Anderenfalls: Wenn wir um einen Permanentmagneten (der ja ein gleichförmiges Magnetfeld erzeugt) eine Spule wickeln würden und könnten aus ihr ewig Energie herausziehen, dann hätten wir ein 'perpetuum mobile' geschaffen; einen unerfüllbaren Wunschtraum der Menschheit.
Zurück zum Transformator:
Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist die Erzeugung von Kleinspannung, mit der ungefährdet gearbeitet werden kann. Beispielsweise steckt hinter einer einfachen Steckdose dermaßen viel Energie, daß im Fall der fehlerhaften Anwendung verheerende Schäden angerichtet werden. Merke: 'Werden', nicht: 'werden können'.
Ein Eisenbahn-Transformator zum Beispiel setzt die 230 Volt aus der Steckdose in 16 Volt um. Dabei besteht wegen des Prinzips des Transformators keine direkte elektrische Verbindung zur Steckdose. Wegen der geringen Größe des Trafos wird auch nicht viel Energie übertragen, so daß Fehler sich nicht gravierend auswirken.
Rechts ist das Schaltbild eines Trafos dargestellt. Man kann sehr gut die beiden Wicklungen und den Eisenkern,
der meist aus Eisenblechen besteht, erkennen.
Trafo-Wicklungen können auch Anzapfungen haben. Dabei wird nach einer bestimmten Windungszahl ein Anschluß
'nach draußen' geführt und dann weitergewickelt. Im Schaltsymbol könnte das so wie im Bild links
dargestellt aussehen.
Ein Transformator besteht aus einem Eisenkern und normalerweise zwei Wicklungen, die ihn umschließen. Der Wechselstrom in einer der Wicklungen (Primärwicklung) erzeugt in dem Eisenkern ein Magnetfeld, das ebenfalls ein Wechselfeld ist. Dieses Magnetfeld erzeugt in der zweiten Wicklung (Sekundärwicklung) eine elektrische Wechselspannung. Die Höhe dieser Spannungen hängt von der Anzahl der Windungen ab, mit denen die Wicklungen gefertigt wurden. Die Anzahl der 'Windungen pro Volt' ist ein Merkmal der Baugröße des Trafo-Kerns.
Nehmen wir an, bei einem kleinen Trafo würde dieser Wert 25 betragen. Dann müßte die Primärwicklung (für 230 V) aus 230 × 25 = 5750 Windungen bestehen, die Sekundärwicklung (16 V) aus 16 × 25 = 400 Windungen.
Aber - auch ein Trafo hat Verluste, z.B. durch die Ummagnetisierung des Eisenkerns, aber auch durch die 'Kupferverluste'. Selbst Kupferdraht hat einen gewissen (kleinen) Widerstand, der sich durch die enormen Drahtlängen doch zu einem Wert addiert, der wesentlich ist. Man kann den Draht aus Platz- und Kostengründen nicht beliebig dick machen. Und es ist nun nicht nur die Wärme, die den Trafobauern zu schaffen macht. Wie wir bei den Widerständen schon beschrieben haben, geht bei einem stromdurchflossenen Widerstand auch Spannung 'verloren'. Daher werden Trafos für den Nenn-Betriebszustand (das ist gleichbedeutend mit Vollast) ausgelegt. Das bedeutet für einen Transformator, der sekundär für einen Strom von 1 Ampere ausgelegt ist, der aber aus irgendwelchen Fertigungsgründen einen Wicklungswiderstand von 1 Ω hat, daß in der Wicklung eine Spannung von 1 Ω × 1 Ampere = 1 Volt 'hängenbleibt'. Daher werden ein paar mehr Windungen aufgewickelt, so daß dies wieder ausgeglichen wird. (Diese Vorgehensweise bewirkt eine unterschiedliche Angabe der Windungen pro Volt in den Datenblättern bei Primär und Sekundär-Wicklung.) Nur ist dann zu beachten, daß im Leerlauf des Trafos (also wenn kein Strom abgenommen wird), die Spannung an den Klemmen um das besagte Volt höher ist als bei Nenn-Belastung. Dies ist eine konstruktionsbedingte Eigenschaft jeden Trafos; und je kleiner (d.h. leistungsschwächer) er ist, desto höher ist dieser Wert. Dies ist wichtig, weil alle Bauteile, die von diesem Trafo gespeist werden, für diese 'Leerlaufspannung' ausgelegt sein müssen.
Wie funktioniert nun ein Transformator?
Tatsächlich - er funktioniert so ähnlich wie ein Motor. Bitte schauen Sie beim Lesen auch einmal dort nach, und Sie werden es selber feststellen ...
Das von der Primärwicklung erzeugte Magnetfeld induziert nicht nur in der Sekundärwicklung eine Spannung, sondern natürlich auch in der Primärwicklung selbst. Diese Spannung ist der treibenden Spannung entgegengerichtet und so hoch, daß der entstehende Strom gerade ausreicht, die Verluste im Trafo zu kompensieren. Wird nun Strom aus der Sekundärwicklung entnommen, so entzieht diese dem Magnetfeld Energie. Die in beiden Spulen induzierte Spannung wird also kleiner. Daher ist die in der Primärspule entstehende Gegenspannung auch geringer, und der Strom dort erhöht sich so weit, daß das Magnetfeld wieder seine ursprüngliche Stärke erhält. Auf diese Weise füllt die Primärspule genau so viel Energie in das Magnetfeld nach, wie die Sekundärspule Energie von dort entnimmt. Ähnlich der Drehzahl beim Motor, wenn er belastet wird, wird beim Transformator prinzipiell die Sekundärspannung kleiner, wenn Strom entnommen wird.
Was ist ein Spar-Transformator?
Falls ihnen dieser Ausdruck einmal über den Weg läuft:Dieser Typ hat keine getrennten Wicklungen. Vielmehr ist dort nur eine einzige Wicklung (mit internen Anzapfungen) untergebracht: dies spart enorm Platz und auch Eisenkern-Größe. Ein ganz extremes Beispiel: Ich benötige eine Spannung von 240 Volt (warum auch immer), habe aber im Netz nur 230 Volt. Der Strom auf der Sekundärseite soll 1 Ampere betragen. Eine galvanische Trennung vom Netz (also 2 voneinander elektrisch getrennte Wicklungen) braucht nicht notwendig zu sein. Ein 'normaler' Trafo müßte für eine Leistung von 240 Volt × 1 Ampere = 240 Watt ausgelegt sein, das sind etliche Kilogramm an Eisen und Kupfer. Ein Spartrafo braucht nur für die Differenz der Spannungen die Leistung bereitzustellen; das wären in diesem Falle (240-230) Volt × 1 Ampere = 10 Watt; ein schnuckelig kleines Ding!
Zur Zeichnung rechts: die 'lange' Spule ist für 230 V ausgelegt, die 'kurze' für 10 V. An den äußeren beiden Anschlüssen können 240 V abgenommen werden. Der hohe Strom von 1 A fließt nur vom Netzanschluß durch die obere Spule (rot gezeichnet) und dann durch die Last, aber nicht durch die untere Spule. Diese ist nur für einen Strom von 10 Watt / 230 Volt = 0,043 Ampere auszulegen. Hier kann man sehr viel am Kupfer-Querschnitt sparen.
Wicklungs-Sinn:Einen Spartransformator kann man auch aus einem 'normalen' Trafo bauen. Dieser müßte auf der Sekundärseite eine Wicklung haben, die die Differenz der Ausgangs- zur Eingangsspannung liefern kann. Jetzt kommt es aber darauf an, ob die beiden Spulen gleichsinnig (also z.B. beide 'rechtsherum') gewickelt sind, dann addieren sich die Spannungen; wenn sie gegensinnig (also die eine 'rechtsherum', die andere 'linksherum') gewickelt sind, dann subtrahieren sie sich. Weil dies für die Funktion wichtig ist, aber aus der Zeichnung nicht so ohne weiteres herausgelesen werden kann, erhalten die beiden Wicklungen einen Kennzeichnungs-Punkt.
In der Zeichnung rechts sehen Sie so ein Schaltbild. Interessant ist weiterhin, daß die beiden Wicklungen unterschiedlich lang gezeichnet sind. Dies wird häufig gemacht, um so die Spannungsverhältnisse an den Wicklungen darzustellen.
Wenn ich demnach den oberen Anschluß der linken Wicklung mit dem unteren der rechten verbinde, dann addieren sich die Spannungen; wenn ich die beiden oberen miteinander verbinde, erhalte ich am Ausgang die Differenz der beiden Spannungen. Irgendwie logisch und einsehbar.
Aber - bitte immer daran denken, daß jetzt auch an den Sekundär-Anschlüssen Netzspannung liegt!! Und die volle Energie aus der Steckdose Unheil anrichten will!! Und - die Isolierung der Sekundärwicklung muß jetzt auch der Netzspannung standhalten!! (Normalerweise reichen ja hier die eigenen 10 Volt.)
Was ist ein Trenn-Transformator?
Wie der Name schon sagt: seine hauptsächliche Aufgabe ist es, den Sekundärkreis vom Netz zu trennen; z.B. für Reparaturarbeiten. Normalerweise sind Primär- und Sekundärwicklung für die gleiche Spannung ausgelegt, bei uns in Deutschland für 230 Volt.
Was ist die Einschalt-Dauer (ED)?
Wir haben gesehen, daß ein Transformator verlustbehaftet ist. Das drückt sich darin aus, daß er sich im Betrieb erwärmt. Dies darf aber nur bis zu einem gewissen Grad geschehen, da dann hauptsächlich die Isolier-Materialien leiden und damit der Trafo zerstört wird.
Die Angabe einer Einschaltdauer bedeutet, daß ganz allgemein ein Gerät nicht für Dauerbetrieb ausgelegt ist, weil es sich zu stark erwärmt. Es darf für eine bestimmte Zeit belastet werden, muß aber dann abgeschaltet werden um abzukühlen.
Ohne besondere Angaben gilt ein Nutzungszyklus von 10 Minuten.
Ein Transformator mit einer ED von 20% darf also für 2 Minuten mit der angegebenen Vollast (die eigentlich schon eine Überlastung ist) betrieben werden. Dann muß er für weitere 8 Minuten abgeschaltet werden.
'Last' bedeutet hier immer die zu übertragende Leistung, gemessen in VA (= Volt x Ampere).
Ein aktuelles Beispiel:
Ein Trafo wird angeboten mit einer Leistung von 270 VA bei einer ED von 20%. Die Sekundärspannungen sind 12 und 24 Volt bei einer Stromstärke von 11,25 Ampere (24 Volt × 11,25 Ampere = 270 Watt).
Der Hersteller gab auf Nachfrage an, daß der Trafo bei 100% ED (also Dauerbetrieb) mit 170 VA belastet werden dürfe. Wenn ich nur 12 Volt entnehme, belaste ich den Trafo (bei max. erlaubtem Strom von 11,25 A) mit 12 × 11,25 = 135 VA. Dies ist weit unter der erlaubten Grenze von 170 VA, und der Trafo darf also mit diesen Werten dauerhaft betrieben werden. Anders sieht es bei Entnahme von 24 Volt aus: Hier darf der maximal entnommene Strom 170 VA : 24 Volt = 7,08 Ampere dauerhaft nicht überschritten werden.
Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner