Transformator

Ein Transformator (von lat. transformare‚ umformen, umwandeln; kurz Trafo) überträgt elektrische Energie zwischen zwei von Wechselstrom durchflossenen Stromkreisen. Er besteht meist aus einem Eisenkern, um den Leiter so gewickelt sind, dass der Strom jedes Stromkreises mehrfach um den Eisenkern herum geführt wird.

Transformatoren gibt es von Daumennagelgröße für die Übertragung von weniger als einem Tausendstel VA (zum Beispiel für Bühnenmikrophone) bis hin zu großen Einheiten mit einem Gewicht von mehreren 100 Tonnen, die für die Kopplung nationaler Stromnetze verwendet werden und für Leistungen im Bereich von mehreren Millionen Voltampere ausgelegt sind.

Wenngleich es viele verschiedene Anwendungsgebiete und Ausführungsvarianten gibt, basieren doch alle auf den gleichen Grundprinzipien, nämlich dem des Elektromagneten in Verbindung mit dem der elektromagnetischen Induktion. Eine grundlegende Unterscheidung kann hinsichtlich des gewünschten Einsatzzwecks erfolgen in:

• Transformatoren zur Übertragung von elektrischer Leistung und
• Transformatoren zur Übertragung von Information (Übertrager)

Transformatoren zur Übertragung von elektrischer Leistung werden in der technischen Fachliteratur traditionsgemäß als ruhende elektrische Maschinen klassifiziert, wobei die allgemeiner orientierte physikalische Literatur dieser Klassifizierung nicht immer folgt. Transformatoren zur Übertragung von Information zählen zu den elektrischen Bauelementen.

Transformatoren sind für die Stromversorgung unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels Hochspannungsleitungen über weite Entfernungen wirtschaftlich sinnvoll transportiert werden kann. Sie befinden sich in nahezu allen Elektronikgeräten, die für Netzspannung gebaut sind. In der Signal- und Hochfrequenztechnik verwendet man Transformatoren sowohl zur Leistungsanpassung zwischen zwei Stromkreisen, als auch zur Impedanzanpassung zwischen einem Stromkreis und einer Leitung.

Geschichte

Patentzeichnung von William Stanley 1886

Obwohl das Induktionsprinzip seit den Entdeckungen Michael Faradays von 1831 bekannt war, wurde der Transformator erst 50 Jahre später entwickelt. Lucien Gaulard und John Gibbs stellten 1881 den ersten Transformator in London aus. Den Ungarn Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy wurde 1885 ein Patent auf den Transformator erteilt. Dieser war mechanisch nach dem umgekehrten Prinzip der heutigen Transformatoren aufgebaut; die Leiterspulen waren um einen soliden Kern aus unmagnetischem Material gewunden, darüber wurden dicke Eisendraht-Lagen gelegt, die eine ferromagnetische Schale bildeten. Dieser Transformator wurde von der Firma Ganz & Cie aus Budapest weltweit vertrieben.

Wesentlichen Anteil an der Verbreitung des Wechselstromsystems und mit ihm des Transformators hatte der Amerikaner George Westinghouse. Er erkannte die Nachteile der damals von Edison betriebenen und favorisierten Gleichstrom-Energieverteilung und setzte vorrangig auf Wechselstrom. 1885 importierte Westinghouse eine Anzahl Gaulard-Gibbs-Transformatoren und einen Siemens-Wechselspannungsgenerator für die elektrische Beleuchtung in Pittsburgh. William Stanley führte im gleichen Jahr als Chefingenieur von Westinghouse in Pittsburgh wesentliche Verbesserungen an Lucien Gaulards und John Gibbs’ Gerät durch.

Westinghouse installierte 1886 in Great Barrington, Massachusetts, einen Wechselspannungsgenerator, dessen 500 V Wechselspannung zur Verteilung auf 3000 V hochtransformiert und dann zum Betrieb der elektrischen Beleuchtung an den Anschlussstellen wieder auf 100 V heruntertransformiert wurde.

Bereits 1889 veröffentlichte der Münchner Elektroingenieur Friedrich Uppenborn ein Buch zur Geschichte des Transformators. Gisbert Kapp erarbeitete bis 1907 die Grundlagen für die Berechnung und den Bau von Transformatoren.

Der wachsende Einsatz von Transformatoren führte in Verbindung mit der Schaffung von Wechselstrom-Stromnetzen zum weltweiten Fortschreiten der Elektrifizierung.

Funktionsweise

Idealer Transformator

Schemazeichnung eines Transformators in Kettenschaltung

In der idealisierten Form („idealer Transformator“) besteht der Transformator aus einem magnetischen Kreis, welcher auch als Transformatorkern bezeichnet wird, und zwei Wicklungen. Die der elektrischen Quelle zugewandte Seite wird als Primärseite (lat. prīmarius‚ an erster Stelle) bezeichnet, die an der sich die elektrische Last befindet als Sekundärseite (lat. secundarius‚ an zweiter Stelle). Dies entspricht der Hauptrichtung des Energieflusses.

Die Wirkungsweise lässt sich durch die folgenden Mechanismen beschreiben :

1. Eine Wechselspannung U₁ auf der Primärseite des Transformators erzeugt einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Der wechselnde magnetische Fluss im Kern wiederum erzeugt eine Wechselspannung u₂ auf der Sekundärseite des Transformators (Spannungstransformation).
2. Ein Wechselstrom I₂ in der Sekundärwicklung erzeugt aufgrund des vernachlässigbaren H-Feldes im Kern, als Folge des magnetischen Kurzschlusses, einen Wechselstrom I₁ in der Primärwicklung (Stromtransformation).

Die Spannungen an den Wicklungen sind aufgrund der elektromagnetischen Induktion proportional zur Änderungsgeschwindigkeit des magnetischen Flusses und zur Windungszahl der Wicklung. Daraus folgt, dass sich die Spannungen so zueinander verhalten wie die Windungszahlen. Bezeichnet man mit N₁, N₂, U₁ und U₂ die Windungszahlen bzw. die Effektivwerte der primärseitigen beziehungsweise sekundärseitigen Spannungen, so gilt beim idealen Transformator

$U_{2}={\frac {N_{2}}{N_{1}}}\cdot U_{1}$

Durch geeignete Wahl der Windungszahlen N₁ und N₂ kann man mit einem Transformator Wechselspannungen daher sowohl hochtransformieren, indem man N₂ größer als N₁ wählt, oder heruntertransformieren, wenn N₂ kleiner als N₁ gewählt ist.

Wird an die sekundäre Wicklung ein Verbraucher angeschlossen, so entnimmt dieser dem Stromkreis Leistung. Dabei kommt ein Strom auf der Sekundärseite zustande, und der Primärstrom vergrößert sich. Im Gegensatz zu den Spannungen an den Wicklungen sind die Ströme in den Wicklungen jedoch entgegengesetzt gerichtet: Wenn der Primärstrom bezogen auf den Kern rechts herum durch die Spule fließt, fließt der Sekundärstrom links herum und umgekehrt. Im Kern selbst heben sich die von den Strömen erzeugten Magnetfelder mit Ausnahme des auch bei Leerlauf fließenden Magnetisierungsstromes auf. Außerhalb des Kerns vergrößert sich die magnetische Feldstärke aufgrund der ansteigenden Ströme jedoch.

Physikalisch lässt sich der gegensinnige Stromfluss mit dem Durchflutungssatz erklären. Dabei wird davon ausgegangen, dass die von der Primärspannung U₁ erzeugte Flussdichte B im Kern nur endlich große Werte annimmt und dass die Permeabilitätszahl μ_r des Kerns sehr groß ist. Unter diesen Umständen wird die magnetische Feldstärke H im Kern so klein, dass man sie nahezu vernachlässigen kann (H → 0), und die Anwendung des Durchflutungssatzes auf einen Integrationsweg entlang des Kernes ergibt:

$I_{2}={\frac {N_{1}}{N_{2}}}\cdot I_{1}$.

Die gegensinnige Flussrichtung des Stromes wird im Schaltbild durch den aus dem Transformator herausgerichteten Strompfeil I₂ gekennzeichnet.

Die Kombination der Gleichungen für die Spannungs- und Stromtransformation zeigt, dass bei einem idealen Transformator die primärseitig zugeführte Energie gleich der sekundärseitig entnommenen Energie ist. Der Transformator führt weder eine Zwischenspeicherung von Energie durch, noch erzeugt er Wärmeverluste:

${U_{1}\cdot I_{1}}={U_{2}\cdot I_{2}}$

Bei den Rechnungen wurden verschiedene Idealisierungen vorgenommen. Eine wesentliche Idealisierung besteht dabei in der Annahme, der magnetische Fluss Φ werde vollständig durch beide Wicklungen geführt. Dies entspricht einer Vernachlässigung des Streuflusses. Und zum Aufbau des magnetischen Feldes werde nur eine vernachlässigbar geringe Menge Energie benötigt. Dies entspricht einer Vernachlässigung des Magnetisierungsstromes und der „Eisenverluste“. Außerdem wird angenommen, dass die Wicklungen widerstandslos sind und die „Kupferverluste“ vernachlässigbar sind. Weiters ist das Verhalten des idealen Transformators frequenzunabhängig und linear.

Weg der Energieübertragung

Entgegen einer weit verbreiteten Vorstellung findet die Energieübertragung beim Transformator nicht über den Transformatorkern selbst, sondern über das elektromagnetische Feld im umgebenden Medium, welches typischerweise aus Luft oder Öl besteht, statt . Der Poyntingvektor, der die Leistungsdichte anzeigt, wird dabei gebildet von den elektrischen Feldlinien, die ringförmig um den Transformatorkern laufen, sowie den H-Feldlinien des Streufeldes, die durch Primär- und Sekundärströme gebildet werden. Streng genommen steht die Vorstellung eines idealen Transformators ohne Streufeld somit im Widerspruch zu den Maxwellschen Gleichungen. Im American Journal of Physics formuliert Newcomb diesen Zusammenhang folgerndermaßen: In conclusion, let us note that there is something paradoxical in the notion of a strictly ideal transformer [...]. If such a thing existed, we could reverse the foregoing arguments and conclude that both E and H must vanish in the exterior region, thus making it impossible to account for the power flow. Still, it should also be emphasized that the use of ideal-transformer relations is perfectly legitimate as an asymptotic approximation in the low-frequency limit. Wenn man eine Analogiebetrachtung aus dem Alltag heranzieht, so kann man sagen: Der Transformatorkern selbst hat eine ähnliche Funktion wie die Eisenbahnschienen für einen Zug: Der Kern lenkt die Ausbildung des Energieausbreitung, er enthält die Energie aber nicht selbst.

Idealer Transformator als Zweitor

Transformator als Zweitor a) in Kettenbepfeilung und b) mit symmetrischer Bepfeilung

Entsprechend der nebenstehenden Abbildung kann ein Transformator als passives Zweitor (die ältere Bezeichnung lautet Vierpol) aufgefasst werden.

Abbildung a) entspricht der im Text eingeführten sogenannten Kettenbepfeilung, bei der sowohl die eingezeichneten Spannungen als auch die Ströme die gleichen Vorzeichen aufweisen.

Die Kettenbepfeilung eignet sich am besten zur Beschreibung von Transformatoren, bei denen eine eindeutige Flussrichtung der Energie mit Primär- und Sekundärseite vorliegt.

Die Übertragungsmatrix für einen idealen Transformator in Kettenbepfeilung lautet:

${\begin{pmatrix}{I_{2}}\\{U_{2}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\gamma }&{0}\\{0}&{\frac {1}{\gamma }}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{I_{1}}\\{U_{1}}\end{pmatrix}}$

Der Buchstabe $\gamma =N_{1}/N_{2}$ bezeichnet hierbei das Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärseite.

Abbildung b) zeigt die sogenannte symmetrische Bepfeilung, bei der im Gegensatz zur Kettenbepfeilung beide Ströme in das Zweitor hinein gerichtet sind.

Die symmetrische Bepfeilung hat den Vorteil, dass beide Tore bezüglich der Vorzeichen gleich behandelt werden. Sie führt beim Transformator jedoch dazu, dass der Ausgangsstrom dem Eingangsstrom entgegengesetzt gleich ist. Gemäß Küpfmüller empfehlen die für die Vierpoltheorie gültigen Normen insbesondere bei Schaltungen mit mehr als zwei Toren nur noch die symmetrische Bepfeilung.

Die Übertragungsmatrix für einen idealen Transformator in symmetrischer Bepfeilung lautet:

${\begin{pmatrix}{I_{2}}\\{U_{2}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{-\gamma }&{0}\\{0}&{\frac {1}{\gamma }}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{I_{1}}\\{U_{1}}\end{pmatrix}}$

Realer Transformator

Ideale Transformatoren sind praktisch nicht realisierbar. Ein realer Transformator unterscheidet sich folgendermaßen vom idealen Transformator:

• Die Wicklungen haben Widerstände und eine Kapazität;
• im Eisenkern treten Wirbelstromverluste auf;
• die Ummagnetisierung des Kerns verbraucht Energie;
• nicht der gesamte magnetische Fluss $\Phi$, der die Primärwicklungen durchströmt, führt auch durch die Sekundärwicklungen, es treten vielmehr Streuflüsse auf;
• die Permeabilität des Kerns hängt von der Frequenz und der Stärke des Magnetflusses ab;
• die Sättigungseffekte des Kerns führen dazu, dass die Induktivität der Primärwicklungen nicht konstant ist, sondern von dem Primärstrom abhängt;
• der Eisenkern ändert aufgrund der Magnetostriktion in geringem Maß seine Form, wenn sich das Magnetfeld ändert.

Die Widerstände der Wicklungen, die Ummagnetisierung und die Wirbelströme führen zu Energieverlusten. Die Verluste aufgrund der Widerstände der Wicklungen bezeichnet man als Kupferverluste, die aufgrund der Ummagnetisierung als Hystereseverluste und die aufgrund der Wirbelströme als Wirbelstromverluste. Hystereverluste und Wirbelstromverluste fasst man unter dem Begriff Eisenverluste zusammen.

Die Kupferverluste hängen quadratisch von der Belastung des Transformators ab, d. h. sie sind proportional zum Quadrat der Ströme in jeder Wicklung I_x. Die Eisenverluste sind unabhängig von der Belastung, aber proportional zum Quadrat der magnetischen Flussdichte im Eisen. Die Hystereseverluste sind außerdem proportional zur Frequenz, die Wirbelstromverluste sind proportional zum Quadrat der Frequenz.

Streuflüsse bewirken, dass die Sekundärspannung etwas geringer ist als beim idealen Transformator.

Die Sättigungsmagnetisierung begrenzt die mögliche Betriebsfrequenz nach unten bzw. bei gegebener Frequenz und Windungszahl die mögliche Primärspannung nach oben. Wird die Grenze überschritten und die Sättigung erreicht, fließen primärseitig sehr hohe Ströme, während sekundärseitig die Spannung sehr gering wird. Die Sättigungsmagnetisierung spielt auch beim Einschalten des Transformators eine wichtige Rolle; der Einschaltstrom kann dabei kurzzeitig ein Vielfaches des Nennstromes betragen.

Die Magnetostriktion führt bei Transformatoren, die mit Netzfrequenz betrieben werden, zum typischen Netzbrummen.

Netzwerkmodellierung

Ersatzschaltbild eines realen Transformators

Die Netzwerkmodellierung eines Transformators kann anhand des nebenstehenden Ersatzschaltbildes erfolgen. Dabei haben die einzelnen Bauelemente die folgende Bedeutung:

• $U_{p}$: primärseitige Spannungsquelle
• $U_{s}=U_{2}$: Ausgangsspannung
• $I_{1}$, $I_{2}'$: Eingangsstrom und transformierter Ausgangsstrom
• $R_{q1}$: Innenwiderstand der primärseitigen Spannungsquelle
• $L_{\sigma 1}$, $L'_{\sigma 2}$: Streuinduktivität der Primärseite und transformierte Streuinduktivität der Sekundärseite
• $R_{1}$, $R'_{2}$: Wicklungswiderstand der Primärseite und transformierter Wicklungswiderstand der Sekundärseite
• $L_{h1}$: Hauptinduktivität, die den Magnetisierungsstrom führt
• $R_{Fe}$: lineare Modellierung der meist nichtlinearen Eisenverlust im Kern (Fe: Eisen)

Auf die Modellierung der parasitären Kapazitäten der Wicklungen wurde im abgebildeten Modell verzichtet.

Der eingezeichnete ideale Transformator gehorcht den Transformationsgleichungen:

${\frac {{\underline {U}}_{1}}{{\underline {U}}_{2}}}=\gamma {\text{ und }}{\frac {{\underline {I}}_{1}}{{\underline {I}}_{2}}}={\frac {1}{\gamma }}.$

Der Übertragungsfaktor $\gamma =N_{1}/N_{2}$ bezeichnet dabei das Verhältnis der Windungszahlen von Primär- und Sekundärseite.

Die Größen, die mit einem zusätzlichen Strich ' gekennzeichnet sind, wurden von der Sekundärseite zur Primärseite transformiert. Bei der Transformation einer Impedanz ${\underline {Z}}$ von der Sekundärseite zu einer Impedanz $Z'$ auf der Primärseite gilt die folgende Transformationsgleichung:

${\underline {Z}}'=\gamma ^{2}{\underline {Z}}$

Die Impedanztransformation bedeutet, dass die Eingangsklemmen eines Transformators für einen elektrischen Schaltkreis wie ein Widerstand $\gamma ^{2}\cdot R$ wirken, wenn man an die Sekundärseite einen Widerstand $R$ anschließt. Man kann mithilfe eines Transformators Widerstände also vergrößern oder verkleinern, indem man das Windungsverhältnis $\gamma$ ändert.

Die Impedanztransformation wird in elektronischen Schaltungen häufig zur Anpassung eines Netzwerkes an den Wellenwiderstand einer Leitung oder zur Leistungsanpassung eingesetzt. Anders als bei gyratorischer Kopplung bleibt bei transformatorischer Kopplung die Struktur des Netzwerkes erhalten, das heißt Reihen- und Parallelschaltungen bleiben erhalten, und induktives und kapazitives Verhalten werden nicht gegeneinander ausgetauscht.

Wenn es auf die galvanische Trennung des Transformators nicht ankommt, kann der ideale Transformator im Ersatzschaltbild nach Transformation aller sekundärseitigen Bauelemente auf die Primärseite entfallen.

Transformatorenhauptgleichung

Aus dem Induktionsgesetz folgt für sinusförmige Spannungen die als Transformatorenhauptgleichung bezeichnete Beziehung:

$U={\frac {2\pi \cdot f\cdot N\cdot A\cdot B}{\sqrt {2}}}\!\approx 4,44\cdot B\cdot A\cdot f\cdot N$

Dabei ist U die Spannung, B die magnetische Flussdichte im Eisenkern, A die Querschnittsfläche des Eisenkerns, f die Frequenz und N die Windungszahl.

Bei anderen Signalformen gelten anstelle von k = 4,44 andere Proportionalitätsfaktoren, und zwar für Rechteckspannung k = 4 und für Dreiecksspannung k = 4,62.

Die Transformatorenhauptgleichung kann beispielsweise verwendet werden, um bei einem bestimmten Transformator mit bekannter Sättigungsmagnetisierung und gegebener Betriebsfrequenz die maximale Primärspannung zu ermitteln; das ist diejenige, bei der das Eisen gerade noch nicht in Sättigung geht. Soll der Transformator mit einer höheren Spannung betrieben werden, lässt sich aus der Gleichung ablesen, welche Windungszahl bzw. welcher Kernquerschnitt dann erforderlich wäre. Da die Kupferverluste gering gehalten werden müssen, kann jedoch die Windungszahl nicht beliebig erhöht werden. Transformatoren sind daher um so grösser, je höher die Eingangsspannung ist. Andererseits können Größe und damit auch Gewicht eingespart werden, wenn mit höherer Betriebsfrequenz gearbeitet wird. Dies macht man sich beispielsweise bei Schaltnetzteilen zunutze.

Leerlauf und Belastung

Wenn an die Sekundärwicklung kein Verbraucher angeschlossen ist, liegt Leerlauf vor. Ein verlustloser Transformator im Leerlauf verhält sich wie eine ideale Spule. Schließt man primärseitig eine sinusförmige Wechselspannung an, fließt ein um 90 Grad phasenverschobener Strom, der als Magnetisierungsstrom bezeichnet wird und dem Aufbau des magnetischen Feldes dient. Beim realen Transformator ist die Phasenverschiebung des Leerlaufstroms gegenüber der Primärspannung aufgrund der Eisenverluste etwas kleiner als 90 Grad. Die Wirkleistung beträgt bei typischer Auslegung dabei etwa 20 % der Blindleistung. Im Leerlauf sind die Eisenverluste aufgrund des nur geringen Eingangsstroms viel größer als die Kupferverluste.

Wenn der Transformator belastet wird, fließt ein Sekundärstrom, außerdem nimmt der Primärstrom zu. Bei Nennlast ist der Primärstrom typischerweise viel grösser als im Leerlauffall.

Schließt man die Sekundärseite kurz und regelt den Eingangsstrom auf den Strom bei Nennlast, muss man die Primärspannung reduzieren. Die so eingestellte Primärspannung bezeichnet man als Kurzschlussspannung. Meist gibt man sie nicht absolut, sondern als prozentuales Verhältnis zur Nennspanung an. Bei Transformatoren mit hoher Nennleistung beträgt sie weniger als 10 %, bei Kleintransformatoren liegt sie zwischen 15 % und 40 %, bei Schweißtransformatoren beträgt sie 100 %. Transformatoren mit hoher Kurzschlussspanung bezeichnet man als spannungsweich, solche mit geringer Kurzschlussspannung als spannungssteif. Die Kurzschlussspannung hängt wesentlich von der Konstruktion des Eisenkerns ab, indem nämlich hohe Streuflüsse zu hohen Kurzschlusspannungen führen.

Als Kurzschlussstrom bezeichnet man den Strom, der bei Kurzschluss und Nennspannung fließt. Er ist viel höher als der Nennstrom und kann den Transformator in kurzer Zeit zerstören. Der Kurzschlusstrom ist um so höher, je kleiner die Kurzschlussspannung ist. Für Transformatoren mit kleiner Kurschlussspannung sind Kurzschlüsse daher gefährlich. Transformatoren, die so ausgelegt sind, dass sie im Kurzschlussfall nicht zerstört werden, bezeichnet man als kurzschlussfest.

Der Wirkungsgrad eines Transformators ist das Verhältnis der elektrischen Leistung, die den Transformator sekundarseitig verlässt, zur Leistung, die primärseitig in ihn hineinfliesst. Wegen der Eisen- und Kupferverluste ist er kleiner als 1. Transformatoren hoher Nennleistung haben Wirkungsgrade von mehr als 99 %, während der Wirkungsgrad von Kleintransformatoren um 90 % liegt. Mit Jahreswirkungsgrad bezeichnet man das Verhältnis der insgesamt pro Jahr primär- und sekundärseitig umgesetzten Energiemengen. Er liegt um so höher, je größer das Verhältnis zwischen Belastungsdauer und Einschaltdauer ist. Der Wirkungsgrad wird bei derjenigen Strombelastung maximal, bei der die Eisenverluste und die Kupferverluste gerade gleich groß sind. Transformatoren, die im Stromnetz verwendet werden, werden hinsichtlich ihres Jahreswirkungsgrades optimiert. Maschinentransformatoren sind dauernd belastet, man entwirft sie daher so, dass bei Nennlast Eisenverluste und Kupferverluste etwa gleich hoch sind. Bei einem Ortsnetztransformator liegt die mittlere Belastung nur bei ca. 40 %, man nimmt daher höhere Kupferverluste in Kauf und reduziert dafür die Eisenverluste stärker.

Signalformen und Bandbreite

Die Speisung mit einer sinusförmigen Eingangsspannung ist typisch für Leistungstransformatoren wie sie beispielsweise im öffentlichen Stromnetz eingesetzt werden. Die Netzfrequenz in einem Stromnetz ist durch die Umdrehungsgeschwindigkeit der Generatoren vorgegeben. Typische Werte für die Netzfrequenz sind 50 Hz (öffentliches Stromnetz in Europa) und 60 Hz (Stromnetz in den USA). In der Bahnstromversorgung gibt es darüber hinaus auch Netze mit Netzfrequenzen von 16,7 Hz und 25 Hz.

In PC-Netzteilen, Frequenzumrichtern und den Wechselrichtern der Photovoltaik werden in speziellen Schaltnetzteilen, sogenannten Durchflusswandlern, Rechteckspannungen mit wesentlich höheren Frequenzen erzeugt und transformiert. Die dabei eingesetzten Transformatoren dienen vorwiegend zur galvanischen Trennung und zur Spannungsanpassung, wobei eine Sättigung des Transformatorkerns vermieden wird.

In Sperrwandlern wird der Transformatorkern als Energiespeicher verwendet. Die über die Primärseite ins magnetische Feld eingebrachte Energie wird demzufolge anders als beim idealen Transformator nicht sofort entnommen, sondern erst nach Abschalten der Eingangsspannung an der Sekundärseite abgegriffen. Aufgrund des sekundärseitigen Leerlaufs verhält sich der Transformator bei der Speisung wie eine Induktivität. Bei rechteckförmigen Eingangsspannungen ergeben sich somit annähernd dreieckförmige Eingangsströme wie beispielsweise in dargestellt.

Bei der Übertragung von Signalen mit einem Transformator ist es wichtig, dass die Signalanteile aller relevanten Frequenzen übertragen werden. Bei Verwendung einer ohmschen Last weist der Transformator ein sogenanntes Bandpassverhalten auf, wie beispielsweise in dargestellt. Das bedeutet, dass der Transformator nur Signale mit einem mittleren Frequenzbereich übertragen kann. Sehr niedrige und sehr hohe Frequenzen werden hingegen nicht übertragen. Bei ungeeigneter Dimensionierung oder falscher Beschaltung kann ein Transformator darüber hinaus ein unerwünschtes Schwingverhalten, eine sogenannte Resonanzüberhöhung, aufweisen.

Die Begrenzung der Bandbreite nach unten kommt durch die Hauptinduktiviät $L_{h1}$ zustande. Sie schließt Signale niedriger Frequenzen kurz. Nach oben erfolgt die Begrenzung der Bandbreite im Netzwerkmodell allein durch die Streuinduktivitäten $L_{\sigma 1}$ und $L_{\sigma 2}$. Ihre Impedanz steigt mit der Frequenz und verhindert auf diese Weise eine Signalübertragung. Bei hohen Frequenzen ist jedoch zusätzlich auch die (nicht eingezeichnete) kapazitive Kopplung zwischen den einzelnen Windungen relevant.

In der Praxis ist der Frequenzbereich von Transformatoren nach unten vorwiegend durch die erforderliche Größe begrenzt, die mit sinkender Frequenz stark ansteigt. Der typische Frequenzbereich von Niederfrequenztransformatoren reicht hinunter bis zu einer Nennfrequenz von 16,7 Hz für die Bahnstromversorgung. Am oberen Ende des Frequenzbereiches stehen Transformatoren der Hochfrequenztechnik, bei denen die Wicklungen häufig nur noch aus wenigen oder sogar nur einer einzigen Windung bestehen. Die Frequenzspanne handelsüblicher Hochfrequenztransformatoren umfasst einen Bereich von wenigen MHz bis etwa 1 GHz.

Verhalten bei Netzstörungen und beim Einschalten

Verlauf von Strom und Spannung bei Netzstörungen am belasteten Transformator

Typisches Verhalten eines Transformators beim Einschalten. Man erkennt das Maximum des Magnetisierungsstroms nach Durchlaufen der ersten Spannungshalbwelle.

Einschaltvorgänge und Netzstörungen bewirken besonders starke Abweichungen des Transformatorverhaltens vom idealen Verhalten. Beide Vorgänge können den Transformatorkern sättigen und zu beträchtlichen Überstromen führen.

Entsprechend dem Induktionsgesetz entscheidet allein der Verlauf der Eingangsspannung, ob bei einem Transformator Sättigungserscheinungen auftreten oder nicht. Der Belastungszustand spielt keine wesentliche Rolle, und insbesondere bei Kurzschluss auf der Sekundärseite erfolgt keine Sättigung.

Bei einer typischen Netzstörung im 230 V-Netz fallen vereinfacht betrachtet einzelne oder mehrere Spannungshalbwellen bzw. Teile davon aus. Der Transformator reagiert auf das Ausfallen der Netzhalbwelle mit einem großen Sättigungsstrom in der darauffolgenden Halbwelle. Den wesentliche Beitrag zur Kernsättigung liefert die Vormagnetisierung des Kerns, die durch die Störung der Eingangsspannung verursacht wird. Beim Abschalten bzw. Ausfall der Spannung verharrt der Magnetisierungszustand des Kerns in dem Remanenzpunkt, der der Magnetisierung im Abschaltzeitpunkt am nächsten liegt. Abhängig von Polarität und Phasenlage der wiederkehrenden Netzspannung kann das dazu führen, dass ausgehend von diesem Remanenzpunkt der verbleibende Induktionshub bis zur beginnenden Sättigung kleiner ist als die Zeitfläche der wiederkehrenden Spannungshalbwelle. Die durch die Zeitfläche der wiederkehrenden Halbwelle erzwungene Flussänderung im Kern treibt diesen in die Sättigung, wobei große Magnetisierungsströme benötigt werden.

Der ungünstigste Fall für reinen Luftkern ist das Einschalten einer vollen Halbwelle, was zum 2-fachen Magnetisierungsstrom des Nennwertes führt. Der ungünstigste Fall für einen Ringkern ist das Einschalten, wenn die Remanenz bei B=Bmax liegt und die Polarität der wiederkehrenden Spannung identisch ist mit der vor dem Abschalten. Diesen Verlauf zeigt die untere Prinzipskizze. Der Magnetisierunstrom ist in diesem Fall im Wesentlichen nur noch begrenzt durch Restinduktivität und ohmsche Widerstände und kann demnach extreme Werte annehmen, weil der Transformatorkern restlos gesättigt ist und keine Magnetflussänderung mehr aufnehmen kann. Die Sättigungsmagnetisierung spielt auch beim Einschalten des Transformators eine wichtige Rolle; der Einschaltstrom kann dabei kurzzeitig ein Vielfaches des Nennstromes betragen.

Diese Einschaltvorgänge klingen in jedem Fall im Verlauf einiger Halbwellen ab, da auf Grund der Unsymmetrie der Magnetisierungsströme auch die beiden Spannungshalbwellen mit unsymmetrischen Spannungsabfällen behaftet sind. Das hat zur Folge, dass in der "Sättigungshalbwelle" stets auch etwas weniger Spannung zur Aufmagnetisierung zur Verfügung steht als zur Abmagnetisierung. Dadurch zentriert sich der Schleifendurchlauf selbsttätig.

Schlienz gibt als Zahlenwert für einen daraufhin "optimierten" 1,6 kVA-Transformator (230 V), der mit 1kW belastet wird, einen Strom von 200 A aufgrund der Sättigung an. Im Vergleich dazu fließen im Normalbetrieb weniger als 10 A.

Wicklungen

Material

Als Leitermaterial für die Wicklungen wird meist massiver Kupferdraht verwendet. Weiterhin kommen Folie, Band oder Hochfrequenzlitze zum Einsatz. Bänder, Folien von Schaltnetzteiltransformatoren und Drähte von Großtransformatoren bestehen häufig aus Aluminium.

Zur Isolierung hat der Draht eine Kunstharz-Lackierung (Kupferlackdraht) oder – früher – auch eine Umspinnung. Die dünnere Lackschicht hat ein höheres Isoliervermögen und erlaubt eine kompaktere Wicklung, als es mit umsponnenen Drähten möglich war. Relativiert wird dies bei nachfolgendem Tränken des Transformatorwickels oder beim Betrieb in Isolieröl (Transformatorenöl).

Um die Spannung zwischen benachbarten Windungen nicht allzu hoch werden zu lassen, werden Lagenisolationen eingebracht oder der Draht wird beim Wickeln in mehrere nebeneinander liegende Kammern verlegt. Eine weitere Methode, die Spannungsfestigkeit zu erhöhen, sind Folien-Wickel. Sie werden teilweise bei Schaltnetzteil-Transformatoren, aber auch bei Großtransformatoren verwendet.

Konstruktives Ziel ist eine möglichst kompakte Wicklung, um in einem durch den Kern gegebenen Wickelquerschnitt möglichst viel Kupfer unterbringen zu können. Die Art der Isolierung begrenzt die mögliche Betriebstemperatur nach oben. Eine kompakte, möglicherweise getränkte Wicklung verbessert auch die Wärmeableitung aus dem Inneren.

Herstellung der Wicklungen

Ein Spulenkörper (engl. coil former oder bobbin) hilft, die Wicklung in der passenden Form herzustellen und bietet zusätzliche Isolation zum Kern oder auch zu Nachbarwicklungen (Mehrkammer-Spulenkörper). Spulenkörper sind meist aus Kunststoffspritzguss und besitzen oft mit eingespritzte Kontaktstifte oder auch Führungen für ein- und auslaufende Wicklungsenden. Damit ist auf einer automatischen Wickelmaschine eine geordnete Wicklung möglich.

In einigen Fällen ist ein Spulenkörper zu teuer oder er schränkt den Wickelraum zu stark ein. Dann wird ein selbsttragender Wickel hergestellt und auf dem Kern mit Keilen oder anderen Zwischenlagen befestigt. Nur selten wird direkt auf die Schenkel des Transformatorkerns gewickelt, da solche Wicklungen schwer maschinell herzustellen sind.

Wicklungsanordnung

Ein geöffneter 100-VA-Trafo. Oben die Primärwicklung (230 V), unten die zwei Sekundärwicklungen (9 V).

Bei Netztransformatoren mit nur einer Wickelkammer ist die Primärwicklung meist zuunterst gewickelt – bei niedrigeren Ausgangsspannungen schützt so der meist dickere Draht der Sekundärwicklung den dünnen Draht der Primärwicklung. Bei hoher Ausgangsspannung wird durch diesen Wicklungsaufbau die Isolation zum Kern erleichtert. Das Übereinanderwickeln von Primär- und Sekundärspule wird auch Mantelwicklung genannt.

Bei Sicherheitstransformatoren sind Primär- und Sekundärwicklung in getrennten Kammern des aus Isolierstoff bestehenden Wickelkörpers untergebracht, um sie sicher voneinander zu isolieren. Die Aufteilung von Primär- und Sekundundärwicklung in mehrere Bereiche und die Anordnung dieser Teilwicklungen nebeneinander auf einem Schenkel des Kerns wird als Scheibenwicklung bezeichnet. Abstände zwischen den Scheiben dienen häufig als Kühlluftkanäle.

Audio-Transformatoren (Übertrager und Ausgangstransformatoren) haben oft ineinander greifende (sog. verschachtelte) Wicklungen, um die Streuinduktivität zu verringern und so die Übertragung hoher Frequenzen zu verbessern. Netz- und Signaltransformatoren besitzen manchmal eine Schirmwicklung. Diese ist nur einseitig an Masse angeschlossen und dient lediglich zur Abschirmung der elektrischen Felder zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Sie besteht aus einer einlagigen Drahtwicklung oder aus Folie.

Ein Transformator kann statt einer einzelnen auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise haben.

Fixierung

Manchmal wird die Wicklung mit Tränk- oder Gießharz fixiert. Dadurch verbessert sich die Isolation, die Wärmeableitung und die mechanische Festigkeit. Außerdem wird die Gefahr des Eindringens von Feuchtigkeit verringert. Besonders Schaltnetzteil- und kleine Hochspannungstransformatoren werden unter Vakuum getränkt oder beim Verguss entlüftet. Dadurch werden Lufteinschlüsse beseitigt, die andernfalls zu lebensdauerverringernden Vorentladungen führen.

Anzapfungen

Dieser Transformator stammt aus einer Elektrolokomotive: Zahlreiche Anzapfungen auf der Sekundärseite, die mit Schaltern kontaktiert werden, ermöglichen den ruckfreien Anfahrbetrieb.

Die Primärwicklung kann mehrere Anzapfungen haben; damit ist ein solcher Transformator für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, wobei dennoch auf gleiche Ausgangsspannungen transformiert wird. Ein Transformator, der sowohl für den amerikanischen (120 V) als auch den europäischen Markt (230 V) einsetzbar sein soll, kann z. B. mit einer Anzapfung der Primärwicklung am Netztransformator und einem Umschalter versehen sein. Oft werden hierzu jedoch zwei Wicklungen für je 120 V aufgebracht, die wahlweise parallel oder in Reihe geschaltet werden können. Dabei kann man die geringe Spannungsabweichung zugunsten des geringeren Kupferbedarfes meistens in Kauf nehmen.

Auch die Sekundärwicklung kann Anzapfungen besitzen, um den Transformator zum Beispiel an unterschiedliche Belastungsfälle anzupassen oder mehrere Spannungen mit gleichem Bezug zu erzeugen. Die Anzapfungen können unter Last mit speziellen Lastschaltern je nach Erfordernis (Spannungs- oder Leistungsänderung) frei gewählt werden, beispielsweise bei elektrischen Lichtbogenöfen oder Bahnfahrzeugen. Eine Stromunterbrechung wird dabei durch kleine Hilfs-Stelltransformatoren vermieden.

Wird die Wicklung der Sekundärseite nach der Hälfte der Gesamtanzahl der Windungen aufgetrennt und nach außen geführt, so wird dies als Mitten- oder Mittelanzapfung bezeichnet. So stehen drei Spannungen im Verhältnis 1:1:2 zur Verfügung. Solche Transformatoren werden als Treiber- oder Ausgangsübertrager von Gegentakt-Endstufen sowie zur Speisung einer Zweiwege-Gleichrichtung eingesetzt. Eine solche Mittelanzapfung kann man auch schaffen, indem man zwei Wicklungen mit gleicher Anzahl von Windungen auf die Sekundärseite aufbringt und diese polrichtig in Reihe schaltet. Dadurch erhält man zwei gleiche Spannungen, die sich addieren.

Bei Stelltransformatoren kann ein beweglicher Gleitkontakt jede einzelne Windung der Ausgangswicklung kontaktieren, wodurch eine stufenlose Einstellung der Ausgangsspannung ermöglicht wird.

Transformatorkern

Kernmaterial

Der Transformatorkern besteht je nach Einsatzgebiet des Transformators aus Eisen oder aus Ferriten. Einige Transformatoren haben überhaupt keinen Kern; diese bezeichnet man als Lufttransformatoren.

Ferromagnetisches Material im Spulenkern hat eine wesentlich bessere magnetische Leitfähigkeit als Luft und erlaubt so einen stärkeren magnetischen Fluss. Die wirtschaftlich größte Bedeutung haben dabei Eisenlegierungen und ferromagnetische Stähle. Für Transformatoren (Betriebsfrequenz 50 oder 60 Hz) verwendet man überwiegend sogenanntes Dynamoblech nach DIN EN 10107, das aus Eisen-Silizium-Legierungen besteht. Bei Signalübertragern werden auch Eisen-Nickel-Legierungen eingesetzt. Die maximale Flussdichte liegt bei Eisen je nach Spezifikation bei 1,5 bis 2 Tesla.

Der Kern wird aus einem Stapel aus einzelnen Blechen aufgebaut, zwischen denen elektrisch isolierende Zwischenschichten liegen, wobei die Blechfläche senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses ist. Dadurch werden die Wirbelstromverluste reduziert. Je höher die Frequenz ist, desto dünner müssen die Bleche gewählt werden. Eine Beschädigung der Isolierung der einzelnen Blechpakete kann bei großen Transformatoren zu einer erheblichen lokalen Erwärmung des Paketes führen.

Ab Frequenzen im Kilohertzbereich würden die Wirbelstromverluste bei Eisenkernen auch bei sehr dünnen Blechen zu gross. Hier verwendet man Ferritkerne, weil Ferrite zwar eine hohe Permeabilität, aber nur eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Für Transformatoren werden weichmagnetische Ferrite verwendet. Zur Herstellung von Ferritkernen wird das meist pulverförmige Ausgangsmaterial in eine Form gegeben und unter Druck gesintert (gepresst). Hierdurch ergeben sich mehr Gestaltungsmöglichkeiten als bei den Blechpaketen, insbesondere hinsichtlich der Anpassung an den Spulenkörper. Bei Ferriten liegt die maximale Flussdichte bei etwa 400 mT.

Lufttransformatoren haben den Vorteil, dass die Signalform beim Übergang von der Primär- auf die Sekundärseite nicht verfälscht wird. Im Gegensatz dazu weisen Transformatoren mit Kern aufgrund der Hysterese ein frequenzabhängiges Übertragungsverhalten auf, was zu Verzerrungen des Signals führen kann. Andererseits können Lufttransformatoren nicht so viel Leistung übertragen wie Transformatoren mit Kern und sie sind nur bei hohen Frequenzen sinnvoll einsetzbar. Sie werden daher hauptsächlich bei Signalübertragern eingesetzt.

Kernbauform

Kern aus aufgewickeltem Dynamoblech und daraus hergestellter fertig gewickelter 100VA-Ringkerntrafo

Ein 30VA-Trafo mit EI-Kern. Die Wicklungen sind durch ein Plastikgehäuse geschützt, die Anschlüsse sind verdeckt.

Der Querschnitt des Eisenkerns wird so gewählt, dass die Flussdichte möglichst in allen Teilen des Kerns nahe an die magnetische Sättigungsflussdichte kommt.

Mit einem Ringkern sind Transformatoren mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad und kleiner Baugröße möglich. Dafür ist die Herstellung (insbesondere das Wickeln der Spule) aufwändiger. Die Kernverluste sind wesentlich geringer als die von Transformatoren mit gestapelten Kernen.

Zur Herstellung eines Schnittbandkerns wird ein Blechband (Dicke 0,025–0,3 mm) auf einen Dorn mit rechteckigem Querschnitt aufgewickelt und verklebt. Anschließend wird der Wickel in der Mitte quer zerteilt und die Trennflächen werden poliert. Die Hälften werden dann in die bewickelten Spulenkörper gesteckt und verklebt. Für Schnittbandkerne werden auch texturierte Blechbänder eingesetzt.

Schnittbandkerne haben aufgrund ihrer Restluftspalte eine kleine Remanenz und damit kleinere Einschaltströme als Ringkerntransformatoren. Durch die beiden Rest-Luftspalte im Kern und dessen rechteckige Form ist die Materialausnutzung jedoch nicht so hoch wie beim Ringkerntransformator. Schnittbandkerne haben dennoch ähnlich gute Eigenschaften wie Ringkerne, die Wicklungsherstellung ist gegenüber jenen einfacher, die Schnittbandkern-Herstellung ist jedoch gegenüber anderen Kernbauformen etwas teurer.

Bei gestapelten Blechkernen sind folgende Bauformen gebräuchlich:

• EI-Kern: gleichsinnig (Luftspalt!) oder wechselseitig geschichteter Stapel aus Blechen in E- und I-Form; die Außenschenkel der E-Bleche sind halb so breit wie der Mittelschenkel; ein Wickel auf dem Mittelschenkel. Der Luftspalt (gleichsinnige Montage) ist bei der Montage durch Zwischenlagen variierbar.
• M-Kern: Blechform in der Form eines unten geschlossenen M, der Mittelteil ist am Ende unterbrochen, um die Bleche in den Wickel stapeln zu können, ein Wickel auf dem Mittelschenkel. M-Kerne bzw. -Bleche können einen Luftspalt aufweisen. Der Mittelschenkel ist doppelt so breit wie die Außenschenkel.
• UI-Kern: wechselseitig gestapelte Bleche in der Form eines U und eines I; zwei Spulenwickel auf den langen Seiten des U.
• LL-Kern: zwei L-förmige Bleche werden jeweils umgekehrt gegeneinander gelegt und wechselseitig orientiert gestapelt. Zwei Wickel auf den langen Seiten. LL-Kerne können eine Jochverstärkung aus rechteckigen Blechen neben den Wickeln aufweisen, wenn längs der Wickel texturierte (kornorientierte) Bleche zum Einsatz kommen.
• Die Bleche von Kernen für die jeweils drei Spulensätze von Drehstromtransformatoren sind rechteckig mit speziellen Maßen zugeschnitten und ineinander geschachtelt oder sie bestehen aus E-förmigen Blechen gleicher Schenkelbreiten sowie zugehörigen, die E-Enden überbrückenden I-Blechen für das Joch.

Luftspalt

Streufeldtransformator 400 VA mit einstellbarem magnetischem Nebenschluss und Stellrad zur Anpassung des Ausgangsstromes (Vorschaltgerät für Leuchtröhren); oben: Sekundärwicklungen; unten: Primärwicklungen; Höhe 215 mm

An manche Transformatoren werden besonders hohe Anforderungen an die Linearität der Strom-Spannungs-Kennlinie gestellt oder sie dienen gleichzeitig der Zwischenspeicherung magnetischer Energie (Sperrwandler). Dies kann durch einen Luftspalt im magnetischen Kreis erreicht werden (quasi eine Mischform von Lufttransformator und Eisenkerntransformator), in dem nun ein wesentlicher Teil der magnetischen Feldenergie gespeichert wird. Der Feldstärkebedarf und damit der Magnetisierungsstrom steigen, die Kennlinie wird geschert bzw. linearisiert. Die im Luftspalt gespeicherte magnetische Energie vergrößert die Blindleistung, wird jedoch fast verlustfrei wieder abgegeben.

Luftspalte werden bei Gleichstrom-Anteilen im Primärstrom (siehe Ausgangsübertrager) und bei Sperrwandler-Übertragern benötigt. In sehr einfachen Schweißstromquellen erfüllen sie ebenfalls diese Funktion, denn dort wirkt der Schweißlichtbogen ungewollt als Gleichrichter.

Durch ein zusätzliches unbewickeltes Joch mit Luftspalt wird bei Lichtbogen-Schweißtransformatoren und Streutransformatoren (u. a. für Leuchtröhren) eine Strombegrenzung bewirkt. Das Joch dient als magnetischer „bypass“. Solche Transformatoren sind kurzschlussfest und besitzen oft eine mechanische Verstellmöglichkeit des Luftspaltes im Joch, sodass der abgegebene Strom eingestellt werden kann. Der magnetische Fluss in diesem Joch steigt mit dem abgegebenen Strom und kann daher auch zur Auslösung einer Überstromabschaltung herangezogen werden.

Luftspalte vergrößern lokal in der Nähe des Spaltes den Streufluss, der möglicherweise dort (z. B. im Trafokessel) zu Verlusten und Störungen führt. Auch in der weiteren Umgebung besitzen solche Transformatoren oft einen erhöhten Streufluss, da ein größerer Anteil des Gesamtfeldes außerhalb des Kernes auftritt.

Anwendungen

Energietechnik

Transformator in der Umspannstation Alter Hellweg in Unna

In der Energietechnik verwendet man Transformatoren, um die verschiedenen Spannungsebenen des Stromnetzes miteinander zu verbinden. Maschinentransformatoren sind noch Teil der Kraftwerke und transformieren die im Generator induzierte Spannung zur Einspeisung in das Stromnetz in Hochspannung (in Westeuropa 220 kV oder 400 kV). Umspannwerke verbinden das überregionale Höchstspannungsnetz mit den Mittelspannungsnetz der regionalen Verteilnetze. In Transformatorenstationen wird die Elektrizität des regionalen Verteilnetzes mit der Mittelspannung von 10 bis 36 kV zur Versorgung der Niederspannungsendkunden auf die im Ortsnetz verwendeten 400 V bzw. 230 V transformiert. Wegen der hohen übertragenen Leistungen bezeichnet man die in der Stromversorgung verwendeten Transformatoren - meist handelt es sich um Drehstromtransformatoren - auch als Leistungstransformatoren, sie sind meistens als ölgefüllte Transformatoren ausgeführt.

Insbesondere in ringförmigen und mehrfach gespeisten Verteilnetzen ist es üblich, die übertragbare Leistung durch Parallelschaltung von Transformatoren zu erhöhen. Hierzu müssen die eingesetzten Transformatoren gleiche Spannungsübersetzung, nahezu gleiche Kurzschlussspannung und ähnliche Bemessungsleistungen haben. Zur Steuerung werden direkt in den Transformatorgehäuse Stufenschalter integriert.

Elektrogeräte

Zwei Steckernetzteile, links als Schaltnetzteil mit einer Ausgangsleistung von 20 Watt, rechts konventionell (Trafo/Gleichrichter) mit einer Ausgangsleistung von 3,6 Watt

Transformatoren verwendet man auch, um die an der Steckdose anliegende Netzspannung (in Europa 230 V) in Elektrogeräten oder Leuchten auf deren Betriebsspannungen zu transformieren. Die eingesetzten Trafos bezeichnet man auch als Kleintransformatoren oder - da sie an der Netzwechselspannung arbeiten - als Netztransformatoren. Sie können in speziellen Fällen auch ohne galvanische Trennung, d.h. als Spartransformator, ausgeführt sein.

Sicherheitstransformatoren liefern sekundärseitig eine Kleinspannung, z.B. 6 V, 12 V oder 24 V. Sie müssen kurzschlussfest sein und die Isolation der Sekundär- von der Primärwicklung muss durch eine Zwischenwand aus Isolationsmaterial sichergestellt werden. Zu den Sicherheitstransformatoren gehören Spielzeugtransformatoren wie beispielsweise Transformatoren für den Betrieb von Modelleisenbahnen und Klingeltransformatoren.

Trenntransformatoren dienen dazu eine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite zu erreichen. Sie sind meist symmetrisch aufgebaut, d.h. die Primärspannung entspricht der Sekundärspannung.

Netzteile von Elektronikgeräten wie zum Beispiel von Notebooks oder in PCs sind meist Schaltnetzteile; bei diesen wird die Netzspannung zunächst gleichgerichtet und anschließend vor der Transformation wieder in eine Wechselspannung wesentlich höherer Frequenz umgewandelt. Eine höhere Frequenz, als die übliche Netzfrequenz, ermöglicht bei gleicher Leistung einen kleineren und damit leichteren Transformator und kleinere Siebglieder zur Glättung der vom entsprechenden Gerät benötigten Gleichspannung.

Fernsehgeräte oder Computermonitore mit Bildröhren enthalten einen Zeilentransformator, mit dem neben der Versorgung der Zeilen-Ablenkspulen auch die für die Beschleunigung der Elektronen erforderliche Spannung (20-30 kV) erzeugt wird.

Signalübertragung

Übertrager vom Typ TG110, wie sie bei Ethernet-Schnittstellen verwendet werden.

Übertrager und auch Pulstransformatoren sind Transformatoren, die nicht auf möglichst verlustfreie Energieübertragung, sondern auf möglichst unverfälschte Transformation von Signalen optimiert sind. Übertrager werden im Niederfrequenzbereich mit Eisenkern, bis in den einstelligen Megahertzbereich mit Ferritkern und darüber als Lufttransformatoren gefertigt. Sie dienen der Impedanzanpassung und/oder der galvanischen Trennung der Signalstromkreise.

In der Tontechnik werden Transformatoren zur Impedanzwandlung eingesetzt. Sie spielen in jeder Stufe der Signalverarbeitung eine Rolle, so in Mikrofonen, DI-Boxen, Verstärkern und Lautsprechern. In ELA-Anlagen werden die Audiosignale meist per 100-Volt-Technik fast verlustfrei über längere Leitungen übertragen und erst direkt am Lautsprecher wieder durch einen Transformator an die Impedanz des Lautsprechers angepasst. Über die oft vorhandenen Anzapfungen der Primärwicklung lässt sich die Lautstärke (Leistung) in groben Schritten (oft 6 – 3 – 1,5 Watt) einstellen.

Sonstige Anwendungen

Weidezauntransformator A5500, primärseitig 12 V, sekundärseitig 5–9 kV. Maximale Zaunlänge je nach Stärke des Bewuchses 5–30 km.

Tesla-Transformatoren besitzen keinen Eisenkern und arbeiten mit Frequenzen im Bereich von 30 bis 500 kHz. Damit lassen sich hohe Spannungen und Plasmaerscheinungen erzeugen. Sie sind kommerziell unbedeutend. Ein Stromwandler dient zur Messung hoher Stromstärken, indem er diese heruntertransformiert. Er besteht oft aus einem Ringkern mit Sekundärspule, der den Leiter umschliesst, dessen Strom gemessen werden soll. Stromwandler werden zwar nicht als Transformator bezeichnet, funktionieren jedoch ebenso. Rogowskispulen sind wie Stromwandler aufgebaut, besitzen jedoch keinen Eisenkern. Sie dienen der Strommessung. Mittelfrequenztransformatoren sind für Frequenzen von einigen Hundert Hertz bis zu einigen Kilohertz ausgelegt. Sie werden beispielsweise beim Widerstandsschweißen eingesetzt. Bei einem Tokamak wird nach dem Transformatorprinzip in einem ringförmigen Vakuumgefäß, das als "Sekundärwicklung" dient, durch ringförmige Primärspulen eine Spannung induziert, die zu einer Gasentladung und zur Aufheizung des sich dort bildenden Plasmas führt. Ein Weidezauntransformator hat primärseitig Niederspannung und sekundärseitig 2 bis 10 kV.

Normen und geltende Richtlinien

Ein Transformator, der mit Spannungen bis 1000 Volt betrieben wird, darf innerhalb der Europäischen Union nur dann in den Handel und in den Betrieb gebracht werden, wenn er entsprechend der europäischen Niederspannungsrichtlinie beschaffen ist. In Deutschland wird dies mit der Anwendung der Ersten Verordnung zum Geräte- und Produktsicherheitsgesetz umgesetzt.

Neben der allgemein für alle elektrische Geräte geltenden Niederspannungsrichtlinie muss ein Transformator in Europa noch mit weiteren spezielleren Regelungen übereinstimmen, speziell der jeweiligen nationalen Fassung der Norm EN 61558 IEC 61558.

Die Übereinstimmung des Transformators mit den europäischen Richtlinien wird mit der CE-Kennzeichnung dokumentiert. Der Transformator kann dann ohne weitere Kontrollen und Prüfungen innerhalb der EU in den Verkehr gebracht werden. In Teil 1 der EN 61558 IEC 61558 werden allgemeine Anforderungen und Prüfungen beschrieben. Im Teil 2 sind die speziellen Transformatortypen wie z. B. Sicherheitstransformatoren (Teil 2–6) oder Schaltnetzteiltransformatoren (Teil 2–17) jeweils als eigene Norm aufgeführt, die sich jedoch auf Teil 1 für die grundlegenden Anforderungen beziehen.

Deutsche DIN-Fassung der Europäischen Norm EN 61558 IEC 61558 (bzw. die entsprechenden VDE-Richtlinien-Dokumente) für Transformatoren sind:

• DIN EN 61558-2-1 (VDE 0570 Teil 2-1): 1998-07, Sicherheit von Transformatoren, Netzgeräten, Besondere Anforderungen an Netztransformatoren für allgemeine Anwendungen
• DIN EN 61558-2-2 (VDE 0570 Teil 2-2): 1998-10, Besondere Anforderungen an Steuertransformatoren
• DIN EN 61558-2-3 (VDE 0570 Teil 2-3): 2000-09, Besondere Anforderungen an Zündtransformatoren für Gas- und Ölbrenner
• DIN EN 61558-2-4 (VDE 0570 Teil 2-4): 1998-07, Besondere Anforderungen an Trenntransformatoren für allg. Anwendungen
• DIN EN 61558-2-6 (VDE 0570 Teil 2-6): 1998-07, Besondere Anforderungen an Sicherheitstransformatoren für allgemeine Anwendungen
• DIN EN 6158-2-8 (VDE 0570 Teil 2-8): 1999-06, Besondere Anforderungen an Klingel- und Läutewerkstransformatoren
• DIN EN 61558-2-13 (VDE 0570 Teil 2-13): 2000-08, Besondere Anforderungen an Spartransformatoren für allg. Anwendungen
• DIN EN 61558-2-15 (VDE 0570 Teil 2-15): 2001-11, Anforderungen für Trenntransformatoren zur Versorgung medizinischer Räume
• DIN EN 61558-2-17 (VDE 0570 Teil 2-17): 1998-07, Besondere Anforderungen an Transformatoren für Schaltnetzteile
• DIN EN 61558-2-19 (VDE 0570 Teil 2-19): 2001-09, Besondere Anforderungen an Störminderungstransformatoren
• DIN EN 61558-2-20 (VDE 0570 Teil 2-20): 2001-04, Besondere Anforderungen an Kleindrosseln

Für Spannungen größer als 1000 Volt gilt VDE 0101, Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1 kV – Deutsche Fassung HD 637 S1: 1999.

• DIN EN 50464-1:2007 (VDE 0532-221): Ölgefüllte Drehstrom-Verteilungstransformatoren 50 Hz, 50 kVA bis 2500 kVA mit einer höchsten Spannung für Betriebsmittel bis 36 kV – Teil 1: Allgemeine Anforderungen
• DIN EN 60076-11:2005 (VDE 0532-76-11): Leistungstransformatoren – Teil 11: Trockentransformatoren

Literatur

• Peter Bastian, Horst Bumiller, Monika Burgmeier, Walter Eichler, Franz Huber, Jürgen Manderla, Jürgen Schwarz, Otto Spielvogel, Klaus Tkotz, Ulrich Winter, Klaus Ziegler: Fachkunde Elektrotechnik. 25. Auflage. Verlag EUROPA-Lehrmittel, 2006, ISBN 3-8085-3159-2. 
• H. R. Ris: Elektrotechnik für Praktiker. 1. Auflage. Buchverlag Elektrotechnik Aarau (Schweiz), 1990, ISBN 3-905214-11-3. 
• Hans-Ulrich Giersch, Hans Harthus, Norbert Vogelsang: Elektrische Maschinen. 5. Auflage. Teubner Verlag, 2003, ISBN 3-519-46821-2. 
• Rudolf Janus: Transformatoren. VDE-Verlag, ISBN 3-8007-1963-0. 
• Helmut Vosen: Kühlung und Belastbarkeit von Transformatoren. VDE-Verlag, ISBN 3-8007-2225-9. 
• Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 12. Auflage. Hanser, ISBN 3-446-22693-1. 
• Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme – Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Springer-Verlag, 2006, ISBN 3-540-29664-6. 

Weblinks

Commons: Transformator – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Transformator – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wikibooks: Transformator – Lern- und Lehrmaterialien

• TU-Ilmenau: Lernprogramm Transformator
• National High Magnetic Field Laboratory der Florida State University: Simulation eines Transformators (Java-Applet, engl.)
• Lehrgang „Grundlagen der Elektrotechnik, Transformator“ der Uni-Dortmund von 2003
• Deutsches Kupferinstitut: Auswahl und Berechnung von Klein-Transformatoren