FIDELITY Wissen: Ausgangsübertrager
Der Ausgangsübertrager ist eines der zentralen Bauteile am Verstärker, rein nach Masse zweifellos der Hauptbestandteil. Tomasz Lachowski von Toroidy hilft uns zu verstehen, was genau er macht, wie er es macht, und ob es Alternativen zum landläufigen EI-Transformator gibt.
Die Fähigkeit eines Verstärkers, eine Lautsprecherlast zu treiben, hängt in erster Linie vom Dämpfungsfaktor, also dem Verhältnis seiner Ausgangsimpedanz zur Eingangsimpedanz des Lautsprechers ab – je niedriger die Ausgangsimpedanz des Verstärkers, desto starrer schiebt er seine Spannung in Richtung Lautsprecher und desto weniger wirken sich Schwankungen in dessen Impedanzkurve auf den Frequenzgang aus. Wenn wir uns nun vor Augen halten, dass ein typischer Lautsprecher eine Eingangsimpedanz zwischen 4 und 8 Ohm hat, eine Röhre aber eine Ausgangsimpedanz von gut und gerne 1,5 Kiloohm haben kann, wird schnell klar, dass man Röhren nicht ohne Weiteres für die Endverstärkung einsetzen kann.
Hier kommt der Ausgangstransformator ins Spiel: Er ähnelt in seiner Funktion einem Getriebe, das elektrische Leistung von der eingangsseitigen Spule – der Primärwicklung – durch elektromagnetische Induktion auf die ausgangsseitige Sekundärwicklung überträgt und dabei Spannung und Stromstärke wandelt (transformiert). Hat die Primärwicklung weniger Windungen als die Sekundärwicklung, steigt die Spannung am Ausgang entsprechend dem Verhältnis der Windungszahlen (sie wird hochtransformiert), während die Stromstärke um dasselbe Verhältnis abnimmt. Die Leistung am Ausgang entspricht also immer der am Eingang – abzüglich Übertragungsverluste, die bei gut konstruierten Trafos allerdings relativ gering sind und die wir hier der Einfachheit halber vernachlässigen.
Beim obigen Beispiel sprechen wir von einem Step-up-Transformator; für unseren Röhrenverstärker müssen wir jedoch in die entgegengesetzte Richtung arbeiten und brauchen deshalb einen Step-down-Trafo, dessen Primärwicklung um ein Vielfaches mehr Wicklungen hat als die Sekundärseite und der somit die Spannung senkt, während die Stromstärke entsprechend ansteigt. Da zum einen die Leistung gleich bleibt und sich zum anderen die Impedanz nach dem Ohm’schen Gesetz als Spannung geteilt durch Stromstärke errechnet, läuft das Heruntertransformieren der Spannung auf eine Senkung der Ausgangsimpedanz hinaus – und voilà, das ist genau das, was wir gebraucht haben.
EI-Transformatoren
Damit das allerdings gut funktioniert, muss der Trafo, wie vorhin angedeutet, gut konstruiert sein. Gut konstruiert heißt zum einen, dass das Magnetfeld, das von der Primärspule induziert wird und seinerseits die Spannung auf der Sekundärspule induziert, möglichst vollständig ausgenutzt wird. Indem wir die Spulen um einen Eisenkern wickeln, der eine vielfach höhere magnetische Permeabilität besitzt als Luft, lässt sich das Magnetfeld effektiv bündeln und in die Sekundärspule lenken. Die Primär- und Sekundärwicklungen werden zudem nicht nebeneinander, sondern ineinander verschachtelt gewickelt. Durch die räumliche Nähe kann man so eine gute magnetische Kopplung erzielen und das Magnetfeld quasi zwingen, beide Wicklungen gleichmäßig zu durchdringen, wodurch Streuverluste minimiert werden. Um dem Magnetfeld auch den Rückweg zu erleichtern, kann man beidseitig des umwickelten Eisenkerns noch je ein nicht umwickeltes Bein anbringen und die drei Stege oben und unten mit je einem Querbalken verbinden. Das Ergebnis ist ein Eisenkern, der die Form einer „eckigen Acht“ besitzt. Da der in der Regel aus einem E-förmigen Element besteht, auf dessen mittleren Steg die Wicklungen aufgeschoben werden, woraufhin die Acht durch das Aufsetzen eines I-förmigen Balkens geschlossen wird, nennt man diese bei Ausgangsübertragern gängigste Bauform „EI-Kern“.
Gegenüber Luftspulen ist ein Trafo mit Eisenkern viel effizienter und kann auch kompakter gehalten werden – allerdings steht sich der Kern gewissermaßen selbst im Weg, denn das ihn durchfließende Magnetfeld verwendet einen Teil seiner Energie darauf, Wirbelströme zu induzieren, was durch Hitzeentwicklung den Wirkungsgrad des Trafos verringert. Um dieses Problem zu lösen, macht man sich die Tatsache zunutze, dass die Wirbelstromverluste mit der Stärke des Kerns quadratisch skalieren: Halbiert man dessen Dicke, sinken die Verluste auf ein Viertel. Indem man den Kern aus Hunderten hauchdünner, elektrisch voneinander isolierter Bleche aufbaut, in denen sich nur mikroskopisch kleine Wirbelströmchen bilden können, lassen sich die Verluste auf einen Bruchteil dessen reduzieren, was bei einem massiven Kern auftreten würde.
Von oben und unten eingeengt
Das Problem des Wirkungsgrades lässt sich so weitgehend beseitigen, doch gibt es noch ein weiteres, nämlich das der Bandbreite: Der Trafo wirkt wie ein Tiefpass, dessen untere Eckfrequenz von der Induktivität der Primärwicklung abhängt – je höher diese ist, desto tiefere Frequenzen werden übertragen, und eine hohe Induktivität erreicht man hauptsächlich über eine hohe Windungszahl. Die hat allerdings den Nachteil, dass sich durch die vielen Windungen Kapazitäten innerhalb der Wicklung und auch zwischen den Wicklungen bilden, die wiederum einen Tiefpasseffekt hervorrufen und die Bandbreite dadurch nach oben begrenzen. Indem man einen größeren Kern einsetzt, kann man mit derselben Windungszahl eine größere Induktivität erreichen und so die gewünschte untere Eckfrequenz erzielen, ohne dass die Übertragungskurve im hörbaren Bereich bereits abfällt. Allerdings wird – wie den meisten Röhrenfans schmerzhaft bewusst ist – in der Regel ein sehr großer und schwerer Transformator benötigt, um das gesamte hörbare Spektrum abzudecken.
Einseitige Belastung
Bei Single-Ended-Verstärkern verschärft sich das Problem durch das Phänomen der magnetischen Sättigung nochmals: Die Induktion erfolgt durch eine Änderung des magnetischen Flusses im Kern, was bei Push-Pull-Verstärkern kein Problem ist, da Musik ein Wechselstromsignal ist. Die Magnetisierung erfolgt also abwechselnd in beide Flussrichtungen und der Kern schwankt um einen nicht magnetisierten Zustand herum. Voraussetzung dafür ist freilich richtiges Biasing: Die positiven und negativen Verstärkungselemente sollten möglichst keinen Offset zwischen ihren Ruheströmen haben, damit die Summe null ist und der Kern im Ruhezustand nicht magnetisiert wird. Bei Single-Ended-Verstärkern übernimmt ein Verstärkungselement beide Halbwellen – das ist nur möglich, indem es im Ruhezustand auf einem relativ hohen Gleichstrom gehalten wird (dem Ruhestrom), der dem Signal auf der Kennlinie in beide Richtungen Raum für Auslenkungen schafft.
Dieser Ruhestrom magnetisiert den Trafokern ununterbrochen in eine Richtung – hat dieser eine hohe magnetische Permeabilität, fährt er dadurch nahe an seine Sättigung, d. h. eine Steigerung des magnetischen Flusses. Soll er in diesem Zustand ein in beide Richtungen ausschlagendes Musiksignal übertragen, fehlt ihm dann nach oben die Reserve und er kann die positive Halbwelle nicht mehr richtig übertragen. Die Folge sind Verzerrungen vor allem im Bassbereich, wo die Amplituden besonders groß sind. Die Lösung hierfür ist wie so oft ein Kompromiss: Zwischen den „E“- und „I“-Elementen des Kerns wird ein definierter Luftspalt beibehalten, was die Permeabilität des Kerns senkt und so dafür sorgt, dass dieser einen gewissen Gleichstrom verträgt, ohne in die Nähe der Sättigung zu fahren. Da eben die Permeabilität entscheidend für die Induktivität ist, bezahlt man diese DC-Unempfindlichkeit mit einem schlechteren Wirkungsgrad sowie verringerter Bandbreite – der Kern braucht nochmals mehr Windungen oder einen noch größeren Kern.
Trafo à la Toroidy: Ring mit Schlitz
Da Ringkerntransformatoren durch ihre den Kern komplett umschließenden Wicklungen sehr viel weniger Windungen für dieselbe Induktivität benötigen, versprechen sie die Möglichkeit, den Ausgangsübertrager wesentlich kompakter und leichter zu halten. Vor allem aber lassen die stark verringerten Streukapazitäten eine weit größere Bandbreite zu. Gerade bei Single-Ended-Amps stoßen sie allerdings auf ein konstruktives Problem: Da ihr Kern nicht aus zwei Bauteilen montiert, sondern aus einem durchgehenden Blech wie die Spiralfeder in einem Uhrwerk ringförmig gerollt wird, gilt der erforderliche Luftspalt als kaum bis gar nicht realisierbar, da im Grunde alle gängigen Methoden, einen Schnitt durch den Kern zu führen, Kurzschlüsse zwischen den Laminatschichten verursachen würden. Toroidy hat ein Verfahren entwickelt, mit dem sich ein mikroskopisch feiner Luftspalt in den Trafokern schneiden lässt, ohne die Isolation zwischen den einzelnen Laminatschichten zu verletzen. Das Ergebnis ist ein Übertrager, der wegen seiner höheren Permeabilität zwar deutlich mehr Aufwand bei der Entwicklung der Verstärkertopologie erfordert, um Sättigung zu vermeiden, dafür aber mit einer Bandbreite von etwa 8 Hertz bis hoch zu 150 Kilohertz und mehr aufwarten kann.
Unser herzlicher Dank geht an Tomasz Lachowski von Toroidy.
