Transformator

Transformator Ein Transformator (kurz Trafo) ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen Wickelkern. Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Spannungen herauf oder herunter transformieren, d.h. erhöhen oder erniedrigen, und damit den technischen Erfordernissen anzupassen. Erst der Transformator machte die weite Verbreitung der Elekrizität möglich, weil Hochspannungsleitungen den Transport über große Entfernungen ohne allzu große Verluste ermöglichte. Während der Begriff Transformator eher aus dem Bereich Energietechnik kommt, heißt das funktionsgleiche Bauteil in der Nachrichtentechnik: Übertrager.

Funktionsweise Eine an die erste Spule ("Primärspule") angelegte Wechselspannung erzeugt einen veränderlichen Primärstrom und damit ein veränderliches Magnetfeld im Kern, dieses Feld durchsetzt die zweite Spule ("Sekundärspule") und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung. Die Sekundärspulen können mehrere Anzapfungen haben, so kann man auch mit einem Trafo, der nur eine Sekundärwicklung besitzt, mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten. Die Primärspulen können ebenfalls mehrere Anzapfungen haben, so ist der Trafo für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, bei denen trotzdem auf identische Ausgangsspannungen transformiert wird. Ein Transformatorkern erhöht die Induktivität. Er ist meist aus vielen einzelnen voneinander isolierten Blechen aufgebaut oder aus speziellen magnetisierbaren Keramiken. Wäre der aus Blechen aufgebaute Kern massiv, würden sich durch Induktion Wirbelströme bilden, die den Wirkungsgrad erheblich verschlechtern würden und zu einer stärkeren Erwärmung des Trafos führen würden.

Ein idealer Transformator hätte keine Übertragungsverluste. Ein realer Transformator hat Übertragungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung im Kern und durch andere Effekte. Bei großen Transformatoren muss die Verlustleistung gegebenenfalls durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei starker Überlastung kann ein Transformator "durchbrennen". Spartransformator Eine Besonderheit ist der Spartransformator, er besitzt nur eine Spule mit mehreren Anzapfungen. Ein normaler Trafo führt immer zur Potentialtrennung zwischen Primär- und Sekundärkreis, was unter Sicherheitsaspekten wichtig ist.

Induktiver Koppler Ein besondere Ausführungsform des Transformators ist der induktive Koppler. Die physikalische Funktionsweise ist zum Trafo identisch, allerdings ist der Transformatorkern teilbar und beide Teile können einen, meist geringen Abstand besitzen. Optimierung Transformatoren werden für ihren jeweiligen Anwendungszweck optimiert. Einfache Netztransformatoren arbeiten bei Netzfrequenz mit 50 Hz bzw. 60 Hz und sind relativ groß. Bei zunehmender Frequenz kann ein Trafo (in gewissen Grenzen) mehr Leistung übertragen.

Eine weitere Optimierung bietet das Schaltnetzteil. Beim Schaltnetzteil wird eine annähernd rechteckförmige höherfrequente Spannung erzeugt und dann transformiert. Durch die verringerte Verlustleistung wird ein wesentlich kleinerer Trafo benötigt und so viel Material und Gewicht gespart. Unbelasteter Transformator Ein Transformator ist unbelastet, wenn an der Sekundärseite kein Verbraucher angeschlossen ist. Da bei der Induktion die Spannung zur Windungszahl proportional ist, verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen: U1 / U2 = n1 / n2 , wenn U1 und U2 die Primär- und Sekundärspannung sowie n1 und n2 die Primär- und Sekundärwindungszahl sind. Belasteter Transformator Der Primärstrom I1 ergibt sich zunächst aus der Primärspannung U1 Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann: P1 = P2 , Da die elektrische Leistung P das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I ist, P = U . I , folgt: U1 . I1 = U2 . I2 .

Da nun die Spannungen sich wie die Windungszahlen verhalten, verhalten sich dann die Ströme umgekehrt wie die Windungszahlen: I1 / I2 = n2 / n1 . Widerstandstransformation Für den elektrischen Widerstand R einer Baugruppe gilt das Ohmsche Gesetz R = U / I . Wendet man dies auf die Primär- und Sekundärspule eines Transformators an, so folgt R1 = U1 / I1 , R2 = U2 / I2 , Für das Verhältnis von Primär- und Sekundärwiderstand errechnet sich daher das quadratische Verhältnis der Windungszahlen: R1 / R2 = n12 / n22 . Anwendungen Die Spannungstransformation wird angewendet, um Spannungen auf den gewünschten Wert umzuformen (zu transformieren). Beispiel: 230 Volt aus dem Stromnetz in 12 Volt für eine Halogenlampe. Hochspannungstransformator im Schnitt, Ölisolation Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert.

Dabei wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung (bei grossen Kraftwerken etwa 10 bis 25kV) auf die Netzspannung (etwa 400kV) um. Durch die Transformation auf die hohe Spannung im Fernleitungsnetz wird der dort fließende Strom geringer, da bei der Transformation P = U * I konstant bleibt. Der geringere Strom führt dazu, dass weniger Verlustwärme durch den ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Für das Stadtnetz werden die Spannungen wieder auf die 10 bis 25 kV zurück transformiert. Zur Isolation werden derartige Leistungstransformatoren häufig in ölgefüllte Behälter eingebaut (siehe auch Bild). Bei moderneren Ausführungen ist die Wicklung mit Gießharz vergossen.

Diese bei Bränden wesentlich ungefährlicheren Typen heißen Gießharztransformatoren. Die Widerstandstransformation wird auch angewendet, um Verbraucher und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes anzupassen, zum Beispiel einen Lautsprecher von 4 Ohm an den Ausgang eines Verstärkers von 1000 Ohm. Hinweise Der ideale Transformator ist eine theoretische Sonderform des realen Transformators und zeichnet sich durch folgende Eigenschaften aus: . Permeabilität im Eisen gegen Unendlich . Leitfähigkeit des Eisen gegen Null -- keine Wirbelströme . Permeabilität der Luft gegen Null -- kein Streufluss . Leitfähigkeit der Wicklungen gegen Unendlich -- keine Wicklungsverluste Daraus ergibt sich das Durchflutungsgleichgewicht des idealen Transformators: I1n1 + I2n2 = 0

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