Elektrotechnische Grundlagen: Elektronik 1 - Mit Versuchsanleitungen, Rechenbeispielen und Lernziel-Tests

10 Transformatoren (S. 277-279)

10.1 Aufbau und Wirkungsweise

Der Transformator besteht im wesentlichen aus zwei Spulen (Wicklungen) und einem Eisenkern (Bild 10.1). Der Eisenkern ist zur Unterdrückung von Wirbelströmen aus isolierten Blechscheiben zusammengesetzt. Bei Hochfrequenz genügt das Blechen nicht mehr. Man verwendet besondere Magnetwerkstoffe. Legt man an die Eingangswicklung N1, die man Primärwicklung nennt, eine Wechselspannung U1, so erzeugt der entstehende Wechselstrom I1 (Primärstrom) im Eisenkern ein Wechselfeld mit dem magnetischen Fluß Φ. Dieser Wechselfluß Φ wird vom Eisenkern geführt und durchsetzt die Ausgangsspule N2 (Sekundärspule). Die periodischen Flußänderungen ergeben in der Ausgangsspule eine Induktionsspannung, d. h. eine Wechselspannung mit der gleichen Frequenz wie die Eingangsspannung (siehe Abschnitt 6.5.2). Da beide Wicklungen in der Regel verschiedene Spannungen haben, benutzt man auch die Bezeichnungen Ober- und Unterspannungswicklung (OS, US). Hierbei kann die Oberspannungswicklung Eingangs- (Primär-) als auch Ausgangs- (Sekundär-) wicklung sein.

Der Transformator wandelt eine bestimmte Wechselspannung in eine andere Wechselspannung gleicher Frequenz um. Dabei ändert sich gleichzeitig der Strom.

Transformatoren zur Leistungsübertragung nennt man auch Umspanner, Transformatoren für Meßzwecke nennt man Meßwandler und Transformatoren zur Signalübertragung heißen Übertrager.

10.2 Bauformen

Die Transformatoren unterscheiden sich in ihrer Bauform durch die Form des Eisenkerns und die Wicklungsart der Spulen. Nach der Form des Eisenkerns unterscheidet man Kerntransformatoren und Manteltransformatoren (Bilder 10.2 und 10.3). Wechselstromtransformatoren in Kernbauweise haben zwei mit Wicklungen versehene gleich starke Kerne (Schenkel), die durch ein Zwischenstück (Joch) miteinander verbunden sind. Bei den Wechselstromtransformatoren in Mantelbauweise trägt der mittlere Schenkel beide Wicklungen. Die beiden äußeren Schenkel mit nur jeweils halbem Querschnitt umschließen die Wicklungen wie ein Mantel und bilden den Rückweg für das Magnetfeld. Man unterscheidet grundsätzlich Scheiben- und Zylinderwicklungen (Bilder 10.2 und 10.3). Die Klemmenbezeichnungen von Wechselstromtransformatoren sind eingangsseitig 1 U1, 1 U2 und ausgangsseitig 2 U1, 2 U2. Niederspannungswicklungen werden normalerweise als Zylinderwicklungen, Hochspannungswicklungen als Scheibenwicklungen ausgeführt. Durch Anwendung der Scheibenwicklung wird die Gesamtwicklung in mehrere gut voneinander isolierte Teilspulen zerlegt. Dadurch wird die Hochspannung günstig unterteilt, die Durchschlagsgefahr vermindert und die Streufeldlinien meist übereinandergewickelt. Die Oberspannungswicklung liegt hier außen, damit eine sichere Isolation der Oberspannungswicklung gegen den Kern gewährleistet ist. Des öfteren wird auch hier die Oberspannungswicklung bei hohen Spannungen in Scheibenform ausgeführt.

10.3 Verhalten bei Leerlauf und bei Belastung

Im Leerlauf, also bei offenem Sekundärkreis, wird zwar in der Sekundärspule eine Spannung induziert, es fließt aber in ihr kein Strom. In der Primärspule heben sich die angelegte Primärspannung und die entgegengesetzt wirkende Selbstinduktionsspannung praktisch auf. Die wirksame Spannung wird somit klein und damit auch der Strom, den die Primärspule aufnimmt. Mit diesem Strom wird in der Hauptsache der Magnetfluß aufrechterhalten. Man nennt ihn Leerlaufstrom.