Netztrafos als Ausgangsübertrager?


Das teuerste an einem guten Röhrenverstärker sind nicht die Röhren, sondern die Übertrager. Gute Ausgangsübertrager haben einen großen Eisenkern mit Luftspalt und sind in mehreren geschachtelten Lagen gewickelt. Netztrafos haben keinen Luftspalt und sind nicht geschachtelt gewickelt. Damit ergeben sich mit Netztrafos u.U. folgende Nachteile:

Das Problem der Kernsättigung tritt dann auf, wenn der Eisenkern für die Anwendung zu klein ist. Zuerst erkennt man die Sättigung bei tiefen Frequenzn und großer Aussteuerung. Das folgende Bild zeigt drei Oszillogramme bei unterschiedlicher Aussteuerung eines sehr kleinen NF-Trenntrafos bei 100 Hz. Wer so etwas an einem Röhrenverstärker sieht, kann sicher sein, dass der Ausgangsübertrager zu klein ist.

Verzerrungen durch magnetische Sättigung

Allgemein wurde die Erfahrung gemacht, dass relativ große Netztrafos durchaus brauchbare Ausgangsübertrager darstellen können. Hier sollte nun eine Messmethode entwickelt werden, die es erlaubt, einen Trafo vorab zu beurteilen. Über eine Resonanzmessung wird hier die Induktivität der Primärspule gemessen. Dazu wird ein Sinusgenerator und ein Oszilloskop verwendet. Zusätzlich wird der Trafo mit einem einstellbaren Konstantstrom belastet. Ein guter Ausgangsübertrager ändert seine Induktivität auch bei relativ großen Gleichströmen nicht. Bei weniger geeigneten Trafos stellt man eine Verringerung der Induktivität mit der Vormagnetisierung fest. Hier wurde ein vorhandenes Netzteil 0...40 V eingesetzt und über eine Transistor-Konstantstromquelle der Trafo mit einem Ruhestrom belastet. Ein Digitalvoltmeter zeigt den eingestellten Strom. Zur Messung an Trafos mit großem Drahtwiderstand müssen die Widerstände eventuell angepasst werden.

Der Messaufbau

Bei der Messung wird jeweils die Resonanzfrequenz gesucht und mit dem eingestellten Gleichstrom notiert. Je nach Gleichstromwiderstand der Trafo-Primärwicklung kann ein Maximalstrom nicht überschritten werden. Man erkennt diesen Fall daran, dass der Schwingkreis stark gedämpft wird und keine eindeutige Resonanz mehr zeigt.

Messergebnisse:

Ausgangsübertrager AT1

Die erste Messung wurde mit dem AT1 von Sat-Sevice Schneider durchgeführt, sozusagen als Referenz für einen kompromisslos guten Ausgangsübertrager, an dem sich die Netztrafos als mögliche Kompromisse messen lassen. Herzlichen Dank an Ulf Schneider, der die Übertrager zur Verfügung gestellt hat! Der AT1 ist für ein EL34 im Eintaktbetrieb ausgelegt und verkraftet bis zu 200 mA Ruhestrom. Mit 1 µF wurde eine Resonanzfrequenz von 42 Hz gemessen. Daraus berechnet sich eine Induktivität von 14 H, was im Rahmen der Messgenauigkeit mit den Daten des Herstellers übereinstimmt. Zwischen Null und 140 mA blieb die Induktivität konstant. Höhere Messströme waren mit dem Versuchsaufbau nicht möglich.

Der AT1

Der AT1 wurde dann auch in einem Verstärker mit 811A-Senderöhren getestet, den Johannes Schmitz zuvor mit 30-W-Netztafos betrieben hatte. Die Anodenspannung war 300V, der Ruhestrom war auf 100 mA eingestellt. Am Ausgang lag für die Messung ein 8-Ohm-Widerstand. Achtung, der Übertrager ist für 4 Ohm gewickelt. Mit 8 Ohm als Last ergenben sich höhere Dämpfungen bei tiefen Frequenzen. Später soll der Verstärker an 4-Ohm-Lautsprechern betrieben werden. Der gemessene Frequenzgang zeigt das Verhalten des gesamten Verstärkers, nicht nur des AT1.

Gemessener Frequenzgang mit Schneider-AT1

Der 811A-Verstärker zeigt mit dem AT1 einen enorm guten Klang! Ein Vergleich mit den vorher eingesetzten Netztrafos ergab eine wesentlich bessere Tiefen- und auch Höhenwiedergabe.


Netztrafo 30 W

Zum Vergleich soll nun ein 30-W-Netztrafo mit 2*115V zu 2*12V und einem ohmschen Primärwiderstand von 105 Ohm gemessen werden. Da sich eine deutliche Abhängigkeit der Induktivität vom Ruhestrom zeigt, sollen die Ergebnisse in einer Tabelle aufgelistet werden.

Gleichstrom I Frequenz f Induktivität L
0 40 Hz 15,8 H
20 mA 60 Hz 7,0 H
40 mA 140 Hz 1,3 H
80 mA 155 Hz 1,1 H
100 mA 160 Hz 1,0 H

Man sieht, dass die Induktivität sehr stark mit dem Gleichstrom abnimmt. Ab etwa 40 mA ändert sich L nur noch wenig. In einem Eintaktverstärker sollte der Trafo möglichst niederohmig eingesetzt werden. Schaltet man beide Sekundärwicklungen parallel und die Primärwicklungen in Reihe, ergibt sich ein Wicklungsverhältnis von 230V : 12 V, also rund 20:1. Das Widerstandverhältnis wird 400 :1. Mit einem 8-Ohm-Lautsprecher kommt man primär auf 3200 Ohm. Das würde ungefähr zu einer Pentode an 320 V bei 100 mA Ruhestrom passen. Die untere Grenzfrequenz ergibt sich dann bei Ra = 2* pi* f *L= 3,2 k. Für L = 1 H kommt man auf f = 509 Hz. Das ist für die untere Grenzfrequenz eines guten Verstärkers viel zu hoch. Mit 4 Ohm als Last kommt man aber bereits auf 250 Hz.

In der Schaltung des 811A-Verstärkers von Johannes zeigte der 30-W-Netztrafo einen -3dB-Punkt bei ca. 200 Hz, gemessen mit 8 Ohm-Widerstand. Die Ergebnisse sind also besser als theoretisch vorassberechnet. Möglicherweise liegt das am geringen Innwiderstand der Triode, der die untere Grenzfrequenz absenkt.

Gemessener Frequenzgang mit 30-W-Netztrafo

Der Klang ist im Vergleich zum Übertrager AT1 deutlich schlechter. Es fehlen einige Tiefen, aber auch die Höhen, obwohl die Messung das nicht so deutlich zeigt. Ohne direkten Vergleich kann man sich aber durchaus an den Klang des Netztrafos gewöhnen. In jedem Fall ist das Preis/Leistungsverhältnis nicht schlecht. Der Leistungsabfall bei tiefen Frequenzen ist sehr flach. Auch Frequenzen von 20 Hz sind nicht ganz weg, sondern nur um 13 dB gedämpft. Ein Lautsprecher kann darüber hinaus mit seiner Resonanz bei 80 Hz oder 100 Hz den gerade Bereich nach unten verlängern und einen wirklich guten Klang bringen. Erst der Vergleich mit einem "echten" Ausgangsübertrager zeigt dann, dass es noch besser geht.

Der Netztrafo wurde übrigens mit großem Erfolg während der Entwicklungsphase des 811A-Verstärkers eingesetzt. Erst nachdem alle technischen Probleme im Griff waren und Johannes von einem Erfolg des Projekts ausgehen konnte, wurden die wertvollen Ausgangsübertrager AT1 eingesetzt.

Der Probeaufbau mit PC-Netzteil für die Heizung

Mit einer niederohmigeren Ansteuerung lässt sich auch der Frequenzgang noch verbessern. Schaltet man beide Sekundärwicklungen in Reihe, ergibt sich ein Wicklungsverhältnis von 10 : 1 und eine Primärimpedanz von 800 Ohm. Die untere Grenzfrequenz sinkt auf 127 Hz. Noch besser wird es mit einem Wicklungsverhältnis von 5 : 1 durch Parallelschaltung der Primärwicklungen wie beim EL504-Amp. Die Impedanz sinkt auf 200 Ohm, die Gleichstrombelastung halbiert sich. So kommt man bei nicht zu großem Ruhestrom auf eine untere Grenzfrequenz unter 100 Hz.

Noch besser wird es mit einer Gegentaktendstufe. Die Magnetisierung durch beide Anodenströme hebt sich gerade auf, so dass man bei voller Leerlaufinduktivität arbeitet. Jede Hälfte hat eine Induktivität von ca. 4 H, parallel zu einer Impedanz von 800 Ohm. Daraus ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von 32 Hz. Das zeigt auch der gemessene Frequenzgang mit zwei EL95 in Gegentakt. Die Überhöhung bei 30 kHz stört kaum. Der Netztafo ist also ein guter Übertrager für Gegentaktverstärker.

Frequenzgang des 30-W-Trafos in Gegentaktschaltung mit zwei EL95

Fazit: Der Netztrafo überträgt in einem Gegentaktverstärker die Tiefen sehr gut, hat aber in Eintaktverstärkern mit großem Ruhestrom eine schlechte Tiefenwiedergabe. Im praktischen Einsatz wurde dieser Effekt teilweise durch ein geringes Wicklungsverhältnis kompensiert. Außerdem kam je nach angeschlossener Lautsprecherbox zu deutlichen Resonanzen bei 80 Hz bis 100 Hz. Der klangliche Eindruck war besser als es die Messungen vermuten lassen. Man könnte diese Trafos daher auch in Eintaktendstufen für Vorversuche einsetzen. In meinem Gegentaktverstärker mit EL95 arbeiten sie zur vollen Zufriedenheit.

Röhren-Gegentaktverstärker wurden bis zu Leistungen von mehreren Kilowatt gebaut,  z.B. die Philips-Großverstärker. In diesem Fall wurden Senderöhren QB3,5/750 eingesetzt. Damit konnten auch große Freilichtveranstaltungen beschallt werden. Ähnliche Anlagen könnte man z.B. auch mit der GU81  bauen. Allerdings hat sich die Technik stark verändert, mehrere Kilowatt erreicht man heute leichter mit Halbleitern. Und die Verstärker sind ja auch nur ein Teil des ganzen. Die individuelle Bühnentechnik umfasst ja auch noch Aufbauten, Lichttechnik und vieles mehr. Und damit es was wird, müssen die richtigen Künstler her. Krach allein nützt nicht viel.


Netztrafo 42 W

Als drittes Testobjekt hier ein 42-W-Netztrafo mit 2*115V zu 2*15V und einem ohmschen Primärwiderstand von 65 Ohm.

Gleichstrom I Frequenz f Induktivität L
0 72 Hz 4,9 H
20 mA 120 Hz 1,8H
40 mA 130 Hz 1,5 H
60 mA 160 Hz 1,1 H
80mA 170 Hz 1,0 H
100 mA 190 Hz 0,88 H
120 mA 210 Hz 0,57 H
140 mA 220 Hz 0,52 H
200 mA 250 Hz 0,41 H

Man erkennt an den Daten, dass ein größerer Netztrafo eine geringere Induktivität besitzt. Auch hier sieht man eine starke Abhängigkeit der Induktivität vom Gleichstrom.


100-V-Übertrager

Ein interessanter Übertrager ist auch der 100-V-Trafo von Conrad (Best.-Nr. 51 61 04). Der Übertrager hat mehrere Anzapfungen. Primär gibt es Anschlüsse für 0,625 W, 1,25 W, 2,5 W, 5 W und 10 W. Sekundär können Lautsprecher mit 4, 8 oder 16 Ohm angeschlossen werden. Bei 100 V und 10 W ist die Primärimpedanz 1000 Ohm, bei 2,5 W 4000 Ohm und bei der vollen Windungszahl für 0,625 W sind es 16 kOhm. Die Gesamtwicklung hat einen Drahtwiderstand von 430 Ohm, bei der halben Wicklung (2,5 W) findet man 200 Ohm. Der Trafo wurde einmal bei voller Wicklung (16 k, 0,625 W) und einmal bei halber Wicklung, (4 k, 2,5 W) durchgemessen.

Messung bei voller Wicklung, Z=16000 Ohm, Anschluss 0,625 W, R=430 Ohm:

Gleichstrom I Frequenz f Induktivität L
0 50Hz 10 H
10 mA 65Hz 6,0 H
20 mA 80Hz 4,0 H
30 mA 100 Hz 2,5 H
40mA 105 Hz 2,3 H
50mA 115Hz 1,9 H

Messung bei halber Wicklung, Z=4000 Ohm, Anschluss 2,5 W, R=200 Ohm:

Gleichstrom I Frequenz f Induktivität L
0 105 Hz 2,3 H
10 mA 110 Hz 2,1 H
20 mA 125 Hz 1,6 H
30 mA 140 Hz 1,3 H
40 mA 155 Hz 1,1 H
50mA 175 Hz 1,0 H
60 mA 190 Hz 0,70 H
70 mA 200 Hz 0,63 H
80 mA 210 Hz 0,52 H

Im Vergleich mit der oberen Messung bei voller Windungszahl erkennt man jeweils etwa 1/4 der Induktivität bei doppeltem Strom. Der Übertrager eignet sich vor allem für Anwendungen ohne Ruhestrom oder auch für Gegentaktschaltungen, wobei der etwas unsymmetrische Kupferwiderstand 200 Ohm / 230 Ohm kaum schadet. Bei 10 H und 16 kOhm ergibt sich eine untere Grenzfrequenz von 250 Hz. Bei Z=4 kOhm und L = 2,3 H bekommt man fast das gleiche Ergebnis: 270 Hz. Man kann nun einen 4-Ohm-Lautsprecher an den 8-Ohm-Anschluss koppeln und damit die Impedanz und die untere Grenzfrequenz halbieren. Der Übertrager wurde probeweise mit zwei EL95 in Gegentaktschaltung betrieben. Als Belastung wurde ein 8-Ohm-Widersatnd an den 8-Ohm-Anschluss gelegt. Der Frequenzgang zeigt eine untere Grenzfrequenz von ca. 120 Hz und einen relativ steilen Abfall darunter. Ein 30-W-Netztfafo zeigt also in Gegentaktschaltung bessere Werte als der relativ kleine Tonübertrager.

Frequenzgang in einem Gegentaktverstärker mit zwei EL95

In der eigentlichen Anwendungen als Übertrager in 100-V-ELA-Systemen liegt die Grenzfrequenz übrigens erheblich tiefer, weil der treibende Verstärker einen kleinen Innenwiderstand hat. Bei Conrad findet man ein Datenblatt zum Übertrager, das die Induktivitäts-Messwerte ohne Ruhestrom bestätigt. Übrigens hat der Trafo keinen Luftspalt, was die starke Abhängigkeit der Induktivität vom Strom erklärt. In der neuen Version ist der Kern sogar verschweißt, wie es bei Netztrafos üblich ist.

Fazit: Der preiswerte 100-V-Übertrager eignet sich für kleine Röhrenradios oder Kopfhörerverstärker mit geringem Ruhestrom oder aber für kleine Gegentaktendstufen mit Leistungen unter 1 W. Besonders interessant sind die vielen Anzapfungen, weil man so mit unterschiedlichen Anpassungen experimentieren kann.