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Den meisten Elektronikern ist wahrscheinlich gar nicht bewußt, wo und in welchen Stückzahlen Übertrager heute eingesetzt werden. Damit man nur eine ungefähre Ahnung bekommt, wo überall Übertrager im weitesten Sinne eingesetzt werden, seien nur einige der wichtigsten Bereiche genannt:
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Obwohl Übertrager in sehr großen Stückzahlen produziert werden, ist es in der Literatur relativ ruhig um sie geworden. Was an Grundlagenwissen vor allem im NF-Bereich zu vermitteln war, wurde bereits in den zwanziger bis fünfziger Jahren ausgiebig abgehandelt, so daß es eine Reihe von zum Teil sehr guten Veröffentlichungen schon lange nicht mehr zu kaufen gibt.

Was kluge Leute vor Jahrzehnten in umfangreichen Spezialwerken in Theorie und Praxis abgehandelt haben, kann diese Artikelreihe nicht ersetzen. Am Ende soll jedoch das Thema NF-Übertrager entmythologisiert und der normale Elektroniker in der Lage sein, einen NF-Übertrager richtig zu behandeln und in einer Schaltung einzusetzen.

Im Prinzip ist ein Übertrager ein sehr einfaches Bauteil. Man nimmt Kupferlackdraht, wickelt ihn in zwei galvanisch getrennten Wicklungen auf einen Spulenkörper, steckt einen passenden Eisenkern hindurch (oder auch nicht), und fertig ist der Übertrager.

Leider steckt der Teufel im Detail. Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Draht zu wickeln. Dann gibt es viele verschiedene Isolationsmaterialien und sehr viele verschiedene Trafokerne. Je nachdem, was wie kombiniert wird, entsteht einmal ein hochwertiger Übertrager, das andere Mal ein Drahthaufen mit oder ohne Eisenkern.

Übertrager bieten sich immer dann an, wenn eines der drei Grundelemente des Ohmschen Gesetzes nicht paßt. Dies sagen die drei Grundformeln aus:

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Diese sind die Kupferwiderstände (Gleichstromwiderstand) der Wicklungen, die Wicklungskapazitäten sowie die durch die Beschallungen entstehenden Kapazitäten, die Wicklungsinduktivität, die Streuinduktivität und das Verhalten des Eisenkerns sowie dessen Verluste.

Was hier in wenigen Worten gesagt wurde, ist im Grunde genommen ein sehr komplexes Gebiet, das sich nicht kurz abhandeln läßt. Wollte man alles halbwegs erschöpfend behandeln, wäre ein Buch fällig.

Wie bei allen elektronischen Bauteilen mit komplexem Verhalten kann auch für den Übertrager ein Modell herangezogen werden, das alle wichtigen Faktoren berücksichtigt, wenn die Rahmenbedingungen genauer definiert werden.

Der Übertrager nach Bild 1 wäre ideal und für alle Frequenzen gleichermaßen geeignet. Wie aber bereits erwähnt, sind im realen Übertrager frequenzabhängige Faktoren vorhanden (Induktivität und Kapazitäten), die entsprechend berücksichtigt werden müssen.
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Das Gebiet, das vorzugsweise in dieser Artikelserie untersucht werden soll, beschränkt sich auf den NF-Bereich von 20 Hz ... 20 kHz sowie auf Übertrager mit Eisenkern.

Damit sind schon die ersten Voraussetzungen für ein brauchbares Grundmodell geschaffen, das uns den Ansatz zu einer genaueren Untersuchung gibt.
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In Bild 2 ist der reale Übertrager mit allen Komponenten dargestellt, die im NF-Bereich zu berücksichtigen sind, wobei schon alle das Übertragungsverhalten beeinflussende Größen auf die Primärseite transformiert sind. Zum besseren Verständnis muß diese Maßnahme erklärt werden.

Mit "ü" stellt man sich einen idealen Übertrager vor. Damit werden alle auf der Sekundärseite auftretenden Schaltungsteile auf die Primärseite mit dem Faktor "ü" übersetzt und können dort zusammengefaßt werden. Dies erleichtert die Betrachtung und Berechnung erheblich. R2 kann ebenfalls auf die Primärseite transformiert werden, woraus dann das Ersatzschaltbild nach Bild 3 entsteht.
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Damit man das ganze Gebilde in den Griff bekommt, muß man untersuchen, welche Komponenten bei welchen Frequenzen wirksam sind. Um die ganze Sache weiter zu vereinfachen, können wir die Kupferwiderstände bis auf weiteres vernachlässigen, weil man davon ausgehen kann, daß bei einem gut konstruierten Übertrager die Kupferwiderstande mindestens fünfmal kleiner sind als die Abschlußwiderstande.
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Nach den Formeln in den Bildern 4 und 5 gibt es zwei Resonanzstellen. Nach dem Schaltbild in Bild 4 ergibt sich ein Parallelresonanzkreis. Bei Parallelresonanz wird die Impedanz des Schwingkreises sehr groß, theoretisch unendlich.


Diese Resonanzstelle tritt jedoch in der Frequenzgangkurve lediglich als geringe Welligkeit hervor, da dieser Schwingkreis durch die dann auftretenden Verluste im Übertrager sowie durch den in der Regel sehr niedrigen Innenwiderstand des Signalgenerators stark bedämpft wird.


Die zweite Resonanzstelle tritt weit mehr in Erscheinung und verdient deshalb besondere Beachtung. Sie wird im wesentlichen vom Wert [??L1] bestimmt. Der Wechselstromwiderstand des Übertragers wird bei dieser Resonanzstelle aufgrund des Serienresonanzkreises Null.

Dadurch wird der Strom in diesem theoretisch unendlich. Die Resonanzspitze tritt im Frequenzgang deutlich in Erscheinung und wird nur durch den Innenwiderstand des Signalgenerators sowie die Übertragerverluste und den sekundären Abschlußwiderstand bedämpft.

R1 ist aber relativ klein, und bei Spannungsanpassung ist R2 relativ groß (siehe auch Bild 3), so daß die Dämpfung überwiegend den Übertragerverlusten zufällt. Ist R1 sehr klein, wird die Sekundärspannung an der Resonanzstelle sehr viel größer, als es vom Übersetzungsverhältnis her zu erwarten ist. Darüber fällt die Frequenzgangkurve steil ab.

Die untere Grenzfrequenz des Übertragers muß auch besonders beachtet werden. Die gesamten Kapazitäten sind an der unteren Frequenzgrenze zu vernachlässigen, da "Cges" praktisch als unendlich großer Widerstand angesehen werden kann. Deshalb gilt bei den unteren Frequenzen die Formel Us = I1 (Rl + jwL1).

Wie sich der Übertrager bei sehr tiefen Frequenzen verhält, läßt sich am einfachsten feststellen, wenn Us und U1 sowie R1 und coL1 ins Verhältnis gesetzt werden.

Dies ist in Bild 6 mit der dazugehörigen Formel dargestellt. In Bild 7 ist die Frequenzgangkurve für die Sekundärspannung dargestellt, wobei alle bisherigen Erkenntnisse darin verwertet sind.
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Nachdem wir nun den typischen Frequenzgang eines Übertragers kennen und wissen, wie er zustande kommt, können wir jetzt schon eine Aussage machen. Man hört und liest immer wieder davon, daß z.B. ein Mischpult oder ein Verstärker, in dem ein Übertrager eingesetzt ist, entweder einen guten oder auch schlechten Klang hat. Klangverfälschend wirkt sich vor allem die Streuspitze aus, wenn sie nicht weit genug über 20 kHz liegt. Bei guter Line- und Mikrofonübertragern liegt diese Spitze bei 100 kHz und sollte so klein wie möglich sein.

Wenn man z.B. 1:1 (sogenannte) Line-Übertrager nachmißt, kann man je nach Hersteller und Typ Resonanzspitzen mit Überhöhung zwischen 2 dB und bis über 20 dB feststellen. Die Resonanzstelle in der Mitte des Übertragungsbereiches muß möglichst klein sein, damit der Frequenzgang glatt bleibt. Die Welligkeit muß unter ±1dB je nach Übertrager und Einsatzfall sein. Größere Welligkeiten wirken sich wie fest eingestellte Klangregler aus. Wird im Mittenbereich zu stark angehoben, klingt das Gerät blechig und unausgewogen.

Was ein Übertrager insgesamt unter Berücksichtigung der Streuspitze (die über 100 kHz liegen soll) können muß, kann dem IRT-Pflichtenheft entnommen werden (IRT = Institut für Rundfunktechnik). In der Regel sind Studioverstarker immer irgendwo (Eingang/Ausgang) mit einem Übertrager bestückt. Ein Pflichtenheft-Verstärker muß folgenden Frequenzgang haben:

60 Hz ... 10 kHz ±0,5 dB
40 Hz ... 15 kHz ±0,5/-2dB.

Damit liegt auch die untere Bereichsgrenze fest. 40 Hz muß ein Trafo einwandfrei übertragen; darunter darf der Klirrfaktor ansteigen. Das Ohr ist außerdem in diesem Bereich relativ unempfindlich gegenüber höheren Klirrfaktorwerten.
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• N1 = Primärwindungszahl
• U1 = Primärspannung in V
• fu = untere Grenzfrequenz in Hz
• A = Eisenquerschnitt in cm²
• B = Induktion in T

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Sie steht in vielen alteren Lehrbüchern noch in etwas anderer Form, die wir hier aber nicht mehr bringen wollen. Die angegebene Formel ist auf die neuen Einheiten nach dem Sl-System bezogen, wobei die einschneidendste Änderung die Umstellung des Maßes der Induktion von Gauß auf Tesla ist.

(Hier nochmals zur Erinnerung: 10.000 Gauß = 1 Tesla, abgekürzt T.)

Diese Trafo-Hauptformel dient zur Ermittlung der Primärwindungszahl, wobei maximale Induktion B, Primärspannung U1, untere Grenzfrequenz fu und der Eisenquerschnitt A gegeben sein müssen.

Um die Formel verständlich zu machen, rechnen wir exemplarisch einen Modelltrafo durch, der eine untere Grenzfrequenz von 60 Hz noch einwandfrei übertragen soll.

Weiterhin setzen wir einen Kern nach DIN 41 302 der Größe M 102 A mit der Blechqualität V 230-50 A voraus mit einer maximal zulässigen Induktion von 1,37 T und einem Eisenquerschnitt von 11cm2. Damit ist dieses Blechpaket laut Tabelle für 143 VA Sekundärleistung geeignet. Nehmen wir noch als Spannung die Netzspannung von 220 V, so ergibt sich folgende Rechnung:

Halbe Windungen gibt es normalerweise nicht, deshalb sind für diesen Trafo 548 Primärwindungen notwendig.

Jetzt wollen wir untersuchen, was passiert, wenn dieser Trafo bei gleicher Primärspannung mit 50 Hz betrieben wird. Dazu stellen wir die Trafohauptgleichung nach B um und erhalten

Wenn man vor dem Problem steht, eine tiefere untere Grenzfrequenz verarbeiten zu müssen, bieten sich mehrere Lösungen an. Die Primärspannung U1 kann verkleinert werden. denn bei kleinerer Eingangsspannung (also bei kleinerer übertragener Leistung) wird der Trafo nicht so weit in die Sättigung gesteuert.

Um es wieder auf die Modellrechnung zu beziehen: Statt 220 V dürfen auf der Primärseite nur noch 183,5 V anliegen, was am Stromnetz wohl kaum möglich ist. Bei einem Übertrager in einem Röhrenverstärker kann die Primärspannung zurückgenommen werden, indem man die Aussteuerung reduziert. Dann läßt sich die noch sauber übertragbare untere Grenzfrequenz absenken, bis die Primärinduktivität ihre Wirkung zeigt (siehe Bild 6).

Wenn eine tiefere untere Grenzfrequenz bei gleichbleibend hoher Leistung übertragen werden soll, bleibt nur noch die Möglichkeit, einen umkonstruierten Trafo zu nehmen.
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Windungen hoch gerundet, also 657 Windungen, notwendig (= 20% mehr).

Bei Übertragern, die z.B. 40 Hz bis 25 kHz verarbeiten müssen, ist diese Windungszahl- Erhöhung nicht immer problemlos durchführbar. Doch davon später.

Bei gleicher Windungszahl und Primärspannung bleiben also nur noch eine höhere Induktion und ein größerer Eisenquerschnitt übrig, wenn von 60 Hz auf 50 Hz übergegangen werden soll.

Höhere Induktion erreicht man dadurch, daß man eine bessere Blechsorte auswählt. Wie wir bereits berechnet haben, tritt eine maximale Induktion von 1.64 T unter den gegebenen Verhältnissen auf. Exakt diesen Wert erreicht man z.B. mit besseren, "kornorientierten" M-Blechen (VM 111-35), die statt 0,5mm Stärke wie beim Ausgangsblech (mit nur 1,37 T Belastbarkeit) auch nur 0,35mm stark sind.
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Eine weitere Möglichkeit wäre, auf den noch besseren Kern MD 102 A überzugehen, der bei praktisch gleichem Eisenquerschnitt sogar mit 1,72 T belastbar ist. Es bliebe eine Reserve von rund 5%, die durchaus ihre Berechtigung hat, wie wir gleich sehen werden. (Was es mit den verschiedenen Kerntypen und Materialien auf sich hat, wird später noch ausführlich behandelt.)

Der Kern MD 102 A würde also bei 5%iger Netzüberspannung gerade noch nicht in die Sättigung kommen - wie man sieht, eine notwendige Reserve ! Bei Netzunterspannung gibt es diesbezüglich keine Probleme.
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Wenn also unser Modelltrafo entsprechend isoliert ist, kann eine bis zu 6.67mal höhere Primärspannung eingespeist werden, bevor der Kern in die Sättigung kommt ! Leistungsmäßig kann dieser Kern unter diesen Bedingungen rund 44,5mal mehr Leistung übertragen.
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Schaltnetzteile profitieren ebenfalls von dieser Gesetzmäßigkeit.

Hier können beispielsweise Trafos mit nur 10x10x6cm Baugröße und einer Arbeitsfrequenz von etwas über 20 kHz gut 2000 W übertragen.

Für dieselbe Leistung wäre bei 50 Hz ein EI 231 B erforderlich, der rund 23x23x23cm groß ist und voll bewickelt gut 30kg auf die Waage bringt.

Rechts ein Beispiel - der BOSE 1800 Kraftverstärker
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Um diese Feststellungen auf den NF-Leistungsübertrager anzuwenden: Der Übertrager muß leistungsmäßig auf die untere Grenzfrequenz optimiert werden, höhere Frequenzen bereiten bis zu gewissen Grenzen keine Probleme.

Inzwischen haben wir schon eine ganze Reihe von Kenntnissen über den Übertrager (Trafo) angesammelt und die wichtigen Punkte aufgezeigt.

Wenn einem die Trafohauptgleichung sowie die Einflüsse der Primärinduktivität und der Streuinduktivität einigermaßen geläufig sind, könnte man annehmen, in der Lage zu sein, einen Übertrager zu berechnen und zu bauen. Leider genügt das bisherige Wissen bei weitem nicht.

Wer sich von einem Trafoblechhersteller die Datentabellen näher angesehen hat, wird unter anderem auch die Angaben Windungen pro Volt auf der Primärseite, Windungen pro Volt auf der Sekundärseite und den Wirkungsgrad finden. Wie alles auf dieser Welt ist auch ein Trafo nicht verlustfrei, was sich in den Zahlenangaben widerspiegelt.

Wer also einen Übertrager mit einer Spannungsübersetzung von exakt 1:1 herstellen möchte, kann dies nicht dadurch erreichen, daß er primär- und sekundärseitig lediglich die gleiche Windungszahl aufbringt. Vor allem wenn Leistung übertragen werden soll (und dies gilt bei kleinen Übertragern auch schon im Milliwattbereich), müssen die Verhältnisse der Windungszahlen entsprechend angepaßt werden.
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Weil dies so ist, muß in den Übertrager primärseitig mehr Leistung eingespeist werden, als er sekundärseitig abgibt. Dazu kommt, daß für bestimmte Kerntypen bestimmte Spulenkörper vorgesehen sind. Dies bedingt, daß nur eine gewisse Menge Kupfer untergebracht werden kann. Damit sind überwiegend auch die Kupferverluste festgelegt. Je nach Blechqualität und Kerngröße ergeben sich deshalb Wirkungsgrade zwischen etwa 40% und 98%.

Ein Trafo mit nur 60% Wirkungsgrad heizt sich ordentlich auf. Da solch schlechte Wirkungsgrade aber nur bei relativ kleinen Kernen 'erreicht' werden, sind sie nicht die großen Energieverschwender. Wenn sehr hochwertige, kornorientierte Bleche bei gutem, streuarmem Blechschnitt, wie z.B. dem MD-Schnitt, verwendet werden, ist bereits ab Kerngröße MD 55 ein Wirkungsgrad von 77% erreichbar, bei MD 102 B sind es immerhin 93,5%.

Zum Vergleich: auch modernste Automotoren und die Arbeitspferde des Transports, die großen Dieselmotoren, haben einen maximalen Wirkungsgrad von nur 25 ... 30%.

Nachdem nun einige grundsätzliche, die Übertragereigenschaften bestimmende Dinge untersucht sind, müssen wir uns der Betrachtung wichtiger Details zuwenden.

Wie wir bereits gesehen haben, hängt der glatte Frequenzgang von mehreren Faktoren ab. Die untere Grenzfrequenz wird im wesentlichen von L1 bestimmt. L1 hängt ab vom verwendeten Kern und der Windungszahl (maximal zulässige Induktion, geforderte Mindestinduktivität).

Wie bereits demonstriert, kann im Zweifelsfall die Primärwindungszahl erhöht werden, damit L1 und Bmax die richtigen Werte bekommen. Daß dies aber nicht unbedingt der einzig richtige Weg sein muß, soll im folgenden aufgezeigt werden.
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Wickelkapazitäten und Streuinduktivität bekommt man trotz aller eben aufgezeigten Schwierigkeiten in den Griff, wenn man dazu einige praktische Überlegungen anstellt. Dazu müssen wir noch den Begriff der Kopplung einführen.

In der Regel will man für gute NF-Übertrager eine feste Kopplung, denn es soll ja auf der Sekundärseite möglichst das herauskommen, was man in die Primärseite hineinschickt. Was der Übertrager an Leistung in der Wicklung selbst verbraucht, was im nutzlosen Streufeld verlorengeht oder was an Ummagnetisierungsverlusten in den Blechen in Wärme umgesetzt wird, trägt nichts zur Leistungsübertragung bei. Streuverluste und Wicklungskapazitäten kann man nicht einzeln betrachten, eines spielt in das andere hinein.

Die Streuung hängt ebenso wie die Wicklungskapazität vom Aufbau des Wickels ab. Hier können wir ein gutes Stück am Übertragergeheimnis entmythologisieren, denn jetzt kommen wir auf die Verschachtelung zu sprechen. Wie jeder Elektroniker weiß, wird beim Parallelschalten von Kondensatoren die Gesamtkapazität größer, bei Reihenschaltung wird sie kleiner, und zwar kleiner als die kleinste eingesetzte Kapazität der Reihenschaltung.

Beim kapazitätsarmen Wicklungsaufbau eines Übertragers tut man nichts anderes. Dabei schlägt man gleich zwei Fliegen mit einer Klappe. Wenn Primär- und Sekundärwicklung ineinander verschachtelt werden, sinkt durch die automatisch entstehende Reihenschaltung der Einzelkapazitäten die gesamte Wicklungskapazität. Außerdem wird der Kopplungsgrad erhöht, was wiederum die Streuinduktivität senkt.
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Ob ein Übertrager nun letztendlich 6fach, 9fach oder 12fach verschachtelt ist, tut nichts zur Sache. Ein 12fach verschachtelter Übertrager kann durchaus schlechter sein als ein 6fach verschachtelter.

Bei falsch gewählter Wicklungsunterteilung, gekoppelt mit einer Lagenisolation, die durch ihre hohe Dielektrizitätskonstante die Kapazität erhöht statt erniedrigt, trägt nichts zur Qualitätssteigerung bei. Lediglich die Bewicklung wird teurer.

Bei Röhrenendstufen muß eine Mindestmenge an Isolation in den Wickel gepackt werden, und er sollte vakuumgetränkt werden, damit die geforderte Spannungsfestigkeit erreicht wird. Dies darf jedoch nicht auf Kosten des Kopplungsfaktors gehen.

Zu dicke Isolationen vermindern den Kopplungsfaktor und erhöhen die Streuinduktivität, so daß dünnere Isolation und Vakuumtränkung der bessere Weg sind.

Wie man sieht, kann mit richtiger oder falscher Wickeltechnik viel gut oder schlecht gemacht werden. Zudem widersprechen sich eine Reihe von Forderungen (Isolation z.B. ist notwendig und nicht vermeidbar). Was hier nicht gemacht werden kann, muß mit dem Kern ausgeglichen werden. Dazu müssen wir uns einige typische Blechschnitte und Blechqualitäten ansehen.
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Der Standard-M-Schnitt hat nun prinzipbedingt einige gravierende Nachteile. Der unvermeidbare Luftspalt befindet sich genau an der Stelle, an der die meisten Feldlinien vorhanden sind und zudem noch ihre Richtung um 90 Grad ändern sollen. An solchen Stoßstellen kann nur mit der halben Blechstärke gerechnet werden, was den Magnetisierungsaufwand erhöht.

Streuverluste sind dadurch unvermeidbar. Durch wechselseitige Schichtung kann die Wirkung des Luftspaltes verringert werden, durch einseitige Schichtung wird sie erhöht (dies ist bei bestimmten Anwendungen erwünscht).

Der M-Schnitt wurde und wird für Übertrager verwendet, hat aber aufgrund der Trennfuge an ungünstiger Stelle prinzipbedingt ein höheres Streufeld. Durch erhöhten Schachtelaufwand in der Wicklung muß versucht werden, Kapazität und Streuinduktivität in den Griff zu bekommen, da sonst die Resonanzspitze (siehe Bild 7) zu groß wird und unter Umständen im Übertragungsbereich liegt.

Der zweite gebräuchliche M-Schnitt ist der PM, wie in Bild 11b abgebildet. Eine gerade und eine schräge Trennfuge ermöglichen vierfache Verschachtelung der Bleche, so
daß die Wirkung des Luftspaltes nahezu aufgehoben wird. Die Trennfugen sind außerdem an der Stelle am Blech angeordnet, an der die Feldliniendichte nicht mehr so hoch ist.

Eine weitere Änderung gegenüber dem M-Blech sind die verstärkten Querstege und Schenkel. Der magnetische Kreis hat dadurch einen geringeren Widerstand, es können mehr Feldlinien im Eisen gehalten werden, und die Verluste sinken.

Dadurch wird die Leistungsfähigkeit bei gleichem Eisenquerschnitt erhöht, das Streufeld gleichzeitig erniedrigt. Der Nachteil am PM-Kern ist der erhöhte Schachtelungsaufwand.

Als weiteren M-Schnitt gibt es den MD-Kern, wobei hier das D für diagonal steht, was sich auf die Lage der Trennfugen bezieht. In Bild 11c ist dieser Blechschnitt abgebildet. Auffallend sind hier die besonders breiten Querstege, die noch breiter als beim PM-Schniti sind. Die Schenkel sind genauso breit wie beim Standard-M-Schnitt.

Der Sinn dieser Konstruktion ist folgender: Die Trennfugen sind so in dem Bereich der geringsten Feldliniendichte angeordnet, daß der geringe Luftspalt praktisch wirkungslos ist und den Feldlinien kaum Widerstand entgegensetzt.

Dadurch wird dieser Kern sehr streuarm, bei richtiger Montage sogar streuärmer als die Ringkerne !

Bedingt durch die hervorragende Streuarmut lassen sich mit diesem Blechschnitt Übertrager mit geringerem Schachtelaufwand bauen, die von Haus aus eine relativ geringe Streuinduktivität aufweisen.

Als letzten Kern betrachten wir noch den Ei-Schnitt (siehe Bild 11). Dieser ist besonders für Übertrager geeignet, die einen Luftspalt benötigen. Eintakt-A-Endstufen liefern nicht nur Wechselstrom, sondern haben am Ausgang einen Gleichstromanteil.

Damit der Eisenkern nicht schon durch den Gleichstromanteil so hoch vormagnetisiert und dann durch den Wechselstrom in die Sättigung getrieben wird, muß er durch einen Luftspalt kompensiert werden. Hier bietet sich der Ei-Schnitt besonders an, da je nach Abstand von I zu E ein definierter Luftspalt eingestellt werden kann.
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Ist der Artikel Teil 1 hier wirklich zuende ?

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