Betrachtungen zur Primärinduktivität von Röhrenausgangsübertragern

Meßtechnische und sonstige Betrachtungen zur Primärinduktivität von Ausgangsübertragern von Röhrenverstärkern

Angeregt durch einen Thread-Beitrag mit dem Titel "Amp mit 6C33C" habe ich mal einige Messungen vorgenommen, um etwas Klarheit über die möglichen Einflußgrößen auf die Primärleerlaufinduktivität von Ausgangsübertragern für Röhrenverstärker und die dazu gehörenden Meßfehler zu bekommen.

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Die Primärleerlaufinduktivität ist eine der sehr bedeutenden Größen bei Ausgangsübertragern für Röhrenverstärker, bestimmt sie doch wesentlich die unterste übertragbare Frequenz (= Tiefbass) mit. Diese Leerlaufinduktivität wird jedoch nur sehr selten als Spezifikationsgröße bei käuflichen Ausgangsübertragern angegeben.

Als Faustformel kann man zunächst einmal annehmen, daß der Wechselstromwiderstand (der induktive Blindwiderstand) der Primärwicklung eines Ausgangsübertragers bei der untersten zu übertragenden Frequenz den ca. fünf- bis zehnfachen Wert der Nennprimärimpedanz dieses Übertragers haben soll. Sofern möglich, sollte man immer mindestens den zehnfachen Wert anstreben. Wenn wir nun als Beispiel eine Röhre 6C33C-B im Eintakt-A-Betrieb nehmen, so liegt die Nennprimärimpedanz des für diese Röhre erforderlichen Ausgangsübertragers in der Gegend von 600[Ohm]. Unter Zugrundelegung der oben genannten Faustformel müßte also der Wechselstromwiderstand der Primärwicklung bei der untersten zu übertragenden Frequenz ca. 6[kOhm] betragen. Nehmen wir weiterhin an, daß die unterste zu übertragende Frequenz 40[Hz] sein soll (nur wenige wirkungsgradstarke Breitbandlautsprecher für Röhrenverstärker (bei Viechern, Needles, PicoLinos, Sticks, Jericho-Hörnern etc. ist z.T. schon oberhalb Schluß) geben unterhalb dieser Frequenz noch was mit "Dampf" wieder), so haben wir alle Angaben, um daraus die mindestens erforderliche Primärleerlaufinduktivität des Ausgangsübertragers zu berechnen:

L = X(L) / (2 * pi * f)

Hierbei ist:

L = Primärleerlaufinduktivität in Henry [H].
X(L) = induktiver Blindwiderstand in [Ohm] (in unserem Beispiel 6[kOhm].
pi = Kreiszahl pi (3.1415926)
f = unterste zu übertragende Frequenz in Hertz [Hz] (in unserem Beispiel 40[Hz].

Hiermit kommen wir bei unserem Beispiel für die 6C33C Endstufe auf eine mindestens erforderliche Primärleerlaufinduktivität von ca. 24[H].

Nur: wie mißt man diese Induktivität der Primärwicklung, um zu bestimmen, ob der ausgewählte Ausgangsübertrager für die vorgesehene Anwendung und die dafür ausgewählte Übertragung der geplanten untersten Grenzfrequenz paßt oder nicht? Entweder man ist in der glücklichen Lage, über ein Meßgerät zu verfügen, was derart große Induktivitätswerte genau und zuverlässig bestimmen kann (was wahrscheinlich in Hobbykreisen eher selten der Fall ist). Oder man mißt diese Induktivität über "Umwege" mit Mitteln, die dem Hobbyisten üblicherweise zur Verfügung stehen. Eine dieser Meßmethoden für Hobbyisten ist in folgendem Link beschrieben:

http://www.b-kainka.de/roehren/trafos.htm

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Ziel dieses Beitrags ist es nun, die möglichen Einflußgrößen und Meßfehler dieser Meßmethode denjenigen gegenüberzustellen, die mit einem "professionellen" Meßgerät erzielt wurden, um dem selbstbauenden Amateur Anhaltspunkte für die Auslegung der Leerlaufprimärinduktivität von Ausgangsübertragern zu geben.

Die Messungen erfolgten (mangels geeignetem Exemplar eines Ausgangsübertragers für die 6C33C) hierbei nicht völlig realitätsnah. Es ging bei diesen Messungen einzig und allein um die Frage, ob sich die Meßwerte für die Primärleerlaufinduktivität, die mit einem professionellen Meßgerät gewonnen wurden, und die Meßwerte der "Hobbymethode" (nach obigem Link) decken - oder, wenn sie sich nicht decken, wieweit sie voneinander abweichen können. Aufgrund der Besonderheiten des verwendeten "Übertragers" (Ringkern) wurde das Thema Gleichstromvorbelastung des Kerns hierbei bewußt ausgeklammert (da ein Ringkern prinzipbedingt keinen Luftspalt hat und deswegen nicht mit Gleichstrom vorgespannt werden darf).

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Um den Impedanzverhältnissen einer 6C33C-B Eintaktendstufe möglichst nahe zu kommen (und, weil kein anderes Testobjekt verfügbar war), wurde als Testkandidat ein Ringkernnetztrafo verwendet, der in seinen wesentlichen Wechselstromkonstruktionsmerkmalen dem Ausgangsübertrager für eine 6C33C Eintaktendstufe nahe kommt:

- Primärspannung 230[V].
- Sekundärspannung 2 * 15[V], je 5.33[A].
- Dies ergibt bei in Serie geschalteten Sekundärwicklungen ein Spannungsuntersetzungsverhältnis von 7.66666 : 1, oder
- ein Impedanzuntersetzungsverhältnis von ca. 58.78 : 1
- Bei einer Lautsprecherimpedanz von nominal 8[Ohm] ergibt sich hieraus eine Primärimpedanz von ca. 470[Ohm].
- Diese Primärimpedanz liegt mit einem Fehler von ca. -20% in der Nähe der optimalen Primärimpedanz für eine Eintakt 6C33C-B Röhre.

Weitere Daten dieses "Übertragers":

- Ringkerntrafo, Nennleistung (bei 50[Hz]): 160[VA].
- Durchmesser: 110[mm], Höhe: 45[mm].
- Gewicht: 1.9[kg].
- kornorientiertes Siliziumeisen, 0.31[mm] dick, schlußgeglüht (dasselbe Kernmaterial, das auch für "High-End"-Ausgangsübertrager verwendet wird)

Mit diesem Trafo wurden nun verschiedene Messungen zum Thema "Primärleerlaufinduktivität" angestellt.

Diese Messungen gliederten sich in drei Teile:

a.) Messungen der Primärleerlaufinduktivität mit einem professionellen Meßgerät (HP4261A LCR-Meter).
b.) Resonanzmessungen gemäß obigem Link (Methode Kainka).
c.) Resonanzmessungen Methode "pragmatiker".

Zunächst einmal die Skizzen zu den drei verwendeten Meßmethoden:


In höherauflösend: http://666kb.com/i/cyhfjsxticbth6bs9.jpg

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Die Ergebnisse zur Methode "a.)" in der Skizze (HP4261A LCR-Meter):

- Meßfrequenz 50[Hz], Meßamplitude 50[mVeff]: Primärleerlaufinduktivität = 10.6[H].
- Meßfrequenz 50[Hz], Meßamplitude 1[Veff]: Primärleerlaufinduktivität = 10.6[H].
- Meßfrequenz 1[kHz], Meßamplitude 50[mVeff]: Primärleerlaufinduktivität = 5.4[H].
- Meßfrequenz 1[kHz], Meßamplitude 1[Veff]: Primärleerlaufinduktivität = 5.4[H].

EDIT 15.10.2005: Bei diesen Messungen ist mir ein Fehler unterlaufen - die umschaltbare Meßamplitude dieses Meßgerätes wirkt nicht bei L-Messungen, es wird immer mit 1[Veff] gemessen. Insofern sind obige 50[mV] Angaben irrelevant und müssen ignoriert werden.

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Vorbemerkungen zur Meßmethode "b.)" und "c.)":

- Dies sind Resonanzmeßmethoden. Dies heißt, daß die Signalquelle in der Frequenz solange durchgestimmt wird, bis am Spannungsmesser das Amplitudenmaximum erreicht ist.
- Zur Vergleichbarkeit der Ergebnisse ist immer bei einer definierten Amplitude am Schwinkreis zu messen. Hierzu ist die Signalquelle auf einen passenden Pegel einzustellen. Da der Pegel die Induktivität u.U. leicht verändert, kann ein Nachstellen der Generatorfrequenz auf Amplitudenmaximum erforderlich sein.
- Die Kondensatorwerte 47[nF] und 158[nF] wurde ausgewählt, weil grade keine anderen 1% Präzisionskondensatoren da waren.
- Diese Kondensatoren haben gemessene 47.3[nF] und 157.2[nF] (gemessen mit HP4261A LCR-Meter).
- Aus Faulheitsgründen wurde nicht der Aufbau mit Sinusgenerator und Oszilloskop gewählt, da hier ein Wandel & Goltermann PMG-13 Pegelmeßgerät (bei dem eine sehr genaue Signalquelle und ein sehr genauer Pegelmesser in einem Gerät integriert sind) vorhanden ist.
- Die Induktivität wurde gemäß der Formel:

L = 1 / ((2 * pi * f)exp(2) * C)

berechnet:

Hierbei gilt:

f = Frequenz in Hertz [Hz].
pi = Kreiszahl Pi (3.1415926).
exp(2) = Exponent 2 (= Quadrat) - nur für den geklammerten Term "(2 * pi * f)"!
L = Induktivität in Henry [H].
C = Kapazität in Farad [F].

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Die Ergebnisse zur Methode "b.)" in der Skizze (Methode Kainka gemäß obigem Link):

- C = 47[nF], 50[mVeff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 394.4[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 3.46[H].
- C = 47[nF], 1.00[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 294.0[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 6.24[H].
- C = 47[nF], 10.0[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 188.8[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 15.1[H].
- C = 158[nF], 50[mVeff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 210.2[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 3.63[H].
- C = 158[nF], 1.00[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 141.2[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 8.04[H].
- C = 158[nF], 10.0[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 92.1[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 18.9[H].

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Die Ergebnisse zur Methode "c.)" in der Skizze (Methode "pragmatiker"):

Vorbemerkung: Um den Einfluß der Sekundärwicklung(en) bei der Messung völlig auszuschließen, wurde eine weitere Meßmethode verwendet, die im Prinzip der Resonanzmessung in professionellen Induktivitätsmeßgeräten (z.B. Rohde & Schwarz "LARU" oder "LRT") entspricht. Um den Parallelschwingkreis möglichst wenig zu bedämpfen (und einigermaßen scharfe Resonanzmaxima zu erhalten), wurden hierbei in Serie zur Signalquelle Widerstände von 20[kOhm] und 100[kOhm] eingefügt.

Zunächst die Meßergebnisse mit einem Vorwiderstand "R" von 20[kOhm]:

- C = 47[nF], 50[mVeff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 387.1[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 3.60[H].
- C = 47[nF], 1.00[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 311.8[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 5.54[H].
- C = 158[nF], 50[mVeff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 213.7[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 3.51[H].
- C = 158[nF], 1.00[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 145.9[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 7.53[H].

Und nun - zu guter letzt - die Meßergebnisse mit einem Vorwiderstand "R" von 100[kOhm]:

- C = 47[nF], 50[mVeff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 390.9[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 3.53[H].
- C = 47[nF], 1.00[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 295.8[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 6.16[H].
- C = 158[nF], 50[mVeff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 214.2[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 3.49[H].
- C = 158[nF], 1.00[Veff] am Schwingkreis, Meßfrequenz = 144.0[Hz], berechnete Primärleerlaufinduktivität = 7.73[H].

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>>> FAZIT <<< - Schlussfolgerungen:

Aus den oben stehenden Meßergebnissen können folgende Schlüsse gezogen werden:

- Die Meßfehler können je nach Meßmethode RIESIG sein.

- Der alte Elektronikergrundsatz: "wer mißt, mißt Mist" scheint auch hier zu gelten - ein gesundes Mißtrauen gegenüber den eigenen Meßergebnissen erscheint also immer mehr als angebracht.

- Zumindest bei den Messungen mit Hobbymitteln ist neben der Frequenzabhängigkeit auch noch eine starke Amplitudenabhängigkeit der L-Meßwerte zu beobachten.

- Die Nachkommastellen der L-Meßergebnisse interessieren (erwartungsgemäß) überhaupt nicht - deren Aussagekraft ist gleich null.

- Die Meßergebnisse der (Hobby)Methode "Kainka" (= Skizze Punkt "b.)" und der (Hobby)Methode "pragmatiker" (= Skizze Punkt "c.)" weichen nur unwesentlich voneinander ab.

- Welche Meßergebnisse - die der Methode "a.)" (HP4261A) - oder die der Methoden "b.)" (Kainka) oder "c.)" (pragmatiker) die "richtigeren" sind, ist im Moment nicht bekannt.

- Durch die (erwartungsgemäß) starke Reduzierung der Primärleerlaufinduktivität mit steigender Frequenz sollte man im Idealfall immer möglichst nahe an der untersten zu übertragenden Frequenz messen, um eine möglichst reale Aussage über die dort vorhandene Induktivität zu bekommen.

- Dasselbe gilt für den Meßpegel: Im Idealfall ist ein Meßpegel von mehreren 10[Veff] anzustreben, um den realen (Vollaussteuerungs)- Betriebsbedingungen so nahe wie möglich zu kommen.

- Wird nach mehreren verschiedenen Methoden gemessen, so ist zur Sicherheit immer der niedrigste gemessene L-Wert für die weiteren Betrachtungen zu verwenden.

- Wenn man sich den vermessenen Netztrafo mit seinen Abemssungen (und ohne Gleichstromvorbelastung) ansieht (160[VA] Kernleistung) und die dort gemessenen Primärleerlaufinduktivitäten mit denen vergleicht, die z.B. für einen 6C33C-B Ausgangsübertrager erforderlich wären (ca. 24[H] bei 600[Ohm] Primärimpedanz und 40[Hz] unterster zu übertragender Frequenz), dann wird klar, daß dieser Ausgangsübertrager physikalisch kein kleiner Trafo sein kann.


Kommentare erwünscht.


Grüße

Herbert

[EDIT 09.05.2015, 16:29 Uhr]: Die Skizze, die von ImageShack von deren Server genommen wurde, auf einen anderen, zuverlässigeren Bilderhoster umgezogen.