Impulstransformator

Übertrager, auch als Impulstransformator oder Pulstransformator bezeichnet, wird ein Transformator genannt, der nicht primär zur Energie- bzw. Leistungsübertragung, sondern zur Informationsübertragung von Analogsignalen oder Digitalsignalen dient.

Grundlagen

Beide Transformatorarten (Leistungs- und Signalübertragung) funktionieren nach den gleichen Prinzipien. Beim Transformator zur Leistungsübertragung kommt es auf die Effizienz (Wirkungsgrad) an, beim Übertrager jedoch auf den möglichst guten Erhalt der Signalform. Eine wichtige Eigenschaft eines Übertragers, primär für analoge Anwendungszwecke, kann z. B. die Linearität sein. Die Unterscheidung durch zwei verschiedene Begriffe existiert in vielen anderen Sprachen nicht; im Englischen heißt ein Übertrager für analoge Signale wie im Bereich der Audiotechnik coupling transformer. Für digitale Signalübertragung wie beispielsweise bei Ethernet-Schnittstellen wird die Bezeichnung pulse transformer oder nur magnetics verwendet.

Einsatzbereiche

SMD-Übertrager vom Typ TG110, wie sie bei Ethernet-Schnittstellen verwendet werden. Auf einer Leiterplatte aufgelötet

Übertrager werden u. a. eingesetzt:

• zur Anpassung des Wellenwiderstandes eines Fernkabels an die Ausgangs-Impedanz der Amtseinrichtung bzw. des Kabeltreibers
• zur Anpassung des Wellenwiderstandes eines Koaxkabels an eine Antenne; siehe Resonanztransformator
• zur galvanischen Trennung von Audio- und Hochfrequenz-Verbindungsstellen (Überspannungsschutz, Berührungsschutz, Auftrennen von Brummschleifen)
• zur Symmetrierung elektrischer Signale (Mikrofonkabel, Antennenanschlüsse); siehe Symmetrierglied, Balun
• zur Symmetrierung und zur Spannungsanpassung. (Schnittstelle) von Eingangswiderstand oder Ausgangsimpedanz in der Tontechnik;
  R_i ≪ R_a
• zur Verstärkung der geringen Mikrofonspannung und zur galvanischen Trennung von Mikrofon und Vorverstärker beim Mikrofoneingangsübertrager
• zur Bildung von Phantom-Sprechkreisen (Mehrfachnutzung von Signalleitungen in Fernsprechkabeln)
• zur Anpassung der Impedanz einer Röhrenverstärkerstufe an die Impedanz des Lautsprechers (Ausgangsübertrager) oder der nächsten Stufe (Zwischenübertrager)
• als Zündübertrager zur Übertragung des Zündimpulses für Thyristoren vom Ansteuerkreis auf den Lastkreis (mit Potentialtrennung und eventuell Impedanzanpassung)
• Zündübertrager für Blitzlampen (Spannungstransformation, keine Potentialtrennung)
• Signalübertrager zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern (Rechtecksignale für MOSFET, Bipolartransistoren, IGBT) in Schaltnetzteilen, Wechselrichtern und Frequenzumrichtern: Potentialtrennung
• Signalübertrager in lokalen Netzwerken (LAN, Ethernet) u. a. zur Potentialtrennung und Symmetrierung

Bauformen

Übertrager mit Schalenkern

Die Bauformen gleichen im Prinzip denjenigen von Transformatoren zur Leistungsübertragung.

Teilweise angewendete Besonderheiten sind:

• die Wicklungen sind bifilar ausgeführt oder ineinander gebaut (verschachtelt), um die Streuinduktivität klein zu halten (Steigerung der oberen Grenzfrequenz)
• es werden hochpermeable Kernmaterialien verwendet (Mu-Metall, hochpermeable Ferrite), um die untere Grenzfrequenz gering zu halten.

Für Hochfrequenzübertrager sind Ferritkerne für hohe Frequenzen erforderlich. Oft verwendet man ab dem UKW-Frequenzbereich Doppellochkerne.
Weitere typische Kernformen sind Ferrit-Ringkerne und -Schalenkerne.

Bei hohen Frequenzen – ab den höheren Kurzwellenfrequenzen –, wird für die Spulen oft kein Kern aus ferromagnetischem Material verwendet. Solche Übertrager bestehen aus zwei Luftspulen, die entweder ineinander geschachtelt oder axial aneinandergesetzt sind. Bei letzterer Bauform gibt es auch Ausführungen, bei denen die zweite Spule verdrehbar angeordnet ist, z. B. um die Kopplung der beiden Spulen an den Scheinwiderstand der Antenne eines Detektorempfängers oder Rundfunksenders anzupassen.

Die beiden „Wicklungen“ können bei noch höheren Frequenzen auch lediglich aus einem parallelen Drahtpaar (mit und ohne Kern) bestehen.

Theorie

Hauptartikel: Modell des Transformators.

Das Strom- und Spannungs-Übersetzungsverhältnis ist

$\frac{U_1}{U_2}=\frac{n_1}{n_2} = \ddot{u} \,$

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{n_2}{n_1} \,$

mit
n₁ = Windungszahl der Primärwicklung
n₂ = Windungszahl der Sekundärwicklung

U₁ und U₂ sind die Primär- und Sekundärspannung und I₁ und I₂ die Primär- und Sekundärstromstärke.

Das Verhältnis zwischen Primär- und Sekundär-Impedanz kann aus dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses (Windungszahlverhältnis) des Übertragers errechnet werden:

$R_{1} = R_{2} \left( \frac{n_1}{n_2} \right) ^2 \,$

oder

$R_{2} = R_{1} \left( \frac{n_2}{n_1} \right) ^2 \,$

Das für eine Impedanztransformation erforderliche Übersetzungsverhältnis kann folglich so berechnet werden:

$\ddot{u} = \frac{n_{1}}{n_{2}} = \sqrt{\frac{R_{1}}{R_{2}}} \,$

$\ddot{u}^2 = \frac{R_{1}}{R_{2}} \,$

$R_{1} = \ddot{u}^2 \cdot R_{2} \,$

oder

$R_{2} = \frac {R_{1}}{{\ddot{u}}^2} \,$

Eine wichtige Größe vieler Signalübertrager ist das Produkt aus Zeit und Spannung, bis der Kern in Sättigung gerät. Es bestimmt die untere Übertragungs-Frequenzgrenze bzw. die Länge eines Rechtecksignales, das bei gegebener Spannung noch übertragen werden kann. Das Spannungs-Zeit-Produkt U · t (Einheit Voltsekunde) errechnet sich aus der Induktivität L und dem Sättigungsstrom I_sat:

${U \cdot t} = {L \cdot {I_{sat}}} \,$

Während eines Recheckimpulses U·t steigt der Strom linear an. Erreicht er den Sättigungswert, bricht die Spannung zusammen und das Rechtecksignal wird in seiner Form verfälscht. Aus diesem Grund verwendet man für die Übertragung digitaler Signale (z. B. zur Ansteuerung von Leistungs-MOSFET) Kernmaterialien mit einer hohen Permeabilitätszahl.

Siehe auch

• Anpassungstransformator
• Trenntransformator
• Symmetrierglied

Weblinks

• Der Übertrager, das unbekannte Wesen
• Impulstransformatoren für digitale Schnittstellen.