Informations- und Kommunikationstechnik

Niederfrequenz-(NF)-Übertrager

Das menschliche Gehör kann Frequenzen im Bereich von 20 Hz bis 20 kHz erfassen. Die Empfindlichkeit für hohe Frequenzen nimmt mit zunehmendem Alter stark ab. Werden bei der Übertragung von Audiosignalen NF-Übertrager eingesetzt, sollte die Arbeitsbandbreite mindestens 20 kHz betragen. Für Hi-Fi-Lautsprecher fordert die DIN 45500 einen Übertragungsbereich von (50 ... 12500) Hz. NF-Übertrager kommen besonders in 100 Volt ELA-Anlagen zur Anpassung des Verstärkerausgangs an die unterschiedlichen Leistungen und Impedanzen der angeschlossenen Lautsprecher zum Einsatz.

Transformatoren (Netztrafos) zur Energieübertragung werden bis in die Sättigungsgrenze des ferromagnetischen Kerns betrieben. Dieser Arbeitsbereich schließt den nichtlinearen Kennlinienverlauf des Kerns ein, sodass sie für eine unverzerrte Audio-Signalübertragung nicht geeignet sind. Die Übertragung an einer gekrümmten Kennlinie erzeugt unerwünschte Oberwellen, das Signal hört sich verzerrt an. Der Grad der Verzerrungen wird als Klirrfaktor gemessen.

Für NF-Übertrager werden für den Kernwerkstoff spezielle Eisenlegierungen verwendet, deren Hysterese einen größeren linearen Verlauf haben. Werden die Übertrager mit einer niedrigeren magnetischen Flussdichte betrieben, bleibt der Arbeitsbereich auf dem geradlinigen Teil der Magnetisierungskurve beschränkt. Wird im Vergleich zum Netztrafo nur ein Viertel der Leistung übertragen, so sind auch die Signalverzerrungen minimal. Ist eine hohe Ausgangsspannung gefordert, so ist bei halbierter Flussdichte die Windungszahl zu vervierfachen.

Das Ausgangssignal eines Eintaktverstärkers weist einen Gleichspannungsanteil auf. Ist der Primärspule des Übertragers gleichzeitig der Arbeitswiderstand im Ausgangskreis des Verstärkers, so wird der Gleichstrom den Kern magnetisieren. Er kann in die magnetische Sättigung kommen, wodurch die Signalübertragung stark verzerrt wird. Ist der Magnetkern nicht vollständig geschlossen wie bei Netztrafos, sondern mit einem Luftspalt versehen, so verringert dieser den magnetischen Fluss und damit die Signalverzerrungen. Die vom Hersteller genannten Kenndaten geben Auskunft über die tolerierbare Höhe der Gleichstrombelastung.

Ersatzschaltbild eines Übertragers als Zweitor

Im vereinfachten ESB eines Übertragers sind die Drahtwiderstände der Wicklungen und die Kernverluste als Wirkwiderstände dargestellt. In den Kernverlusten werden die Wirbelströme und Ummagnetisierungen zusammengefasst, die dort in Wärme umgesetzt werden. Die Querinduktivität L1 steht für die Magnetisierung des Kerns und die Längsinduktivitäten für den magnetischen Streufluss. Alle Werte der Sekundärseite werden mit dem Übertragungsfaktor, dem Windungsverhältnis, auf die Primärseite umgerechnet. Das ESB kommt dann ohne idealen Übertrager aus, zeigt dadurch auch nicht die galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärkreis. Der reale Übertragungsfaktor ist kleiner 100 % und vom Koppelfaktor k oder dem Streufaktor σ abhängig.

Zweitor-ESB eines Trafos

Bei der Übertragung tiefer Frequenzen kann der Einfluss einiger Elemente vernachlässigt werden. Die Ummagnetisierung im Kern erfolgt langsam und erzeugt weniger Verlustwärme. Der Blindwiderstand der Querinduktivität ist niedrig und bestimmt den Magnetisierungsstrom. Die Blindwiderstände der Längs(Streu)-Induktivitäten sind sehr klein. Der Eisen(Kern)-Verlustwiderstand kann ebenso wie der Streufluss vernachlässigt werden.

Bei der Übertragung hoher Frequenzen ist der Blindwiderstand der Querinduktivität groß und somit der Querstrom vernachlässigbar klein. Die Drahtwiderstände und die Blindwiderstände der Streuinduktivitäten bilden eine Reihenschaltung. Im mittleren Frequenzband sind die Draht- und Blindwiderstände an den Übertragungsverlusten beteiligt. Da der Blindwiderstand der Streuinduktivität proportional mit der Signalfrequenz zunimmt, wirkt der Trafo im hohen Frequenzbereich wie ein idealer Trafo mit vorgeschalteter Drosselspule. Der Einfluss der Drahtwiderstände kann dann vernachlässigt werden.

Berechnung der Grenzfrequenzen

Mit speziellen Anordnungen zwischen Primär- und Sekundärwicklungen können auch bei der Übertragung großer Leistungen die Streuflüsse klein gehalten werden. Dadurch bleiben die Streuinduktivitäten und Dämpfungen bei hohen Frequenzen klein. NF-Übertrager mit sehr niedriger unterer Grenzfrequenz erreichen die dazu notwendigen hohen Werte der Querinduktivität nur mit großen Kernquerschnitten oder speziellen Kernwerkstoffen.

Impedanzanpassung

In sehr vielen Anwendungsfällen werden Nf-Übertrager zur Impedanzanpassung eingesetzt, mit dem Vorteil der galvanischen Trennung der beteiligten Komponenten. Lautsprechersysteme mit unterschiedlichen Impedanzen und Leistungen können mithilfe geeigneter Übertrager an die Ausgangsleistung eines Verstärkers und dessen Innenwiderstand angepasst werden. Auch können Übertrager zur Anpassung in Mikrophonen und zwischen den Komponenten der Audiobearbeitung eingebaut sein.

Ist der Übertrager gleichzeitig der Arbeitswiderstand des Endverstärkers, wie es bei Röhrenverstärkern üblich war (ist), so muss die relativ hohe Ausgangsimpedanz von einigen Kiloohm auf den niedrigen Wert des anzuschließenden Lautsprechersystems angepasst werden. Der niedrige Wert zwischen 4 bis 16 Ohm würde das NF-Nutzsignal sonst quasi kurzschließen. Die Impedanzanpassung des Übertragers erfolgt wechselseitig mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses. Das Bild zeigt die Verhältnisse eines in der Konsumerindustrie verwendeten Übertragers.

NF-Übertrager zur Impedanzanpassung

Elektroakustikanlagen – ELA-100 V-Technik

In der eigenen Wohnung werden passende Lautsprecherboxen fast immer direkt an niederohmige Verstärkerausgänge angeschlossen. So kann an einen 100 W Verstärker mit einer Ausgangsimpedanz von 4 Ω pro Kanal eine 100 W Lautsprecherbox mit ebenfalls 4 Ω optimal leistungsangepasst betrieben werden. Ebenso sind zwei 50 W Boxen mit je 8 Ω Impedanz parallel geschaltet bei voller Leistungsabgabe möglich. Bei diesem niederohmigen Betrieb fließen in den Zuleitungen bis zu 5 A Signalstrom. Sollen die Leitungsverluste 10% nicht übersteigen, darf ihr Widerstand maximal 0,4 Ohm betragen. Der Leitungsquerschnitt muss entsprechend groß oder die Leitungslänge kurz genug sein. Eine 1,25 Quadratmillimeter Kupferleitung erreicht diesen Wert bei 14,5 m Gesamtlänge.

Im Energieverteilungsnetz werden Leistungen über große Strecken mit relativ geringen Leitungsquerschnitten weitgehend verlustfrei durch hohe Netzspannungen übertragen. Prinzipiell funktioniert die ELA-Technik ebenso. Auf das Beispiel von oben bezogen fließen bei gleicher Leistungsübertragung von 100 W bei 100 V nur 1 A Signalstrom, sodass bei gleichem Leitungsquerschnitt und 10% Verlust entlang der Leitung diese 25 Mal so lang sein kann. Für ELA-Anlagen gibt es Verstärker mit einem oder mehreren 100 V Ausgängen. Die Ausgangsspannung eines niederohmigen Verstärkers kann mit einem passenden Trafo auf 100 V bei maximaler Ausgangsleistung gebracht werden. Jeder angeschlossene Lautsprecher hat einen eigenen Trafo, der die 100 V auf den niedrigeren Wert des Lautsprechersystems seiner Leistung und Impedanz anpasst. Das folgende Bild zeigt wie an eine 100 V Anlage Lautsprecher gleicher und unterschiedlicher Leistung angeschlossen werden, bis mit der Summe der Einzelleistungen die Maximalleistung des Verstärkers erreicht ist. Die berechneten Werte sind gerundet.

ELA-Technik, Anschlussbeispiel

Die Übertrager der ELA-Technik haben oft auf der Primär- und Sekundärseite mehrere bezeichnete Anzapfungen für unterschiedliche Leistungen und Impedanzen. Ausbau und Veränderungen bestehender Anlagen werden erleichtert, da die Anschlüsse nur entsprechend umgeklemmt werden müssen. Eine weitere Anpassung der Lautstärke einzelner Lautsprecher kann durch den Einbau einstellbarer Drahtpotis auf der Sekundärseite erfolgen. Fällt in der ELA-Anlage ein Lautsprecher mit Unterbrechung aus, so sind aufgrund der Parallelschaltung die anderen Abnahmestellen nicht betroffen. Kommt es bei einem Lautsprecher zum Kurzschluss, dann gerät der Übertrager in die magnetische Sättigung und der Drahtwiderstand der Sekundärwicklung wird mit dem Quadrat des Übertragungsfaktors auf die Primärseite transformiert. Der Primärstrom dieses Übertragers bleibt begrenzt und überlastet die Gesamtanlage nicht.