von Gerhard Haas

Beim Zusammenschalten von mehreren Audiogeräten kommt es oft vor, daß es in den Lautsprechern brummt, oder, was noch schlimmer ist, man macht unter viel Mühen eine hochwertige Tonbandaufnahme und stellt beim Abhören fest, daß sie verbrummt ist.

Schuld daran ist meistens eine unerwünschte Masseschleife, die dann zustande kommt, wenn zwei oder mehr Geräte über NF-Leitungen gekoppelt werden. Die Geräte sind massemäßig über die Abschirmungen der NF-Leitungen verbunden, zusätzlich aber auch noch über den Schutzleiter.

Jetzt steht man vor einem Problem: Den Schutzleiter darf man aus sicherheitstechnischen Gründen nicht einfach abklemmen, die Abschirmung der NF-Leitungen muß aber an Masse liegen.
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Wie schon am Anfang der Übertragertheorie erwähnt, bietet ein Übertrager den Vorteil der galvanischen Trennung. Wenn Audiogeräte gekoppelt werden, kann man sie durch den Einsatz von Übertragern galvanisch getrennt halten, und trotz angeschlossenen Schutzleiters kommt keine Brummschleife zustande. Ein weiterer Vorteil ergibt sich fast von selbst: Die NF-Leitungen lassen sich erdfrei symmetrisch führen. Das trägt viel zur Störunempfindlichkeit bei.
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• Anmerkung: Ende der 1980 Jahre kamen bereits die ersten analogen Optokoppler- ICs heraus, die eine solche galvanische Trennung von Audio-Signalen auf Studio-Niveau ermöglichten.

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Der erste typische Anwendungsfall für Übertrager ist der Einsatz in einem Mikrofonverstärker. Hier kann mit dem richtig gewählten Übertrager, also mit dem richtigen Übersetzungsverhältnis sehr viel gewonnen werden.

Bild 1 zeigt die Grundschaltung mit allen wichtigen Komponenten, wobei die Primärseite des Übertragers mit "1" bezeichnet ist, die Sekundärseite mit "ü". Für "ü" setzen wir je nach Bedarf eine passende Zahl ein. Ug und Rg stellen ein dynamisches Mikrofon dar, welches einen Generatorwiderstand von 200 Ohm hat.

Dynamische Mikrofone müssen üblicherweise einen Abschlußwiderstand von >1kOhm haben. Nun gibt es verschiedene Kombinationsmöglichkeiten von Übertrager-Übersetzungsverhältnis und OP (Operationsverstärker = OpAmp).

Wer nach altväterlicher Sitte für einen Mikrofonübertrager ein Übersetzungsverhältnis von 1:10 bis 1:20 wählt, hat den Anschluß an die Halbleitertechnik verpaßt. Was sich hier abspielt und wie richtig angepaßt wird, soll an einigen Beispielen gezeigt werden.

Wie wir bereits oben gesehen haben, muß der Übertrager sekundärseitig sehr hochohmig abgeschlossen werden. Dies bedingt, daß ein OpAmp (also ein Operationsverstärker) mit FET-Eingang verwendet werden muß.

Selbst die rauschärmsten FET-OpAmps rauschen drei- bis viermal mehr als vergleichbare bipolare Typen. Das bedeutet prinzipbedingt einen um 10 bis 12dB schlechteren Rauschwert.

Mit einem gut angepaßten und auf optimalen Rauschwert selektierten NE 5534 läßt sich ein auf den Eingang bezogener Rauschwert von -122 dBm (unbewertet, Filter 20Hz...20kHz) erreichen.

Mit dem Übertrager 1:15 zusammen mit einem im Rauschen schlechteren FET-OpAmp sind nur -110 bis -112dBm erreichbar. Wenn nachfolgende Verstärker noch einiges zum Rauschen beitragen und der Eingang nicht optimal beschaltet bzw. angepaßt ist, kann sich der Rauschwert noch weiter auf nur -100dBm verschlechtern.

Der Verstärker 'sieht' die Quellimpedanz Zg = Ü2 x Rg = 32 x 200Ohm = 1,8 kOhm. Nun betrachten wir die Abhängigkeit der Rauschspannung bezogen auf die Quellimpedanz Zg, die in Bild 2 für den NE 5534 dargestellt ist. Die eben errechneten 1,8 kOhm Quellimpedanz liegen gerade noch in dem Bereich, in dem sich die Rauschspannungskurve nicht wesentlich hebt. Unter 1 kOhm Quellimpedanz zu gehen, macht beim NE 5534 keinen Sinn, da sich dann im Rauschen nichts mehr ändert.

Das heißt mit anderen Worten, beim Anschluß eines dynamischen Mikrofons sollte ein Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis von mindestens 1:2 eingesetzt werden, denn es wäre schade, hier 6dB Verstärkung oder mehr zu verschenken.

Bleibt noch zu erwähnen, daß Mikrofonübertrager unbedingt magnetisch wie elektrisch gut abgeschirmt und möglichst weit weg von Netztrafos und ähnlichem montiert sein müssen. Wie wir eben schon festgestellt haben, hat eine Gesamtkette gut 90dB Verstärkung. Eine Brummeinstreuung von nur 1uV verursacht am Lautsprecher immerhin eine Brummspannung von 31,6mV, die nicht überhörbar ist!

Eine Mu-Metall-Abschirmung ist also ein Muß, in der Regel werden sogar zwei Abschirmbecher ineinander verschachtelt verwendet. Mu-Metall ist bekanntlich teuer; zusätzlich wird hochwertiges Kernmaterial zusammen mit aufwendiger Wickeltechnik eingesetzt, vor allem, wenn hohe Unsymmetriedämpfungen verlangt werden, und so ist es nicht verwunderlich, wenn derartige Übertrager preislich schnell bei DM 100.- anlangen.

Ein zweiter typischer Anwendungsfall für Übertrager ist der sogenannte Line-Übertrager oder auch Ausgangsübertrager. Er sitzt an Geräteausgängen und sorgt für ein symmetrisch erdfreies Signal. In Bild 3 ist der typische Anwendungsfall dargestellt. Hier werden aufgrund der bereits vorhandenen Pegel meist kleine Übersetzungsverhältnisse wie 1:1, 1:1,5 und 1:2 verwendet.

Aufgrund der niedrigen Übersetzungsverhältnisse, der hohen Pegel und der niederohmigen Einspeisung (< 1Ohm) ist dieser Übertrager weniger kritisch in der Anwendung. Aus den eben genannten Gründen ist eine so extreme Abschirmung wie beim Mikrofon-Eingangsübertrager nicht unbedingt notwendig. Besonders zu beachten ist der nicht festliegende (bzw. vorher festzulegende) Lastwiderstand R1. Je nach angeschlossenem Gerät kann er zwischen einigen hundert Ohm und einigen hundert Kiloohm schwanken. Wie wir bereits aus der Theorie wissen, gibt es eine unangenehme Resonanzspitze, die von der Streuinduktivität und den gesamten Schaltkapazitäten sowie der Wickelkapazität abhängt.

Als Richtwerte, die ein guter 1:1-Line-Übertrager schaffen kann, hier einige Werte: Pegelschwankung zwischen Leerlauf und Vollast < 0,5dB, Resonanzspitze < 2dB, Pegeldifferenz zwischen Eingang und Ausgang bei Nennlast von 600 Ohm und 0dB, alle Werte bei niederohmiger Einspeisung von < 1Ohm.

In Bild 3 ist noch der Kondensator Cl vorgesehen. Wird der OpAmp mit unsymmetrischer Betriebsspannung gespeist, muß Cl auf jeden Fall vorhanden sein, um die Gleichspannung abzublocken. Bei symmetrischer Speisung kann auf ihn verzichtet werden, da Line-Übertrager meist etwas größere Kerne haben und mit Nennpegeln zwischen 0dBm und 6dBm betrieben werden. Außerdem wird der OpAmp mit geringer Verstärkung betrieben, so daß sich die Eingangsoffsetspannung nicht sehr weit mit hochverstärkt.

Einige Millivolt Offsetspannung sind deshalb meist zu vernachlässigen, da der Übertrager außerdem durch die niederohmig eingespeiste Wechselspannung wieder entmagnetisiert wird. Wenn bei unsymmetrischer Betriebsspannung Cl eingesetzt werden muß, muß auf jeden Fall untersucht werden, was die ganze Anordnung bei sehr tiefen Frequenzen macht.

Den dritten Anwendungsfall des NF-Übertragers findet man in der ELA- und Beschallungstechnik, in der sogenannten 100V-Technik. Abgesehen davon, daß das Signal erdfrei symmetrisch zur Verfügung steht, kann man außerdem über lange Strecken mit geringeren Kabelquerschnitten und weniger Verlusten fahren, als dies bei 4Ohm oder 8Ohm möglich wäre.
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Um dies zu verdeutlichen, müssen wir wieder etwas rechnen. Ausgehend von einem 100W Verstärker wollen wir untersuchen, was am Ende einer 100m langen Lautsprecherleitung leistungsmäßig ankommt, wenn einmal mit 4Ohm gefahren wird, das andere Mal in 100V Technik. 100 m Leitungslänge kommen in Hallen nämlich sehr leicht zusammen, so daß dies ein praxisnahes Beispiel ist.

9 mm² ist ein recht kräftiger Querschnitt für ein Lautsprecherkabel und zusätzlich ist eine kostspielige Investition, denn immerhin werden hier rund 16kg Kupfer verarbeitet und dabei ist immer noch mit erheblichen Verlusten zu rechnen.
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Weiterhin ist es möglich, mehrere Verstärker über 100V- Übertrager parallel zu schalten, unter der Voraussetzung, daß alle Verstärker mit gleichem Signal und gleichphasig verkoppelt werden und daß eine Abschaltautomatik für defekte Endstufen vorhanden ist. Auf diese Art kann die Leistung im 100V- Netz bei höchster Betriebssicherheit stark erhöht werden. Da ein 100V- Signal ein ähnlicher Normpegel ist, wie es z.B. die +6dBm sind, kann man das bisher Gesagte in einem einfachen Nomogramm darstellen.
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Bild 8 zeigt dieses zusammen mit einer Tabelle für gängige Anpassungen. Selbstverständlich gilt auch für den 100V- Übertrager, daß er einen möglichst linearen Frequenzgang haben muß und die Resonanzstelle möglichst weit über 20kHz liegt. Auch bei Sprachübertragung ist dies wichtig, damit die Verständlichkeit nicht durch Klangverfälschungen verschlechtert wird.
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Nun kommen wir zu einer Übertrageranwendung, die durch die Renaissance der Röhrentechnik besonders aktuell geworden ist, deren scheinbare Geheimnisse fast schon zum Mythos geworden sind: der Ausgangs- übertrager in Röhren-Gegentaktendstufen.

Prinzipiell gilt alles bisher Gesagte ohne Einschränkung, die meisten Unklarheiten gibt es üblicherweise bei der Definition der Primärimpedanz R(aa) für die Röhren. Wie wir nach einem kurzen Rechengang sehen werden, ist die Festlegung des Wertes R(aa) nicht das einzige wichtige Kriterium zur Definition des Ausgangsübertragers. Doch dazu müssen wir zunächst das Ausgangskennlinienfeld einer Leistungsendpentode und die im Betrieb auftretenden Verhältnisse betrachten.

Wegen der weiten Verbreitung, des hohen Bekanntheitsgrades und weil schon öfters mit dieser Röhre Veröffentlichungen erschienen sind, demonstrieren wir das Ganze an der EL 84.

In Bild 9 ist das Ausgangskennlinienfeld der EL 84 als Eintakt-A Endstufe dargestellt. Bei einer Betriebsspannung von 250V und einer Schirmgitterspannung von ebenfalls 250V gibt es zwei mögliche Anodenwiderstände und Ausgangsleistungen. Wenn der Anodenwiderstand 7 kOhm ist (dies ist ein weitverbreiteter Wert für viele Endröhren, somit konnten die Übertragerhersteller früher immer einen passenden Übertrager anbieten), können 4,5W Leistung bei einem Klirrfaktor von knapp 7% erzielt werden. Bei nur 5,2kOhm ist ein höherer Ruhestrom nötig, man bekommt 5,7W bei 10% Klirrfaktor. Bei der höheren Leistung wird die Verlustleistungshyperbel tangiert, überschreiten darf man sie nicht.
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Hier noch eine Anmerkung: Röhren sind in dieser Beziehung nicht so nachtragend wie Halbleiter. Wenn bei einem Transistor die maximal zulässige Verlustleistung auch nur für Millisekunden überschritten wird, quittiert er dies mit Totalschaden. Eine Röhre verträgt dies schon mal für Sekunden bis Minuten und warnt vor ihrem frühzeitigen Tod durch rote Bäckchen, mit anderen Worten, das Anodenblech fängt an zu glühen. Wenn rechtzeitig abgeschaltet wird und der Schaltungsfehler korrigiert ist, kann die Röhre trotzdem sehr lange Zeit ihre Dienste tun.
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Um die 9W Leistung zu übertragen, gibt es viele Kerntypen und Wickelmöglichkeiten. Um nur einige mögliche Kerntypen zu nennen: EI 60, EI 66, EI 78, M 55, M 65, MD 55, MD 65, MD 74. Kleine Kerne haben den Vorteil, daß sie preiswert sind, große werden nicht so weit in die Sättigung getrieben; somit sind tiefe Grenzfrequenzen bei voller Leistung leichter zu erreichen. Im Grunde genommen geht es um die Festlegung des nötigen Eisenquerschnitts. Zuwenig ergibt keinen brauchbaren Übertrager, zuviel ist Verschwendung.

In alten Röhren- und Trafohandbüchern findet man Faustformeln zur überschlägigen Ermittlung des Eisenquerschnitts, doch sind diese nicht unbedingt immer auf moderne Übertrager anwendbar. Neue Blechqualitäten und Schnitte haben hier vieles verändert. Um z.B. in der Studiotechnik möglichst kleine Bauformen bei hoher Primärinduktivität zu erreichen, werden hochpermeable Bleche und Kerne eingesetzt.

Ist Leistungsübertragung gefragt, benötigt man eher Bleche mit hoher induktiver Belastbarkeit, da sich die nötige Primärinduktivität aufgrund der hohen Windungszahlen automatisch ergibt. Hier liegt es am Entwickler, wieweit er den Kern bei tiefen Frequenzen in die Sättigung fahren will und wieviel Klirrfaktor bei der unteren Grenzfrequenz noch akzeptabel ist.

Wie man sieht, eine Menge Wahlmöglichkeiten, wobei die Aufteilung der Wicklung, also die Verschachtelung noch längst nicht berücksichtigt ist. Auch hier sind mehrere Dutzend Möglichkeiten, Techniken und Anforderungen die Regel.

Wir runden die Windungszahl auf 2400 auf. Nun ist noch die Sekundärwindungszahl zu bestimmen. Bei dem nötigen Übersetzungsverhältnis von 50:1 sind das 2400:50 = 48 Windungen. Der Kern EI78a hat einen Wirkungsgrad von ca. 88%; deshalb müssen wir einen entsprechenden Zuschlag machen und kommen auf 54 Windungen. Für die Gegenkopplungswicklung kommt man mit 10 Windungen aus, die dann etwa 1,5V liefern.

Nun müssen wir ein Wickelschema festlegen. In Bild 11 ist eine relativ aufwendige Möglichkeit mit achtfach verschachtelter Zweikammerwicklung gezeigt, wobei die Gegenkopplungswicklung nicht berücksichtigt ist. Der statische Schirm sowie die Zweikammeraufteilung verringern die Lagenkapazität weiter, so daß die hier gezeigte achtfache Verschachtelung praktisch einer zehn- bis vierzehnfachen Verschachtelung gleichkommt.

(Im Theorieteil wurde bereits darauf hingewiesen, daß nicht allein die Menge der Verschachtelung maßgebend ist, sondern auch die Art der Verschachtelung, die Lagenisolation und die Wicklungsaufteilung.)

Bevor man mit dem Wickeln beginnt, müssen zuerst die Drahtstärken festgelegt werden, und es muß auch überprüft werden, ob der Wickelraum ausreicht, alle Isolationen und Wicklungen unterzubringen. Diese Rechnung wollen wir uns hier sparen, denn vieles hängt im Endeffekt auch hier wieder von den wickeltechnischen Möglichkeiten, den handwerklichen Qualitäten des Trafowicklers und von den verfügbaren Materialien ab. Hier die fertige Wickelvorschrift, wobei jeweils Wicklung 1 jeder Kammer direkt auf den Kern kommt, Wicklung 5 ist die jeweilige Schlußwicklung.

Die Wicklungen müssen im Endeffekt so verschaltet werden, daß sich ein Wickelsinn ergibt, wie in Bild 12 dargestellt.

Beim Wickeln ist darauf zu achten, daß die Drähte immer sauber nebeneinander liegen und keine Drahtkreuzungen vorkommen. Dies kann im Betrieb zu Windungsschlüssen führen, denn die Lackisolation der Drähte hält nicht allzuviel aus. Bei der Betriebsspannung von 250 V muß auf ca. 800 ... bis 1000V Isolationsfestigkeit geachtet werden. Gute 0,1mm Folien halten dies bei doppelter Lage aus. Diese Isolationsfestigkeit ist notwendig, denn wenn vergessen wird, den Lautsprecher anzuschließen, erzeugt der Trafo hohe und höchste Spannungen. Es ist dann billiger, wenn es irgendwo im Verstärker zu Spannungsüberschlägen kommt, eventuell in den Röhren (mit Zerstörung derselben), als wenn dies im Ausgangsübertrager passiert. Den Übertrager auszuwechseln und durch einen neuen zu ersetzen, ist meistens recht kostspielig.

Gut gewickelte Übertrager mit dünner, aber hervorragender Isolation und Vakuumtränkung halten mehrere tausend Volt aus, so daß es überall zu Spannungsüberschlägen kommen kann, nur nicht im Übertrager. Wenn Endröhren wie z.B. EL34 eingesetzt werden, muß mindestens auf 2500 V isoliert werden.

Einen Punkt haben wir bei den Röhrenausgangsübertragern noch nicht erwähnt, das ist die Schirmgittergegenkopplung — die sogenannte Ultralinearschaltung. Auch dieses ist keine Geheimwissenschaft. Wenn wir Bild 13 betrachten, so können wir daraus ersehen, wie die Schirmgitteranzapfungen liegen müssen. Ausgehend von der Mittenanzapfung sind etwa 20 ... 30% der Windungszahlen bis zur jeweiligen Schirmgitteranzapfung zu nehmen. Der genaue Wert ist nicht sehr kritisch, es ist meist am günstigsten, wenn man die Anzapfung gerade am Ende einer Lage herausführt. Dies erspart unnötige Isolationen beim Wickeln und vereinfacht das Herausführen der Anzapfung erheblich.

Üblicherweise müssen die Schirmgitter von Pentoden an einer festen Spannung liegen und dürfen wechselstrommäßig nicht moduliert werden. Durch die Übertrageranzapfungen wird jedoch bei Aussteuerung auf die Schirmgitter eine Wechselspannung gebracht, so daß jede Röhre schon für sich gegengekoppelt ist — unabhängig von der Gesamtgegenkopplung. Dies erniedrigt den Grundklirrfaktor, so daß die Gesamtgegenkopplung nicht mehr so stark sein muß, was den dynamischen Eigenschaften der Endstufen zuträglich ist.


Die Ultralinearschaltung hat leider auch Nachteile. Die Schirmgitter von Leistungspentoden dürfen nur begrenzt belastet werden. Deshalb sind auch in Bild 13 die Strombegrenzungswiderstände Rg2 eingezeichnet. An einem typischen Beispiel soll verdeutlicht werden, welche Einschränkungen sich durch die Ultralinearschaltung ergeben.

Für die EL 34 sind als Grenzwerte für das Schirmgitter Pmax = 8W und Vg2 = 425V vorgegeben. Die maximale Anodenspannung darf jedoch bis zu 800V betragen, wenn sichergestellt ist, daß die Schirmgitterspannung auf Werte um 400V begrenzt ist. In den alten Röhrendatenbüchern sind für die EL 34 die üblichen Werte für eine Gegentakt-B Endstufe angegeben, mit der dann rund 45W Leistung erzielt werden könn(t)en, wobei die Betriebsspannung bei 400V liegt. Ultralinearschaltung ist hier problemlos möglich.
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Will man jedoch mehr Leistung erzielen, muß die Anodenspannung erhöht werden, wobei gleichzeitig bei Vollaussteuerung die Schirmgittergrenzwerte nicht überschritten werden
dürfen. Das Schirmgitter darf nur mit maximal 425V betrieben werden, so daß Ultralinearschaltung nicht mehr möglich ist. Man muß sich also zwischen hoher Leistungsausbeute oder Ultralinearschaltung mit niedrigerer Leistung entscheiden.

Daß auch mit der normalen Schaltung gute Verstärkerdaten erreicht werden können, ist in den elrad-Heften 12/86 und 3/87 anhand der Experience Röhrenendstufen gezeigt worden, die durch entsprechend gute Ausgangsübertrager erreicht werden. Ein 'steifer' Netztrafo trägt ein übriges dazu bei, denn wenn die Anodenspannung zu sehr in die Knie geht, ist es mit der Leistungsausbeute auch nicht sehr weit her.

Zum Schluß muß noch ein Punkt beim Ausgangsübertrager Beachtung finden, den wir bisher noch nicht erwähnt haben. Dies ist die automatische Unterdrückung von Brummspannungen auf der Betriebsspannung durch den Übertrager. Man muß die Betriebsspannung nicht vollständig sieben, um einen brummarmen Verstärker zu bekommen.
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Zum besseren Verständnis dient hier Bild 14. Der Brummstrom und die Brummspannung des Netzteils verteilen sich gleichmäßig auf die beiden Wicklungshälften der Primärseite des Übertragers. Da die beiden Ströme gleich groß — aber gegenphasig im Übertrager auftreten, verursachen sie keine Induktion und folglich wird auch auf der Sekundärseite keine Spannung erzeugt. Die Voraussetzung ist, daß beide Röhren den gleichen Strom ziehen und daß der Übertrager ausreichend symmetrisch ist. Leider lassen sich Röhrenausgangsübertrager nicht immer optimal auf Symmetrie trimmen, da eine gute Isolation wegen der hohen Spannungen Priorität besitzt und den Wicklungsaufbau entsprechend beeinflußt. Man kann aber davon ausgehen, daß einige Volt Brummspannung im Leerlauf durch einen guten Übertrager und bei richtigem Endstufenaufbau sowie Abgleich nicht weiter störend sind.

Ungünstig gelegte Masseverbindungen wirken sich meist verheerender als der Restbrumm auf der Betriebsspannung aus. Die Schirmgitter sind auch relativ unkritisch, denn wenn sie mit absolut gleichem Brummsignal moduliert werden, sind die Ströme im Ausgangsübertrager gegenphasig gleich und rufen wiederum keine Induktion hervor.

Allerdings sollte man nicht zu leichtfertig nur auf den Übertrager vertrauen, denn, wie bereits gesagt, aus wickeltechnischen Gründen läßt sich die absolute Symmetrie bei dieser Übertragerart nicht so einfach herstellen und diverse Bauteiletoleranzen einschließlich der der Röhren spielen bei der Brummunterdrückung auch noch mit.