Transformator

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Transformator
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Ein Transformator (kurz Trafo) ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr
Spulen auf einem gemeinsamen weichmagnetischen Eisenkern. Mit Hilfe von
Transformatoren lassen sich elektrische Spannungen herauf- oder
heruntertransformieren, das heißt erhöhen oder verringern, 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.
Das physikalische Grundprinzip des Transformators ist die Spannungsinduktion
infolge der Flußänderung durch zeitlich veränderliche Magnetfelder.
Transformatoren sind elektromagnetische Energiewandler.
== 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 in der Sekundärspule erzeugte
Spannung ist exakt so hoch, wie das Verhältnis ihrer Windungszahl zur
Primärspule.
Beispiel: ein Transformator mit 1000 Windungen an der Primärspule, 100
Windungen der Sekundärspule und 220 Volt Primärspannung erzeugt in der
Sekundärspule eine Leerlaufspannung von genau 22 Volt. Die nutzbare Betriebsoder Nennspannung ist jedoch meist um die internen Verluste des Transformators
gemindert.
Es lassen sich auf einem Transformator auch mehrere getrennte
Sekundärspulen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte
Stromkreise aufbauen. Die Sekundärspulen können auch mehrere AusgangsAnzapfungen 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;
daher ist ein solcher 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.
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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
Ein normaler Trafo hat voneinander getrennte und isolierte Primär- und
Sekundärspulen, was unter Sicherheitsaspekten wichtig ist. Eine Besonderheit
ist demgegenüber der Spartransformator, der nur eine Spule mit mehreren
Anzapfungen hat. Er läßt sich in dieser Bauweise besonders kostengünstig
herstellen.
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 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
Belasteter Transformator
Der Primärstrom I1 ergibt sich zunächst aus der Primärspannung U1 Für einen
idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann: U1 · I1 = U2 · I2
Widerstandstransformation
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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 ,
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. 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. Bei moderneren Ausführungen ist die
Wicklung mit Gießharz vergossen. Diese bei Bränden wesentlich ungefährlicheren
Typen heißen Gießharztransformatoren.
Die Ummagnetisierungsverluste in einem Transformator 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-EisenLegierungen 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.
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.
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