Ein Resonanztransformator, auch Boucherot-Schaltung, ist eine schwingkreisähnliche Schaltung aus Kondensator und Spule, um auf einer vorgegebenen Frequenz Leistungsanpassung zwischen Bauelementen oder Baugruppen zu erreichen. Bei niederfrequenten Anwendungen können in der Spule auch Ferritkerne zur Erhöhung der Induktivität eingesetzt werden. Bei Hochfrequenzanwendungen entfällt im Regelfall aber der Eisenkern der Spule, da dieser durch seine physikalischen Eigenschaften die transformierte Wechselspannung verzerrt und die Leistung begrenzt.

Allgemeines

Ein Resonanztransformator kann wie ein Transformator sowohl Spannung als auch Strom transformieren, besitzt aber (wie ein Spartransformator) keine galvanische Trennung und funktioniert überdies nur in einem schmalen Frequenzband. Er wird deshalb nur dann eingesetzt, wenn sich die Frequenz nicht wesentlich ändert.

Dessen Streuinduktivität ist oft durch die Anwendung erhöht, zum Beispiel, wenn ein großer Abstand gegeben (z. B. Luft bei mobiler Energieübertragung) oder nötig (z. B. wegen der Isolation) ist. Resonant betriebene Transformatoren sind ein Weg, dennoch mit hoher Effizienz Energie zu übertragen. Siehe hierzu auch Resonanzwandler.

Ein besonderer Vorteil des Resonanztransformators ist die Tiefpasswirkung, die den Oberwellengehalt des übertragenen Signals verringert.

Berechnung

Zur Bestimmung der Werte der Spule L und Kondensator C zwecks Leistungsanpassung müssen auf beiden Seiten die Impedanzen des Resonanztransformators den Beträgen der beiden externen Widerstände R₁ bzw. R₂ entsprechen.

Leistungsanpassung bedeutet, dass in obiger Schaltung, mit beispielhaften Widerstandwerten für R₁ und R₂, entweder

• eine Quelle (links) mit dem Innenwiderstand R₂ = 30 Ω möglichst viel Leistung an den Verbraucher R₁ = 140 Ω abgeben soll oder
• eine Quelle (rechts) mit dem Innenwiderstand R₁ = 140 Ω möglichst viel Leistung an den Verbraucher R₂ = 30 Ω abgeben soll.

In beiden Fällen erscheint der Wert des Verbrauchers um einen gewissen Faktor vergrößert oder verringert hinsichtlich des Wertes auf der anderen Seite des in der Abbildung rot eingerahmten Resonanztransformators.

Die Dimensionierung des Resonanztransformators kann entweder graphisch mit einem Smith-Diagramm oder wie im Folgenden rechnerisch im Rahmen der komplexen Wechselstromrechnung erfolgen. Dabei gelten die kirchhoffschen Regeln und die Gesetze für Reihenschaltung und Parallelschaltung. Der induktive Widerstand Z_L der Spule L mit der Kreisfrequenz ω = 2·π·f ist gegeben durch

${\displaystyle Z_{L}=\mathrm {j} \omega L}$

und für den kapazitiven Widerstand Z_C des Kondensators C

${\displaystyle Z_{C}={\frac {1}{\mathrm {j} \omega C}}=-{\frac {\mathrm {j} }{\omega C}}}$

Für den Ersatzwiderstand Z_gesamt zweier parallel geschalteter Widerstände gilt allgemein

${\displaystyle Z_{\mathrm {gesamt} }={\frac {Z_{1}\cdot Z_{2}}{Z_{1}+Z_{2}}}}$

Wendet man diese Formel auf die Parallelschaltung von R₁ und C an, ergibt sich

${\displaystyle Z_{R_{1}\|C}=Z_{a}={\frac {R_{1}\cdot {\frac {-\mathrm {j} }{\omega C}}}{R_{1}+{\frac {-\mathrm {j} }{\omega C}}}}={\frac {R_{1}-\mathrm {j} \omega CR_{1}^{2}}{(\omega CR_{1})^{2}+1}}=R_{1}{\frac {1-\mathrm {j} Q}{Q^{2}+1}}}$

mit der Hilfsgröße Q = R₁ωC, dem Gütefaktor. Für den Ersatzwiderstand einer Reihenschaltung muss man die Einzelwiderstände addieren; in diesem Fall ergibt sich

${\displaystyle Z_{Z_{a}+Z_{L}}=Z_{a}+\mathrm {j} \omega L}$

Für Leistungsanpassung gilt bei dieser (oben gezeigten) Schaltung

${\displaystyle \,R_{2}=Z_{a}+\mathrm {j} \omega L}$

Diese komplexe Gleichung zerfällt bei bekannten Werten von ω, R₁ und R₂ in zwei reelle Bestimmungsgleichungen für L und C, da der Imaginärteil der rechten Gleichungsseite Null sein muss. Die Lösungen lauten:

${\displaystyle Q={\sqrt {{\frac {R_{1}}{R_{2}}}-1}};\qquad C={\frac {Q}{R_{1}\omega }};\qquad L={\frac {R_{1}Q}{\omega (Q^{2}+1)}}={\frac {QR_{2}}{\omega }}}$

Beispiel: Die Leistungsanpassung im Bild soll für die Frequenz 100 MHz berechnet werden. Damit ist Q = 1,915; C = 22 pF und L = 91 nH.

Anwendungen

Anwendungen findet der Resonanztransformator in unterschiedlichen Bereichen. Im Folgenden sind einige Anwendungsbereiche beispielhaft aufgezählt.

• In Funkgeräten und der Hochfrequenztechnik verwendet man Resonanztransformatoren, die zugleich als Bandfilter dienen können:
  • Anpassung der Wellenimpedanz eines Kabels an eine Antenne (Impedanztransformation).
  • Anpassung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen (Transistoren).
  • In beiden vorstehenden Fällen können auch dazu äquivalente Leitungskreise eingesetzt werden.
• Zur Übertragung elektrischer Leistung:
  • Zum Betrieb von Kaltkathodenröhren bei Flachbildschirmen oder in elektronischen Vorschaltgeräten für Kompaktleuchtstofflampen und Energiesparlampen zur Erzeugung der notwendigen Betriebsspannung der Röhren. Typisch ist, dass diese Resonanzwandler bei noch nicht gezündeter Kaltkathodenröhre aufgrund der dann hohen Ausgangsimpedanz selbsttätig die erforderliche hohe Zündspannung bereitstellen. Dabei wird bei Betrieb an Kleinspannung und zur galvanischen Trennung der Resonanztransformator mit einem echten Transformator gebildet.
  • In Fernsehempfängern mit Kathodenstrahlröhre arbeitet der zur Speisung der Zeilenablenkspulen notwendige Zeilentransformator beim Zeilenrücklauf als Resonanzwandler und erzeugt dann die Anodenspannung der Bildröhre.
  • Bei quasiresonanten Schaltnetzteilen finden die Schaltübergänge als resonante Halbschwingung statt; damit lassen sich die Schaltverluste drastisch senken.
  • Der Tesla-Transformator erzeugt durch Resonanzüberhöhung in einer Luftspule durch deren Eigenresonanz Spannungen weit über 100 kV.
  • Mobile Geräte mit drahtloser Lademöglichkeit sind mit einer resonanten Sekundärwicklung ausgestattet und werden zum Laden oder Kommunizieren an eine Sendespule (Primärspule) angenähert (wireless charging, Drahtlose Energieübertragung oder passive RFID)

Literatur

• Heinz M. Hiersig (Hrsg.): VDI-Lexikon Energietechnik. Springer-Verlag Berlin-Heidelberg GmbH, Berlin 1994, ISBN 3-642-95749-8.
• Hans Rein, K. Wirtz (Hrsg.): Lehrbuch der drahtlosen Telegraphie. Springer Verlag, Berlin 1917.
• Alfred Fraenckel: Theorie der Wechselströme. 3. Auflage, Springer Verlag, Berlin 1930.
• Johann Siegl: Schaltungstechnik – Analog und gemischt analog-digital. 4. Auflage, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-13303-9.
• Richard Marenbach, Dieter Nelles, Christian Tuttas: Elektrische Energietechnik. Grundlagen, Energieversorgung, Antriebe und Leistungselektronik, Springer Fachmedien, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1740-2.
• Fritz Schröter, N. von Korshenewsky, W.T. Runge (Hrsg.): Lehrbuch der drahtlosen Nachrichtentechnik. Fernsehtechnik Zweiter Teil, Springer Verlag, Berlin 1963.
• Otto Zinke und Heinrich Brunswig: Lehrbuch der Hochfrequenztechnik. Band 1, Hochfrequenzfilter – Leitungen – Antennen, 4. Auflage, Springer Verlag, Berlin / Heidelberg 1990, ISBN 978-3-540-51421-3.

Siehe auch

• Leitungstheorie#λ/4-Leitung

Einzelnachweise

1. ↑ Resonanzwandler von Jörg Rehrmann: Das Netzteil- und Konverterhandbuch

Weblinks

• Grundlagen der Resonanztransformation (abgerufen am 3. November 2017)
• Resonanztransformation (abgerufen am 3. November 2017)