es statt der Lackpapiere moderne hochisolierende Folien gibt, die wesentlich dünner sind. Lackpapier als Isolation in Trafos ist schon seit vielen Jahren wegen der Brandgefahr verboten.
Man kann heute gegenüber den Urtypen der Übertrager in der Röhrentechnik deutlich größere Drahtquerschnitte unterbringen, was die Kupferverluste erheblich vermindert. Durch die abschließende Vakuumtränkungen mit Elektroharz werden Wicklung und Kern so festgelegt, daß kein mechanischer Brumm auftreten kann. Dieser kann dann nur durch ungünstigen Einbau entstehen, wenn z.B. das Gehäuse einen Resonanzboden darstellt. Wenn der Netztrafo in ein Stahlblechgehäuse montiert wird, welches sich zudem noch magnetisch anregen läßt, wird die Situation noch schlechter. Nichtmagnetische stabile Gehäuse und die Lagerung in Gummi helfen, mechanischen Trafobrumm zu vermeiden.
Das Elektroharz, welches durch die Vakuumtränkung eingebracht wird, leitet auch die Wärme wesentlich besser ab als Luft. Somit bleiben Trafos, Übertrager und Drosseln kühler und durch den sich automatisch ergebenden Schutz gegen Korrosion langzeitstabil.

-EXPERIENCE electronics-
Gerhard Haas
www.experience-electronics.de

Nachtrag:
Viele Netztrafos und Übertrager, meist aus englischer, amerikanischer und japanischer Herstellung, haben über den Wickel und außen über den Kern ein Kupferband gelegt. Damit soll das Streufeld verringert werden. Man kann durch diese Maßnahme das aus dem Wickel austretende Streufeld vermindern, aber nicht das, welches aus dem Kern austritt. Ebenfalls ist es ein Trugschluß, daß Trafohauben das Streufeld vermindern. Auch hier wird nur das Streufeld der Spule eingefangen, nicht aber das des Kerns.
Das Entscheidende für einen streuarmen Trafo ist die richtige Wahl des Kernmaterials und vor allem die korrekte Berechnung des Trafos. Wenn zu sehr an die Sättigungsgrenze heran gegangen wird, streut ausnahmslos JEDER Trafo, auch ein Ringkerntrafo. Aus Reparaturen und durch Umbaumaßnahmen sind im Laufe vieler Jahre reihenweise Trafos aus Geräten namhafter Hersteller von HiFi-Geräten untersucht worden. Im direkten Vergleich, vorher - nachher, ergab sich, daß die Leistungsfähigkeit der richtig bewickelten Trafos bei Verwendung des gleichen Kerns stieg und das Streufeld sank. Kupferfolie und Trafohauben dienten dann eher zur Zierde als zur Abschirmung. Zweifellos kann man Trafos mit den altbekannten Formeln berechnen, die auch funktionieren. Betreibt man aber intensive Material- und Grundlagenforschung, was viel Zeit und Geld verschlingt, kommt man zu optimierten Ergebnissen. Hier fließen unter anderem folgende Aspekte mit ein:
  • Verhalten des Eisenkerns bei Erwärmung
  • Anstieg der Kupferwiderstands bei Erwärmung, der nicht unerheblich ist!
  • Verhalten eines Netztrafos bei 10 % Netzüberspannung
  • Verhalten eines Trafos bei teilgestörtem Betrieb, z.B. bei Überlastung einer Teilwicklung, was wesentlich kritischer ist als die volle Überlastung des Trafos, da hier die Sicherung auf der Primärseite anspricht.
  • Erwärmung des Trafos bei voller Auslastung in Bezug darauf, wie weit man an die Sättigungsgrenze bzw. in den krummen Kennlinienteil der Hysteresekurve des Eisens geht.
  • Wärmeableitfähigkeit von Eisenkern, Kupferwicklung und Tränkharz. Je mehr Wärme abgeleitet werden kann, desto leistungsfähiger wird das Bauteil, selbes Prinzip wie z.B. bei Halbleitern und Hochlastwiderständen.

Prinzipiell gelten diese Regeln auch für NF-Leistungsübertrager, wobei hier das Wärmeproblem nicht so zu Buche schlägt wie bei Netztrafos. Ein Ausgangsübertrager wird zwar nach der maximalen Aussteuerung berechnet, also der maximal zu übertragenden Leistung. Da aber durch das wechselnde NF-Signal mit unterschiedlichen Pegeln keine dauernde Vollauslastung wie bei Netztrafos vorliegt, hält sich die Erwärmung in Grenzen. Das Streufeld des Übertragers spielt im Wesentlichen dann eine Rolle, wenn z.B. in einer Stereoendstufe oder in einem Vollverstärker dadurch Kanalübersprechen entsteht.
Ähnliches gilt für Eingangsübertrager. Da hier Einstreuungen durch die nachfolgenden Verstärkerstufen mitverstärkt werden, ist hier Mu-Metall Kapselung erforderlich. Dies verteuert zwar den Übertrager. Da dieses Bauteil verschleißfrei ist und nur Vorteile durch erdfreie Verbindungen wie in der Studiotechnik bringt, ist dies eine gute Geldanlage.

Noch ein Wort zu den Trafohauben. Sie werden heute gern als Deckel für klassisch auf dem Chassis montierte Trafos verwendet. Würde man Übertrager, Netztrafos und Siebdrosseln nach den heute noch serienmäßig lieferbaren Hauben auslegen, müßte man auf die hervorragenden Eigenschaften moderner Kernschnitte verzichten und viele Kompromisse eingehen. Da die eigentliche Funktion der Bauteile wichtiger ist, nämlich bei Übertragern guter Frequenzgang und niedrige Verzerrungen, bei Netztrafos Streuarmut, hohe Leistungsfähigkeit bei geringer Erwärmung und bei den Drosseln gute Siebwirkung, ist es sinnvoller bei den Hauben Kompromisse einzugehen oder gleich nach anderen Lösungen des Einbaus zu suchen. Die wenigen Hersteller, die noch Trafohauben pressen, scheuen sich vor den immens hohen Werkzeugkosten. Außerdem müßten große Stückzahlen gepreßt werden, damit sich das Ganze lohnt. Zehntausende von Hauben müßten pro Typ in jedem Jahr abgesetzt werden können.
Es gibt z.B. aus Amerika oder Japan Hauben, die dort wesentlich populärer sind als in Europa. Jedoch müßte man dann wieder auf EI-Kerne in Zollmaßen zurückgreifen, was ein absoluter Rückschritt wäre. USA ist zudem der letzte Industriestaat, in dem nicht konsequent im international gebräuchlichen metrischen System gearbeitet wird. Wer also unbedingt Hauben benötigt, kann sich die verfügbaren Serientypen anpassen, auf dem Markt suchen wer Kleinserien zum Teil in Handarbeit liefert, oder gleich nach anderen Lösungen suchen. Hier handelt es sich nur um die Optik, nicht um die optimale Abschirmung von Trafos.

Wenn der Verstärker brummt wird schnell die Schuld auf den Netztrafo geschoben. Meistens sind es ungeschickt gewählte Masseverbindungen, unglückliche Verkabelung, Masseübergangswiderstände, Masseschleifen, und/oder auch falscher Einbau des Netztrafos. Wenn die Hauptstreuachse auf den Verstärkereingang zielt, ist nicht der Netztrafo schuld, sondern der, der ihn falsch eingebaut hat. Oft wird auch vergessen, wie stark 50 Hz führende Kabel streuen können. Diese zusammen mit abgeschirmten NF-Leitungen in einem Kabelbaum sind die Garantie für einen verbrummten Verstärker. Wenn in Extremfällen, bedingt durch den verfügbaren Platz beim Einbau in ein vorgegebenes Gerät, als letzte Ursache das Streufeld des Netztrafos ermittelt ist, bleibt nur eine komplette magnetische Abschirmung desselben übrig. Und hier gibt es auch nur ein Material, nämlich MU-Metall mit der entsprechenden Dicke. Mu-Metall besteht zu 75 % aus Nickel, einem nicht ganz billigen Rohstoff! Aber nur damit erreicht man optimale Schirmwirkung bei 50 Hz.
Was die Sache noch verteuert, ist, daß nach der Bearbeitung einer Mu-Metall-Haube diese unter Schutzgas nachgeglüht werden muß, damit die Kornstruktur wieder hergestellt wird. Nur so funktioniert es.
Bevor diese letzte Maßnahme ergriffen werden muß, sollte man auf optimale Konstruktion der Trafos achten und den richtigen Einbau, auch mit etwas Abstand zu den umliegenden Komponenten. Dies ist meist die preiswertere Variante, denn Abstand ist die billigste "Abschirmung".
In Extremfällen lagert man das Netzteil aus und kommt nur mit reinem Gleichstrom in die NF-Anlage, wie es in der professionellen Studiotechnik sehr oft praktiziert wird (oder auch siehe Link". Dann kommen Brummstörungen nur durch falsch gewählte Masseverbindungen und schlechte Verkabelung zustande.

-EXPERIENCE electronics-
Gerhard Haas
www.experience-electronics.de

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