Ratgeber
Transformatoren oder kurz Trafos gehören zu den Basisbauelementen der Elektrotechnik. Ihre Aufgabe: Spannungen und Ströme herauf beziehungsweise herunter zu transformieren oder Stromkreise galvanisch voneinander zu trennen. Wie gut sie dies machen, hängt nicht nur von der Qualität der eingesetzten Materialien ab. Mindestens ebenso wichtig ist das Konstruktionsprinzip. Und da haben Ringkerntrafos die Nase vorn.
Erfahren Sie in unserem Ratgeber, was diese Transformatoren von anderen unterscheidet, wie sie funktionieren und in welchen Bereichen sie punkten können.
Ein Trafo ist ein passives elektrisches Gerät. Es überträgt elektrische Energie von einem Stromkreis auf einen anderen oder auf mehrere Stromkreise. Das Prinzip: Ein variierender Strom in einer beliebigen Spule des Transformators erzeugt einen variierenden magnetischen Fluss im Kern des Transformators. Dieser Fluss induziert eine variierende Kraft über alle anderen Spulen, die um denselben Kern gewickelt sind. Dabei kann elektrische Energie zwischen getrennten Spulen übertragen werden, ohne dass eine leitende Verbindung zwischen den beiden Stromkreisen besteht. Die Kreise sind also galvanisch voneinander getrennt.
Haupteinsatzzweck von Trafos ist das Heraufsetzen niedriger Wechselspannungen bei hohem Strom oder das Herabsetzen hoher Wechselspannungen bei niedrigem Strom. Außerdem werden sie zur Kopplung der Stufen von Signalverarbeitungsschaltungen verwendet. Bei der galvanischen Trennung ist die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung.
Seit der Erfindung des ersten Konstant-Potential-Transformators im Jahr 1885 sind Transformatoren für die Übertragung, Verteilung und Nutzung von elektrischem Wechselstrom unverzichtbar geworden. In der Elektronik und der elektrischen Energietechnik findet man eine Vielzahl von Tragkonstruktionen. Die Größe reicht von HF-Transformatoren mit einem Volumen von weniger als einem Kubikzentimeter bis hin zu Einheiten mit einem Gewicht von Hunderten von Tonnen, die zur Verbindung von Stromnetzen verwendet werden.
Ringkerntransformatoren sind um einen ringförmigen Kern herum aufgebaut, der je nach Betriebsfrequenz aus einem langen Band aus Siliziumstahl oder Permalloy, aus Eisenpulver oder Ferrit besteht. Eine Bandkonstruktion stellt sicher, dass die Korngrenzen optimal ausgerichtet sind, was den Wirkungsgrad des Transformators verbessert.
Die geschlossene Ringform eliminiert Luftspalten, die bei der Konstruktion eines herkömmlichen Trafokerns unvermeidlich sind. Die Kerne konventioneller Trafos bestehen laminierten Blechlamellen, die in zwei Pakete aufgeteilt sind: Ein Paket ist wie der Buchstabe E geformt, das andere wie der Buchstabe I. Man spricht deshalb auch von einen E-I-Kern.
Der Kern des Ringkerntrafos ist – wie der Name schon sagt – dagegen kreisrund. Der Querschnitt des Rings ist in der Regel quadratisch oder rechteckig, es sind aber auch Kerne mit kreisförmigem Querschnitt erhältlich. Die Primär- und Sekundärspulen sind oft konzentrisch gewickelt, um die gesamte Oberfläche des Kerns abzudecken. Das minimiert die benötigte Drahtlänge und bietet eine Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen.
Ringkerntrafos besitzen bei ähnlicher Leistung einen höheren Wirkungsgrad als die preiswerteren E-I-Typen. Weitere Vorteile im Vergleich zu E-I-Typen: Eine um rund 50 Prozent die geringere Größe, ein geringeres Gewicht, weniger mechanisches Brummen – was besonders in Audioverstärkern zum Tragen kommt –, ein um etwa 90 Prozent geringeres äußere Magnetfeld, geringere Leerlaufverluste, die Montage mit einer einzigen Schraube und die größere Auswahl an Formen. Hauptnachteile sind die höheren Kosten in der Produktion und die begrenzte Leistungskapazität. Aufgrund des fehlenden Restspalts im magnetischen Pfad neigen Ringkerntransformatoren auch zu einem höheren Einschaltstrom im Vergleich zu laminierten E-I-Typen.
Ferrit-Ringbandkerne sind in der Regel bei Frequenzen zwischen einigen zehn Kilohertz und Hunderten von Megahertz im Einsatz. Relativ wenige Ringkerntrafos werden mit Leistungen über 10 Kilovoltampere angeboten und praktisch keine über 25 Kilovoltampere.
Ringkerndrosseln und -transformatoren werden in einer Vielzahl von elektronischen Schaltungen eingesetzt, zum Beispiel in Netzteilen, Wechselrichtern und Verstärkern, in Fernsehgeräten, Radios, Computern und Audiosystemen.
Ringkerntrafos sind in verschiedenen Ausführungen im Handel, angepasst für unterschiedliche Anwendungen. Neben verschiedenen Wicklungsverhältnissen für alle gängigen Spannungen existieren Modelle mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1. Diese Ringkerntrafos dienen überwiegend als Trenntransformatoren.
Trafos mit Übersetzungsverhältnissen von 2:1 oder 1:2 sind für den Betrieb an 115 beziehungsweise 230 Volt Wechselspannungsnetzen gedacht und passen die Spannung an das anzuschließende Gerät an. Sind mehrere Wicklungen vorhanden, kann der Trafo primärseitig sowohl an 115- als auch an 230-Volt-Netzen betrieben werden. Häufig bieten diese Modelle sekundärseitig auch unterschiedliche Spannungen an.
Transformatoren mit einem Windungszahlverhältnis von 20:1 bei 230 Volt Netzspannung finden sich überwiegend in Niedervolt-Beleuchtungsanlagen, sie stellen dabei auf der Sekundärseite 11,5 Volt für Halogenlampen zur Verfügung. Vergossen in weißen Kunststoffbechern ermöglichen sie eine unauffällige Deckenmontage, optional ausgestattet mit Temperatur- und Überlastsicherungen.
Zum Anschluss bieten die meisten Ringkerntrafos freie Kabelenden. Einige Typen sind mit festen Anschlusssteckern, Schraubklemmen oder Lötstiften ausgestattet.
FAQ – häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einem Ringkerntransformator mit rundem Querschnitt und einem rechteckigen Querschnitt?
Ringkerntransformatoren mit rundem Kernquerschnitt bieten eine bessere Leistung als solche mit rechteckigem Querschnitt. Die Auslöschung unerwünschter Magnetfelder ist beim runden Querschnitt vollständiger. Der runde Querschnitt ergibt zudem eine kürzere Windungslänge pro Querschnittsflächeneinheit und damit geringere Wicklungswiderstände.
Kann die Ausgangsseite eines Ringkerntransformators mit mehreren Wicklungen gleichzeitig belastet werden?
Ja, vorausgesetzt, die Summe der Leistung der Ausgangswicklungen des Ringkerntransformators ist nicht größer als die Nennleistung. Ein Beispiel: Bei einem Zweiwicklungs-Ringkerntransformator mit einer Nennleistung von 500 Voltampere sind die Ausgänge 12 Volt/300 Voltampere beziehungsweise 24 Volt/200 Voltampere. Beide Ausgänge werden gleichzeitig belastet. Die Lastleistung des 12-Volt-Ausgangs darf 300 Voltampere nicht überschreiten, die des 24-Volt-Ausgangs darf höchstens bei 200 Voltampere liegen – ansonsten läuft der Ringkerntransformator im Langzeit-Überlastbetrieb und kann durchbrennen.