Übertrager für Röhrenverstärker

In einem Röhrenverstärker ist der Übertrager das qualitätsbestimmende Bauelement! Vorausgesetzt natürlich, alles andere stimmt – also Schaltung, Bauteile und deren Dimensionierung. Häufig wird jedoch mehr Geld für ein Satz Röhren oder gar »Wunder-Kondensatoren« ausgegeben, als für einen wirklich guten Ausgangsübertrager. Allerdings ist die Gefahr hier mit Zitronen zu handeln auch nicht unbedingt gering.

Mythos HiFi-Übertrager?

uebertrager Begibt man sich auf die Suche nach Empfehlungen, wer Übertrager oder Netztrafos herstellt (und das noch möglichst billig), sind die Namen von »Trafowicklern« Legion. Die Anzahl dünnt sich jedoch überproportional sehr schnell aus, wenn man auf die Eigenschaft VDE achtet.
HiFi hin, HighEnd her – Das Leben ist mir wichtiger.
Äh… Halt. Moment.

Alles Trafowickler, oder watt?

Der Begriff »Trafowickler« ist so nicht ganz richtig. Zumindest nicht die, die nach VDE-Richtlinien arbeiten müssen. In gut 99% aller Fälle sind die meisten auch noch DIN EN ISO 9001 zertifiziert. Vergessen Sie die romantische Vorstellung, dass da jemand stundenlang Kupferdraht auf einen Spulenkörper wickelt (womöglich becirct von vergeistigten HiFi-Jungfrauen). Vergessen Sie überhaupt Handarbeit. Hände kommen nur ins Spiel, um die Maschine zu rüsten, um Daten in den Computer (!) einzugeben und letztendlich den Start-Knopf zu drücken. Alles andere geschieht vollautomatisch. Merke: Bei solchen Dingen ist »manuell« oder »halb-manuell« kein Qualitätsanspruch. Es gibt Dinge, die können Maschinen einfach besser. Und genauer. Mit Maschinen meine ich übrigens nicht Bohrmaschinen-Konstruktionen mit dem »Fischer-Technik Baukasten«.

Für diese »Trafowickler« ist es ausserdem völlig egal, ob ein Netztrafo, ein Übertrager (Gegentaktübertrager, Eintaktübertrager) oder eine Drossel gewickelt werden soll… Scherz. Natürlich gibt es auch für einen »Trafowickler« Unterschiede zwischen Netztrafo und Übertrager. Der Netztrafo oder die Drossel ist lediglich einfacher herzustellen. Bei einem Übertrager ist das etwas komplizierter. So z.B. das Thema Verschachtelung ohne die ein Übertrager kaum zufriedenstellend arbeitet – die verschachtelte Wicklung verringert bei einem Übertrager ja auch die unerwünschte Streuinduktivität (Da ist dieses Wort. Na? Angefixt?)

Es gibt hierbei allerdings Ausnahmen: Zum Beispiel, wenn es um alte, historische Wickelpakete geht, die rekonstruiert werden sollen. Das geht dann teilweise wirklich nur noch halb-manuell. Und Firmen, die das machen, sind bestimmt keine Newcomer – die sind teilweise schon Jahrzehntelang am Markt.

Sorry, jetzt wird es etwas technisch. Lässt sich leider nicht vermeiden.

Für einen gestandenen Elektroingenieur gehört das alles zum kleinen Einmaleins der Ingenieurskunst und ist wahrlich keine Hexerei (auch wenn das oftmals anders dargestellt wird). Weil das »Wickel-Gedöns« für Otto-Normalverbraucher doch komplizierter und nicht so leicht durchschaubar ist, kann man mit der einen oder anderen Sache wunderbar Religion betreiben.

Meistens pickt man sich etwas heraus, hebt diese Eigenschaft hervor und verschweigt elegant die Risiken- und Nebenwirkungen. Oder aber man verdreht den Sachverhalt solange, bis es ins Konzept passt. Ohne jetzt allzutief in das Thema einzudringen der Erklärungsversuch, was tatsächlich dahinter steckt. Und das so einfach wie nur möglich.

Zunächst: Alle Übertrager-Eigenschaften müssen im Zusammenhang betrachtet werden! Das herauspicken von bestimmten Eigenschaften ist Augenwischerei. Die Bauform, also z.B. EI- oder M-Kerne, bleibt hier aussen vor. Genauso wie die »Einkammertechnik« (fast jeder Übertrager, den ich gesehen habe, hatte nur eine Kammer… Ganz witzig: Man bewirbt Ausgangstrafos in Einkammertechnik – das Produktphoto zeigt aber einen Ausgangstrafo in Zweikammertechnik. Auch beschreibt man, dass man zwar einen Zweikammerkern nutzt, aber in Einkammertechnik wickelt. Preisfrage: Wie soll das gehen?).

For Beginners: Spulen

Man hat mit Induktivität immer dann zu tun, sobald Draht gewickelt und zu einer Spule »geformt« wird. Die Maßeinheit für Induktivität ist Henry (H). Für Wechselstrom stellt so eine Spule einen nennenswerten Widerstand dar (bei Übertragern ist das auch der Arbeitswiderstand für Röhren – Ra in KiloOhm für Eintakter, Ra/a in KiloOhm bei Gegentakter). Gleichstrom kann diesen Wickel fast ungehindert passieren – dem Gleichstrom interessiert nur der reine Drahtwiderstand (manchmal schöngefärbt als Kupferwiderstand). Das »nicklige« an einer Spule ist, dass sie auf die Frequenz des Wechselstroms mehr oder weniger empfindlich reagiert und sich z.B. bei 20Hz anders »verhält« als bei 1kHz. Auch beeinflussen sich die Primär- und Sekundärwicklungen gegenseitig.

Sö ähnlich sich ein Netztrafo und Ausgangstrafo (Übertrager) auch sind – wesentlicher Unterschied ist, dass der Übertrager gleichstrommäßig vorbelastet und der Eisenkern damit vormagnetisiert wird. Diese gespeicherte Energie muss abgebaut werden. Fällt also z.B. das Lautsprecherkabel ab, steht der Ausgangstrafo dumm da und weiss nicht, wohin mit der Energie. Irgendwann wirds halt zuviel und die Energie fliesst dahin zurück, woher sie kam… Funkenüberschläge an den Röhrenanschlüssen sind dann das harmloseste, was passieren kann.

Jede Spule hat aber neben der gewünschten Induktivität auch eine unerwünschte Induktivität im Gepäck. Bei Übertragern ist das die

Streuinduktivität.

Oftmals wird aus werbetechnischen Gründen nur die unerwünschte Streuinduktivität erwähnt und wie gut man diese »im Griff« hat (werbetechnich gesehen völlig Banane – Seit wann wirbt man exessiv mit Negativmerkmalen?).

Quer- und Längsinduktivität

Von der Quer- oder Längsinduktivität redet man dagegen kaum, obwohl diese eine weitaus wichtigere Rolle spielen. Alle drei »Induktivitätsarten« sind unzertrennbar miteinander verbunden. Das Eine geht nicht ohne das Andere…

Die Quer- und Längsinduktivität sind dabei keine feststehen Grössen die sich etwa aus dem primären Spulenwickel (»Röhrenseite«) ableiten liesse – bedingt durch die magnetische Kopplung (durch das Eisen) mit der sekundären Spule (»Lautsprecherseite«) ändert sich die Grösse der Induktivität. Eine Übertrager, der für 8Ω-Lautsprecher entwickelt wurde, ändert seine Daten, wenn 4Ω-Lautsprecher angeschlossen werden. Das muss aber nicht nachteilig sein!

uebertrager_ersatzbild Die Querinduktivität bildet einen Hochpass mit der unteren Grenzfrequenz fu – die über fu liegenden Frequenzen werden »durchgelassen«. Die Längsinduktivität ist ein Tiefpass mit der oberen Grenzfrequenz fo – niedrigere Frequenzen als fo können fast ungehindert »passieren«. Die jeweiligen Grenzfrequenzen werden aus der Übertragungsfunktion (»Formelkram«) ermittelt. Nach dieser Berechnung ergibt sich zB., dass für eine gute Tiefenwiedergabe eine möglichst grosse Querinduktivität erforderlich ist (Die Querinduktivität wird hierbei als Hauptinduktivität angesehen und die Längsinduktivität als »Inductance non grata«).

Verschachtelung

Nun kann man aber die Querinduktivität nicht unbegrenzt nach oben schrauben (bzw. den unteren Frequenzbereich nicht beliebig weit nach unten legen), denn mit zunehmender Querinduktivität wächst auch die den Übertragungsbereich in den Höhen begrenzende Streuinduktivität. Um nun einen HiFi-tauglichen Übertrager zu erhalten, der zudem eine geringe Streuinduktivität aufweist, muss man »tricksen«. Mit einer normalen Netz-Transformatorwicklung erreichen wir das Ziel also so nicht. Deshalb müssen die Wicklungen verschachtelt werden.

Das Bohei um (beispielsweise) »10-fach verschachtelte« Übertrager ist daher nur eins: Nämlich das Hervorheben einer Mindestanforderung. Haben Sie schon mal gesehen, wie die Automobilindustrie die Notwendigkeit von Räder und deren Anzahl hervorhebt? Und überhaupt: Was soll mir die bloße Nennung »x-fach« verschachtelt überhaupt sagen? Ohne weitere Angaben (z.B. Frequenzbereich) ist diese Aussage an Nutzlosigkeit nicht zu überbieten.

Ein anderer, fragwürdiger, Parameter ist die Nennung der Querinduktivität-Grösse (in Henry). Wie bereits aufgeführt, sind »diese Henry’s« nicht nur frequenzabhängig, sondern (wie noch beschrieben wird) auch noch leistungsabhängig. Was kann (soll) man denn mit mit diesen Daten anfangen? Nichts. Gehört ebenfalls in die Kategorie Augenwischerei.

Ich habe noch nie einen Schaltplan gesehen, der für den Ausgangstrafo (Übertrager) vorschreibt, wieviel Henry’s die Querinduktivität aufweisen soll und wie gross die maximale Streuinduktivität zu sein hat. Lediglich der Ra bzw. Ra/a wird genannt.

Leistung & Frequenzen

Bei einem für HiFi- und HighEnd-Röhrenverstärker gedachten Ausgangsübertrager sollte der Maximalwert der Induktion bzw. Eisen-Magnetisierung (Maßeinheit Tesla, T) so hoch gewählt werden, dass die für die untere Grenzfrequenz (fu z.B. 20Hz) geforderte Ausgangsleistung gerade erreicht wird. Unterhalb dieser Grenzfrequenz wird (soll, muss) sich dann bei Vollaussteuerung infolge der Sättigung des Eisens ein starker Leistungsabfall zeigen. Die »berühmte« Minus-Dezibelangabe, z.B. -3dB welches übrigens standardisiert ist, greift da bereits etwas früher. Werden andere Werte genannt, muss man diese im Kontext sehen – und das ist auch nur etwas für graduierte Verstärkerbastler. »Krumme« Dezibelwerte allein, z.B. Werte kleiner gleich -1dB (das hat wirklich nur akademische Bedeutung) oder -2dB (so gerade eben noch wahrnehmbar) sind oftmals ein Indiz, dass »etwas« mit den angegebenen (Frequenz-) Daten nicht stimmt.

Nochmals: An den Eckpunkten des Frequenzbereich (untere / obere Grenzfrequenz) muss ein deutlicher Leistungsabfall stattfinden. Ein Übertrager, der bei Nennleistung (!) Frequenzen unterhalb 20 Hertz nur mit 0,1dB abschwächt ist, vorsichtig ausgedrückt, ein technisches Wunderwerk.

Die »Eigenart« eines jeden Übertragers ist nämlich, dass er im unteren Leistungsbereich wesentlich bessere Daten aufweist, als z.B. bei Nennleistung. Wird ein auf 10 Watt konzipierter Übertrager nur mit 500 Milliwatt (mW) »gefahren«, können daher Daten »produziert« werden, die wirklich phantastisch sind. Die Daten können bei 5 Watt allerdings schon ganz anders aussehen. Eine Leistungs-Überdimensionierung ist in vielen Fällen – allein aus dieser Sichtweise – schon sinnvoll. Andersherum, der zuvor genannte Übertrager, der bei Nennleistung eine 0,1dB-Abschwächung aufweist, müsste dann bei 100 Milliwatt im unteren Frequenzbereich Gleichspannung übertragen (technisch unmöglich) und im oberen Frequenzbereich sendet der Übertrager auf Kurzwelle.

Mal wieder ein Beispiel mit der 300B:
So ein Eintakter schafft mit Ach und Krach gerade einmal 8 Watt. Leistungsmäßig reicht hier ein M74-Übertrager. Der Übertragungsbereich wird aber hierbei schon mehr wie deutlich beschnitten (bedingt durch die Vormagnetisierung des Eisens). Mit der nächst höheren Kerngrösse M85 schafft man zumindest noch etwas »Brauchbares« – mehr aber auch nicht. Modernes HiFi gibt es erst ab der 102’er Grösse.

Zum besseren Verständnis: Dezibel – Prozent
Wenn man nun die -3 dB-Angabe mit Prozent gleichsetzt (Ist nicht korrekt – ich weiss), dann ist bei der unteren Grenzfrequenz ein Leistungsabfall von 30% (bezogen auf die Gesamtleistung, also 100%) hinzunehmen. Ist z.B. die untere Grenzfrequenz (fu) bei 20Hz bezogen auf 15 Watt Nennleistung angegeben, dann kommen demnach noch 4,5 Watt am Lautsprecher an. Theoretisch, wohlgemerkt! Rechnen Sie selber aus, wieviel Leistung bei 0,1% oder 2% Abschwächung zum Lautsprecher gelangen.

Um nun auch im Bereich der oberen Grenzfrequenz (fo) die Nennleistung des Verstärkers dem Lautsprecher zuzuführen, muss die hierbei entstehende Streuinduktivität – wie bereits erläutert – so klein wie möglich gehalten werden. Eine entsprechende Anzahl von Verschachtelungen wirken dem entgegen. Dazu kommen die Lagenisolation. Das alles wirkt sich jedoch negativ auf die Wickelhöhe des Übertragers aus, denn die sollte so gering wie nur möglich gehalten werden. Der zur Verfügung stehende Wickelraum sollte also in der Höhe nur zu einem Teil ausgenutzt werden. Kleinere Kerne versuchen dies zu kompensieren, indem entweder mehr Wicklungen aufgebracht werden oder ein anderes Eisenmaterial gewählt wird (meist in Kombination von beiden Möglichkeiten).

Daher muss, um niedrige Windungszahlen (und damit Induktivität) zu erreichen, der Kernquerschnitt mehr als reichlich bemessen werden. Der Ausgangsübertrager muss dann also etwas »wuchtiger« ausfallen. Hier bewahrheitet sich der alte Spruch: »Gegen miese Klang-, Frequenz- und Wirkunsgradeigenschaften hilft nur eines: Viel Eisen.« Aber Achtung: Es gibt auch Übertrager mit ganz viel Eisen aber mit ganz wenig Kupferdraht. Das ist natürlich auch nicht das Gelbe vom Ei.

So mancher Bastler begrenzt (auf Herstellerempfehlung) z.B. die untere Grenzfrequenz »künstlich« – um den Übertrager nicht zu »überfordern« bzw. ihn nicht zu früh in die Sättigung zu treiben. Sorry, das ist Bullshit. Also, wenn ein Übertrager deshalb zu früh in die Sättigung gerät, dann ist der Übertrager… falsch dimensioniert. Ganz einfach. Das trifft man öfter an, als man denkt. Es wird oftmals auch angeführt, dass der Lautsprecher meistens mit 20Hz schon gar nichts mehr anzufangen weiss. Soso. Aber eine obere Grenzfrequenz von, beispielsweise, 40kHz geht in Ordnung?

Die häufig aufgeführten Darstellungen und Anpreisungen kleinerer Kerne, links oder rechts kornorientiertes Eisen, soundsoviel Verschachtelt, mit soundsoviel Induktivität sollten unter Berücksichtigung der »subjektiven Meinung« des Herstellers betrachtet werden.

Kurz und gut: Alle Leistungsdaten sollten sich idealerweise auf die maximale Belastung bzw. Leistung des Übertragers beziehen. Was nützt mir ein Frequenzgang von 15Hz bis 30kHz -0,5dB, wenn diese Daten bei 100 Milliwatt ermittelt wurden? Stutzig sollte man generell werden, wenn zwar die untere Grenzfrequenz exakt benannt wird, aber die obere Grenzfrequenz nur mit Circa-Werten dargestellt werden – meist im Bereich um die 30kHz.

frihu

…hört gerne Musik. Über Röhrenverstärker. Musikrichtung egal. Ausser Jazz, Hip-Hop, House, Metal, Trash, Schlager, Volksmusik, Gangsta-Rap (noch schlimmer, wenn in Deutsch gebrüllt). Da krieg' ich ein Hörnchen. Autor der Bücher: Hören mit Röhren, Röhrenschaltungen und High-End Röhrenschaltungen. Artikel in hifi-tunes (Röhrenbuch 2): Bauteileauswahl für Röhrenverstärker und EL509 Single-Ended Röhrenverstärker im Selbstbau

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