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. '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.
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' hängt auch von der Baugröße des Trafos ab.
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.
Auch ein Trafo hat Verluste, z.B. durch die Ummagnetisierung des Eisenkerns, aber auch durch die 'Kupferverluste'. Auch 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 Platzgründen 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 Betriebszustand ausgelegt. Das bedeutet für einen Transformator, der sekundär für einen Strom von 1 Ampere ausgelegt ist, der aber aus 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. Nur ist dann zu beachten, daß im Leerlauf des Trafos (also wenn kein Strom abgezapft wird), die Spannung an den Klemmen um das besagte Volt höher ist als bei Belastung. Dies ist eine konstruktionsbedingte Eigenschaft jeden Trafos; und je kleiner er ist desto höher ist dieser Wert. Dies ist wichtig, weil alle Bauteile, die von diesem Trafo gespeist werden, für die '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 auch in der Primärwicklung. 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 kleiner. Daher ist die in der Primärspule entstehende Gegenspannung geringer, und der Strom dort erhöht sich so weit, daß das Magnetfeld wieder seine ursprüngliche Stärke erhält. Auf diese Weise füllt die Primärspule Energie in das Magnetfeld nach, wenn 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 ist nicht notwendig. Ein 'normaler' Trafo müßte für eine Leistung von 240 Volt × 1 Ampere = 240 Watt ausgelegt sein, das sind etliche Kilogramm nur an Eisen. 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 durch die obere Spule und dann durch den Netzanschluß, aber nicht durch die untere Spule. Diese ist für einen Strom von 10 Watt / 230 Volt = 0,043 Ampere auszulegen.
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; er wird auch als Schutztransformator bezeichnet. Normalerweise sind Primär- und Sekundärwicklung für die gleiche Spannung ausgelegt, bei uns in Deutschland für 230 Volt.
Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner