Blogeintrag November 2016

Transformator

Ein Transformator ist in fast jedem elektrischen Gerät vorhanden. Vom kleinen Ladegerät für ein Handy über einen Trafo in einer Steuerung bis hin zu einem riesigen Kraftwerkstrafo. Ohne dieses elektrische Bauteil könnte man weder ein elektrisches Gerät betreiben noch überhaupt irgendwelche Elektrizität im Haus haben. 

Ein Transformator oder auch Trafo genannt besteht aus zwei oder noch mehr Spulen welche sich auf einem gemeinsamen Eisenkern befinden. Die Wicklungen der Spulen bestehen aus isoliertem Kupferdraht. Der Trafo funktioniert ausserdem ausschliesslich mit Wechselspannung. Er wandelt also eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann.

Dabei entspricht das Verhältnis von Eingangsspannung und Ausgangsspannung dem Verhältnis der Windungszahlen der beiden Spulen. So wird zum Beispiel bei einem Windungsverhältnis von 20 zu 1 eine Eingangsspannung von 240 Volt in eine Ausgangsspannung von 12 Volt transformiert.

Elektrogeräte

 In Elektrogeräten, die nicht direkt mit Netzspannung arbeiten, wandeln Transformatoren die an der Steckdose anliegende Netzwechselspannung von typischerweise 230 V auf die Betriebsspannung des Elektrogeräts um. Netzteile von Elektrogeräten enthalten entweder einen konventionellen Netztransformator, welcher mit Netzfrequenz und primärseitig (prinzipiell) direkt am Stromnetz betrieben wird, oder ein Schaltnetzteil, welches den Transformator mit einer höheren Frequenz als der Netzfrequenz betreibt. 

Idealer Transformator

Unter einem idealen Transformator versteht man einen in der Praxis nicht realisierbaren, verlustfreien Transformator. Diese Modellvorstellung ist hilfreich bei der Funktionsbeschreibung. In der Praxis treten mehr oder weniger große Abweichungen auf, die Gesetzmäßigkeiten gelten also nur näherungsweise. Beim idealen Transformator sind die Spannungen an den Wicklungen 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. Ausserdem verhalten sich die Ströme genau umgekehrt proportional da man davon ausgeht, dass beide Leistungen (P_primär und P_sekundär) genau gleich gross sind.

Realer Transformator

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

• Die Wicklungen der Spulen haben einen Widerstand.
• In dem Eisenkern des Trafos treten Wirbelstromverluste in Form von Wärme auf.
• Ausserdem benötigt die Ummagnetisierung des Kerns Energie.
• Die Permeabilität des Kerns hängt von der Frequenz und der Stärke des Magnetflusses ab.

Die Widerstände der Wicklungen, die Ummagnetisierung und die Wirbelströme führen zu Energieverlusten: Die Verluste aufgrund der Widerstände der Wicklungen nennt man Kupferverluste, die Verluste durch die Ummagnetisierung heißen Hystereseverluste und die Verluste aufgrund von Wirbelströmen heißen Wirbelstromverluste. Hystereseverluste und Wirbelstromverluste werden unter dem Begriff Eisenverluste zusammengefasst.