Transformator
Ein Transformator ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen Wickelkern.
Eine an die erste Spule ("Primärspule") angelegte Wechselspannung erzeugt 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.
Der Wickelkern ist meist aus vielen einzelnen voneinander isolierten Blechen aufgebaut. Wäre der Kern massiv, würden sich durch Induktion Wirbelströme bilden, die den Wirkungsgrad erheblich verschlechtern würden und zu einer Erwärmung des Trafos führen würden.
Eine Besonderheit ist der Spartrafo, er besitzt nur eine Spule mit mehreren Anzapfungen. Ein normaler Trafo führt immer zur Potentialtrennung zwischen Primär- und Sekundärkreis, was unter Sicherheitsaspekten wichtig ist, ein Spartrafo nicht.
Bei zunehmender Frequenz kann ein Trafo mehr Leistung übertragen, was zur Entwicklung der Schaltnetzteile geführt hat. Mit diesen wird die Frequenz der Spannung erst erhöht und dann transformiert, wofür ein wesentlich kleinerer Trafo benötigt wird und so viel Material und Gewicht gespart wird.
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 Primar- und Sekundärspannung, sowie n1 und n2 die Primär- und Sekundärwindungszahl sind.
Belasteter Transformator
Der Primärstrom I1 ergibt sich zunächst aus der Primärspannung U1 und dem induktiven Blindwiderstand der primären Spule. Wird der Transformator sekundärseitig durch einen Verbraucher belastet, so fließt auch ein Sekundärstrom I2. Das von diesem erzeugte Magnetfeld durchsetzt auch die Primärspule und induziert hier eine Spannung. Hierdurch ändert sich der Blindwiderstand der Primärspule derart, dass der Primärstrom ansteigt.
Erhöhte Leistungsentnahme P2 auf der Sekundärseite (durch den Verbraucher) bewirkt so eine erhöhte Leistungszufuhr P1 auf der Primärseite (durch die Spannungsquelle). 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 Ohm'sche 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.
Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Hierdurch wird zugleich der Strom geringer, da P = U * I konstant bleibt. Ein geringerer Strom setzt aber am Ohmschen Widerstand der Leitung weniger Verlustwärme um. Am Ziel wird die Spannung wieder auf einen niedrigen Wert transformiert.
Die Widerstandstransformation wird angewendet, um Verbraucher und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes anzupassen, zum Beispiel einen Lautsprecher von 4 Ohm an den Ausgang eines Verstärkers von 1000 Ohm.