Transformatoren

Zur Funktionsweise von Transformatoren

Ein Transformator (in der Kurzform wird er häufig auch als Trafo bezeichnet) ist ein sehr wichtiges Bauteil in der Elektrotechnik. Er besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen, die auf einem Eisenkern aufgewickelt wurden. Der Trafo dient dazu, eine Wechselspannung in eine höhere oder niedrigere Wechselspannung als die Eingangsspannung umzuwandeln. Häufig wird er beispielsweise dazu eingesetzt, um so genannte Kleinspannungen (beispielsweise 9 Volt oder 12 Volt) aus der wesentlich höheren Netzspannung zu gewinnen. Dabei erfüllte auch eine Sicherheitsfunktion, indem eine so genannte galvanische Trennung zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung erfolgt. Diese galvanische Trennung bedeutet, dass die Eingangsspannung und die Ausgangsspannung keine direkte elektrische Verbindung untereinander haben. Die Übertragung der elektrischen Energie erfolgt durch wechselnde Magnetfelder innerhalb des Eisenkerns. Man spricht hier auch vom Induktionsprinzip, nach dem eine sich verändernde elektrische Spannung in einem elektrischen Leiter ( zum Beispiel in der Eingangsspule bzw. Primärspule) ein sich ebenfalls wechselndes Magnetfeld erzeugt, das wiederum in einem zweiten elektrischen Leiter eine elektrische Spannung erzeugt, der sich in diesem Magnetfeld befindet. Die Höhe dieser Spannung ist abhängig vom Verhältnis der Windungen auf der Primärspule und der Sekundärspule. Hat beispielsweise die Primärspule zehnmal so viele Windungen wie die Sekundärspule, so beträgt die Ausgangsspannung des Transformators etwa ein Zehntel der Eingangsspannung.

Transformatoren sind sehr wichtige Bautele und in vielen Geräten notwendig, um Wechselspannungen in andere Spannungen umzuwandeln. Sie besitzen einen charakteristischen Aufbau, meist ähnlich dem in der Abbildung. In einem Wicklungsgehäuse sind mehrere Wicklungen untergebracht, mindestens eine Primärwicklung und eine Sekündärwicklung. Die Abbildung links zeigt einen kleinen Netztransformator aus einem Steckernetzteil, in dem die Netzspannung in Höhe von 230 Volt in eine wesentlich geringere Ausgangsspannung von rund 9 V umgewandelt wurde. Genau dafür ist dieser Transformator zuständig. In der Abbildung sehen Sie deutlich die beiden Wicklungen (blau) und die Anschlüsse auf der rechten Seite. Die Wicklungen wurden räumlich voneinander getrennt in zwei Wicklungsgehäusen untergebracht, und zwar aus Sicherheitsgründen, so dass auch im Falle eines Defektes oder einer Überhitzung die eine Wicklung nicht mit der anderen in Berührung kommen kann. Dies geschieht aus dem Grund, damit auch bei einem Defekt der Ausgang des Netzteils auf keinen Fall die gefährliche Netzspannung führen kann.

Hier ist der schematische Aufbau eines Transformators zu sehen.Der Eisenkern ist grau gekennzeichnet, die beiden Spulen blau. Sie erkennen sicherlich die Ähnlichkeit zu dem im gezeigten Transformator in der vorigen Abbildung. Es handelt sich hier um einen geschlossenen Eisenkern. Geschlossen ist er deshalb, damit möglichst wenig Energie aus den durch die Primärspule erzeugten magnetischen Wechselfeldern verloren geht, damit eine Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule möglichst verlustarm erfolgen kann. Theoretisch würde ein Transformator auch funktionieren, wenn die beiden Spulen auf einem Eisenstück aufgebracht wären. Allerdings wäre dann der Wirkungsgrad wesentlich geringer, es würde also wesentlich mehr Energie bei der Übertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule verloren gehen.

Hier sehen Sie einen zerlegten Transformator. Der Eisenkern besteht aus mehreren dünnen Blechen, die Schicht für Schicht aus jeweils einen E-förmigen und einem I-förmigen Eisenblech zusammengesetzt werden, so wie es auch in der Abbildung zu sehen ist. Die Spulen werden dabei auf dem Mittelstreifen des "E" aufgesteckt. Damit die Stabilität des Eisenkerns gegeben ist, werden die Lamellen Schicht für Schicht im entgegengesetzten Sinn übereinandergelegt. Häufig wird der Eisenkern nach dem Zusammensetzen des Transformators auch noch mit Klarlack versehen, so dass die Stabilität nochmals erhöht wird und beim Betrieb des Transformators keine Brummgeräusche zu hören sind.

Netzteile mit Transformatoren

Viele Netzteile und Netzgeräte sind mit Transformatoren ausgestattet, da diese beliebige Ausgangsspannungen liefern können und sich in allen möglichen Größen und Formen aufbauen lassen. In der Abbildung unten sehen Sie ein solches Netzteil, das auf eine relativ große Leistung ausgelegt ist. In diesem Netzteil befinden sich gleich zwei Netztransformatoren sowie einige elektronische Bauteile und eine ganze Reihe mit Sicherungen. Die Elektronik des Netzteils befindet sich unterhalb des Chassis

Spannungswandler mit Transformatoren

Nicht nur Netzteile, sondern auch Spannungswandler können mit Transformatoren aufgebaut werden. Im Bild oben ist ein einfaches Beispiel für einen solchen Spannungswandler zu sehen. Hier handelt es sich um eine ganz einfache Bauart eines Transformators auf einem offenen Eisenkern (in diesem Fall eine Schraube). Hier dient der Transformator dazu, eine wesentlich höhere Ausgangsspannung als die Eingangsspannung in Höhe von 12 Volt zu gewinnen. Diese reicht aus, um eine Leuchtstoffröhre aus einer Energiesparlampe mit ausreichend hoher Spannung zu versorgen. Angesteuert wird dieser Transformator durch eine kleine elektronische Schaltung und einem Leistungstransistor (im Bild mit dem Kühlkörper zu sehen). Auch dazu können Transformatoren eingesetzt werden, nämlich zur Gewinnung wesentlich höherer Spannungen als die zur Verfügung stehenden. Ein gutes Beispiel dafür ist die Zündspule eine Verbrennungsmotor, die es ermöglicht, aus einer geringen Batteriespannung in Höhe von 12 Volt eine Ausgangsspannung von mehreren 10.000 Volt zu erzeugen, wie diese für den Zündfunken benötigt wird.

Transformatoren im Alltag

Transformatoren begegnen uns auch einen solchen Stellen bzw. solchen Geräten, an denen man sie vielleicht gar nicht vermutet. Auch das Beispiel oben im Bild ist eine Art Transformator, bei dem die Übertragung elektrischer Energie mithilfe von wechselnden Magnetfeldern erfolgt. Hier wurde der Transformator quasi in zwei Teile zerlegt. Die Primärspule befindet sich in der Ladeschale einer elektrischen Zahnbürste. Die Sekundärspule dagegen befindet sich in der Zahnbürste bzw. in deren Handteil. Im Bild ist sie zu sehen, während sie auf das Ladegerät in der Ladeschale gelegt wurde. Das Ganze funktioniert ebenfalls wie ein Transformator, in dem in der Primärspule eine Wechselspannung ein sich wechselndes Magnetfeld erzeugt, das wiederum in der Sekundärspule ebenfalls zur Erzeugung einer Wechselspannung genutzt wird. Innerhalb der Zahnbürste wird diese Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese dient dazu, den im Handteil der elektrischen Zahnbürste enthaltenen Akku aufzuladen.