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Transformatoren: Elektrische Wechselspannung transformieren

Ohne Transformatoren gäbe es weder Radio noch Fernsehen, wir könnten uns weder mit Autos noch mit Zügen oder Flugzeugen fortbewegen und ohne Telefon oder Internet nur recht mühsam kommunizieren. Denn alle diese Errungenschaften nutzen die Kraft von Strom – der allerdings in seiner Leistung auf das jeweilige "Endgerät" angepasst sein muss. In diesem Ratgeber stellen wir Ihnen die wichtigsten Transformatortypen vor, erklären kurz wie sie funktionieren und für welche Zwecke sie geeignet sind.



Das Funktionsprinzip

Primärspule (P) und Sekundärspule (S) eines Trafos

Ein Transformator – auch Transformer oder kurz Trafo – ist ein passives elektrisches Gerät, das elektrische Energie von einem Stromkreis auf einen anderen oder auf mehrere Stromkreise überträgt. Ein variierender Strom in einer Spule des Transformators erzeugt einen variierenden magnetischen Fluss im Kern des Transformers, der wiederum eine variierende elektrische Kraft über alle anderen Spulen induziert, die um denselben Kern gewickelt sind. Elektrische Energie kann zwischen getrennten Spulen ohne eine leitende Verbindung übertragen werden.

Die Hauptbestandteile eines Transformers sind ein Eisenkern, der als magnetischer Leiter dient, eine Primärwicklung oder Spule aus Draht und eine sekundäre Wicklung oder Spule aus Draht. Transformatoren funktionieren nicht mit Gleichstrom, da dieser keine wechselndes Magnetfeld aufbauen kann. An eine konstante Gleichstromversorgung angeschlossen, brennt er durch. Er kann jedoch an einer pulsierenden Gleichstromquelle arbeiten.



Wesentliche Merkmale eines Transformators

Am häufigsten sind Transformatoren im Einsatz, wenn hohe Wechselspannungen bei niedrigem Strom in niedrige Wechselspannung bei hohem Strom transferiert werden sollen. Sie lassen sich außerdem zur induktiven Kopplung der Stufen von Signalverarbeitungsschaltungen verwenden.

Seit der Erfindung des ersten Transformators für konstante Spannung im Jahr 1885 sind Transformatoren für die Übertragung, Verteilung und Nutzung von elektrischem Strom unentbehrlich geworden. In elektronischen und elektrischen Anwendungen findet sich eine große Bandbreite von Transformatorenkonstruktionen. Die Größe der Trafos reicht dabei von Hochfrequenztransformatoren mit einem Volumen von weniger als einem Kubikzentimeter bis hin zu Einheiten mit einem Gewicht von Hunderten von Tonnen, die zur Verbindung der Stromnetze verwendet werden.

Unterschiedliche Ausgangsspannungen an der Sekundärspule



Diese Transformatortypen gibt es

Netztransformatoren

Dies ist der am weitesten verbreitete Typ. Zu finden sind diese Netztrafos in der Übertragung von Strom sowie in Geräten zur Umwandlung von Netzspannung in Niederspannung für die Versorgung elektrischer und elektronischer Geräte. Netztransformatoren sind in Leistungen von Milliwatt bis Megawatt erhältlich.

Bei kleinen Geräten und elektronischen Transformatoren lässt sich ein geteilter Spulenkörper verwenden, wodurch ein hohes Maß an Isolierung zwischen den Wicklungen erreicht wird. Die rechteckigen Kerne bestehen aus Stanzteilen, oft in E-I-Formpaaren, aber manchmal werden auch andere Formen verwendet. Abschirmungen zwischen Primär- und Sekundärseite können angebracht sein, um EMI (elektromagnetische Interferenz) zu reduzieren, oder es wird gelegentlich eine Schirmwicklung verwendet.

Kleine Geräte und elektronische Transformatoren besitzen oft einen in die Wicklung eingebauten Thermoschutzschalter. Der schaltet den Strom bei hohen Temperaturen ab und verhindert eine weitere Überhitzung.


Sicherheitstransformatoren

Ein Sicherheitstransformator wandelt die 230-Volt-Netzspannung in eine niedrige, für den Menschen ungefährliche Wechselspannung von bis zu 50 Volt um.
Häufig sind diese Trafos kurzschlussfest oder bedingt kurzschlussfest, sie besitzen eine verstärkte Isolierung und unterliegen verschärften Prüfbedingungen.


Steuertransformatoren

Steuertransformatoren dienen zur elektrischen Versorgung von Hilfsstromkreisen beispielsweise in der Energie- und Automatisierungstechnik sowie beim Schaltschrankbau.
Bei induktiver Last zeigen sie einen nur geringen Spannungsabfall.
Die Norm EN 60204-1 spezifiziert den Einsatz dieser Transformatoren in elektrischen Anlagen.
Bei einer Störung wird beispielsweise der Kurzschlussstrom im Steuerkreis begrenzt.


Printtransformatoren

Printtransformatoren verdanken ihre Bezeichnung der Montageform: 

Sie sind speziell für den Einsatz in gedruckten Schaltungen gedacht, werden also direkt auf die Leiterplatte gesetzt und dort verlötet.
Vom technischen Prinzip her sind sie mit normalen Transformatoren identisch, besitzen aber deutlich kleinere Abmessungen.


Halogentransformatoren

Für die Stromversorgung von Niedervolt-Halogenlampen sind Transformatoren nötig, die aus der Netzspannung die benötigte Spannung von meist 12 Volt bei relativ hohen Strömen generieren. Jahrzehntelang wurden dazu normale Trafos mit Primär- und Sekundärwicklung verwendet. Inzwischen haben sich allerdings elektronische Transformatoren durchgesetzt. Sie sind kleiner, leichter und verzichten auf das störende Netzbrummen.


Ringkerntransformatoren

Ringkerntransformatoren verwenden einen kreisringförmigen Magnetkern aus ferromagnetischem Material wie laminiertem Eisen, Eisenpulver oder Ferrit, um den Draht gewickelt ist. Größter Vorteil der Ringkernform ist die Reduzierung des magnetischen Flusses außerhalb des Kerns, der so genannte Streufluss. Daher arbeiten diese Trafos effizienter und strahlen weniger elektromagnetische Störungen (EMI) ab.

Ringkerntransformatoren werden in einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen verwendet, zum Beispiel in Stromversorgungen, Wechselrichtern und Verstärkern innerhalb von Fernsehern, Radios, Computern und Audiosystemen.


Vorschalttransformatoren

Diese Trafos sind immer dann gefragt, wenn Netzspannung und Betriebsspannung nicht übereinstimmen. Dies passiert in der Regel mit europäischen Geräten im Ausland, beispielsweise in den USA. Im Gegensatz zum hiesigen Netz liegt die dortige Spannung im Netz bei 110 Volt. Vorschalttransformatoren gleichen den Unterschied aus, sodass auch europäische Geräte betrieben werden können. Komfortable Trafos arbeiten sogar in beide Richtungen: Zu hoher Netzstrom wird herabgesetzt.


Stelltransformatoren und Regeltransformatoren

Zu finden sind Stell- und Regeltransformatoren überwiegend in der Mess- und Regeltechnik, im Servicebereich und in Elektroniklaboren. Bei einer Spannung von 230 Volt am Eingang lassen sich unterschiedlichste Spannungen am Ausgang erzeugen. Erreicht wird dies durch einen drehbaren Schleifkontakt auf einer ringförmig aufgebauten Trafospule. Die Transformatoren können als Spartrafo mit nur einer Wicklung ohne galvanische Trennung oder als Regel-Trenntransformator mit zwei Wicklungen und galvanischer Trennung ausgelegt sein.


Spartransformatoren

Bei einem Spartrafo gibt es nur die Primärspule, eine Sekundärspule und damit die galvanische Trennung entfällt. Spartransformatoren sind überwiegend dort im Einsatz, wo die Netzspannung herabgesetzt werden soll, zum Beispiel auf die Hälfte. In diesem Fall sind elektrische Geräte mit 110 Volt Netzspannung anschließbar.


Labortrenntransformatoren

Ein Trenntransformator wird verwendet, um elektrische Energie von einer Wechselstromquelle mit galvanischer Trennung zu einem anderen Gerät zu übertragen, und zwar bei identischen Spannungswerten. Wichtig ist außerdem, dass der Trafo eine deutlich höhere Leistung verfügt als das angeschlossene Gerät. Wesentlicher Einsatzbereich dieses Trafotyps ist die Überprüfung von mit Netzstrom betriebenen Geräten. Da nur die Primärseite das Trafos durch einen Schutzleiter gesichert ist, der Sekundärseite aber nicht, besteht bei versehentlicher Erdung des Außenleiters keine Gefahr für einen Kurzschluss beziehungsweise für einen gefährlichen Stromschlag.


ELA-Transformatoren

Elektroakustische Anlagen – im Deutschen kurz ELA, im Englischen kurz PA – enthalten üblicherweise deutlich mehr als nur zwei Lautsprecherboxen. Hinzukommt, dass diese Boxen teilweise Dutzende Meter vom Verstärker entfernt aufgestellt beziehungsweise aufgehängt sind. Eine normale Lautsprecherverkabelung kommt hier nicht infrage. Eingesetzt wird stattdessen ein ELA-Transformator, der sich gegenüber dem Verstärkerausgang wie ein normaler Lautsprecher mit Magnet und Spule verhält – allerdings ohne Membran.

Der Transformator erhöht über die Sekundärspule vielmehr die vom Verstärker gelieferte gepulste Lautsprecherspannung auf 100 Volt und liefert sie ebenfalls über einzelne ELA-Trafos an die „richtigen“ Lautsprecher. Aufgrund der 100-Volt-Spannung lassen sich problemlos mehrere Lautsprecher über parallele Anschlüsse mit Tonsignalen selbst über große Entfernungen versorgen.


Übertrager

Bei üblichen Transformatoren kommt es in erster Linie auf große Leistung und enge Frequenzspektren an, zum Beispiel wenn 230-Volt-Netzpannung mit 50 Hertz auf 24 Volt mit ebenfalls 50 Hertz transformiert werden soll. Das genau Gegenteil ist bei Übertragern der Fall. Da sie in erster Linie in der Signalverarbeitung Verwendung finden, ist die elektrische Leistung eher Nebensache, vielmehr sollten sie ein breites und qualitativ optimales Frequenzspektrum besitzen.

Dynamische Tauchspulenmikrofone beispielsweise arbeiten ähnlich wie Lautsprecher, nur umgekehrt: Eine fest mit einer Magnetspule verbundene Membran überträgt Schallwellen in elektrische Signale, die anschließend – ohne galvanische Kopplung – durch einen Übertrager an den Eingang eines Verstärkers geleitet werden.



FAQ – häufig gestellte Fragen

Wie unterscheiden sich Netztransformatoren und Netzteile?

Jeder Netztransformator nutzt die 230-Volt-Wechselspannung, um über die Primärwicklung des Transformatorkerns per Induktion über die Sekundärwicklung eine niedrigere Wechselspannung auszugeben. Da allerdings Geräte beispielsweise der Unterhaltungselektronik Gleichspannung benötigen, enthalten Netzteile neben dem Transformator noch eine Gleichrichterschaltung.

Seit längerem haben sich für die Stromversorgung von Gleichstromgeräten allerdings so genannte Schaltnetzteile etabliert. Die Netzspannung wird hier zu einer hohen Gleichspannung gerichtet, die einen Schaltkreis antreibt. Ein mit einer hohen Frequenz arbeitender Transformator gibt schließlich Gleichstrom mit der gewünschten Spannung ab. Durch die hohe Frequenz kann der Transformator sehr klein sein, was seine Verluste reduziert und so für mehr Effizienz sorgt.


Welche Bedeutung hat die Windungszahl in einem Trafo?

Die Windungszahl beeinflusst die Spannung: Ist die Windungszahl der Primärseite eines Trafos größer als die der Sekundärseite, dann ist die Spannung an der Sekundärseite kleiner als an der Primärseite. Ist die Windungszahl der Sekundärseite größer als die der Primärseite, dann ist die Spannung an der Sekundärseite größer als die Spannung an der Primärseite.

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