chris_kah
HCA PA- und E-Technik
DI- Boxen und Übertrager
Das Thema kommt doch sehr häufig in den Threads vor und sowohl Fragen als auch gut gemeinte Ratschläge zeugen immer wieder von weitgehender Ratlosigkeit.
Daher ein eigener Grundlagenthread zu diesem Thema.
Theorie:
========
Die allgemeine Theorie erspare ich mir und verweise auf:
http://de.wikipedia.org/wiki/Übertrager
http://de.wikipedia.org/wiki/Transformator
Der Thread ist ohnehin schon ziemlich lang geworden. Eine E-Technik Vorlesung soll's dann
doch nicht werden.
Ein Übertrager für die Audiotechnik ist schaltungstechnisch gesehen ein Transformator
mit speziellen Anforderungen. Er sollte breitbandig sein, also für einen größeren
Frequenzbereich geeignet sein. Er sollte in diesem Bereich keine linearen Verzerrungen
erzeugen (unebener Frequenzgang). Er sollte auch keine nichtlinearen Verzerrungen
erzeugen (Klirrfaktor).
Verwendet wird ein Übertrager in der Audiotechnik aus folgenden Gründen:
* Galvanische Trennung von Schaltungsteilen oder Geräten bei gleichzeitiger
Übertragung des Audiosignals (z.B. Verhinderung von Brummschleifen)
* Anpassung von Pegeln.
* Wndlung symmetrisch -> unsymmetrisch und umgekehrt.
Weitere Anwendungen, aber nicht Bestandteil dieses Aufsatzes:
* Übertragung von Lautsprechersignalen über größere Strecken (100V ELA Technik, ELA steht für Elektroakustik)
* Zusammenführung der komplementären Signale einer Röhrenendstufe sowie gleichzeitige Leistungs/bzw. Impedanzanpassung.
Ersatzschaltbild:
Ein Transformator wird in der Theorie durch folgende Komponenten beschrieben:
Hauptinduktivität LH
Primärseitige Streuinduktivität LSP
Primärseitiger Wicklungswiderstand RP
Idealer Übertrager
Sekundärseitige Streuinduktivität LSS
Sekundärseitiger Wicklungswiderstand RS
(Grafiken im Anhang)
Natürlich besteht der Transformator aus zwei Wickungen auf einem magnetisierbaren
Kern, aber die Zerlegung in die Einzelkomponenten erleichtert die Berechnung deutlich.
Der ideale Übertrager hat keine Verluste und überträgt über alle Frequenzen gleich.
So ist er definiert und so wird er bei der Berechnung angesehen.
(UebertragerMitStreuung.gif)
Die Streuinduktivitäten sind normalerweise sehr gering und in den weiteren Betrachtungen
zu vernachlässigen (Ich kenne eigentlich nur einen Bereich, wo die eine Rolle spielen:
als Strombegrenzung bei Spielzeugtranformatoren, leicht und billig realisiert mit einem
Luftspalt im Kern).
Die Wicklungswiderstände sollten idealerweise so niedrig wie möglich sein und sind
es in der Praxis auch. Manchmal wundert sich einer, der nur so etwa 30 Ohm mißt:
ist der Übertrager kaputt? Ist er nicht.
(UebertragerMitWicklungswiederstaenden.gif)
Dann haben wir uns an die wesentlichen Komponenten herangepirscht: Den idealen Übertrager
und die Hauptinduktivität. (UebertragerNurHauptinduktivitaet.gif)
Die Hauptinduktivität zuerst. Sie beschreibt den magnetisierenden Strom aufgrund des
Eingangssignals. Die Impedanz einer Spule ist Z = jwL (w sei das griechische kleine Omega, die Kreisfrequenz)
Z = j * 2 * Pi * f * L. j ist in der Elektrotechnik das i der komplexen Zahlen, f die Frequenz.
Keine Angst, jetzt kommt keine höhere Mathematik, denn für uns reicht die Analogie
Impedanz - Widerstand. Die Phasenlage spielt zwar auch eine Rolle, aber für die Betrachtung
hier können wir die getrost außen vor lassen.
Vereinfacht ist die Impedanz: 2 * Pi * f * L. So kann man das als Laie auch lesen.
Was sagt uns das? Bei kleinen Frequenzen geht die Impedanz gegen 0 (Kurzschluß). Übrig bleibt
nur noch der Wicklungswiderstand.
Warum dieser Ausflug? Der Strom durch den Transformator ist U/Z (Phasenlage vernachlässigt)
1. muß dieser Strom von der treibenden Schaltung geliefert werden
2. ist das der Strom, der für die Magnetisierung des Kernmaterials verantwortlich ist
Je höher die Magnetisierung, desto mehr werden die nichtlinearen Bereiche (Hysterese)
des Magnetmaterials durchfahren. Ab einer gewissen Magnetisierung ist das Magnetmaterial in
der Sättigung, wodurch die Induktivität schlagartig abnimmt, so als ob die Spule nur noch
eine Luftspule wäre. Dieser Effekt ist bei getakteten Gleichstromwandlern bei Entwicklern
gefürchtet, geht doch da oft alles in Rauch auf. Und in der Leistungselektronik
ist das gelegentlich sehr viel Rauch.
Bei Audioübertragern entstehen Verzerrungen durch Nichtlinearitäten oder durch Überlastung
der Treiberschaltung. In der Regel passiert dem Übertrager und der Treiberschaltung nichts,
eventuell aber Endstufe und/oder Lautsprecher. So krass wie bei Leistungsspulen
wird es nicht, da Audioübertrager weit überdimensioniert sind, so daß dieser Punkt
normalerweise nicht erreicth wird.
Bei der Dimensionierung eines Transformators versucht man die Hauptinduktivität
so groß wie nötig zu machen. Das heißt viele Windungen. Aber die kosten Geld,
Platz und haben natürlich auch einen Ohmschen Widerstand. Glücklicherweise steigt
der magnetisierende Strom mit der Windungszahl an, die Induktivität jedoch mit dem
Quadrat der Windungszahl. Irgendwo gibt es einen optimalen Punkt für die Windungszahl.
Außerdem wird der Kern eines Audioübertragers wesentlich größer dimenioniert als
bei einem Übertrager zur Stromversorgung. Damit versucht man die nichtlinearen
Verzerrungen durch die Hysterese des Kernmaterials klein zu halten. Je kleiner der
ausgefahrene Bereich liegt, desto geinger die Verzerrungen.
Das Kernmaterial muß natürlich für den benötigten Frequnzbereich geeignet sein.
Die Wicklungen müssen so ausgeführt sein, daß es nicht zu Resonanzfrequenzen kommt.
Für die Treiberschaltung gilt: möglichst niedrige Ausgangsimpedanz, dann wird der
parallele Strom durch die Hauptinduktivität einfach mitgeliefert ohne das Signal zu
verzerren. Außerdem kein DC Offset, denn dafür ist die Hauptinduktivität ein Kurzschluß.
Der Strom wird dann nur durch den recht niedrigen Wicklungswiderstand begrenzt.
Der Gleichstrom führt nur zu einer Belastung der Treiberschaltung und zu einer
unerwünschten Vormagnetisierung des Kerns.
==================
Zurück zum Thema:
Die 1. wichtige Kernaussage ist die:
der kritischste Arbeitspunkt was die Magnetisierung und Nichtlinearitäten angeht
ist die kleinste benützte Frequenz bei maximaler Amplitude
==================
Jetzt kommt der ideale Übertrager. Er hat einen idealen Frequenzgang und keinerlei
Verluste. Er kann theoretisch sogar Gleichstrom übersetzen, wenn da nicht die blöde
Hauptinduktivität ein Kurzschluß wäre. Er übersetzt eine Eingangsspannung mit N1:N2
sprich: bei einem Wicklungsverhältnis von 10:1 wird die Spannung auch 10:1 übersetzt.
Das ist der weit bekannte Teil. Beim Audioübertrager interessant ist eine weitere
Eigenschaft: die Impedanz (oder grob vereinfacht Widerstand) wird mit dem Quadrat
des Übertragungsverhältnisses übersetzt. Bei einem Übertragungsverhältnis von
10:1 wird die Impedanz im Verhältnis 100:1 übersetzt.
(die 10:1 sind ein willkürlich gewähltes Beispiel, allerdings in der Praxis weit
verbreitet)
====
Das ist die 2. wichtige Kernaussage:
Impedanzen werden mit dem Quadrat des Spannungsübersetzungsverhältnisses übersetzt.
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Das Thema kommt doch sehr häufig in den Threads vor und sowohl Fragen als auch gut gemeinte Ratschläge zeugen immer wieder von weitgehender Ratlosigkeit.
Daher ein eigener Grundlagenthread zu diesem Thema.
Theorie:
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Die allgemeine Theorie erspare ich mir und verweise auf:
http://de.wikipedia.org/wiki/Übertrager
http://de.wikipedia.org/wiki/Transformator
Der Thread ist ohnehin schon ziemlich lang geworden. Eine E-Technik Vorlesung soll's dann
doch nicht werden.
Ein Übertrager für die Audiotechnik ist schaltungstechnisch gesehen ein Transformator
mit speziellen Anforderungen. Er sollte breitbandig sein, also für einen größeren
Frequenzbereich geeignet sein. Er sollte in diesem Bereich keine linearen Verzerrungen
erzeugen (unebener Frequenzgang). Er sollte auch keine nichtlinearen Verzerrungen
erzeugen (Klirrfaktor).
Verwendet wird ein Übertrager in der Audiotechnik aus folgenden Gründen:
* Galvanische Trennung von Schaltungsteilen oder Geräten bei gleichzeitiger
Übertragung des Audiosignals (z.B. Verhinderung von Brummschleifen)
* Anpassung von Pegeln.
* Wndlung symmetrisch -> unsymmetrisch und umgekehrt.
Weitere Anwendungen, aber nicht Bestandteil dieses Aufsatzes:
* Übertragung von Lautsprechersignalen über größere Strecken (100V ELA Technik, ELA steht für Elektroakustik)
* Zusammenführung der komplementären Signale einer Röhrenendstufe sowie gleichzeitige Leistungs/bzw. Impedanzanpassung.
Ersatzschaltbild:
Ein Transformator wird in der Theorie durch folgende Komponenten beschrieben:
Hauptinduktivität LH
Primärseitige Streuinduktivität LSP
Primärseitiger Wicklungswiderstand RP
Idealer Übertrager
Sekundärseitige Streuinduktivität LSS
Sekundärseitiger Wicklungswiderstand RS
(Grafiken im Anhang)
Natürlich besteht der Transformator aus zwei Wickungen auf einem magnetisierbaren
Kern, aber die Zerlegung in die Einzelkomponenten erleichtert die Berechnung deutlich.
Der ideale Übertrager hat keine Verluste und überträgt über alle Frequenzen gleich.
So ist er definiert und so wird er bei der Berechnung angesehen.
(UebertragerMitStreuung.gif)
Die Streuinduktivitäten sind normalerweise sehr gering und in den weiteren Betrachtungen
zu vernachlässigen (Ich kenne eigentlich nur einen Bereich, wo die eine Rolle spielen:
als Strombegrenzung bei Spielzeugtranformatoren, leicht und billig realisiert mit einem
Luftspalt im Kern).
Die Wicklungswiderstände sollten idealerweise so niedrig wie möglich sein und sind
es in der Praxis auch. Manchmal wundert sich einer, der nur so etwa 30 Ohm mißt:
ist der Übertrager kaputt? Ist er nicht.
(UebertragerMitWicklungswiederstaenden.gif)
Dann haben wir uns an die wesentlichen Komponenten herangepirscht: Den idealen Übertrager
und die Hauptinduktivität. (UebertragerNurHauptinduktivitaet.gif)
Die Hauptinduktivität zuerst. Sie beschreibt den magnetisierenden Strom aufgrund des
Eingangssignals. Die Impedanz einer Spule ist Z = jwL (w sei das griechische kleine Omega, die Kreisfrequenz)
Z = j * 2 * Pi * f * L. j ist in der Elektrotechnik das i der komplexen Zahlen, f die Frequenz.
Keine Angst, jetzt kommt keine höhere Mathematik, denn für uns reicht die Analogie
Impedanz - Widerstand. Die Phasenlage spielt zwar auch eine Rolle, aber für die Betrachtung
hier können wir die getrost außen vor lassen.
Vereinfacht ist die Impedanz: 2 * Pi * f * L. So kann man das als Laie auch lesen.
Was sagt uns das? Bei kleinen Frequenzen geht die Impedanz gegen 0 (Kurzschluß). Übrig bleibt
nur noch der Wicklungswiderstand.
Warum dieser Ausflug? Der Strom durch den Transformator ist U/Z (Phasenlage vernachlässigt)
1. muß dieser Strom von der treibenden Schaltung geliefert werden
2. ist das der Strom, der für die Magnetisierung des Kernmaterials verantwortlich ist
Je höher die Magnetisierung, desto mehr werden die nichtlinearen Bereiche (Hysterese)
des Magnetmaterials durchfahren. Ab einer gewissen Magnetisierung ist das Magnetmaterial in
der Sättigung, wodurch die Induktivität schlagartig abnimmt, so als ob die Spule nur noch
eine Luftspule wäre. Dieser Effekt ist bei getakteten Gleichstromwandlern bei Entwicklern
gefürchtet, geht doch da oft alles in Rauch auf. Und in der Leistungselektronik
ist das gelegentlich sehr viel Rauch.
Bei Audioübertragern entstehen Verzerrungen durch Nichtlinearitäten oder durch Überlastung
der Treiberschaltung. In der Regel passiert dem Übertrager und der Treiberschaltung nichts,
eventuell aber Endstufe und/oder Lautsprecher. So krass wie bei Leistungsspulen
wird es nicht, da Audioübertrager weit überdimensioniert sind, so daß dieser Punkt
normalerweise nicht erreicth wird.
Bei der Dimensionierung eines Transformators versucht man die Hauptinduktivität
so groß wie nötig zu machen. Das heißt viele Windungen. Aber die kosten Geld,
Platz und haben natürlich auch einen Ohmschen Widerstand. Glücklicherweise steigt
der magnetisierende Strom mit der Windungszahl an, die Induktivität jedoch mit dem
Quadrat der Windungszahl. Irgendwo gibt es einen optimalen Punkt für die Windungszahl.
Außerdem wird der Kern eines Audioübertragers wesentlich größer dimenioniert als
bei einem Übertrager zur Stromversorgung. Damit versucht man die nichtlinearen
Verzerrungen durch die Hysterese des Kernmaterials klein zu halten. Je kleiner der
ausgefahrene Bereich liegt, desto geinger die Verzerrungen.
Das Kernmaterial muß natürlich für den benötigten Frequnzbereich geeignet sein.
Die Wicklungen müssen so ausgeführt sein, daß es nicht zu Resonanzfrequenzen kommt.
Für die Treiberschaltung gilt: möglichst niedrige Ausgangsimpedanz, dann wird der
parallele Strom durch die Hauptinduktivität einfach mitgeliefert ohne das Signal zu
verzerren. Außerdem kein DC Offset, denn dafür ist die Hauptinduktivität ein Kurzschluß.
Der Strom wird dann nur durch den recht niedrigen Wicklungswiderstand begrenzt.
Der Gleichstrom führt nur zu einer Belastung der Treiberschaltung und zu einer
unerwünschten Vormagnetisierung des Kerns.
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Zurück zum Thema:
Die 1. wichtige Kernaussage ist die:
der kritischste Arbeitspunkt was die Magnetisierung und Nichtlinearitäten angeht
ist die kleinste benützte Frequenz bei maximaler Amplitude
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Jetzt kommt der ideale Übertrager. Er hat einen idealen Frequenzgang und keinerlei
Verluste. Er kann theoretisch sogar Gleichstrom übersetzen, wenn da nicht die blöde
Hauptinduktivität ein Kurzschluß wäre. Er übersetzt eine Eingangsspannung mit N1:N2
sprich: bei einem Wicklungsverhältnis von 10:1 wird die Spannung auch 10:1 übersetzt.
Das ist der weit bekannte Teil. Beim Audioübertrager interessant ist eine weitere
Eigenschaft: die Impedanz (oder grob vereinfacht Widerstand) wird mit dem Quadrat
des Übertragungsverhältnisses übersetzt. Bei einem Übertragungsverhältnis von
10:1 wird die Impedanz im Verhältnis 100:1 übersetzt.
(die 10:1 sind ein willkürlich gewähltes Beispiel, allerdings in der Praxis weit
verbreitet)
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Das ist die 2. wichtige Kernaussage:
Impedanzen werden mit dem Quadrat des Spannungsübersetzungsverhältnisses übersetzt.
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- Eigenschaft
