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Viel Voodoo auch bei Netztransformatoren

Ein 420 Watt (?) Trafo in einem low- cost DUAL 1000 Watt Turm
Ein typischer 230 auf 6V Trafo

von Gert Redlich im März 2014 - Durch mehrere glückliche Zufälle bin ich schon früh in das Wissen um Transfor-matoren hineingeschliddert und habe die Theorie erst viel später gelernt. Mit 16 hatte ich in einer kleinen Wiesbadener Trafofabrik Trafos gewickelt (Trafo Zerbe), ohne zu wissen, wie der Trafo an sich funktioniert. Ich wußte nur, daß der Chef jeden Trafo einzeln berechnet hatte und es da gewaltige Unterschiede gab.

Dann durfte ich mir am letzten Tag dieser 6 Wochen einen wünschen und selbst wickeln, ich war nämlich fleißig bei der Sache. Das war den Kollegen sogar (aber leider negativ) aufgefallen, es hatte mir nämlich richtg Spaß gemacht, etwas anfaßbares Dauerhaftes zu produzieren..

Ganz viel später nach meinem Studium (mit viel Theorie) hatte ich in 1985 tiefen Einblick in eine größere Trafofabrik in Frankfurt Bergen-Enkheim (MÜCO), weil wir dort die Lager-verwaltung des Kupfers und der Bleche programmiert hatten. Dort bekam ich hautnah mit, wie "variabel" - also eine bewußt wohlwollende Umschreibung für diverse kreative Berechnungsmethoden - man einen Trafo berechnen konnte, wenn es gefordert war.

In dem nachfolgenden Artikel von Ulrich Weber spiegelt sich diese "Kunst" der "genialen" Berechnung wieder und der Autor stellt dabei gnadenlos klar, wo es wirklich lang geht - also wer wen "beduppst".

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Noch einmal:
Der Netztransformator (ein Artikel aus der elrad 1988)

Der Artikel über Trafos
Trafo im Yamaha Receiver

Physikalische Grundlagen und technische Ausführung - Schwerpunkt: Trafos für Netzteile von Nf-Verstärkern.

von Ulrich Weber in 1988
Ulrich Weber wurde 1940 in Berlin geboren. Nach dem Abitur studierte er Physik und legte damit die Basis für eine bemerkenswerte Karriere: 1970 tat er den Schritt in die Selbständigkeit. Sein Unternehmen entwickelt und fertigt Industrieelektronik, Transformatoren und SpezialÜbertrager sowie magnetische Regelungen und Trans-duktoren. Ulrich Weber hält mehrere Patente für Hochfrequenz-Energie- übertragung, ferromagnetische Resonanzsysteme und Leistungs-Rechteck/ Sinus-Umwandler.
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Jede Schaltung, auch und gerade die Nf-Endstufe, steht und fällt mit der Qualität ihrer Stromversorgung. Und diese wiederum braucht vor allem den richtigen Netztransformator, "elrad" hat in der Vergangenheit (also vor 1986) die Bedeutung des Netztrafos durch mehrere Fachbeiträge unterstrichen. An einigen der darin enthaltenen Aussagen wurde jedoch - ebenfalls von fachlicher Seite - deutliche Kritik geübt. Wir geben deshalb einem anerkannten Transformator-Spezialisten Gelegenheit, diese Dinge aus seiner Sicht darzustellen.

Es ist ein fast unendliches Thema . . . .

Wollte man alle Aspekte der Transformatortechnik ausführlich und leicht verständlich darlegen, so könnte man mehrere Jahre lang in jeder Ausgabe ein Kapitel veröffentlichen. Dieser Beitrag behandelt deshalb ganz bewußt nur ein kleines, aber für viele Leser hochinteressantes Spezialgebiet und beseitigt dabei hoffentlich einige der häufigsten Irrtümer.

Gemeint ist das Gebiet der Transformatoren, die für Gleichstrom-Versorgungen elektronischer Geräte benötigt werden. Ganz besonders wird dabei das Feld der Audio-Verstärker- Netzteile berücksichtigt.

Zuerst ein wenig Geschichte . . . .

Ein historisches Meßgerät
Ein riesiger Gleichstrommotor

Ein wenig Geschichte, aber auch einige elementare Transformator-Grundlagen können in diesem Zusammenhang sicher nicht schaden, ja sogar ganz interessant sein.

Darum hier - ganz ohne Formeln - ein Kurzlehrgang in Transformatortechnik: ein kleiner Gang durch die Geschichte und die technische Entwicklung des Wechselstromtransformators.

Gegen Ende des 19. Jahrhunderts fand die gesamte elektrisehe Energieversorgung für Haushalte, Straßenbeleuchtung und Arbeitsmaschinen, die zu diesem Zeitpunkt schon erstaunlich weit verbreitet war, ausschließlich mit Gleichstrom statt. Die Brennspannung der Kohlelichtbogenlampe von 55V bescherte uns bereits damals die Normspannungen 110V und 220V für zwei bzw. vier Bogenlampen.

Dann entdeckten mehrere findige Techniker ziemlich gleichzeitig eine genial einfache Möglichkeit, die elektrische Energie wunschgemäß umzuformen, eben zu „transformieren": nämlich hohe Spannungen mit relativ geringem Strom in niedrige Spannungen mit hohem Strom zu wandeln.

Es war aber kein "Perpetuum Mobile"

Leistung konnte man dabei "leider" nicht gewinnen, denn das Produkt aus Spannung und Strom, das ja bekanntlich die elektrische Leistung darstellt, bleibt vor („primär") und hinter („sekundär") dem Umwandler („Transformator") konstant.

So fiel ganz nebenbei das erste Transformationsgesetz ab: Der Transformator kann Spannungen und Ströme ändern, aber die entnommene Sekundärleistung entspricht bis auf ein paar Prozent der hineingelieferten Primärleistung. Wo diese erwähnten paar Prozent bleiben, ist gewissermaßen Auslöser und Hauptgegenstand dieses Beitrags.

Und mit Gleichstrom ging es nicht

Und noch etwas entscheidend Wichtiges entdeckten die Techniker der ersten Stunde: Dieser so sehr erwünschte Effekt funktionierte leider nicht mit Gleichstrom. Man mußte damals die Generatoren so umkonstruieren, daß sie ihre Spannung mit rasch wechselnder Polarität abgaben, d.h. die Richtung des fließenden Stroms muß ständig hin- und herwechseln. Als günstige „Wechselstromfrequenzen" erwiesen sich 50 bzw. 60 pro Sekunde.

Aber wie sahen sie aus ?

Ein Beispiel - aber schon mit Ferrit-Kern

- die ersten Transformatoren der Geschichte?

Erstaunlich simpel. Ein einfacher, schon länger bekannter physikalischer Effekt wurde ausgenutzt: Eine Drahtspule ändert sehr stark ihren elektrischen Widerstand, wenn man ein Stück magnetisierbares, sprich magnetisch „weiches" Eisen hineinsteckt; wie schon erwähnt: leider nur bei Wechselstrom. Noch viel weiter wächst der Widerstandswert an, wenn man das Eisen zu einem geschlossenen „magnetischen Kreis" zusammenfügt.

Perfekt - der Transformationseffekt

Die einfachste Version

Befindet sich nun auf dem gleichen Eisen-„Kern" noch eine zweite „sekundäre" Spule, die nicht an der Speisespannung angeschlossen und dazu von der Primärspule völlig isoliert ist, so erhält man den Transformationseffekt:
An der zweiten Spule, der „Sekundärwicklung", entsteht nämlich ebenfalls eine Wechselspannung. Diese Sekundärspannung ist hoch, wenn die Sekundärwicklung viele Windungen hat - und entsprechend niedrig bei wenigen Sekundärwindungen.

Es funktioniert schon über 100 Jahre

Schließt man an die Sekundärwicklung einen elektrischen Leistungsverbraucher (z.B. einen Widerstand oder eine Glühbirne) an, so verliert die Primärspule ihren vorher so hohen Widerstand und nimmt nun doch Strom und damit Leistung aus der Speisespannung. Diese Leistung entspricht annähernd der Leistung, die der Sekundärwiderstand verbraucht. Fertig ist der Wechselstromtransformator! An dieser Konstruktion hat sich in fast 100 Jahren kaum etwas geändert.

Es gibt aber "Nichts", daß man nicht doch verbessern könnte

Mit den wenigen, aber doch sehr wirkungsvollen „kleinen" Verbesserungen beschäftigen sich die folgenden Abschnitte. Dabei wird eine bestimmte, sehr ähnlich gebaute Transformatorengruppe etwas näher untersucht, nämlich EI- und Mantelkern-Trafos (M-, MD-, PM-, PMZ-Typen) der Leistungsgruppe 100W ... 1000W Nennleistung.

Bei den damals zuerst benötigten Transformatoren höherer Leistung für die Energieversorgung erwies sich ein rechteckig geschlossener Eisenkern mit zwei Spulenkörpern als sinnvoll; zur zweckmäßigen Montage wurden die Bleche UI-förmig aufgetrennt; der UI-Kern hat seine Bedeutung bis heute behauptet.
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Bild 1. Gestanzte Bleche für Kleintransformatoren, verschiedene Schnitte.

Für die erst später eingesetzten Kleintransformatoren zur Versorgung einzelner Geräte erwies sich eine andere Bauform als geeigneter; sie verwendet nur einen Spulenkörper, und die Fortführung des inneren Eisenkernes erfolgt auf zwei getrennten, äußeren Wegen um den Spulenkörper herum. Diese Konstruktion wird als Mantelkern bezeichnet. Je nach der Art, wie die Bleche gestanzt bzw. geschnitten werden, unterscheidet man M- und EI-Typen, (siehe Bild 1).

Die "Kern"-Frage :

Wozu überhaupt Bleche - warum füllt man den Spulenkörper nicht einfach mit einem massiven Eisenkern?

Hier ganz wichtig - keine Formeln !

Eigentlich wäre spätestens jetzt die übliche Formelsammlung fällig, denn in fast allen bisherigen Abhandlungen über Transformatoren wird der Leser mit einer geballten Ladung höherer Theorie überschüttet. Kennzeichnend für die dort angegebenen, komplizierten mathematischen Formeln und Ersatzschaltbilder ist, daß sie nicht von dem jeweiligen Autor stammen, sondern durchweg aus Lehrbüchern übernommen sind. Dabei werden sie zwangsweise aus einem umfassenden Zusammenhang gerissen, außerdem wenden sich diese Lehrbücher an Leute, die dieses Fach studieren.

Dem weniger fachlich versierten Leser helfen diese Formeln mit Klammern, Wurzeln und komplizierten Brüchen überhaupt nicht weiter beim Verständnis der wirklich wichtigen elementaren Grundlagen, und der studierte Elektroingenieur braucht sie in der Regel ohnehin nicht mehr.

Deshalb wird auf diese Art von Theorie hier verzichtet - wichtige Zusammenhänge lassen sich auch auf andere Weise verständlich vermitteln.

Wozu braucht man das Eisen ?

Welche Rolle spielt das Eisen denn überhaupt im Transformator? Wie schon erwähnt, erhöht das Eisen den elektrischen Widerstand der Spulenwicklung gegenüber einer anliegenden Wechselspannung und ermöglicht gleichzeitig das Entstehen einer Wechselspannung in der Sekundärspule. Ursache für beide Effekte ist die magnetische Induktion.

Üblicherweise wird ein Magnetfeld mit Hilfe von gedachten Feldlinien anschaulich dargestellt, wobei die Richtung der Linien den Verlauf des Feldes charakterisiert, ihr Abstand zueinander soll die Stärke des Feldes verdeutlichen.

Ein Versuch mit Gleichspannung zeigt es:

Legt man in einem kleinen Versuch einmal ausnahmsweise eine Gleichspannung an die Primärwicklung eines Transformators und begrenzt den Strom mit einem Vorwiderstand, so kann man mit geeigneten Meßvorrichtungen folgenden Effekt feststellen: Der Strom steigt relativ langsam, aber stetig an, bis er durch den Vorwiderstand begrenzt wird; dabei baut sich in dem Eisenkern ein Magnetfeld auf, dessen Stärke proportional mit dem Strom zunimmt, das heißt: Eine zunehmende Anzahl von Feldlinien befindet sich im Eisenkern, und alle diese Feldlinien werden sich zunächst innerhalb des Eisenkerns befinden. Also verlaufen alle Feldlinien durch die Spulenwicklung wie durch eine Röhre.

Und nur in der kurzen Zeitspanne - direkt nach dem Anlegen der Gleichspannung -, solange sich also der Spulenstrom noch (ver-) ändert, wird in der Sekundärwicklung auch eine Spannung erzeugt („induziert").

Ein wichtiges physikalisches Grundgesetz

Folgendes physikalisches Grundgesetz läßt sich daraus erkennen: Ändert sich in einer Wicklung die Anzahl der magnetischen Feldlinien, so wird in dieser Wicklung eine Spannung induziert. Dies gilt selbstverständlich für die Primär- und die Sekundärwicklung. Die in der Primärwicklung selbst entstehende Spannung ist der angelegten Spannung entgegengerichtet und verzögert dadurch das Ansteigen des Stroms. Dieser Effekt wird folgerichtig „Selbstinduktion" genannt.

Die Stromrichtung muß sich periodisch ändern

Damit ist klar, warum der Transformator nur mit Wechselspannung funktioniert: Weil nämlich nur sich dauernd ändernde (Primär-) Ströme solche (Sekundär-) Spannungen induzieren können !
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Wenn man das Eisen wegließe ?

Im Prinzip "JA"

Eine berechtigte Frage in diesem Zusammenhang wäre, ob die Sache mit den sich ändernden Feldlinien nicht auch ohne Eisenkern funktioniert. Die vielleicht etwas überraschende Antwort ist: Natürlich geht es im Prinzip auch ohne Eisen, man kann auch eisenlose Transformatoren bauen. Aber eben nur im Prinzip, in der Praxis würde ein solcher Trafo einen sehr schlechten Wirkungsgrad besitzen und einen riesigen Ruhestrom aufnehmen, denn in einer Luftspule steigt der Strom beim Anlegen einer Spannung um ein Vielfaches schneller an als in einer eisengefüllten Spule; letztere setzt also einer Stromänderung einen viel höheren Widerstand entgegen als eine Luftspule.

Die Erklärung der Permeabilität

Wissenschaftlich heißt es: Die "Permeabilität" des Eisens ist größer als die der Luft. Darum also hat jeder Transformator einen Eisenkern.

Warum der Aufwand mit den dünnen Blechen

Aber warum dünne Bleche und kein massiver Kern? Vor der Beantwortung dieser Frage wird zunächst der kleine Versuch von vorhin ein wenig weitergeführt: Erhöht man in einer Versuchsreihe den maximalen, bis dahin von einem Vorwiderstand begrenzten Strom, so nimmt zunächst - wie erwartet - die Magnetisierung des Eisens mit höherem Strom weiter zu.

Dann aber passiert etwas Unerwartetes, das große Auswirkungen auf die praktische Berechnung von Transformatoren hat: Von einem bestimmten Stromwert an läßt sich die Magnetisierung des Eisens nicht mehr weiter verstärken, der Strom steigt immer schneller, fast wie in einer Luftspule, aber in der Sekundärwicklung wird eine immer kleinere Spannung induziert!

Über die Sättigung des Eisenblechs

Was ist passiert? Ganz einfach, das Eisen ist „satt", es kann nicht mehr Feldlinien aufnehmen. Beispiel: Man stelle sich einen großen Topf vor, in welchen Wasser hineinströmt. Was passiert, wenn der Topf voll ist? Zweierlei: Die Wassermenge im Topf wächst nicht mehr an, und der Topf läuft über. Etwas ganz Ähnliches passiert in dem Eisenkern.
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Ein billiger Trafo

Wenn er magnetisch gesättigt ist, der Strom aber weiter ansteigt, kann er die zusätzlichen Feldlinien nicht mehr in seinem Inneren behalten, die Feldlinien „verlassen" den Kern und gehen in die Luft über: Das lästige magnetische Streufeld ist geboren! Außerdem wird natürlich die Energieübertragung in die Sekundärspule schlechter, da ja nicht mehr alle Feldlinien der Primärwicklung auch die Sekundärwicklung durchdringen.

Das Eisen ist somit sehr wichtig für das vernünftige Funktionieren eines Transformators, es läßt sich jedoch nur bis zu einem bestimmten Grad magnetisieren und verliert dann alle seine positiven Eigenschaften. Dies ist bei der Berechnung von Transformatoren besonders zu berücksichtigen.

Die „Streu-Induktivität"

übereinander gewickelte Lagen

Ganz kurz muß noch auf die „Streuinduktivität" eingegangen werden. Auch bei ungesättigter Magnetisierung des Eisenkerns gelingt es immer einigen magnetischen Feldlinien - auszubrechen, das heißt, die Anzahl der Feldlinien in der Primärspule ist nie ganz identisch mit der Anzahl in der Sekundärspule.

Dieser Effekt wirkt so, als befinde sich zwischen der Primär- und der Sekundär-Spule ein kleiner induktiver Widerstand, eben die Streuinduktivität. Diese Erscheinung wirkt sich so richtig störend allerdings erst bei Übertragern für höhere Frequenzen, zum Beispiel bei Nf-Ausgangsübertragern, aus. Bei den hier betrachteten Netzübertragern mit übereinandergewickelter Primär- und Sekundär-Spule kann die Streuinduktivität für die Berechnung der übertragbaren Leistung außer Betracht bleiben.

Nicht zu vernachlässigen ist dagegen die Brummeinstreuung, die von den Feldlinien, die den Transformator verlassen, in empfindlichen NF-Verstärkern hervorgerufen wird!

Nun endlich zu den Blechen.

Bild 2. Zur Entstehung der Wirbelstromverluste im Eisenkern. Ganz links: massiver Kern mit gedachten Kurzschlußwindungen; daneben: die Kurzschlußwindungen werden durch isolierte Blechscheiben aufgetrennt.
Stanzformen in jeder Größe

Ein sich änderndes Magnetfeld induziert in jeder Wicklung eine Spannung. Man stelle sich nun den Eisenkern eines Transformators einmal quer durchgeschnitten vor, siehe Bild 2. Bildet nicht der äußere Rand der Schnittfläche auch eine Wicklung, die von den magnetischen Feldlinien durchdrungen wird? Wie man sieht, ist dies tatsächlich so. Diese Wicklung hat zwar nur eine Windung, diese ist jedoch offensichtlich geschlossen, so daß jede induzierte Spannung auch einen Strom fließen läßt. Bedenkt man nun, daß sich solche Kurzschlußwindungen überall im Eisenkern befinden, wird klar, was passiert. Überall im Eisen fließen Ströme und verursachen - dem Ohmschen Gesetz gehorchend - an allen denkbaren Eisenwindungen elektrische Verlustleistung, die sich als Erwärmung des Trafos bemerkbar macht.

Verhindern kann man dies nur durch Auftrennen aller Stromkreise, die von Feldlinien durchsetzt sind. Das geschieht durch Zerlegung des Eisenkerns in dünne, elektrisch voneinander isolierte Schichten. Je dünner diese Schichten sind, desto sicherer werden zwar auch die kleinen störenden Kurzschlußwicklungen aufgetrennt, allerdings vollständig lassen sich diese „Wirbelströme" im Eisenkern nicht verhindern. Deshalb also gehören Einzelbleche in den Transformator.

Über die Eigenschaften der Bleche

Eine Eigenschaft des verwendeten Bleches ist besonders wichtig für die Berechnung eines Transformators, nämlich der Grad der Magnetisierbarkeit, bevor die oben beschriebene Sättigung eintritt. Von diesem Wert hängt nämlich die Zahl der Windungen ab, die man für eine bestimmte Spannung auf den Transformator wickeln muß. Außerdem ist die optimale Windungszahl noch vom Eisenquerschnitt und der Bauform des Transformators abhängig. Um diese Windungszahl genau zu ermitteln, sind nun allerdings doch einige mathematische Formeln unverzichtbar. Hier soll jedoch nur die Tatsache festgehalten werden: Je höher die "Permeabilität" und damit die Magnetisierbarkeit des Eisenkerns sind, um so weniger Windungen benötigen Primär- bzw. Sekundär-Wicklung. Dieses ist ein sehr wichtiger Zusammenhang, denn bei jeder Trafobaugröße steht nur ein begrenzter Raum für die Aufnahme der Wicklungen zur Verfügung, der „Wickelraum". Eine geringere Windungszahl ermöglicht also gleichzeitig die Vergrößerung des Drahtquerschnittes und damit gleich zweifach eine Verringerung des ohmschen Innenwiderstandes des Transformators. Dieser Innenwiderstand ist jedoch, wie gleich gezeigt wird, die entscheidende Größe für die Leistung des Übertragers.

Diese neuen Erkenntnisse führen wieder zur geschichtlichen Entwicklung des Elektronik-Transformators zurück: vom M-Typ über den MD-Typ zum PM- bzw. PMZ-Typ.

Die magnetische Vorzugsrichtung des Blechs

Bei dem Versuch, die Magnetisierbarkeit des Eisens und damit die Leistung ansonsten baugleicher Trafos zu erhöhen, fand man schnell heraus, daß bestimmte Eisenlegierungen in Verbindung mit einer speziellen Walztechnik und Nachbehandlung die magnetischen Eigenschaften verbessern konnten.

Allerdings leider nur in einer Vorzugsrichtung des Eisenbleches, nämlich in der Walzrichtung. Die Magnetisierbarkeit quer zu dieser Vorzugsrichtung blieb bestenfalls unverändert, wurde oft sogar schlechter.

Er war aber nur der erste Ansatz - und wirkungslos

Bild 3. Typischer Feldlinienverlauf im Mantelkernblech: Im Kern in Walzrichtung, im Joch quer zur Walzrichtung.

Da am Feldlinienverlauf der Mantelkerntransformatoren jedoch unschwer erkennbar ist, daß die Feldlinien im Spulenkern und den außen parallel liegenden Kernbereichen zwar in einer Richtung verlaufen, in den oben und unten befindlichen Kernteilen, die als „Joch" bezeichnet werden, jedoch quer dazu ihren Weg nehmen müssen, nutzte die magnetische Verbesserung nur in der Walzrichtung zunächst gar nichts (Bild 3).

Neue Ideen bereits 1961 bei Siemens

Entwicklungsingenieure von Siemens kamen 1961 auf den Gedanken, die schon lange bekannten M-Bleche, die rundherum einen gleichmäßigen Kernquerschnitt aufweisen, in solcher Richtung aus den verbesserten Eisenblechen zu stanzen, daß die magnetische Vorzugsrichtung parallel zum Spulenkern verläuft, und die beiden Joche, durch die die Feldlinien nun zwangsweise quer zur Vorzugsrichtung laufen, einfach um die Hälfte breiter auszuführen als beim üblichen M-Schnitt, um die magnetischen Nachteile damit zu kompensieren. So entstand der MD-Schnitt.

Über den Luftspalt

Besondere Beachtung verdient bei allen Mantelkerntypen der in allen geschnittenen Transformatorenblechen vorhandene schmale Luftspalt oder Stanzspalt, an dem die Feldlinien naturgemäß am ehesten versuchen, auf Abwege zu gehen, da sie ja an dieser Stelle den Eisenkern sowieso für ein kleines Stück verlassen müssen. Weitgehend verhindert wird dieser unerwünschte Effekt dadurch, daß man den Spalt so anordnet, daß die Feldlinien ihn auf kürzestem Wege, also rechtwinklig, überqueren können.

Der Trick mit dem "Schichten/Packen" der Bleche

Hier sieht man es deutlich, daß die Bleche regelmäßig gegeneinander gedeht sind

Weit wirksamer aber ist der Trick, die Bleche in regelmäßig (ab-)wechselnder Richtung in den Spulenkörper zu schichten (zu packen). Auf diese Weise erreicht man nämlich, daß über jedem Luftspalt wieder ein geschlossenes Blech liegt und die Feldlinien damit eine naheliegende, im Eisenkern befindliche „Umleitung" vorfinden.

Der MD-Kern brachte in Verbindung mit sogenannten "korn"-orientierten M6X-Blechen bei etwa gleichbleibender Baugröße und unverändertem Spulenkörper eine Leistungssteigerung von ca. 40% gegenüber dem M-Typ mit Normalblechen.

Wieder eine verbesserte Kern-Geometrie

Im Jahr 1968 meldeten die Brüder Philbert nach langen Laborversuchen eine weiter verbesserte Kerngeometrie zum Patent an, den Philbert-Kern. Ist die Verbesserung beim MD-Kern noch mit wenigen Worten zu erklären, so sind die Verhältnisse beim Philbert-Kern (PM-Kern) schon wesentlich komplizierter. Es wurden nämlich, als Ergebnis der erstmals angestellten aufwendigen Grundlagenversuche zum Feldlinienverlauf, zahlreiche zusammenwirkende Verbesserungsmaßnahmen getroffen, die zu völlig neuen Blechschnitten führten.

Die drei wichtigsten Neuerungen sind folgende:

Bild 4. - Übereinandergelegtes MD- und PM-Blech für den gleichen Wickelkörper.

Auch die in Walzrichtung verlaufenden äußeren Kernbereiche (Mantel) sind gegenüber dem Kerninneren verbreitert. Damit wird in den außen liegenden Kernbereichen eine geringere Magnetisierung als im Spulenkern bewirkt. Außerdem wird durch eine raffinierte Anordnung der Luftspalte und eine Schichtung der Einzelbleche in vier verschiedenen Lagen erreicht, daß neben jedem Luftspalt auf beiden Seiten gleich drei geschlossene Bleche als Feldlinienumleitung zur Verfügung stehen. Zusätzlich ist das Wickelfenster in Querrichtung vergrößert, so daß auf denselben Spulenkörper eine deutlich höhere Drahtschicht gewickelt werden kann. Das bedeutet höheren Drahtquerschnitt und damit geringeren Innenwiderstand des Transformators, Bild 4.

Diese Änderungen bewirken zusammen eine weitere Leistungssteigerung und ein verringertes Streufeld gegenüber dem MD-Kern. Die neueste Variante des PM-Kerns ist die erst vor wenigen Jahren entwickelte PMZ-Version, welche durch Verschiebung des Wickelfensters in Längsrichtung und eine weitere Optimierung des Luftspaltverlaufes noch einmal eine Verbesserung um einige Prozent erreicht.

Auch andere Autoren können irren :

Korrektur bereits gemachter früherer Aussagen :
An dieser Stelle muß eine bei uns in elrad Heft 1/88 erschienene Falschinformation richtiggestellt werden.

Im Zusammenhang mit einem Transformatorenvergleich, bei dem der MD-Typ als einzig geeignet herausgestellt wird, Ringkerntransformatoren dagegen für Verstärker völlig ungeeignet erscheinen, wird auf das Heft 8/85 „Stereoplay" verwiesen, das angeblich ähnliche Untersuchungsergebnisse veröffentlicht hat.

In dem zitierten Artikel „Dem Klang auf der Spur" ist jedoch keine Spur von einem "Trafovergleich" zu finden; vielmehr wird der Begriff „Transformator" dort überhaupt nicht erwähnt. Dagegen findet sich in derselben Ausgabe ein Vergleichstest höchstwertiger Verstärker; der "absolute Testsieger" verfügt im Netzteil über die doch angeblich für Verstärkerzwecke so ungeeigneten Ringkerntransformatoren!

Es gibt keinen „am besten für Verstärkerzwecke geeigneten" Transformatortyp!

Ein 700 Watt Trafo in einem Marantz 4400

Leider ist allen, die sich auf einen bestimmten Transformatortyp als den einzigen und wahren festgelegt haben, eine herbe Enttäuschung nicht zu ersparen:
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Bei "gekonnter" Dimensionierung ist es nachweislich möglich, hervorragende Netztransformatoren für Verstärkernetzteile unter Verwendung aller bekannter Eisenkerntypen herzustellen, also mit EI-, M-, MD-, PM-, BMV- und PMZ-Blechen oder mit Ringbandkernen.

Daß man sich letztlich doch vorzugsweise für einen Kerntyp entscheidet, liegt nicht etwa an geringerer oder höherer elektrischer Qualität, sondern hat ganz andere, individuelle Gründe, z.B. Preis, Platzbedarf, Gewicht.
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Ein scheinbar sehr großzügig dimensionierter Trafo
mit sehr genauen Spezifikationen

Größe ist durch nichts zu ersetzen !

Bei der Berechnung hochwertiger Transformatoren gibt es jedoch ein unumstößliches Gesetz: Größe ist durch nichts zu ersetzen, auch nicht durch Verwendung teuerster Spezialbleche. Bei etwa gleichbleibender Trafogröße läßt sich durch Einsatz von speziellen Blechsorten für viel Geld nur eine relativ geringe Verbesserung erzielen.

Durch die Wahl des nächstgrößeren Trafotyps kann dagegen bei nur geringer Kostensteigerung eine enorme Verbesserung aller wichtigen Eigenschaften erreicht werden. Als die beiden wichtigsten Parameter können - im Rahmen dieses Beitrags über Elektronik-Transformatoren - der Innenwiderstand und die sich daraus ergebende Erwärmung sowie das magnetische Streufeld gelten, welches gerade beim Einsatz in Nf-Verstärkern weitgehend vermieden werden muß, um Brummeinstreuungen zu verhindern.
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Anmerkung zum Bild rechts : Dieser Trafo wird nicht mal handwarm, wenn er voll belastet wird. Das hat aber seinen Preis. Er ist für seine Klasse sehr groß und schwer und auch teuer.

Jede Menge Möglichkeiten zum Schwindeln

Genau genommen gibt es keinen festen Wert für die Leistung, die ein Transformator übertragen kann; unter verschiedenen Bedingungen gemessen, können die Leistungen desselben Transformators sehr unterschiedlich sein.

Doch es gibt sehr wohl Vergleichsbedingungen :

Damit man nun ein gemeinsames Maß für die Leistungsangaben verschiedener Transformatoren erhält, sind die Kriterien der Leistungsermittlung auf irgendeine Weise festzulegen. Bei der Bestimmung der Nennleistung können folgende Parameter eine Rolle spielen: die Bauform (z.B. Manteltyp oder UI-Typ), die Baugröße, die Betriebsfrequenz, der Wirkungsgrad, der ohmsche Innenwiderstand und die maximal zulässige Erwärmung.

Die vielzitierte „zulässige magnetische Induktion", die ein Maß für die Magnetisierbarkeit des verwendeten Kernmaterials ist, braucht nicht gesondert berücksichtigt zu werden, da sie bereits in die Ermittlung des erzielbaren ohmschen Innenwiderstandes einfließt und danach für die Leistungsberechnung keine Rolle mehr spielt.

Unsere Netztrafos arbeiten alle bei 50Hz

Da hier im Augenblick nur Transformatoren vom Manteltyp und derselben Leistungsklasse zur Diskussion stehen und die Frequenz sowieso identisch ist, bleiben allein der Wirkungsgrad und die Erwärmung als Maß für die maximale Übertragungsleistung. Diese beiden Größen hängen nun wieder sehr eng mit der dritten Größe, dem Innenwiderstand, zusammen.

Denken wir uns ein Experiment:

Ein Gedankenexperiment soll dies verdeutlichen: Könnte man durch bessere Wickeltechnik oder Verwendung höherwertiger Bleche und die dadurch reduzierte Windungszahl den Innenwiderstand eines Transformators halbieren, so gäbe es grundsätzlich zwei sinnvolle Möglichkeiten, die neue Nennleistung zu vergleichen bzw. anzugeben:

Gedanke 1

1. Belastet man den neuen Transformator zunehmend, bis er den gleichen Wirkungsgrad erreicht wie der ursprüngliche, so hat sich die übertragene Leistung ziemlich genau "verdoppelt" ! Das heißt: Bei gleichem Wirkungsgrad und annähernd gleicher Baugröße ist die übertragbare Nennleistung eines Transformators ausschließlich vom Innenwiderstand abhängig! Der Innenwiderstand bleibt also auf die Nennleistung bezogen unverändert.

(Zur Erinnerung: Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Leistung zu aufgenommener Leistung; er ist deshalb immer kleiner als 1, bzw. in Prozent ausgedrückt, liegt er immer unter 100%). Ergänzend ist darauf hinzuweisen, daß in diesem Beispiel der (fiktive) Faktor 2 nur der Einfachheit halber gewählt wurde; derartige Leistungserhöhungen sind durch Verwendung noch so hochwertiger Bleche nicht erzielbar.

Gedanke 2

2. Belastet man den Transformator bis zur gleichen Erwärmung, so erhöht sich die übertragene Leistung jedoch nur um einen Faktor von etwa 1,5! Der Wirkungsgrad ist in diesem Betriebszustand höher als im ersten Fall. Bei rechnerischer Kontrolle ist außerdem zu erkennen, daß der zweite Transformator mit derselben Stromdichte betrieben wird wie der erste. Das bedeutet, daß in einem Draht mit gleichem Kupferquerschnitt auf beiden verglichenen Mantelkerntransformatoren auch derselbe Strom fließt.

Falls eine bestimmte maximale Erwärmung zugelassen werden soll, so ist es sinnvoll, von dieser Bemessungsgrundlage auszugehen, da auf diese Weise sichergestellt wird, daß in allen Transformatoren mit gleicher Kupfermenge auch die gleiche Verlustwärme frei wird. Da die verglichenen Trafos auch fast gleiche Maße und Oberflächen besitzen, sind somit auch die gleiche Wärmeabgabe an die Umgebung und damit eine etwa gleiche Transformatortemperatur garantiert.

Weitere Gedanken

Vergrößert man - alternativ zu den beiden Versuchen 1 und 2 - den Transformator, bis bei gleichem Wirkungsgrad, entsprechend dem ersten Versuch, die doppelte Leistung übertragen wird, so ist erfreulicherweise festzustellen, daß die Erwärmung annähernd unverändert bleibt; das bedeutet: Man kann hier tatsächlich die doppelte Nennleistung voll ausschöpfen! Also wieder die Erkenntnis von der durch nichts zu ersetzenden Größe!
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Der Begriff der Eisenverluste - marginale Größen

Nur ganz kurz gestreift werden soll der Begriff der Eisenverluste. Diese setzen sich aus den schon besprochenen Wirbelstromverlusten, die sich nie ganz vermeiden lassen, und den Ummagnetisierungsverlusten zusammen. Diese entstehen, wie der Name schon zutreffend sagt, durch das im Takt der Wechselspannung periodische Ummagnetisieren des Eisenkerns.

Die Eisenverluste betragen bei den hier untersuchten Transformatoren jedoch generell nur ca. 1,5% ... 2,5% der Nennleistung und sollen hier nicht ausführlicher besprochen werden.

Anders ist es bei den "Ringkern-" Transformatoren

Bei den schon erwähnten Ringkerntransformatoren gelten für die Leistungsermittelung ganz andere Kriterien. Wegen der völlig anderen Kerngeometrie und Wickeltechnik müssen diese Transformatoren gesondert betrachtet werden.

Zusammenfassend muß man jedenfalls zum Punkt Innenwiderstand und Nennleistung feststellen, daß die in dem schon erwähntem Trafovergleich, elrad Heft 1/88, aufgeführte Tabelle, die den Leser glauben machen soll, daß sich die Innenwiderstände bei leistungsgleichen Transformatoren von 28% bis 100%, also fast um den Faktor 4, voneinander unterscheiden, vorsichtig ausgedrückt, absolut irreführend ist.

Oft wird schamlos übertrieben - oder gelogen.

Wenn man tatsächlich in der Praxis beim Vergleich „leistungsgleicher" Trafos verschiedener Hersteller stark unterschiedliche Innenwiderstände mißt, so liegt das einzig daran, daß Leistung bei einem Trafohersteller nicht das gleiche bedeutet wie bei einem anderen. Mit anderen Worten: Bei der Leistungsangabe von Netztransformatoren wird oft schamlos übertrieben, und man vergleicht unter Umständen Trafos mit zwar gleicher Leistungsangabe, aber tatsächlich bei objektiver Messung stark unterschiedlicher Nennleistung.

Ringkerntrafos - die Alleskönner?

Bild 5. Querschnitt durch einen Ringkerntransformator.

Zum Abschluß zur Technik dieses Transforma- torentyps. Der magnetisierbare Eisenkern besteht hier aus einem einzigen langen (Eisenblech-) Band, das aufgewickelt ist wie vergleichsweise eine Rolle Klebeband. Auf diesen geschlossenen Eisenring werden mittels einer speziellen Wickeltechnik die Primär- und Sekundär-Wicklungen aufgebracht, siehe Bild 5.

Ringkerntrafos haben wirklich gravierende Vorteile

Einige gravierende Vorteile gegenüber allen aus Einzelblechen geschichteten Transformatoren sind unmittelbar zu erkennen: Wo ist der Luftspalt? Es gibt keinen! Außerdem verlaufen alle magnetischen Feldlinien innerhalb des kreisförmigen Kerns immer in Walzrichtung des Blechbandes, also in der magnetischen Vorzugsrichtung. Einen besseren magnetischen Kreis als einen tatsächlich kreisrunden Kern ohne Luftspalt kann es nicht geben!

Unübertroffen im ungesättigten Bereich

Sofern man also die für alle Transformatoren geltende Grundregel beherzigt und die Windungszahlen so berechnet, daß das Eisen im ungesättigten Bereich magnetisiert wird, dann muß der Ringkern-Typ das geringste Streufeld aller Transformatoren besitzen! Schließlich bilden die Wicklungen eine in sich geschlossene kreisrunde Röhre und umhüllen den ganzen Eisenkern so, daß die Feldlinien kaum eine Möglichkeit haben auszubrechen.

Bei Ringkerntrafos gibt es keine Vergleichstypen

Wo ist außerdem die festgelegte Typenreihe von bestimmten Kerngrößen wie z.B. M 74, M 85, M 102 usw.? Es gibt sie nicht. Der Trafoentwickler kann alle mechanischen Größen, also den Innendurchmesser des Kernes, den Außendurchmesser und die Breite des Blechbandes frei bestimmen.

Und noch ein unschätzbarer Vorteil kommt hinzu. Wie weiter vorn gezeigt, müssen Transformatoren zur Vermeidung der Wirbelströme im Eisenkern aus Einzelblechen geschichtet werden; je dünner diese Einzelbleche sind, um so geringer werden, wie dargelegt, die Verluste im Eisen. Da aber die Trafobleche nacheinander in die fertige Spule eingeschoben (gepackt) werden müssen, ist natürlich eine (handhabbare) Mindestdicke für die Bleche erforderlich. Nicht so beim Ringbandkern :

Je dünner die Bleche, desto besser

Der Blech-Band Wickel eines Schnittbandkerntrafos

Für Spezialanwendungen kann der Ringkern aus hauchdünner Metallfolie aufgewickelt werden, nach Art der Klebebandrolle aus transparentem Film. Dies ermöglicht Kerneigenschaften, die für Einzelblechkerne unerreichbar sind.

Bei geschickter Auswahl der Kernabmessungen und des Kernmaterials sowie bei richtiger Berechnung der Wicklungen kann der "versierte" Transformatorenbauer somit jede gewünschte Eigenschaft des fertigen Ringkerntrafos praktisch vorherbestimmen; sei es die maximale Einbauhöhe, sei es das (nicht vorhandene) Streufeld oder sei es der Innenwiderstand.

Dimensionieren nach Wunsch und Können

Der Ringkerntransformator ist der programmierbare Trafo! Er ist aber auch, das sei nicht verschwiegen, bei einer derart hochwertigen Ausführung mit Abstand der teuerste Transformator; und zwar bedingt durch das teure Kernmaterial und die sehr aufwendige Wickeltechnik.

Aber niemand ist auf den Einsatz eines bestimmten Typs angewiesen. Uneingeschränkt gilt der oben schon einmal erwähnte Satz, daß man bei gekonnter Dimensionierung mit allen Bauformen hervorragende Transformatoren bauen kann.

Mehr Leistung, weniger Gewicht - aber der Preis ...

Die Nennleistung eines Ringkerntransformators wird, wie erwähnt, nach anderen Kriterien ermittelt als bei den Blechkernen. Die Wicklungen des Ringkernes haben, da sie den ganzen Kern umhüllen, eine wesentlich größere Oberfläche und damit eine weit bessere Wärmeableitung als bei konventionellen Transformatoren.

Deshalb ist hier eine höhere Stromdichte zulässig, d.h. durch einen Kupferdraht mit demselben Querschnitt kann ein etwa 50% höherer Strom fließen als bei einem Standardtrafo, ohne daß eine größere Erwärmung stattfindet. Daher hat ein leistungsgleicher Ringkern-Typ auch einen etwas höheren ohmschen Innenwiderstand als ein vergleichbarer PMZ-Typ.

Ein Wirkungsgrad von fast 96%

Dies ist jedoch keineswegs ein großer Nachteil, wie man vielleicht vermuten könnte. Erstens wird ein Teil dieser etwas höheren ohmschen Verluste durch bessere Kopplung der Primär- und Sekundär-Wicklung kompensiert, zweitens muß man den Vergleich von Innenwiderständen unter einem anderen Blickwinkel als üblich anstellen.

Bei dem sehr hohen Wirkungsgrad von über 90%, den moderne Trafos in der hier betrachteten Leistungsklasse aufweisen, spielt es keine allein entscheidende Rolle, ob ein Transformator z.B. 4% ohmsche Verluste hat oder bei einem um 50% höheren Innenwiderstand eben 6% innere Verluste aufweist. Der Wirkungsgrad und damit die übertragene Leistung ändern sich nur von 96% auf 94%, also nur um ganze 2%.

Eine sehr niedrige Betriebs-Temperatur

Entscheidend ist, daß die Wicklung des Ringkerntransformators trotz der geringfügig höheren Verlustleistung wegen der besseren Wärmeableitung kühler bleibt als die des Mantelkerntrafos.

Viel wichtiger sind auch das extrem geringe magnetische Streufeld und der annähernd geräuschlose Betrieb des Ringkern-Typs. Außerdem bringt der Ringkerntransformator eine deutliche Einsparung an Gewicht und Volumen gegenüber dem vergleichbaren Mantelkern-Typ. Alle diese Überlegungen haben dazu geführt, daß in Spitzenverstärkern, bei denen der Preis des Netzteiles keine Rolle spielt, heute überwiegend Ringkerntransformatoren eingesetzt werden.

Ein Transformatorenvergleich „in Zahlen"

Ein kleiner Transformatorenvergleich „in Zahlen" soll nun aber doch anfügt werden, um das falsche Bild zu korrigieren, das durch einige früher veröffentlichte „Vergleiche" entstanden ist (Tabelle).

Allerdings gilt für diesen Vergleich folgende Vereinbarung: Nicht Transformatoren verschiedener Hersteller mit gleichen Leistungsangaben werden miteinander verglichen, sondern die einzig sinnvolle Auswahl der zu vergleichenden Typen besteht darin, eine Reihe von Transformatoren gegenüberzustellen, die mit "demselben Spulenkörper" ausgestattet sind und sich nur durch die Verwendung der oben beschriebenen unterschiedlichen Bleche unterscheiden.

Unsere Muster-Vergleichs-Tabelle

Typ


M102a
Bl.0,5/2,3
.
M102a
Bl.0,35/1,3
.
PMZ114a
Bl.0,5/2,3
PMZ114a Bl.0,35/ M6X MD102a
Bl.0,35/
M6X
Ringkern 250
Band-0,3/HIII
Nennleistung 150 VA 170 VA 240 VA 280 VA 205 VA 250 VA
             
Kupfergewicht 680g 680g 750g 750g 680g 1,2kg
Gesamtgewicht 3,1kg 3,1kg 3,8kg 3,8kg 3,6kg 2, kg
Streuspannung 0,42mV 0,45 V 0,18mV 0,23mV 0,25mV 0,12mV
ohmsche Verluste/ Eisen- u. Kopplungsverl. 9%
4%
9%
3%
8%
3%
9%
2%
10%
2%
13%
0,9%
Wirkungsgrad in () für ohmsche Last 87%
(91)%
88%
(91,5)%
89%
(92,5) %
89%
(92,5)%
88%
(92) %
86%
(91)%
relativer Preis 79 PE 95 PE 100 PE 132 PE 137 PE 119 PE
             
Leistung pro Preiseinheit 1,9 VA 1,8 VA 2,4 VA 2,1 VA 1,5 VA 2,1 VA

.

Der Kommentar zu dieser Tabelle:

Es wurden folgende Mantel-Typen gewählt: M 102 a, MD 102 a, PMZ114a, wobei die Typen M 102 a und PMZ114a in jeweils zwei Blechqualitäten getestet wurden.

Beim MD 102a ist dies unnötig, da dieser Schnitt ausschließlich mit kornorientierten M6X-Blechen eingesetzt wird. Mit Normalblechen 0,5/2,3 hätte der MD-Typ keinen Vorteil gegenüber dem M-Typ. Als entsprechender Ringkerntransformator wurde ein Typ getestet, der etwa die gleiche Nennleistung wie der beste Einzelblechtrafo aufweist.

Außerdem ist der relative Preis mit in den Vergleich einbezogen, und zwar in Form von Preiseinheiten; dabei erhält der Transformator mit dem günstigsten Leistungs/Preis-Verhältnis den Wert 100.

Genaue Vorgaben für den realen Vergleich

Alle Test-Netztrafos wurden mit einer solchen Übersetzung gefertigt, daß nach Gleichrichtung und Siebung (20.000 pF) unter Nennbelastung !! eine Gleichspannung von ca. 60 V zur Verfügung stand. In diesem Zustand erfolgten alle Messungen.

Zum Streufeldvergleich diente ein praxisnahes Meßverfahren: Eine Meßspule mit 10 Windungen und einem Durchmesser von 4cm wurde im Abstand von 3cm rundherum über die Oberfläche der Transformatoren geführt. Die höchste dabei gemessene, induzierte Spannung (Effektivwert) ist in der Tabelle angegeben.

Somit war die Theorie richtig

Wie aus den Tabellenwerten unschwer zu erkennen ist, kann unerwarteterweise der PMZ-Transformator mit den Normalblechen ganz eindeutig das beste Leistungs/Preis-Verhältnis für sich in Anspruch nehmen.

Allerdings: Wer diesen Beitrag vollständig gelesen hat, kann von diesem Ergebnis nicht überrascht sein: Die Meßergebnisse decken sich genau mit der vorstehenden Theorie, was für die Theorie spricht, denn nur eine richtige Theorie wird durch die Praxis bestätigt.

Die Einzelergebnisse mag jeder Leser selbst auswerten und daraus die Schlußfolgerungen ziehen, die für seinen ganz speziellen Bedarf zum individuell bestmöglichen Ergebnis führen.

Ein Artikel aus 1988 von Ulrich Weber

Wenn ich oft in Hobbyelektronikläden primitiv zusammengeschweißte, einseitig geschichtete „Elektroniktransformatoren" sehe, die z.B. mit 150W angegeben sind, jedoch ganz offensichtlich eine echte Nennleistung von höchstens 80W haben, so wird mir immer wieder bewußt, wie wichtig auf diesem Gebiet eine objektive Aufklärung des Verbrauchers ist.

Diese Art von Transformatoren sind zwar gut zum Spiegeleierbraten oder auch zum Halbleiterschmelzen, außerdem kann man damit hervorragende Versuche zum Thema Magnetismus auch über größere Entfernungen machen, in einem Verstärker haben solche Transformatoren jedoch nichts zu suchen.

Ulrich Weber.

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