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Eine anschaulicher Artikel über Netztransformatoren

Dies ist der erste Artikel (von mehreren) über Gleichspannungs-Netzteile und deren Transformatoren in hochwertigen Hifi-Verstärkern. Je höher die Anprüche des Herstellers, desto aufwendiger und genauer muß das Netzteil dimensioniert und ausgeführt sein. Lange und ausführliche Grundsatzartikel über die Technik des Übertragers (ein Trafo ist auch ein Übertrager) finden Sie hier.

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Bei Hifi- Geräten ist Einiges anders (als "woanders").

Ein Beispiel, der Accuphase 210
Der Trafo in diesem Accuphase 210
die zugehörigen Kondensatoren
Ein Edel-Schaltnetzteil von Nortel/NEC für über 1900.- US$ (nur das Netzteil !! - der ganze ATM Switch kostete mal 350.000.- Dollar)

Feb. 2011 von Gert Redlich - Von der Historie her waren die Transformatoren (Kurzform = Trafo /  technisch korrekt = Übertrager) der Garant für unbedingte Zuverlässigkeit bei der Versorgung mit niedrigeren Spannungen als der Netzspannung. Die in unseren Audio-Geräten benötigten Gleichspannungen werden aus den niedrigen Spannungen der Sekundärwicklungen mit Hilfe von Dioden und Gleichrichtern und Kondensatoren erzeugt.

Bei den Computern und nicht nur dort ist man aber ab Ende der 80er Jahre - aber dann sehr schnell - auf die moderneren effizienteren Schaltnetzteile übergegangen. Das enorme Gewicht und die (Magnetisierungs- und Wärme-) Verluste der "normalen" Trafos spielten zusammen mit den ehemals hohen Preisen der Schaltnetzteile samt einer gewissen (damaligen) Unzuverlässigkeit eine große Rolle.

Und wie immer - keine Vorteile ohne Nachteile

Doch für die Hifi-Geräte der oberen und der Spitzenklasse hatten diese Schaltnetzteile gravierende Nachteile. Die recht hohen Schaltfrequenzen der sogenannten "Zerhacker" waren sowohl direkt "am" Gerät wie auch in den Lautsprechern hörbar und das ging natürlich nicht. Auch war die Zuverlässigkeit der Schaltnetzteile anfänglich recht "mau".

Nur edelste Schaltnetzeile für teuerste EDV-Geräte (wir haben ganze Schränke davon), die alleine fast mehr als der ganze Hifi-Verstärker kosteten, waren stabil und verläßlich. Erstaunlich ist daher das recht frühe Schaltnetzeil im 2 x 110 Watt Revox B251 Verstärker. Dort haben wir ein Beispiel, daß es auch im Hifi-Himmel funktioniert - aber alles hat seinen Preis.
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Bei den Trafos gab und gibt es erhebliche Unterschiede.

(1) der normale M-Kern Trafo
(2) Schnittbandkern-Trafo Grundig
VAC Werbung Funkschau 1961
(3) Industrie-Ringkerntrafo
Beispiel in einer fefekten aktiven Canton Edelbox CA20

Da die technischen Nebenerscheinungen eines modernen Schaltnetzteils nicht "in ihm drin" blieben, benutzte man (und benutzt man teilweise heute noch) in der hochwertigen Audio-Technik lieber die Transformatoren zur Spannungswandlung. Mehr über die Theorie dazu finden Sie bei den Übertragern.

Hier gibt es drei dominierende technische Unterschiede,

  • (1) die Trafos mit dem sogenannten EI- (also E und i) oder M-Kern als Eisenpaket und
  • (2) die deutlich teueren Schnittbandkern-Trafos und
  • (3) die sehr teuren Ringkern-Trafos.


Auf die difizilen physikalischen Details möchte ich verzichten, das war fast ein ganzes Semester an der Uni, bis wir es alles bis ins Detail verstanden hatten.
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Die 3 Trafo-Typen im Einzelnen :

(1) Der EI- oder M-Kern Trafo ist die normale oder auch die Lowcost- Variante der Trafos und "glänzt" mit einem großem Gewicht, vergleichsweise geringer Effizienz und einem deutlichen magnetischen 50Hz Netzfrequenz- Streufeld, das schon so manchen Elektronik-Entwickler zum Wahnsinn trieb.

(2) Der Schnittbandkern-Trafo ist von der Herstellung deutlich aufwendiger und damit teurer und glänzt (immer bei gleicher Leistungsabgabe) mit weniger Streuverlusten, (also fast keinem magnetischen Streufeld), weniger Wärme (also höherer Effizienz) und deutlich weniger Gewicht. Revox hatte deshalb in seinen (transportablen) Bandgeräten vom Typ A77 (seit 1967) diese teuere Type gewählt, weil ein niedriges Gewicht dort sehr wichtig war. Auch in dem kleinen einsetzbaren 8 Watt Netzteil des Uher Report 4000 ist (seit 1961) solch ein Schnittbandkern- Trafo drinnen und bei ganz erstaunlich vielen Grundig Geräten der 1980/82er Modellreihen, in deren Verstärkern sowieso und sogar in den flachen Kassettengeräten dieser Baureihe, ganz erstaunlich.

(3) Noch eine Klasse besser ist der fast perfekte Ringkern-Trafo
, zum Beispiel in den englischen Quad 405 Verstärkern oder in den ganz dicken Accuphase Endstufen. Hier ist das Wickeln der Windungen sehr sehr aufwendig und das kostet richtiges Geld. Dafür sind diese Trafos nochmal eine Dimension kleiner und nochmal effizienter als Schnittbandkern-Trafos. Wir Elektroniker sagen auch, Ringkerntrafos sind am Ausgang "stahlhart", also die Sekundär-Spannung ist auch unter Vollast extrem stabil.

Und bei allen diesen Typen gibt es nochmals Unterschiede:

Die wirklich billigste Version eines (ungetränkten) 75 Watt Trafos aus dem Hobby-Shop

Trafos bestehen im Prinzip aus dem Eisenkern und den darum herum gewickelten Kupferdrähten. Das ist die ganz primitive "Beschreibung". - Seit langer Zeit wickelt man die Kupfer- Wicklungen aber bereits vorher auf einen (Kunststoff-) Spulenkern und "füttert" die Eisenbleche des Kerns später nach. Ein Spulenkern wird nämlich "gepackt". Und beim Wickeln kann dazu die Maschine oder auch der Mensch schwächeln und die Windungen (einer Lage) sind nicht absolut dicht an dicht "gequetscht".

Dann vibrieren diese Windungen (die Kupferdrähte), manche mehr, manche weniger. Und das ist für unser Hifi-Ohr fatal, wenn der Verstärker (oder Tuner oder CD-Spieler) jedweder Funktion, neben dem Hörer plaziert, auch nur ganz leicht brummt oder zirpt. Beispielsweise war die Servo-Elektronik der Infinity Servostatic 1 deutlich zu vernehmen und ich konnte ihr das Brummen nie abgewöhnen. Ich hatte sie dann wieder verkauft.

Die Gründe für das "Tränken" oder "Vergießen" der Trafos

Eine grosse Vakuum-Pumpe
so ähnlich sieht der Kessel aus
Ein getränkter (und damit teurer) Standard-Industrietrafo
der Lack ist überall - auch auf und zwischen den Blechen
doppelt gut und brumm-arm - verschweißt und getränkt

Vollprofis und industrielle Anwender verlangen daher das sogenannte Vakuum-Tränken oder sogar das Vergiessen eines jeden Transformators, also aller obigen Typen. Das beutet nochmal einen nicht unerheblichen Aufwand, der auch wieder Geld kostet.

Der Vorgang beim "Tränken" ist folgender:
Die Trafos werden meist mit einem (kleinen) Kran, weil viele und schwer, in einen grossen massiven Edelstahl-Kessel abgesenkt (meist ca. 1m Durchmesser und 1m hoch). Der Deckel wird fest verschlossen und dieser Kessel wird mit einer Vakuumpumpe (nahezu 100%) luftleer gepumpt.

Das dauert bis zu 1 Stunde.
Dann wird das Ventil eines großen Vorratsbehälters mit einem speziellen (oft vorgewärmten) Lack zum Vakuumkessel hin geöffnet und der Kessel saugt sich (mit etwas Nachdruck) voller Lack - wirklich bis oben hin. Dieses System ist darum so sinnvoll, weil jetzt wirklich alle Ritzen und (ehemalige) "Luftlöcher" zwischen den Windungen (und natürlich auch zwischen den Blechen und Befestigungswinkeln) garantiert voller Lack sind.

Es ist ein nahezu farbloser Speziallack, der eine Menge ganz bestimmter Eigenschaften haben muß. Dort geht jetzt zum Beispiel nie wieder Wasser rein, die Windungsdrähte können nie wieder vibrieren, die Verlustwärme wird vorzüglich nach außen abgeführt und das ganze Gebilde ist rost- und tropenfest. Auch wird die Spannungsfestigkeit der 230 Volt Primärwicklung nochmal erhöht. (Bei Hochspannungstrafos mit mehreren Tausend Volt unbedingte Voraussetzung).

Jetzt wird der Lack (er ist nach wie vor flüssig) aus dem inzwischen oben offenen Kessel wieder in den Vorratsbehälter zurück gepumpt und nach ein paar Stunden, wenn die Trafos "abgetropft" sind, werden sie mit dem Kran wieder herausgehoben. Der Lack würde nun mehrere Tage brauchen, bis er oberflächlich trocknet.

Das ist zu lange und dann wäre er innen noch lange nicht durchgetrocknet. Die Trafos kommen deshalb "am Stück" (auf einer speziellen Palette) in den Trocken-Ofen und werden dort geheizt und "gebraten", also beschleunigt getrocknet und der Lack wird so gehärtet.

Damit haben wir die teuren Profi-Transformatoren
, die in den großen Endstufen garantiert nicht brummen. Und wenn man es auf die Spitze treiben will oder muß, werden die Blechpakete auch noch (vorher) 4 mal verschweißt. Da vibriert dann wirklich nichts mehr.

Ein brummarmer Schnittbandkerntrafo aus einem Revox B795 Plattenspieler
und der Trafo in der Revox A77
M-Kern Trafo in Wega Spitzenreceiver
Grundig Schnittbandkerntrafo in Edelverstärker SV2000

Und jetzt noch Größe, Gewicht und das Kernmaterial - das ergibt den Preis :

Es gibt da noch eine Menge anderer Feinheiten, die der Transformatoren- Konstrukteur alle kennt. Ein Beispiel ist die Qualität des Eisen-Blechs. Es gibt billige (weiche) Bleche, die eine geringe Permeabilität haben und im Gegenzug dazu teure hochwertige (magnetisch harte) Bleche, bei denen man einen geringeren Querschnitt und damit insgesamt weniger Blech braucht.

So kann der Ingenieur einen kleinen (teueren) 100 Watt Trafo berechnen oder einen größeren schwereren aber preiswerteren 100 Watt Trafo mit vordergründig gleicher Leistung. Wir sprechen dabei immer von der Leistungsabgabe auf der Sekundärseite.

Weiterhin kann der Ingenieur bei den Wicklungen sparen.
Das bedeutet, er kann am Kupferquerschnitt "drehen" oder "optimieren", sodaß der Trafo deutlich heißer wird. Bei wohlwollend (also optimal) dimensionierten Kupferdrähten wird der Trafo bei weitem nicht so "glühend" heiß wie bei extrem knapp auf Kante gerechneten Windungen. So ist die Normaltemperatur eines Trafos (bei Vollast) etwa bei 80 Grad, könnte aber auch bei 110 Grad und noch darüber liegen. Auch die Leerlauf-Leistungsaufnahme und der Wirkungsgrad bei Vollast sind von der Blechqualität anhängig.

Fast alle deutschen Hersteller (Braun, Wega, Saba ....) hatten bei M-Kern Trafos Qualitäten im Oberklassenbereich. Studer / Revox und die Grundig Edelklasse um 1981 dagegen haben sehr oft die teueren Schnittbandkern- Trafos eingesetzt. Und "ganz oben" im Hifi-Himmel gab es nur noch die Ringkerntrafos.

Und fast alle Lowcost China Geräte (auch Korea, Vietnam, Taiwan und auch leider frühe Japaner) hatten dagegen regelrechten "Transformatoren-Schrott" in ihre billigen Geräte eingebaut.

Haben Sie also ein Gerät mit einem blanken Trafo . .

dann wissen Sie, es ist die einfachste und billigste Lösung gewesen. Die vielen analogen Sat-Empfänger der 90er Jahre (selbst von Philips) Made in Taiwan oder Made in China waren von der billigen Kategorie. Und ist das Blech bereits verrostet, dann war es ganz besonders billig.

Auch viele Unterklasse Hifi-Kombinationen mit den geliebten Brüllwürfeln als Lautsprecher hatten solche extrem billigen Trafos. Rechts im Bild der Trafo aus dem teuren TED Bildplattenspieler. Am Ende war der Flop (von TED) für Telefunken teuerer als der billige Trafo eingespart hätte.

Haben Sie aber "solch Einen" hier . . .

. . . dann bitten wir Sie (da Sie ja ein Millionär sein müssten) sogleich um eine "Spende". Denn dann kommt es (natürlich bei Ihnen) auf ein paar tausend Euro mehr oder weniger auch nicht mehr an.

Dieser Trafo ist in einem metallischen Becher (spezielles MU-Metall) vollkommen gekapselt, vergossen und dann auch noch in dem Behälter "elektrisch absolut dicht" verlötet. Das ist dann teuerstes "Military Grade", für die Edel-Endstufe (zum Beispiel den SONY TA-F730 ES), für uns leider unbezahlbar.

Mit dieser Kapselung eines solchen "Edel-Trafos" kann das Innenleben weder von außen über eine Einstrahlung beeinflußt werden (zum Beispiel von einem Radar-Gerät oder einem starken UKW-Sender), noch kommt irgendein 50Hz oder 60Hz Streufeld von innen nach draußen. Damit ist dieser Transformator elektrisch und magnetisch "dicht" und, wie gesagt, nahezu unbezahlbar.

Der Unterschied von Übertrager und Transformator

Netztrafo und Ausgangsübertrager bei einem der edelsten Röhren- verstärker sind nahzu gleich groß

Und auch das gehört zum Thema. Transformatoren sind eine Untergruppe der "Magnetischen Übertrager". Die gängigen Bezeichnungen haben sich teilweise auch so eingebürgert.

Ein Übertrager überträgt elektrische Energien von einer Wicklung in eine (oder mehrere) andere(n) Wicklung(en).

Wir unterscheiden zwischen Übertragern, die nur Spannungen nahezu leistungslos übertragen sollen und richtigen Leistungsübertragern, die bei uns im Sprachgebrauch "Trafo" genannt werden. Mehr darüber steht hier in zwei ausführlichen Artikeln.
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  1. Beim sogenannten Netztrafo übertragen wir Leistung mit nur einer einzigen Frequenz, den 50 Hertz unserer Netz-Wechselspanung (oder den 60Hz in den USA).
  2. Ein Übertrager hingegen soll einen ganzen Frequenzbereich linear "übertragen". Er sieht dennoch fast genauso aus wie ein Trafo.
  3. Ein Ausgangsübertrager soll dazu auch Leistung über einen ganzen Frequenzbereich übertragen.

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Davon mehr auf einer anderen Seite bei den Röhrengeräten und bei den Rundfunk- und Ton- Studiogeräten.
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