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

Eine Wicklung ist eine um den Eisenkern gewickelte Spule aus Kupferdraht, in der ein elektrischer Strom fließen kann. Jede Wicklung hat mindestens zwei Anschlüsse; bei mehr als zwei Anschlüssen pro Wicklung spricht man von Anzapfungen. Die in einer Wicklung induzierte Spannung ist proportional zur Anzahl der Windungen, wobei eine Windung einem Stück Draht entspricht, das einmal um den Kern gewunden wird. Die benutzten Drähte werden in der Regel durch eine Lackschicht isoliert, so dass benachbarte Windungen keinen Kurzschluss bilden.

Der Kern des Transformators besteht in aller Regel aus einem Paket von weichmagnetischen Eisenblechen. Massive Eisenkerne können wegen des Auftretens hoher Wirbelströme und der damit verbundenen Verluste und Erwärmung nicht benutzt werden. Die Funktion des Kerns ist es, einen Pfad für die magnetischen Feldlinien zu schaffen und dadurch das Magnetfeld zu bündeln. Für höhere Frequenzen kommen auch andere Kernmaterialien als Eisenblech (z.B. Ferrite) in Betracht.

Der Spulenkörper ist ein in der Regel aus Kunststoff bestehendes Formteil, welches die Wicklungen aufnimmt und ihnen mechanische Stabilität gibt. Nicht alle Transformatorbauformen erfordern dies.

Ein Transformator mit ca. einer Wicklung heißt Spartransformator. Diese Wicklung hat stets eine Anzapfung, sonst wäre keine Spannungsumsetzung möglich. Bei einem Spartransformator besteht keine Potenzialtrennung zwischen Ein- und Ausgang.

Eine an die erste Wicklung ("Primärwicklung") angelegte Wechselspannung erzeugt einen veränderlichen Primärstrom und damit ein veränderliches Magnetfeld in dem Kern, dieses Feld durchsetzt die zweite Wicklung ("Sekundärwicklung") und erzeugt hier durch Induktion wiederum eine Spannung. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Spannung ist genau so hoch, wie das Verhältnis ihrer Windungszahl zur Primärwicklung.
Beispiel: ein Transformator mit 1 Tausend Windungen an der Primärwicklung, 100 Windungen der Sekundärwicklung und 220 Volt Primärspannung erzeugt in der Sekundärwicklung eine Leerlaufspannung von exakt 22 Volt. Die nutzbare Betriebs- oder Nennspannung ist jedoch meist um die internen Verluste des Transformators gemindert (siehe unten).

Es lassen sich auf einem Transformator auch mehrere getrennte Sekundärwicklungen für unterschiedliche Spannungen oder für getrennte Stromkreise aufbauen. Die Sekundärwicklungen können auch mehrere Ausgangs-Anzapfungen haben: so kann man auch mit einem Trafo, der ca. eine Sekundärwicklung besitzt, mehrere unterschiedlich hohe Sekundärspannungen erhalten. Die Primärwicklungen können ebenfalls mehrere Anzapfungen haben; dann ist ein solcher Trafo für unterschiedlich hohe Primärspannungen geeignet, bei denen trotzdem auf identische Ausgangsspannungen transformiert wird.

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

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

Ein idealer Transformator hätte keine Übertragungsverluste. Der ideale Transformator ist eine theoretische Sonderform des realen Transformators und zeichnet sich durch folgendes Merkmalen aus:

• Permeabilität in dem Eisen gegen Unendlich
• Leitfähigkeit des Eisen gegen Null --> keine Wirbelströme
• Permeabilität der Luft gegen Null --> kein Streufluss
• Leitfähigkeit der Wicklungen gegen Unendlich --> keine Wicklungsverluste

Daraus ergibt sich das Durchflutungsgleichgewicht des idealen Transformators:

I₁n₁ + I₂n₂ = 0

Ein realer Transformator hat Übertragungsverluste durch den Ohmschen Widerstand der Wicklung, durch Wirbelstrombildung in dem Kern und durch andere Effekte. Bei großen Transformatoren muss die Verlustleistung gegebenenfalls durch geeignete Kühlung abgeführt werden. Bei starker Überlastung kann ein Transformator "durchbrennen".

Im Eisenkern des Transformators entstehen durch die fortwährende Umpolung der magnetischen Domänen (Weißsche Bezirke) Ummagnetisierungsverluste. Diese treten auch bei Leerlauf auf, was besondere Anforderungen an die Magnetwerkstoffe der Kerne stellt. Beispielsweise hat ein Leistungstrafo für 37,5 kVA eine Leerlaufleistung von ungefähr 3,2 W/kVA, d.h. eine Verlustleistung ohne Entnahme von Sekundärstrom von 120 W. Bei Leistungstransformatoren kommen häufig Silizium-Eisen-Legierungen mit spezieller Textur zu dem Einsatz. Mit Blechdicken von ungefähr 0,2-0,3 mm erhält man bei 50 Hz Verluste von ungefähr 0,5 - 1 W/kg (abh. von der Aussteuerung B).

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

U₁ / U₂ = n₁ / n₂ ,

Da U = -n x Ã? (phi, griechische Letter), oder

U₁ = -n₁ x Ã? und U₂ = Ã? x n₂

Hier ist � gleich, da der ferromagnetische Kern des Transformators dafür sorgt, dass für beide Spannungen (Primär- und Sekundärwicklung) � gleich ist. Es fällt bei einer Gleichsetzung der Gleichung heraus.

wenn U₁ und U₂ die Primär- und Sekundärspannung sowie n₁ und n₂ die Primär- und Sekundärwindungszahl sind.

Der Primärstrom I₁ ergibt sich zunächst aus der Primärspannung U₁ Für einen idealen (verlustfreien) Transformator gilt dann:

P₁ = P₂ ,

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

P = U · I ,

folgt:

U₁ · I₁ = U₂ · I₂ .

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

I₁ / I₂ = n₂ / n₁ .

Für den elektrischen Widerstand R einer Baugruppe gilt das Ohmsche Gesetz

R = U / I .

Wendet man dies auf die Primär- und Sekundärwicklung eines Transformators an, so folgt

R₁ = U₁ / I₁ ,

R₂ = U₂ / I₂ ,

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

R₁ / R₂ = n₁² / n₂² .

Die Spannungstransformation wird angewendet, um Spannungen auf den gewünschten Wert umzuformen (zu transformieren). Beispiel: 230 Volt aus dem Stromnetz in 12 Volt für eine Halogenlampe.

Hochspannungstransformator in dem Schnitt, Ölisolation

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

Ein besondere Ausführungsform des Transformators ist der induktive Koppler. Die physikalische Funktionsweise ist zu dem Trafo identisch, allerdings ist der Transformatorkern teilbar und beide Teile können einen, meist kleinen Abstand besitzen.

Transformatoren mit getrennten Windungen können zur galvanischen Trennung von Verbrauchern, zu dem Beispiel zur Speisung von Verbrauchern mit Kleinspannung oder von Hochspannungspotential liegenden Verbrauchern durchgeführt werden

Am Verstärkerausgang elektronischer Geräte liegt neben der verstärkten Wechselspannung auch die zur Versorgung der Röhre oder des Transistors nötigen Gleichspannung. Diese kann in vielen Fällen nicht dem Verbraucher oder der nachgeschalteten Verstärkertufe zugeführt werden, da dies den Arbeitspunkt verschieben würde. In diesen Fällen wird häufig ein Transformator mit zwei getrennten Windungen benutzt.

Transformatoren sind häufig Bestandteile von Bandfiltern und Oszillatorschaltungen. Auch Ferritantennen werden häufig als Transformator ausgeführt.

Transformatoren werden als Meßwandler für hohe Wechselströme und Wechselspanungen in Hochspannungsanlagen benutzt. Sie können auch als Meßwandler zur Messung der Restwelligkeiut in Gleichstromanlagen benutzt werden.

Eine Widerstandstransformation wird angewendet, um Verbraucher und Quellen hinsichtlich ihres Widerstandes anzupassen, zu dem Beispiel einen Lautsprecher von 4 Ohm an den Ausgang eines Verstärkers von 1 Tausend Ohm. Durch die gegenseitige Anpassung an einen etwa gleichgroßen Wert wird der Wirkungsgrad der gesamten Anlage verbessert.

Stromrichtertransformatoren unterdrücken durch ihre spezielle Schaltung (Reihenschaltung von in dem Stern und in Dreieck geschalteten Sekundärwindungen) alle Oberwellen mit Ausnahme der Ordnung (12*n + 1) und (12 *n - 1) n = 1, 2, 3, 4... und ermöglichen somit erhebliche Einsparungen beim Aufbau von Oberwellenfiltern. Ihre Anwendung erfolgt hauptsächlich bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.

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