Transformator

Dass aus der Steckdose 230 V kommen, im Hochspannungsnetz aber 380 kV unterwegs sind und deine Modelleisenbahn mit 16 V fährt, verdankst du einem einzigen Bauteil: dem Transformator, kurz Trafo. Er wandelt eine Wechselspannung in eine höhere oder niedrigere um, ohne bewegliche Teile und mit Wirkungsgraden, die bei großen Exemplaren über 99 % liegen. Gleichzeitig trennt er zwei Stromkreise galvanisch voneinander. Genau diese beiden Fähigkeiten waren einer der Gründe, warum sich Wechselstrom für die Energieversorgung durchgesetzt hat.

Aufbau und Prinzip

Ein Transformator besteht aus zwei (oder mehr) Spulen, die auf einem gemeinsamen Kern aus magnetisch gut leitendem Material sitzen. Die Wicklung, an die du die Spannung anlegst, heißt Primärwicklung mit N₁ Windungen. Die Wicklung, an der du die Spannung abnimmst, heißt Sekundärwicklung mit N₂ Windungen.

Die Wechselspannung an der Primärwicklung treibt einen Strom, der im Kern einen sich ständig ändernden magnetischen Fluss erzeugt. Der Kern führt diesen Fluss fast vollständig durch die Sekundärwicklung, und dort entsteht durch Induktion eine Spannung. Weil jede Windung dieselbe Flussänderung „sieht“, ist die Spannung pro Windung auf beiden Seiten gleich.

Das Übersetzungsverhältnis

Beim idealen, verlustfreien Trafo verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen. Das Verhältnis heißt Übersetzungsverhältnis ü:

Weil ein idealer Trafo keine Leistung verbraucht, muss die Leistung auf beiden Seiten gleich sein: U₁ · I₁ = U₂ · I₂. Die Ströme verhalten sich deshalb umgekehrt:

Wo die Spannung kleiner wird, wird der Strom größer. Deshalb hat die Sekundärwicklung eines Niederspannungstrafos wenige Windungen aus dickem Draht, die Primärwicklung viele aus dünnem.

Impedanzen werden mit ü² übersetzt

Aus Spannungs- und Stromübersetzung folgt eine dritte Eigenschaft: Ein Widerstand an der Sekundärseite erscheint auf der Primärseite um das Quadrat des Übersetzungsverhältnisses vergrößert:

Das nutzt man zur Impedanzanpassung. Ein Röhrenverstärker braucht zum Beispiel eine Last von einigen Kilohm, ein Lautsprecher hat aber 8 Ω. Ein Ausgangsübertrager mit ü = 25 lässt den 8-Ω-Lautsprecher für die Röhre wie 25² · 8 Ω = 5 kΩ aussehen. Auch in der HF-Technik und bei Netzwerkbuchsen sitzen kleine Übertrager, die Impedanzen anpassen und gleichzeitig galvanisch trennen.

Leerlauf und Belastung

Ohne Last an der Sekundärseite – im Leerlauf – fließt primär nur der kleine Magnetisierungsstrom, der den Fluss im Kern aufbaut. Die Primärwicklung wirkt dann wie eine große Spule, ihr Strom eilt der Spannung fast um 90° nach und ist überwiegend Blindstrom. Dazu kommt ein kleiner Wirkanteil, der die Eisenverluste deckt.

Schließt du eine Last an, fließt sekundär ein Strom, und primär fließt ein entsprechend übersetzter Strom zusätzlich. Der Trafo passt die aufgenommene Leistung also selbstständig an die Last an. Gleichzeitig verursacht der Strom Spannungsabfälle am Drahtwiderstand der Wicklungen und an den Streuinduktivitäten – der Teil des Flusses, der nicht durch beide Wicklungen geht. Die Sekundärspannung sinkt mit steigender Last.

Kleine Netztrafos sind deshalb so gewickelt, dass sie ihre Nennspannung erst bei Nennlast erreichen. Im Leerlauf liegt die Spannung oft 10 bis 20 % höher, bei sehr kleinen Trafos noch mehr. Ein 12-V-Trafo kann ohne Last also durchaus 14 V liefern – kein Grund zur Sorge, aber ein Grund, nachfolgende Bauteile mit Reserve auszulegen. Nach dem Gleichrichten mit Ladekondensator kommt noch der Faktor √2 hinzu, siehe Gleichrichtwert.

Verluste und Wirkungsgrad

Ein realer Trafo wird warm. Die Verluste haben zwei Ursachen:

• Kupferverluste entstehen im Drahtwiderstand der Wicklungen. Sie wachsen mit dem Quadrat des Stroms, sind im Leerlauf also fast null und bei Volllast am größten.
• Eisenverluste entstehen im Kern und hängen von Spannung und Frequenz ab, kaum von der Last. Zum einen kostet das ständige Ummagnetisieren Energie (Hystereseverluste), zum anderen induziert der wechselnde Fluss im leitfähigen Kern selbst Ströme (Wirbelstromverluste). Gegen Wirbelströme besteht der Kern aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen.

Der Wirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener zu aufgenommener Wirkleistung. Er hängt stark von der Baugröße ab: Große Leistungstransformatoren erreichen über 99 %, ein Kleintrafo mit 100 VA etwa 80 %, ein Winzling mit 1 VA kaum die Hälfte.

Bauformen

• Trafo mit Blechkern (EI- oder Mantelkern): die klassische Bauform aus gestapelten Blechen, robust und günstig. Er findet sich in Netzteilen, Steuerungen und Klingeltrafos.
• Ringkerntrafo: Der Kern ist ein aufgewickeltes Blechband ohne Luftspalt. Er ist leichter und flacher, hat ein kleineres Streufeld und einen besseren Wirkungsgrad – beliebt in Audioverstärkern. Sein Nachteil ist ein hoher Einschaltstrom: Trifft das Einschalten einen ungünstigen Moment, gerät der Kern kurz in die Sättigung und der Strom kann das Vielfache des Nennstroms erreichen. Eine träge Sicherung oder eine Einschaltstrombegrenzung hilft.
• Trenntransformator: Übersetzung meist 1 : 1, aber mit verstärkter Isolation zwischen den Wicklungen. Die Sekundärseite hat keinen Bezug zur Erde: Berührst du nur einen der beiden Ausgangsleiter, fließt kein Strom über deinen Körper ab. Elektroniker nutzen ihn, um an netzbetriebenen Geräten zu messen.
• Sicherheitstransformator: liefert Schutzkleinspannung, etwa 12 V oder 24 V, ist kurzschlussfest und trennt die Wicklungen besonders sicher – zum Beispiel für Spielzeug und Gartenbeleuchtung.
• Übertrager im Schaltnetzteil: Arbeitet nicht mit 50 Hz, sondern mit einigen zehn bis hundert Kilohertz und hat deshalb einen kleinen Ferritkern statt Eisenblech.

Warum die Frequenz die Größe bestimmt

Wie viel Spannung eine Wicklung verträgt, beschreibt die Transformatorhauptgleichung. Sie verknüpft die Spannung mit Frequenz f, Windungszahl N, dem Scheitelwert der magnetischen Flussdichte B̂ und dem Kernquerschnitt A:

Die Flussdichte kann nicht beliebig steigen, weil der Kern sonst in die Sättigung gerät (Eisenblech arbeitet mit rund 1,2 bis 1,5 T, Ferrit sättigt schon bei etwa 0,4 T). Bei gegebener Spannung muss also das Produkt aus Windungszahl und Kernquerschnitt umso größer sein, je kleiner die Frequenz ist.

Das ist der Grund, warum ein modernes USB-Ladegerät mit 65 W in die Hosentasche passt, während ein 50-Hz-Trafo gleicher Leistung über ein Kilogramm wiegt. Schaltnetzteile richten die Netzspannung erst gleich, zerhacken sie mit hoher Frequenz und schicken sie dann durch einen kleinen Übertrager.

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