Transformator

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Was ist/sind Transformatoren? Definition:
Transformatoren sind Bauelemente in der Elektrotechnik. Die auch kurz Trafo genannten Elemente wandeln eine Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung um.

Synonym(e): Trafo, Umspanner


Ein Transformator besteht aus Spulen und einem magnetischen Kern. Eine an einer Spule angelegte Eingangswechselspannung wandelt der Transformator um, so dass an der anderen Spule eine abweichende Spannung abgegriffen werden kann. Bei dieser Transformation wird in einem festen Verhältnis, je nach Bedarf, die elektrische Spannung erhöht, verringert oder bleibt unverändert. Das Verhältnis ergibt sich aus der Anzahl der Wicklungen zwischen Primär- und Sekundärspule.

Transformator Aufbau

Kern

Der Kern des Transformators besteht meist aus Ferrit, Eisen oder Silizium-Stahl Legierungen. Die auf den Kern gewickelten Spulen stellen eine magnetische Kopplung her.

Spulen

Meist besteht ein Transformator aus zwei oder mehr Spulen. Die aus Kupferdraht bestehenden Spulen sind um den Kern gewickelt und voneinander isoliert. An einer Spule wird die Primärspannung angelegt, weshalb sie Primärspule (Primärseite) genannt wird. Die Ausgangsspannung wird an der Sekundärseite abgegriffen. Sie kann aus mehreren Spulen aufgebaut sein, um aus der Eingangsspannung mehrere Ausgangsspannungen transformieren zu können.

Kühlung

Hochleistungsfähige Transformatoren benötigen eine Kühlung. Hierfür wird ein Ölbad eingesetzt. Das Transformatorenöl wirkt zugleich isolierend. Lüfter, Pumpen und Radiatoren werden ebenfalls zur Kühlung eingesetzt.

Funktionsweise und Wirkungsweise

Dem Induktionsgesetz gehorchend erzeugt eine an der Primärseite angelegte Wechselspannung einen wechselnden magnetischen Fluss im Kern. Dieses, die Polarität ständig wechselnde Magnetfeld, induziert auf der Sekundärseite eine Spannung - weshalb man von der Spannungstransformation spricht. Durch Anschluss eines elektrischen Verbrauchers an der Sekundärseite fließt Wechselstrom, der entsprechend dem Ampèreschen Gesetz auf der Primärseite einen Wechselstrom bewirkt - weshalb hier von der Stromtransformation gesprochen wird. Würde auf der Primärseite Gleichstrom angelegt, könnte kein dauerhaft wechselndes Magnetfeld entstehen. Der Trafo kann nur mit Wechselstrom funktionieren.

Idealer, unbelasteter Transformator

Beim idealen Transformator treten keine Energieverluste durch z.B. Ohmsche Widerstände auf. Wenn die Anzahl der Kupferwicklungen auf Primär- und Sekundärseite gleich groß ist, ist ohne Last (kein Strom fließt an der Sekundärspule) die Spannung gleich hoch. Bei Änderung des Wicklungsverhältnisses beider Seiten ändert sich die Spannung auf der Sekundärseite. Die mathematische Formel für die Spannungsübersetzung lautet: U1 : U2 = N1 : N2

U1, U2 stehen für die Primär- bzw. Sekundärspannung. N1, N2 stehen für die Anzahl der Wicklungen an Primär- bzw. Sekundärspule.

Realer Transformator

Faktoren wie Wirbelstrom- und Ummagnetisierungs-Verluste, Streufluss oder Sättigungsmagnetisierung verhindern, dass in der Praxis ein wirklich idealer Transformator umgesetzt werden kann. Bei einem unbelasteten Transformator wird die Sekundärspannung immer etwas niedriger als in obiger Formel sein, dieser aber näherungsweise entsprechen.

Anwendungen

Transformatoren begegnen uns in den unterschiedlichsten Größen und Ausführungen. Im Haushalt sind sie in vielen Elektrogeräten und Ladegeräten von Laptops, Kameras oder Smartphones verbaut. Da viele Elektrogeräte nicht mit der aus der Steckdose verfügbaren Netzspannung arbeiten, wandeln sie die Spannung in die Betriebsspannung der Geräts um (Gerätetransformator).

In Industrie und beim Betrieb von Stromnetzen kommen große Hochleistungstransformatoren zum Einsatz. In der Energietechnik sind die hier Verteiltransformatoren genannten Trafos zwischen die verschiedenen Stromnetze geschaltet, um z.B. im Umspannwerk Hochspannungsnetze mit Mittelspannungsnetzen zu verbinden. Sie kommen aber auch direkt bei der Stromgewinnung im Kraftwerk zum Einsatz, um zwischen Generator und Stromnetz zu transformieren.

In der Nachrichten-, Mess- oder Tontechnik kommen Trafos zum Einsatz, die auf die Transformation von Signalen optimiert sind. Verlustarme Energieübertragung spielt hier keine Rolle. So können über lange Distanzen Audiosignale verlustfrei übertragen werden, und an der Lautsprecherbox auf die benötigte Impedanz transformiert werden.