Transformator
Ein Transformator (kurz Trafo) ist eine elektrische Baugruppe aus einer oder mehreren Wicklungen auf einem gemeinsamen Eisenkern. Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich Wechselspannungen herauf- oder herunter transformieren, das heißt erhöhen oder verringern, und damit den technischen Erfordernissen anpassen. Erst der Transformator machte die weite Verbreitung der Elektrizität möglich, weil Hochspannungsleitungen den Transport über große Entfernungen ohne allzu große Verluste ermöglichten.
Während der Begriff Transformator eher aus dem Bereich Energietechnik kommt, heißt das funktionsgleiche Bauteil in der Nachrichtentechnik Übertrager.
Funktionsweise und Begriffe
[[Der Spulenkörper ist ein in der Regel aus Kunststoff bestehendes Formteil, welches die Wicklungen aufnimmt und ihnen mechanische Stabilität gibt. Nicht alle Transformatorbauformen erfordern dies.
Ein Transformator mit nur einer Wicklung heißt Spartransformator. Diese Wicklung hat immer eine Anzapfung, sonst wäre keine Spannungsumsetzung möglich. Bei einem Spartransformator besteht keine Potenzialtrennung zwischen Ein- und Ausgang.
Eine an die erste Wicklung ("Primärwicklung") angelegte Wechselspannung erzeugt einen veränderlichen Primärstrom und damit ein veränderliches Magnetfeld im Kern, dieses Feld durchsetzt die zweite Wicklung ("Sekundärwicklung") und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung.
Die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung ist exakt so hoch, wie das Verhältnis ihrer Windungszahl zur Primärwicklung.
Beispiel: ein Transformator mit 1000 Windungen an der Primärwicklung, 100 Windungen der Sekundärwicklung und 220 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von genau 22 Volt. Die nutzbare Betriebs- oder Nennspannung ist jedoch meist um die internen Verluste des Transformators gemindert (siehe unten).
Es lassen sich auf einem Transformator auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise aufbauen. Die Sekundärwicklungen können auch mehrere Ausgangs-Anzapfungen haben: so kann man auch mit einem Trafo, der nur eine Sekundärwicklung besitzt, mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten. Die Primärwicklungen können ebenfalls mehrere Anzapfungen haben; dann ist ein solcher Trafo für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, bei denen trotzdem auf identische Ausgangsspannungen transformiert wird.
Ein Eisenkern 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.
Auslegung und Berechnung
Optimierung
Transformatoren werden für ihren jeweiligen Anwendungszweck optimiert. Einfache Netztransformatoren arbeiten bei Netzfrequenz mit 50 Hz beziehungsweise 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 höhere Frequenz (z.B. 50kHz statt 50Hz) kann laut Transformatorenhauptgleichung eine höhere (Leerlauf-) Spannung in die Sekundärwicklung induziert werden, im Gegenzug kann bei gleicher gewünschter Sekundärspannung der Eisenquerschnitt und/oder die Windungszahl vermindert werden, so daß ein wesentlich kleinerer Trafo benötigt und viel Eisen- und Kupfer gespart werden kann. Anschaulich können wir uns vorstellen, daß die Sekundärwicklung bei einer höheren Frequenz von mehr magnetischen Feldlinien pro Sekunde geschnitten wird, damit also eine höhere Spannung induziert wird. Mindern wir nun die Windungsanzahl und den Eisenquerschnitt, dann mindern wir wieder die „Dichte“ der Feldlinien. Ein Trafo eines Schaltnetzteil arbeitet also mit einem „dünneren, schnelleren“ Feld als ein 50Hz-Transformator, um die gleiche Sekundärspannung zu induzieren.
Idealer und realer Transformator
Ein idealer Transformator hätte keine Übertragungsverluste. 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
- keine Ummagnetisierungsverluste (Fläche der Hystereseschleife gleich Null)
- 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
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".
Im Eisenkern des Transformators entstehen durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weißsche Bezirke) Ummagnetisierungsverluste. Diese treten auch bei Leerlauf auf, was besondere Anforderungen an die Magnetwerkstoffe der Kerne stellt. Beispielsweise hat ein Leistungstrafo für 37,5 kVA eine Leerlaufleistung von ca. 3,2 W/kVA, d.h. eine Verlustleistung ohne Entnahme von Sekundärstrom von 120 W. Bei Leistungstransformatoren kommen häufig Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur zum Einsatz. Mit Blechdicken von ca. 0,2-0,3 mm erhält man bei 50 Hz Verluste von ca. 0,5 - 1 W/kg (abh. von der Aussteuerung B).
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 ,
Da U = -n x Í (phi, griechische Letter), oder
U1 = -n1 x Í und U2 = Í x n2
Hier ist Í gleich, da der ferromagnetische Kern des Transformators dafür sorgt, dass für beide Spannungen (Primär- und Sekundärwicklung) Í gleich ist. Es fällt bei einer Gleichsetzung der Gleichung heraus.
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 Sekundärwicklung 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
Spannungsanpassung
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.
Energietransport
Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. Dabei wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung (bei großen Kraftwerken etwa 10kV bis 30kV) auf die Netzspannung (etwa 110kV bis 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. Auch heben sich bei der richtigen Übertragungsspannung induktive und kapazitive Blindleistung auf (Wellenwiderstand Z = (240 ... 300) Ohm). Für das Verteilnetz werden die Spannungen wieder auf 10 bis 36 kV zurück transformiert. Zur Isolation werden derartige Leistungstransformatoren häufig mit Papier-isolierten Wicklungen ausgeführt, die in ölgefüllte Behälter eingebaut werden (Öltransformator, siehe auch Bild). Bei kleinen und mittleren Leistungen kann die Wicklung auch mit Gießharz vergossen werden (Trockentransformator). Diese bei Bränden wesentlich ungefährlicheren Typen heißen Gießharztransformatoren.
Galvanische Trennung
Transformatoren mit getrennten Windungen können zur galvanischen Trennung von Verbrauchern, zum Beispiel zur Speisung von Verbrauchern mit Kleinspannung oder von Hochspannungspotential liegenden Verbrauchern durchgeführt werden
Abtrennung von Gleichstromanteilen aus Signalen
Am Verstärkerausgang elektronischer Geräte liegt neben der verstärkten Wechselspannung auch die zur Versorgung der Röhre oder des Transistors nötigen Gleichspannung. Diese kann in vielen Fällen nicht dem Verbraucher oder der nachgeschalteten Verstärkertufe zugeführt werden, da dies den Arbeitspunkt verschieben würde. In diesen Fällen wird häufig ein Transformator mit zwei getrennten Windungen verwendet.
Bestandteil von Bandfiltern
Transformatoren sind oft Bestandteile von Bandfiltern und Oszillatorschaltungen. Auch Ferritantennen werden oft als Transformator ausgeführt.
Messwandler
Transformatoren werden als Meßwandler für hohe Wechselströme und Wechselspanungen in Hochspannungsanlagen verwendet. Sie können auch als Meßwandler zur Messung der Restwelligkeiut in Gleichstromanlagen verwendet werden.
Widerstandstransformation
Eine 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. Durch die gegenseitige Anpassung an einen etwa gleich großen Wert wird der Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert.
Derartige Trafos werden auch als Audioübertrager bezeichnet und kommen häufig in sogenannten ELA-Anlagen zum Einsatz, bei denen ein Verstärker viele Lautsprecher mit meistens vergleichsweise geringer Leistung ansteuert. Der Verstärker hat dabei einen 100-V-Line-Ausgang und die Transformatoren mehrere Primäreingänge für z.B. 1, 2, 4, 8, 10 Watt und meist Sekundärausgänge für 4, 8 und 16 Ohm.
Oberwelleneliminierung
Stromrichtertransformatoren unterdrücken durch ihre spezielle Schaltung (Reihenschaltung von im Stern und in Dreieck geschalteten Sekundärwindungen) alle Oberwellen mit Ausnahme der Ordnung (12*n + 1) und (12 *n - 1) n = 1, 2, 3, 4... und ermöglichen somit erhebliche Einsparungen beim Aufbau von Oberwellenfiltern. Ihre Anwendung erfolgt hauptsächlich bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.