Transformatoren

Physikalische Grundlagen

In einer Spule wird eine Spannung induziert, wenn das sie durchsetzende Magnetfeld seine Stärke ändert. Wird das veränderliche Magnetfeld durch eine von Wechselstrom durchflossene Spule erzeugt, dann stellt die Anordnung von zwei benachbarten Spulen eine einfache Möglichkeit dar, elektrische Energie von einem Stromkreis auf einen anderen zu übertragen. Damit die Übertragung möglichst verlustfrei erfolgt, müssen sich beide Spulen dicht beieinander befinden. Die magnetische Kopplung wird erhöht, wenn die Spulen gemeinsam auf einem ringförmigen Eisenkern gewickelt sind. Für die Sekundärspule gilt das Induktionsgesetz:
$\begin{array}{l}{U}_i=-N\cdot A\cdot \frac{\Delta B}{\Delta t}\\ N\text{Windungszahl der Sekundärspule}\\ A\text{Fläche der Spule}\\ \Delta B\text{Änderung der magnetischen Flussdichte}\\ \Delta t\text{Zeitintervall}\end{array}$

Verändert sich die Stromstärke in der felderzeugenden Primärspule sinusförmig, so gilt das auch für die magnetische Flussdichte und damit für die in der Sekundärspule induzierte Spannung.
Um zu vermeiden, dass sich größere Mengen elektrischer Energie bei der Übertragung in Wärme umwandeln, verwendet man meist Eisenkerne, die aus Dynamoblechen bestehen. Dadurch wird die Ausbildung von Wirbelströmen unterdrückt. Dennoch müssen größere Transformatoren mit Luft oder Öl gekühlt werden. Die von den Spulen ausgehenden Kraftwirkungen können auch einen Verlust durch mechanische Energieabgabe bewirken. Das Brummen, das man gelegentlich an Transformatorenhäuschen hören kann, stammt letztlich aus elektrischer Energie, die im Takt des Wechselstromes in mechanische Schwingungsenergie der Transformatorenbauteile umgewandelt wird.
Obgleich immer Verluste in einem Transformator auftreten, nimmt man für vereinfachende Untersuchungen an, dass diese Verluste unter Idealbedingungen zu vernachlässigen sind. Ein verlustfreier Transformator wird als idealer Transformator bezeichnet. Ein realer Transformator kommt dem Ziel der vollständigen Energieübertragung schon sehr nahe. Sein Wirkungsgrad liegt meist zwischen 95% und 99% und kann möglicherweise zukünftig durch den Einsatz von gekühlten Stromleitern ohne elektrischen Widerstand, sogenannten Supraleitern, wahrscheinlich noch weiter verbessert werden.

Den Aufbau eines Transformators und das Schaltzeichen sind in Bild 2 dargestellt. Die wichtigsten Bauteile sind die Primärspule, die Sekundärspule und der geschlossene Eisenkern. Die betreffenden Stromkreise werden als Primärstromkreis und als Sekundärstromkreis bezeichnet, die zugehörigen Größen als Primärspannung, Primärstromstärke, Sekundärspannung und Sekundärstromstärke.

Ist der Sekundärstromkreis nicht geschlossen, dann wird der Transformator auch nicht belastet. Die Sekundärstromstärke ist null. Ein solcher Transformator heißt unbelasteter Transformator. In diesem Fall entzieht der Sekundärstromkreis dem Transformator keine elektrische Energie. Wird der Sekundärstromkreis mit einem Verbraucher verbunden, dann gibt der Transformator elektrische Energie an diesen Verbraucher ab. Es fließt ein Sekundärstrom. Der Transformator wird belastet. Er wird als belasteter Transformator bezeichnet. Da die elektrische Energie letztlich aber aus dem Sekundärstromkreis stammt, bleibt die Belastung eines Transformators auch nicht ohne Auswirkungen auf den gesamten Transformator. Im Einzelnen kommt es zu folgenden Vorgängen:
Zunächst fließt im geschlossenen Sekundärstromkreis ein elektrischer Strom, der nach dem lenzschen Gesetz der Ursache seiner Entstehung entgegengerichtet ist und demzufolge der Änderung des Magnetfeldes im Transformator entgegenwirkt, es damit schwächt. Dadurch wird auch die Sekundärspule von einem schwächeren Magnetfeld durchsetzt. Da das Magnetfeld der Primärspule nach dem lenzschen Gesetz dem Stromfluss im Primärstromkreis entgegengerichtet ist, bedeutet die Schwächung dieses Magnetfeldes, dass nun ein stärkerer Strom im Primärstromkreis fließen kann. Entzieht man dem Transformator Strom auf der Sekundärseite, so erhöht sich ebenfalls die Stromstärke auf der Primärseite. Das bezeichnet man als Rückwirkung. Letztendlich erfolgt in dieser Weise eine Anpassung des Energieflusses: Die im Sekundärstromkreis entnommene Energie muss nach dem Energieerhaltungssatz dem Primärkreis zugeführt werden.

Schließt man den Sekundärstromkreis kurz, dann fließen sowohl im Primär- als auch im Sekundärstromkreis sehr hohe Stromstärken. Ein Transformator kann gegebenenfalls durch die damit verbundene thermische Belastung zerstört werden.
Insgesamt beeinflussen sich Primär- und Sekundärseite eines Transformators durch gegenseitige Wechselwirkung.

Die Transformatorgesetze

Die Übertragung der Spannungen und Stromstärken im Transformator stehen in einem engen Zusammenhang mit den Windungszahlen der Transformatorenspulen. Bezeichnen $U_1,I_1\text{und}{N}_1$ die Spannung, Stromstärke und Windungszahl der Primärspule und $U_2,I_2\text{und}{N}_2$ die entsprechenden Größen bei der Sekundärspule, dann gelten für einen idealen Transformator folgende Gesetze:

Gesetze der Spannungsübersetzung: $\frac{N_1}{N_2}=\frac{U_1}{U_2}$
Gesetze der Stromstärkeübersetzung: $\frac{N_1}{N_2}=\frac{I_2}{I_1}$
Für einen idealen Transformator, also einen Transformator, bei dem keine Energieverluste auftreten, ist die aufgenommene Leistung genauso groß wie die abgegebene Leistung. Es gilt für die Leistungsübersetzung:
$U_1\cdot I_1=U_2\cdot I_2\text{oder}\frac{U_1}{U_2}=\frac{I_2}{I_1}$

Netzgeräte - spezielle Transformatoren

Netzgeräte sind spezielle Transformatoren. Sie dienen zur Energieversorgung von elektrischen Geräten, die meist mit deutlich geringeren Betriebsspannungen als der Netzspannung von 230 V arbeiten.
Netzgeräte sind häufig fest mit dem Gehäuse elektrischer Geräte verbunden. Dann werden sie als Netzteil bezeichnet. Hauptbestandteil eines jeden Netzgerätes oder Netzteils ist ein Transformator, der sich durch eine relativ kompakte Bauweise auszeichnet. Dies wird durch eine Mantelkonstruktion erreicht. Bei Manteltransformatoren befinden sich die Spulen platzsparend innerhalb eines Eisenringes. Durch diese enge Bauweise kommt es allerdings mitunter zu relativ starken Erwärmungen von Netzteilen.
Da moderne elektronische Geräte wie Fernsehgeräte oder CD-Spieler aus unterschiedlichen Baugruppen bestehen, die gesonderte Spannungsversorgungen mit unterschiedlichen Spannungswerten benötigen, haben Netzteile an der Sekundärspule verschiedene Abgriffsmöglichkeiten. Je nachdem, wie groß die Windungszahl zwischen den Abgriffspunkten ist, lässt sich dadurch die aus dem Transformator entnommene Spannung einstellen.
Universalnetzgeräte arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Auch sie stellen verschiedene Spannungswerte zur Verfügung, mit denen man unterschiedliche Geräte betreiben kann. Bei der Verwendung von Netzteilen oder Netzgeräten hat sich in den letzten Jahren zunehmend eine Energieverschwendung bemerkbar gemacht: Auch wenn das betreffende elektrische Gerät gar nicht genutzt wird, lässt man es häufig im sogenannten Stand-by-Betrieb weiterlaufen. In diesem Fall liegt natürlich an der Primärspule des Netzteils ständig eine Spannung an. Gleiches gilt für ein Netzgerät in der Steckdose. Das magnetische Wechselfeld der Primärspule induziert im Spulenkern Wirbelströme, die letztlich in Wärme umgewandelt werden. Deshalb nimmt jedes Netzteil immer einen gewissen Teil an elektrischer Energie auf, auch wenn das zu versorgende Gerät selbst gar nicht eingeschaltet ist. Da die Haushalte immer mehr elektrische Geräte betreiben, summiert sich die nutzlos in Wärme umgewandelte wertvolle elektrische Energie auf merkliche Beträge, die auch in einer gestiegenen Stromrechnung zum Ausdruck kommen. Daher gilt: Ein nicht benutztes Netzgerät sollte man ausschalten, indem man es von der Steckdose trennt. Elektrische Geräte im Stand-by-Betrieb verbrauchen nutzlos Energie! Moderne Geräte trennen übrigens nach einiger Zeit im Stand-by-Betrieb das Netzteil selbsttätig von der Stromversorgung.
Gelegentlich entstehen Wohnungsbrände, weil die Kühlschlitze, die viele elektrische Geräte in der Nähe ihrer eingebauten Netzteile besitzen, durch Tischdecken, sonstige „Verzierungen“ oder Aufkleber verschlossen werden. Durch solches Handeln gefährdet man leichtsinnig die Betriebssicherheit der Geräte und möglicherweise sogar sein Leben.

Zündanlagen von Kraftfahrzeugen

In allen Ottomotoren wird das Benzin-Luft-Gemisch durch einen elektrischen Funken entzündet. Dieser Funken entsteht durch einen Spannungsüberschlag zwischen den Elektroden einer Zündkerze. Der dazu erforderliche Spannungsstoß wird in einer Zündspule mittels elektromagnetischer Induktion erzeugt.
Die Energiequelle eines Pkw ist seine Batterie bzw. die Lichtmaschine. Unter den vielen in einem modernen Auto befindlichen Stromkreisen führt auch ein Stromkreis von der Batterie über einen Unterbrecher hin zu einer Zündspule. Die Zündspule arbeitet wie ein Transformator. Durch einen Unterbrecher wird der elektrische Stromkreis geöffnet (Bild 1). Dabei fällt die Spannung an der Primärwicklung der Zündspule schlagartig ab. Dadurch kommt es zur Induktion einer Spannung in den Sekundärwicklungen der Zündspule. Die Windungszahl der Sekundärspule einer Zündspule übersteigt die Windungszahl der Primärspule um ein Vielfaches. Deshalb werden im Sekundärstromkreis sehr hohe Spannungen induziert, die Werte von 15.000 V bis 25.000 V erreichen. Im Sekundärstromkreis befindet sich eine Zündkerze. Sie besteht im Wesentlichen aus zwei isolierten Elektroden. Der Abstand zwischen den Elektroden beträgt kaum mehr als 1 mm. Bei dieser geringen Distanz kann infolge der schlagartig im Sekundärstromkreis ansteigende Spannung zwischen den Elektroden ein Zündfunke überspringen. Der Zündfunke bringt das Benzin-Luft-Gemisch im Brennraum zur Explosion.
Da Ottomotoren in der Regel über mehr als einen Brennraum (Zylinder) verfügen, wird die in der Zündspule induzierte Spannung über einen Verteiler an mehrere Zündkerzen in der richtigen Reihenfolge „verteilt“. Alternativ dazu besteht auch die Möglichkeit, jeden Zylinder mit seiner eigenen Zündspule auszustatten. Diese Bauform findet gegenwärtig allerdings kaum noch Anwendung.

Weitere spezielle Transformatoren

Nach der Art der Transformation unterscheidet man zwischen Hochspannungstransformatoren und Hochstromtransformatoren. Hochspannungstransformatoren nutzt man z.B. in Energieverbundnetzen, Hochstromtransformatoren als Schweißtransformatoren.
Eine weitere spezielle Art von Transformatoren sind Trenntransformatoren. Durch einen solchen Transformator, bei dem die Werte für die Spannung im Primärstromkreis und im Sekundärstromkreis durchaus auch gleich sein können, kann man zwei Stromkreise so trennen, dass keine leitende Verbindung zwischen ihnen besteht. Es existiert dann durch den Transformator vielmehr eine induktive Kopplung zwischen den Stromkreisen.