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Grundwissen

Transformator

Das Wichtigste auf einen Blick

Transformatoren arbeiten i.d.R. immer mit Wechselspannungen.

Transformatoren besitzen eine Primär- und eine Sekundärseite.

Man unterscheidet zwischen unbelastetem und belastetem Transformator.

Aufgaben Aufgaben

Verwendung und Schaltsymbol

schaltsymbol_tranformator.svg Joachim Herz Stiftung
Abb. 1 Schaltsymbol eines Tranformators mit Eisenkern

Der Transformator ist eins der wichtigsten Bauteile in der Wechselstromtechnik. Sein Einsatz reicht vom Umspanner in der Starkstromtechnik bis zu Netztransformatoren in Ladegeräten für Smartphones.

Ein Transformator besteht meist aus zwei oder mehr Spulen (Wicklungen), die in der Regel aus Kupferdraht gewickelt sind und sich auf einem gemeinsamen Ferrit- bzw. Eisenkern befinden. Ein Transformator wandelt eine Eingangswechselspannung, die an einer der Spulen angelegt ist, in eine Ausgangswechselspannung um, die an der anderen Spule abgegriffen werden kann.

Funktionsprinzip

Aufbau und Funktionsweise eines Transformators. Die roten Pfeile stellen nicht die exakte Stromrichtung dar.

Ohne genauer auf die Einzelheiten von Spannungs- und Stromrichtungen und diverse Rückwirkungen der beiden Spulen aufeinander einzugehen geschieht im Transformator folgendes:

Die Wechselspannung in der Primärspule verursacht einen Wechselstrom in der Primärspule.

Der Wechselstrom in der Primärspule verursacht ein sich ständig änderndes Magnetfeld (im Eisenkern und) in der Sekundärspule.

Das sich ständig änderndes Magnetfeld in der Sekundärspule induziert eine Spannung in der Sekundärspule. Sie ist auch eine Wechselspannung und hat die gleiche Frequenz wie die Wechselspannung in der Primärspule.

Aus dem oben Gesagten geht hervor, dass ein Transformator nur mit Wechselspannung funktionieren kann. Würde man an die Primärseite eine Gleichspannung anlegen, so käme es zu keiner dauerhaften Magnetfeldänderung und somit würde keine Sekundärspannung entstehen.

Spannungsübertragung beim idealen, unbelasteten Transformator

Bei einem idealen (keine Energieverluste durch z.B. OHMsche Widerstände) unbelasteten Transformator richtet sich die Sekundärspannung nach der Primärspannung.

Zwischen der Primärspannung \(U_{\rm{P}}\), der Sekundärspannung \(U_{\rm{S}}\), der Primärwindungszahl \(N_{\rm{P}}\) und der Sekundärwindungszahl \(N_{\rm{S}}\) besteht der Zusammenhang\[\frac{U_{\rm{S}}}{U_{\rm{P}}} = \frac{N_{\rm{S}}}{N_{\rm{P}}}\]

Stromübertragung beim idealen, belasteten Transformator

Bei einem idealen (keine Energieverluste durch z.B. OHMsche Widerstände) belasteten Transformator richtet sich die Primärstromstärke nach der Sekundärstromstärke.

Zwischen der Primärstromstärke \(I_{\rm{P}}\), der Sekundärstromstärke \(I_{\rm{S}}\), der Primärwindungszahl \(N_{\rm{P}}\) und der Sekundärwindungszahl \(N_{\rm{S}}\) besteht der Zusammenhang \[\frac{I_{\rm{S}}}{I_{\rm{P}}} = \frac{N_{\rm{P}}}{N_{\rm{S}}}\]

Geht man von einem idealen d.h. verlustlosen Transformator aus, so ist (als Folge des Energiesatzes) die primär eingespeiste Leistung \(P_{\rm{P}}\) gleich der sekundär bereitgestellten Leistung \(P_{\rm{S}}\). Damit ergibt sich\[\begin{eqnarray}{P_{\rm{S}}} &=& {P_{\rm{P}}}\\ \Leftrightarrow {U_{\rm{S}}} \cdot {I_{\rm{S}}} &=& {U_{\rm{P}}} \cdot {I_{\rm{P}}}\\ \Leftrightarrow \frac{{{I_{\rm{S}}}}}{{{I_{\rm{P}}}}} &=& \frac{{{U_{\rm{P}}}}}{{{U_{\rm{S}}}}} = \frac{{{N_{\rm{P}}}}}{{{N_{\rm{S}}}}}\end{eqnarray}\]