Kleiner Kasten, große Kraft: Trafos genau betrachtet

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Kleiner Kasten, große Kraft: Trafos genau betrachtet

Transformatoren, kurz als Trafos bezeichnet, sind Geräte oder Bauteile, die dem Bereich der Elektrotechnik zugeschrieben sind. Sie werden für das Erhöhen oder das Verringern von Wechselstromspannung eingesetzt und sind aus der Stromversorgung nicht mehr wegzudenken. Da Elektrizität in der Regel nur über Hochspannungsleitungen übertragen wird, viele Haushaltsgeräte aber mit Nieder- oder Kleinspannung arbeiten, werden die Umspanner in jedem Haushalt gebraucht. Netztransformatoren sind daher in praktisch allen elektronischen Geräten verbaut. Auch in der Signalverarbeitungstechnik wird auf Trafos gesetzt, denn die Geräte können ein Signal relativ unverändert über einen größeren Arbeitsfrequenzbereich hinweg weitergeben. Es gibt sie von wenigen Kubikzentimeter großen Teilen bis hin zu Geräten, die mehrere Tonnen auf die Waage bringen. Dementsprechend vielfältig ist auch ihr Einsatzgebiet.

Das Funktionsprinzip und der Aufbau eines Transformators

Der Kern eines Trafos ist ein magnetischer Kreis, der von mindestens zwei unterschiedlichen Wicklungen umschlungen ist. Die Wicklung, welche der Energiequelle zugewandt ist, wird Primärseite genannt. Die zweite Wickelung folgt der logischen Benennung und heißt Sekundärseite. Die Wechselspannung auf der Primärseite erzeugt einen gleichfalls wechselnden magnetischen Stromfluss im Trafo-Kern. Dadurch bildet sich auf der Sekundärseite elektrische Spannung. Dieser Vorgang beschreibt eine Spannungstransformation. Umgekehrt bewirkt Wechselstrom in der Sekundärwicklung ebenfalls Wechselstrom in der Primärwicklung. Dieser Ablauf ist die Stromtransformation.

Niedrige Frequenzen erfordern für gewöhnlich einen Eisenkern, da dieser eine hohe magnetische Leitfähigkeit aufweist. Solche Transformatoren benötigen weit weniger Windungen als jene ohne Eisenkern. Transformatoren ohne Eisenkern haben geringere Wechselflussdichten und mehr Verlustleistung.

Das magnetische Feld, welches den Stromfluss in der Primärspule erzeugt, benötigt den sogenannten Magnetisierungsstrom. Der Strom, der von der Stromtransformation der zweiten Spule hervorgeht, ist der primäre Zusatzstrom und läuft parallel zum Magnetisierungsstrom.

Ein Transformator wird als unbelastet bezeichnet, wenn an die Sekundärspule kein Verbraucher angeschlossen wird. Er arbeitet dann sozusagen im Leerlauf. Bei einem belasteten Transformator fließt Sekundärstrom. Um das Spannungsgleichgewicht im Gerät zu erhalten, wird auf der Primärseite Zusatzstrom eingesetzt.

Wieso es keine idealen Trafos gibt

„Ideale“ Transformatoren, die praktisch ohne Energieverluste arbeiten, sind in der Praxis nicht herstellbar. Das hat verschiedene Gründe:

  • Die Wicklungen sind keine Supra-Leiter und haben demnach Widerstände.
  • Jedes Umpolen des Eisenkerns verbraucht Energie.
  • Die Energie wird nicht immer nur in den gewünschten Bahnen geführt, sondern verpufft innerhalb von Streuflüssen.
  • Die Leitfähigkeit des Kerns hängt nicht nur vom Material, sondern auch von der Frequenz und Stärke des Magnetflusses ab.
  • Da der Kern kaum merklich seine Form gleichsam mit dem Magnetfeld ändert, kommt es auch in diesem Bereich zu rechnerischen Ungenauigkeiten.
  • Im Stromverlauf erzeugte Wirbelströme führen zu Energieverlusten.
  • Durch den Sättigungseffekt des Eisenkerns wird die Betriebsfrequenz begrenzt.

Woraus Transformatoren zusammengesetzt sind

Der Kern

Der Kern eines Transformators besteht aus Eisen oder Ferrit. Die wenigen kernlos gebauten Transformator-Typen werden Lufttransformatoren genannt. Eisen hat eine wesentlich bessere magnetische Leitfähigkeit als Luft und erlaubt somit einen stärkeren Stromfluss. Ein Trafo-Kern ist kein massiver Eisenblock, sondern eine Übereinanderschichtung einzelner Bleche, die elektrisch isoliert werden. Das reduziert den negativen Wirbelstromeffekt. Wenn mit sehr hohen Frequenzen gearbeitet wird, müssen für den Transformator-Kern besonders dünne Metallscheiben verwendet werden. Ferrit wird dann gewählt, wenn die Frequenzen in den Kilohertzbereich gehen. Dann sind nämlich die Wirbelstromverluste, die bei einem Eisenkern auftreten würden, zu groß. Ferrite sind ebenfalls stark magnetisch, haben aber eine geringere elektrische Leitfähigkeit. Ringkerntrafos werden oftmals aus Ferrit oder anderen amorphen Legierungen hergestellt. Diese Bauform hält den magnetischen Streufluss besonders gering. Transformatoren, die einen Kern besitzen, verzerren durch dessen magnetische Sättigung einkommende Signale. Deshalb werden Lufttransformatoren vor allem in der Signal- und Tontechnik eingesetzt.

Das Leitermaterial

Das Leitermaterial, also die Wicklungen, ist meist aus Kupferdrähten gefertigt. Je nach Einsatzgebiet kann das Material aber variieren. Drähte von Großtransformatoren werden auch aus Aluminium hergestellt. Diese Drähte sind durch eine Lackierung und manchmal auch durch Folien voneinander isoliert. Der gesamte Wickel kann zugunsten einer besseren Isolation, Schmierung und Funkenlöschung in Isolieröl eingelegt sein. Je kompakter die Wickelung ist, desto mehr Kupfer kann verlegt werden, was die Leitfähigkeit erhöht.

Die Spulen

Die Spulen befinden sich entweder in Kunststoff-Spulenkörpern oder werden als selbst-tragende Wickel gebaut. Der für gewöhnlich dickere Draht der Primärwicklung wird zuerst gewickelt, um den dünneren Sekundärdraht zu schützen. In Sicherheitstrafos sind die beiden Drähte in verschiedenen Kammern aufgewickelt, um noch stärker voneinander isoliert zu sein. Gewöhnliche Trafos haben die Drähte meist nebeneinander auf einem Schenkel des Kerns aufgewickelt. Transformatoren, die der Signaltechnik dienen, besitzen meist ineinander verschachtelte Wickelungen. Statt einer einzigen Sekundärwicklung kann es auch mehrere getrennte geben, die dann jeweils unterschiedliche Stromkreise haben. Gefestigt werden die Wicklungen zumeist mit Harz. Dieses schützt außerdem gegen Feuchtigkeit und verstärkt die Isolation der Drähte.

Einige Trafo-Beispiele in verschiedenen Anwendungsgebieten

Wichtige, in der Energietechnik verwendete Leistungs-Trafos sind die Drehstromtransformatoren. Diese fassen drei einzelne Transformationen zu einer einzigen zusammen. Im Unterschied zu gewöhnlichen Trafos verfügen sie über jeweils drei getrennte Wicklungen. Sie sind auf sehr hohe Leistungen ausgelegt und werden daher unter anderem in Stromnetzen eingesetzt.

Als Stromwandler dienen sie hauptsächlich der Energiezufuhr für diverse Messgeräte und Schutzrelais. Das Messen des Stroms kann erst erfolgen, nachdem dieser nach unten transformiert wurde. Sie haben nur wenige Primärwindungen, dafür deutlich mehr Sekundärwindungen. Stromwandler-Trafos eignen sich nur für das Messen von Wechselstrom, nicht aber für Gleichstrom.

Elektrogeräte können nur Energie aus dem Stromnetz beziehen, wenn ein Transformator die Netzspannung an die Betriebsspannung des Geräts anpasst. Trafos dieser Art werden Netztransformatoren oder seltener auch Kleintrafos genannt. Sie sind für gewöhnlich in den Netzteilen von Elektrogeräten verbaut. Dort haben sie entweder die Form eines konventionellen Transformators oder aber eines Schaltwandlers. Diese richten die Spannung erst gleich und wandeln sie für die Transformation auf einer höheren Frequenz in Wechselstrom um. Dieser wird dann erneut gleichgerichtet. Das ermöglicht den Einsatz von Hochfrequenz anstelle der normalen Netzfrequenz. Mittels eines solchen Effekts kann die gleiche Leistung in wesentlich kleinere und leichtere Transformatoren verpackt werden. Bei Anschlussgeräten, die mit Wechselstrom arbeiten, kann auf das Gleichrichten verzichtet werden.

Sicherheitstransformatoren, auch Schutztransformatoren genannt, müssen kurzschlussfest sein und haben eine relativ niedrig angesetzte Höchstspannung. Um die Schutzwirkung noch zu vergrößern, werden sie noch zusätzlich isoliert. Schutztrafos werden unter anderem in medizinischen Geräten, die mit dem menschlichen Körper in Kontakt treten, beispielsweise Endoskopen, eingesetzt. Auch im Spielzeugbereich finden sie als sogenannte Spielzeugtransformatoren Verwendung. Die gleiche Technologie wird auch bei gewöhnlichen Türklingeln zu finden.

Spartransformatoren sind eine Trafo-Sonderform, denn sie bestehen nur aus einer einzelnen Spule, welche die Primär- und Sekundärfunktionen vereint. Sie werden bei Netzadaptern eingesetzt, die verschiedene Netzspannungen ausgleichen sollen, wie beispielsweise bei Reiseadaptern. Auch Zündspulen eines Verbrennungsmotors können durch den Einsatz von Spartrafos an Gewicht und Masse sparen. Diese Art an Transformatoren darf nicht eingesetzt werden, wenn die Möglichkeit besteht, dass eine Person mit der Spannung in Kontakt treten könnte. Für solche Zwecke – also Spielzeugeisenbahnen, offene Lampen und so weiter werden für gewöhnlich Sicherheitstrafos eingesetzt.

In der Signalübertragung wird darauf gesetzt, eine möglichst störfreie und originalgetreue Überlieferung der Signale zu erreichen. Impulstransformatoren, auch unter den Namen Pulstransformator oder schlichtweg Übertrager zu finden, dienen der Übertragung analoger und digitaler Signale anstelle von Energie. Das Funktionsprinzip bleibt aber dennoch dasselbe.

Impulstransformatoren erfüllen verschiedenste Aufgaben

  • Sie können die Impedanz der Wellen eines Fernkabels an jene des lokalen Kabeltreibers anpassen.
  • Pulstrafos passen die Signalform eines Koax-Kabels an die einer Antenne an.
  • Sie erfüllen durch ihre galvanische Trennung – diese ist nur bei Spartrafos nicht vorhanden – verschiedene Schutzfunktionen.
  • Sie können Audiosignale auftrennen und so niederfrequente Störströmungen entfernen.
  • Trafos dienen der Symmetrierung verschiedener Geräte der Tontechnik und sind beispielsweise in DI-Boxen verbaut. Zudem sind sie wichtig, um die geringe Mikrofonspannung auf jene des Vorverstärkers zu erhöhen.
  • Wird ein Signal mittels Mischstrom übertragen, so können sie den Wechselstrom-Anteil herausfiltern oder anpassen.
  • Signaltrafos können Zündimpulse für Thyristoren und andere Leistungshalbleiter übertragen.
  • Transformatoren dienen der Signalübertragung in lokalen Netzwerken.

Die meisten Impulstransformatoren unterscheiden sich in ihrer Bauform nicht von gewöhnlichen Trafos. Manchmal werden die Wicklungen ineinander verbaut, um die Streuung gering zu halten. Das hilft dabei, besonders hohe Frequenzen ebenfalls gut senden zu können. Die Kernmaterialen sind besonders hochwertig und leitfähig. Reine Kurzwellenüberträger haben dafür meist gar keinen Kern mehr verbaut, sondern bestehen aus zwei Luftspulen, die auch verschachtelt sein können.

Der Kauf von Trafos für den Haushalt

Wenn Sie ein begeisterter Hobby-Elektro-Bastler sind, dann wird es nicht lange dauern, bis Sie sich nach einem passenden Transformator für Ihr Projekt umsehen. Wenn Sie bereits genau wissen, was Sie wollen, dann wird diese Suche schnell vonstattengehen, denn die Auswahl an Trafos ist angenehm groß.

Sie können dabei zwischen gebrauchten, völlig neuwertigen und reparierten Geräten wählen. Die Preise variieren zwischen den verschiedenen Anbietern stark, deshalb lohnt es sich, die Suche intensiv und ausweitend zu betreiben. Der Erwerb eines gebrauchten Trafos ist für gewöhnlich deutlich preiswerter als der eines neuen. Doch auch bei noch original-verpackten Transformatoren gibt es große Unterschiede. 

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