Übertrager

Übertrager oder auch Transformatoren kennt man aus der Wechselstromtechnik. Dort dienen sie meist dazu, aus der Netzspannung von U_eff=230V eine niedrigere Spannung zu machen, mit der wir normale Elektronik betreiben können. Dazu benutzen wir einen Kern aus ferromagnetischem Material, in das wir über die Primärwicklung die Energie magnetisch einspeisen und eine Sekundärwicklung, über die wir sie wieder entnehmen. Die einfachste Sache, die wir damit erreichen, ist die sogenannte Potenzialtrennung. Bei der Netzspannung wird das genutzt, um die Niederspannung berührsicher zu machen. In der Hochfrequenz ist das nützlich, um symmetrische („balanced“) und asymmetrische („unbalanced“) Systeme zu verbinden. So einen Übertrager nennen wir dann Balun.

Das Verhältnis von Ausgangsspannung U2 zur Eingangsspannung U1 ist dabei gleich dem Verhältnis der Windungszahl auf der Eingangsseite bzw. Primärseite n1 zu der Windungszahl auf der Ausgangsseite bzw. Sekundärseite n2:

n2/n1 = U2/U1

Nun ist solch ein Übertrager ein passives Bauteil und es gilt der Energieerhaltungssatz. Das bedeutet, der Strom muss passend dazu übersetzt werden, sodass sich primär und sekundär die gleiche Leistung ergibt. Das wird einfach durch die umgekehrte Übersetzung erreicht:

n2/n1 = I1/I2

Stellt man diese Gleichungen nun um sodass sich die Sekundärseite mit dem Übersetzungsverhältnis aus der Primärseite ergibt, dann kann man die beiden Gleichungen dividieren und erhält nach dem Ohm’schen Gesetz die Übersetzung der Impedanzen:

U2 = n2/n1 * U1

I2 = n1/n2 * I1

Z2 = (n2/n1)² * Z1

Das heißt, die Impedanz wird mit dem Quadrat des Windungsverhältnis transformiert. Für Netztrafos ist das weniger interessant, für Baluns dafür umso mehr. Bildet man übrigens das Produkt der beiden Gleichungen für Strom und Spannung, erhält man, dass die Leistung primärseitig und sekundärseitig wie erwartet die gleiche ist. Verluste werden bei dieser vereinfachten Betrachtung erst mal ignoriert.

P2 = P1

Eine Sache ist besonders bei kleinen Windungszahlen zu beachten: Eine Drahtschlaufe um den Kern, oder ein Draht ein Mal nur durch das Loch eines Ringkerns gesteckt, ist bereits die erste vollständige Windung. Für das Magnetfeld ist es unerheblich, wie groß die Schleife mit den Anschlussdrähten wird.

Es gibt viele Anleitungen, wie man elektrisch symmetrische und asymmetrische (manchmal auch „unsymmetrische“) Systeme wie Antennen, Speiseleitungen und Transceiver miteinander verbindet. Die Schaltbilder sind oft etwas verwirrend, weil sie eher das Wickel- und Anschluss-Schema verdeutlichen sollen. Im Prinzip sind es aber ganz normale Trafos mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung.

Was macht nun eine Wicklung zu einer symmetrischen oder einer asymmetrischen? Das entscheidet sich dadurch, wo man den Massepunkt hinlegt. Befindet sich der Massepunkt in der Mitte, haben wir eine symmetrische Wicklung, befindet sie sich am Ende einer Wicklung, ist es eine asymmetrische.

Man kann Wickelarbeit und Material auf dem Trafo sparen, in dem man den Übertrager als Spartransformator auslegt. Das heißt, symmetrische und asymmetrische Seite teilen sich eine Wicklung und haben an den passenden Stellen Anzapfungen.

Um noch weniger Wickelarbeit zu haben, kann man die Wicklungen auch aufteilen und dann den Trafo mit mehreren Drähten gleichzeitig „bifilar“ bewickeln. Die richtigen Anschlüsse findet man entweder durch unterschiedliche Farben der Isolation wieder oder indem man alles mit dem Durchgangsprüfer testet und dann beschriftet. Ein anderer Trick die Adern zu identifizieren ist, die Enden unterschiedlich lang zu machen. Zu beachten ist bei dieser Sparvariante, dass die Windungen dann kapazitiv stärker gekoppelt sind als bei „linearer“ Wickeltechnik. Ist eine geringe kapazitive Kopplung besonders wichtig, wickelt man jede Wicklung einzeln und lässt etwas Platz zwischen den Windungen. Ganz wichtig bei der gemeinsamen Wicklung ist, nicht mit dem Wickelsinn durcheinanderzukommen.

In den Grafiken haben wir nun 3 verschiedene Arten gesehen, einen sogenannten 4:1-Balun zu bauen. Das heißt, die symmetrische Balanced-Seite hat die vierfache Impedanz der asymetrischen Unbalanced-Seite.  Bei HF-Trafos ist die Bauart neben dem Transformationsverhältnis noch dadurch bestimmt, dass auch der Wellenwiderstand des Trafos selbst beachtet werden muss. Genau dafür sorgt die bifilare Wicklung, die sich hier praktisch wie eine symmetrische Leitung verhält. Für andere Impedanz-Verhältnisse gibt es viele Anleitungen im Web.

Bei Drosseln, die dazu gedacht sind, Gleichtaktströme zu unterbinden, ist die enge Kopplung ausdrücklich gewünscht. Hier sorgt die enge bifilare Wicklung nach Art einer verdrillten Zwillingslitze dazu, dass die Felder der Gleichtaktströme gut miteinander koppeln und der gewünschte Effekt, diese zu unterbinden, noch verstärkt wird. Ein netter Nebeneffekt dabei ist, dass der Kern keine so große Rolle spielt und recht klein gewählt werden kann.

Ein weiterer Trick ist, diese Drossel gleich mit dem Koaxialkabel der Speiseleitung zu machen. Denn die Gleichtaktsignale sind genau die außen auf dem Schirm anliegen. Damit die kapazitive Kopplung zwischen Ausgang und Eingang möglichst gering ist, hat sich ein bestimmtes Wickelschema bewährt, bei dem man in der Mitte der Wicklung diagonal auf die andere Seite des Ringkerns wechselt. Auf diese Weise sind Eingang und Ausgang optimal weit voneinander entfernt auf gegenüberliegenden Seiten des Ringkerns.