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Transformator


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Ein Transformator (kurz Trafo ) ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen weichmagnetischen Eisenkern. Mit von Transformatoren lassen sich elektrische Spannungen herauf- oder heruntertransformieren das heißt erhöhen verringern und damit den technischen Erfordernissen anzupassen. der Transformator machte die weite Verbreitung der möglich weil Hochspannungsleitungen den Transport über große Entfernungen ohne große Verluste ermöglichte.

Während der Begriff Transformator eher aus Bereich Energietechnik kommt heißt das funktionsgleiche Bauteil der Nachrichtentechnik Übertrager .

Das physikalische Grundprinzip des Transformators ist Spannungsinduktion infolge der Flußänderung durch zeitlich veränderliche Transformatoren sind elektromagnetische Energiewandler.

== Funktionsweise ==.............................................

Eine an die erste Spule ("Primärspule") Wechselspannung erzeugt einen veränderlichen Primärstrom und damit veränderliches Magnetfeld im Kern dieses Feld durchsetzt die Spule ("Sekundärspule") und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung . Die in der Sekundärspule erzeugte Spannung exakt so hoch wie das Verhältnis ihrer zur Primärspule.
Beispiel : ein Transformator mit 1000 Windungen an Primärspule 100 Windungen der Sekundärspule und 220 Primärspannung erzeugt in der Sekundärspule eine Leerlaufspannung von genau 22 Volt. Die nutzbare oder Nennspannung ist jedoch meist um die Verluste des Transformators gemindert (siehe unten).

Es lassen sich auf einem Transformator mehrere getrennte Sekundärspulen für unterschiedliche Spannungen oder getrennte Stromkreise aufbauen. Die Sekundärspulen können auch Ausgangs-Anzapfungen haben: so kann man auch mit Trafo der nur eine Sekundär wicklung besitzt mehrere unterschiedlich hohe Sekundär spannungen erhalten. Die Primärspulen können ebenfalls mehrere haben; daher ist ein solcher Trafo für hohe Primärspannungen geeignet bei denen trotzdem auf Ausgangsspannungen transformiert wird.

Ein Transformatorkern erhöht die Induktivität. Er meist aus vielen einzelnen voneinander isolierten Blechen aufgebaut oder aus speziellen magnetisierbaren Wäre der aus Blechen aufgebaute Kern massiv sich durch Induktion Wirbelströme bilden die den Wirkungsgrad erheblich verschlechtern würden und zu einer Erwärmung des Trafos führen würden.

Ein idealer Transformator hätte keine Übertragungsverluste. realer Transformator hat Übertragungsverluste durch den Ohmschen der Wicklung durch Wirbelstrombildung im Kern und andere Effekte. Bei großen Transformatoren muss die gegebenenfalls durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei Überlastung kann ein Transformator "durchbrennen".

Inhaltsverzeichnis

Spartransformator

Ein normaler Trafo hat voneinander getrennte isolierte Primär- und Sekundärspulen was unter Sicherheitsaspekten ist. Eine Besonderheit ist demgegenüber der Spartransformator der nur eine Spule mit mehreren hat. Er läßt sich in dieser Bauweise kostengünstig herstellen.

Induktiver Koppler

Ein besondere Ausführungsform des Transformators ist induktive Koppler . Die physikalische Funktionsweise ist zum Trafo allerdings ist der Transformatorkern teilbar und beide können einen meist geringen Abstand besitzen.

Optimierung

Transformatoren werden für ihren jeweiligen Anwendungszweck Einfache Netztransformatoren arbeiten bei Netzfrequenz mit 50 Hz beziehungsweise 60 Hz sind relativ groß. Bei zunehmender Frequenz kann ein Trafo (in gewissen Grenzen) Leistung übertragen. Eine weitere Optimierung bietet das Schaltnetzteil . Beim Schaltnetzteil wird eine annähernd rechteckförmige Spannung erzeugt und dann transformiert. Durch die Verlustleistung wird ein wesentlich kleinerer Trafo benötigt so viel Material und Gewicht gespart.

Unbelasteter Transformator

Ein Transformator ist unbelastet wenn an der Sekundärseite kein Verbraucher angeschlossen ist. Da bei der Induktion Spannung zur Windungszahl proportional ist verhalten sich Spannungen wie die Windungszahlen:

U 1 / U 2 = n 1 / n 2

Da U = -n x Í griechische Letter) oder == U 1 = -n 1 x Í ==

 und  
== U 2 = Í x 2 ==

Hier ist Í gleich da der Kern des Transformators dafür sorgt dass für Spannungen (Primär- und Sekundärspule) Í gleich ist. fällt bei einer Gleichsetzung der Gleichung heraus.

wenn U 1 und U 2 die Primär- und Sekundärspannung sowie n 1 und n 2 die Primär- und Sekundärwindungszahl sind.

Belasteter Transformator

Der Primärstrom I 1 ergibt sich zunächst aus der Primärspannung 1 Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt

P 1 = P 2

Da die elektrische Leistung P das aus Spannung U und Stromstärke I ist

P = U · I

folgt:

U 1 · I 1 = U 2 · I 2 .

Da nun die Spannungen sich wie Windungszahlen verhalten verhalten sich dann die Ströme wie die Windungszahlen:

I 1 / I 2 = n 2 / n 1 .

Widerstandstransformation

Für den elektrischen Widerstand R einer Baugruppe gilt das Ohmsche Gesetz

R = U / I .

Wendet man dies auf die Primär- Sekundärspule eines Transformators an so folgt

R 1 = U 1 / I 1

R 2 = U 2 / I 2

Für das Verhältnis von Primär- und errechnet sich daher das quadratische Verhältnis der

R 1 / R 2 = n 1 2 / n 2 2 .

Anwendungen

Die Spannungstransformation wird angewendet um Spannungen den gewünschten Wert umzuformen (zu transformieren). Beispiel: Volt aus dem Stromnetz in 12 Volt für eine Halogenlampe .

Hochspannungstransformator im Schnitt Ölisolation

Zur verlustarmen Energieübertragung in Hochspannungsleitungen werden Spannungen auf hohe Werte transformiert. wandelt der Maschinentrafo des Kraftwerkes die Generatorspannung grossen Kraftwerken etwa 10 bis 25kV) auf Netzspannung (etwa 400kV) um. Durch die Transformation die hohe Spannung im Fernleitungsnetz wird der fließende Strom geringer da bei der Transformation = U * I konstant bleibt. Der Strom führt dazu dass weniger Verlustwärme durch ohmschen Widerstand der Leitung entsteht. Für das Stadtnetz die Spannungen wieder auf die 10 bis kV zurück transformiert. Zur Isolation werden derartige häufig in ölgefüllte Behälter eingebaut (siehe auch Bei moderneren Ausführungen ist die Wicklung mit Gießharz vergossen. Diese bei Bränden wesentlich ungefährlicheren heißen Gießharztransformatoren.

Die Ummagnetisierungsverluste in einem Transformator treten bei Leerlauf auf was besondere Anforderungen an Magnetwerkstoffe der Kerne stellt. Beispielsweise hat ein für 37 5 kVA eine Leerlaufleistung von 3 2 W/kVA d.h. eine Verlustleistung ohne von Sekundärstrom von 120 W. Bei Leistungstransformatoren häufig Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur zum Einsatz. Blechdicken von ca. 0 2-0 3 mm man bei 50 Hz Verluste von ca. 5 - 1 W/kg (abh. von der B).

  

Die Widerstandstransformation wird auch angewendet um und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes anzupassen zum Beispiel einen Lautsprecher von Ohm an den Ausgang eines Verstärkers von Ohm.

Hinweise

Der ideale Transformator ist eine theoretische des realen Transformators und zeichnet sich durch Eigenschaften aus:

  • Permeabilität im Eisen gegen Unendlich
  • Leitfähigkeit des Eisen gegen Null --> keine
  • Permeabilität der Luft gegen Null --> Streufluss
  • Leitfähigkeit der Wicklungen gegen Unendlich --> Wicklungsverluste

Daraus ergibt sich das Durchflutungsgleichgewicht des Transformators:

I 1 n 1 + I 2 n 2 = 0


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