Informations- und Kommunikationstechnik

Der Niederfrequenz-(NF)-Übertrager

Mit Audio-Übertragern sollten sich große Frequenzbereiche übertragen lassen. In ELA-Anlagen werden die Lautsprecher mit NF-Transformatoren an den Verstärker angepasst. Für Hi-Fi-Lautsprecher fordert die DIN 45500 einen Übertragungsbereich von (50 ... 12500) Hz. Die Transformatoren der Energieübertragung sind dafür nicht geeignet, da sie an der Sättigungsgrenze in einem nicht linearen Kennlinienbereich betrieben werden.

In NF-Übertragern ist die magnetische Flussdichte niedriger und der Arbeitsbereich bleibt dadurch im geradlinigen Teil der Magnetisierungskurve. Der Eisenkern sollte auch nur ein Viertel der Leistung eines vergleichbaren Netztrafos übertragen. Diese Maßnahmen minimieren die Signalverzerrungen. Ist eine hohe Ausgangsspannung gefordert, so muss bei halbierter Flussdichte die Windungszahl vervierfacht werden.

Das Ausgangssignal eines Eintaktverstärkers weist einen Gleichspannungsanteil auf. Dieser lässt im Primärkreis eines angeschlossenen Übertragers einen Gleichstrom fließen. Der Eisenkern kommt dadurch in die magnetische Sättigung und die Signalübertragung wird stark verzerrt. Ein Luftspalt im Magnetkern verringert den magnetischen Fluss und damit die Signalverzerrungen.

Ersatzschaltbild des NF-Trafos

Das allgemeine Ersatzschaltbild eines Übertragers zeigt die Verlustwiderstände der Wicklungen und den Kernverlust aufgrund der Ummagnetisierung und restlicher Wirbelströme. Die Querinduktivität L1 steht für die Magnetisierung des Kerns und die Längsinduktivitäten erfassen den Streufluss des belasteten Trafos. Alle Werte der Sekundärseite sind mit dem Übertragungsfaktor auf die Primärseite umgerechnet.

Bei tiefen Frequenzen sind einige Elemente vernachlässigbar und das Ersatzschaltbild vereinfacht sich. Die Ummagnetisierung im Kern erfolgt langsam und erzeugt weniger Verlustwärme. Der Eisenverlustwiderstand kann ebenso wie der Streufluss vernachlässigt werden. Bei tiefen Frequenzen ist der Blindwiderstand der Längsinduktivitäten sehr klein.

Bei hohen Frequenzen wird der Blindwiderstand der Querinduktivität groß, sodass der Zweigstrom I0 sehr klein und zu vernachlässigen ist. Die Verlustwiderstände und Streuinduktivitäten liegen in Reihe. Bei kleiner Belastung ist die Streuinduktivität niedrig und der Übertrager hat fast ideales Verhalten. Bei großer Last entspricht das System einem idealen Trafo mit vorgeschalteter Drosselspule.

Mit den Ersatzschaltungen lassen sich die Grenzfrequenzen und die Übertragungsbandbreite des NF-Trafos bestimmen. Bei der Grenzfrequenz einer Schaltung ist der Wert des Blindwiderstands gleich dem Wert des Wirkwiderstands. An der Primärseite des Übertragers ist eine Signalquelle, zum Beispiel ein Audioverstärker, angeschlossen. Der Innenwiderstand der Quelle muss berücksichtigt werden. Der sekundärseitige Lastwiderstand wird mit dem Übersetzungsverhältnis auf die Primärseite transformiert.

Es folgt ohne komplexe Rechnung eine allgemeine Herleitung der Grenzfrequenzformel für R-L-Systeme.

Berechnung der Grenzfrequenzen

Durch eine spezielle Anordnung der Wicklungen im NF-Übertrager erreicht man auch bei der Übertragung großer Leistungen einen kleinen Streufluss. Dadurch bleibt sowohl Streuinduktivität als auch die Dämpfung hoher Frequenzen klein. NF-Übertrager mit einer sehr niedrigen unteren Grenzfrequenz erreichen die dazu notwendigen hohen Werte der Querinduktivität nur mit großen Kernquerschnitten. Sie benötigen viel Platz und haben ein hohes Gewicht.