Transformator

Ein Transformator ist ein elektromagnetisches Bauteil, das Wechselstrom oder Drehstrom auf ein anderes Spannungsniveau und eine andere Stromstärke bringen kann. Die Funktionsweise eines Transformators, wie ein Transformator aufgebaut ist und wo er im Alltag Verwendung findet, erklärt der folgende Beitrag.

Was ist ein Transformator?

Ein Transformator – kurz auch "Trafo" genannt – ist ein aus der Elektrotechnik stammendes bauliches Element, das eine Eingangswechselspannung in eine Ausgangswechselspannung umwandelt. Häufig verwendete Synonyme für den Transformator sind Übertrager oder Umspanner. Erfunden wurde der Transformator 1881 in London von dem Ingenieur Lucien Gaulard und dem Erfinder John Dixon Gibbs.^[1]

Transformator Funktion: Was ist die Aufgabe eines Transformators?

Was macht ein Transformator? Bei den meisten Anwendungen wird ein Transformator dazu eingesetzt, um elektrische Spannungen entweder zu erhöhen oder zu verringern (Stromtransformator). Wird die Spannung erhöht, ist von Hochspannen die Rede. Bei einer Verringerung spricht man von Herunterspannen.

Transformatoren wandeln eine eingehende Wechselspannung in eine ausgehende Wechselspannung um. Je nach Art der Spulwindungen geschieht dies in einem bestimmten Verhältnis – beispielsweise 20 zu 1. Ein Transformator dient also dazu, Wechselspannungen – jedoch keine Gleichspannungen – zu transformieren.^[1] Während große Transformatoren (also solche mit einer hohen Nennleistung ) Wirkungsgrade von mehr als 99 Prozent haben können, kommen Kleintransformatoren (von zum Beispiel 100 Voltampere) auf 80 Prozent oder weniger.^[2]

Eine weitere Funktion von Transformatoren ist die galvanische Trennung, bei der die elektrische Leitung zwischen zwei Stromkreisen beziehungsweise zwei Spulen unterbrochen wird. Dies spielt beispielsweise in der Energietechnik eine wichtige Rolle, da auf diese Weise auf der Primär- und Sekundärseite unterschiedliche Spannungen herrschen können. Dabei bezieht die Primärspule umso mehr Strom, je mehr Strom auf der Sekundärspule entnommen wird. Selbst bei Nichtbelastung der Sekundärspule verbleibt ein kleiner Primärstrom – entweder in Form eines Blindstroms, der keine Leistung transportiert, oder eines Wirkstroms, der mit Energieverlusten einhergeht. Je nach Leistung des Geräts kann ein solcher Verbrauch im Standby-Modus erheblich sein.^[3]

Transformatoren finden in zahlreichen Bereichen des Alltags sowie industriellen Anwendungen Verwendung. So kommen sie beispielsweise in der Brennstoffzellen-Technologie, in Wasserstoff-Brennstoffzelle oder Direktmethanol-Brennstoffzelle zum Einsatz. Häufig besteht ein komplettes Brennstoffzellen-System zur Stromerzeugung neben den Brennstoffzellen, nämlich auch noch aus einem Transformator und einem Wechselrichter. Diese transformieren die an den Brennstoffzellen anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung.^[4]

Transformator Aufbau: Wie ist ein Transformator aufgebaut?

Wie funktioniert ein Transformator? Ein Transformator besteht aus einem Ferrit- oder Eisenkern, um den sich vielfach gewickelte Kupferdrähte (Spulen) befinden. Das Funktionsprinzip der Bauelemente folgt dem Induktionsgesetz und dem Ampèreschen Gesetz. Der Kern hat eine Eingangs- beziehungsweise Primärseite und eine Ausgangs- beziehungsweise Sekundärseite. Folglich werden die um den Kern gedrehten Kupferdrähte als Primär- und Sekundärspulen bezeichnet. Sie fungieren als elektrische Leiter.

Schließt man eine elektrische Energiequelle an die Primärseite des Kerns, fließt Strom durch die voneinander isolierten Spulen. Wie das Induktionsgesetz besagt, bewirkt die Wechselspannung einen wechselnden magnetischen Fluss im Eisenkern des Transformators. Das bedeutet, es bildet sich ein Magnetfeld im Transformator, das seine Polarität zyklisch wechselt. Auf der Sekundärseite des Trafos entsteht durch diesen wechselnden magnetischen Fluss eine Spannung.

Die folgende Transformator Formel dient der Berechnung von Spannung und Windungszahl: U1 : U2 = N1 : N2 (U1 = Spannung an der ersten Spule in Volt, U2 = Spannung an der zweiten Spule in Volt, N1 = Windungszahl der ersten Spule, N2 = Windungszahl der zweiten Spule)

Ist die Anzahl der Kupferdrähte auf der Ein- und Ausgangsseite gleich groß, hat das sogenannte "Wicklungsverhältnis" den Wert 1 und die Spannung auf den Seiten ist gleich hoch. Weicht das Wicklungsverhältnis ab, ändert sich die Spannung auf der Sekundärseite. Auf diese Weise kann man durch Veränderungen der Spannung auf der Eingangsseite ein festgelegtes Spannungsniveau auf seiner Ausgangsseite erreichen. Dabei handelt es sich um die sogenannte "Spannungstransformation".

Durch das Anschließen eines elektrischen Verbrauchers an die Sekundärseite des Transformators kommt es zu einer sogenannten "Stromtransformation". Es fließt Wechselstrom in der Sekundärwicklung. Dieser Strom wiederum bewirkt entsprechend Ampèreschem Gesetz einen Wechselstrom in der Primärwicklung. Dabei hängt die Stromstärke vom Wicklungsverhältnis ab.^[1]

Wo werden Transformatoren im Stromnetz verwendet?

Da elektrische Energie auf wirtschaftliche Art und Weise nur durch Hochspannungsleistungen über weite Entfernungen transportiert werden kann, ist ein Transformator für die Stromversorgung unverzichtbar. Denn: Sie dienen im Stromnetz dazu, den in Kraftwerken erzeugten Strom ins Hochspannungsnetz einzuspeisen. Der Transformator bildet das Bindeglied zwischen den großen, mit hohen Spannungen arbeitenden Kraftwerken und den Niedrigspannungen, die bei den Endverbrauchern herrschen.

Ein Transformator wird dafür eingesetzt, hohe in niedrige Spannung oder niedrige in hohe Spannung umzuwandeln. Das bedeutet übrigens auch, dass man mit einem Transformator erzeugten Strom in eine höhere Spannungsebene einspeisen kann.^[1]

Welche Arten von Transformatoren gibt es?

Verschiedene Verwendungszwecke im Stromsystem – von der Erzeugung elektrischer Energie über die Verteilung bis hin zur Übertragung und Nutzung – erfordern verschiedene Arten von Transformatoren. Im Folgenden sind einige Arten von Transformatoren aufgeführt:

Trenntransformator: Dieser Transformator verfügt über mindestens eine Primär- beziehungsweise Eingangswicklung sowie mindestens eine Sekundär- beziehungsweise Ausgangswicklung. Beide Wicklungen sind galvanisch voneinander getrennt. Mit einem Trenntransformator können mehrere galvanisch voneinander getrennte Stromkreise mit unterschiedlichen Spannungen gebaut werden.
Steuertransformator: Diese Art von Transformator gehört zur Kategorie der Trenntransformatoren. Sie kommen vor allem im Schaltanlagenbau für Steuerschränke zum Einsatz. Ihre Hauptaufgaben sind die galvanische Trennung zweier Stromkreise oder aber die Spannungsanpassung. Für Letzteres erhalten die Steuertransformatoren zwei zusätzliche Abgriffe auf der Primärseite. Dank diesen sind sie in der Lage, dauerhaft abweichende Spannungen um + / – 5 Prozent anzugleichen.
Kerntransformator: Auch diese Transformatoren gehören zu den Trenntransformatoren. Sie verfügen über einen Zweischenkelkern, auf dessen beiden Schenkeln die Wicklungen gleichmäßig aufgebaut werden.
Manteltransformator: Manteltransformatoren sind das Gegenteil von Kerntransformatoren und sind der Hauptbestandteil von Netzteilen – also von Netzgeräten, die eng mit dem Gehäuse eines elektrischen Geräts verbunden sind. Manteltransformatoren verfügen aufgrund ihrer Mantelkonstruktion über eine kompakte Bauweise. Die Spulen befinden sich innerhalb des Eisenkerns, was Platz spart und andererseits zu starken Erwärmungen im Netzteil führen kann.
Universaltransformator: Dieser Transformator gehört ebenfalls zu den Trenntransformatoren, verfügt aber sowohl auf der Primär- als auch auf der Sekundärseite des Trafos über mehrere standardisierte Wicklungen. Letztere sind so geschickt gelegt, dass auch später noch Drähte eingebaut werden können, die als Schaltungsbrücken dienen. Deshalb lassen sich Universaltransformatoren leicht für unterschiedliche Spannungskombinationen konfigurieren.
Drehstromtransformator: Drehstromtransformatoren dienen in Drehstromnetzen dazu, Spannungen und Ströme zu transformieren. Üblicherweise wandeln sie die drei Phasen eines Drehstromnetzes in eine andere Spannungsebene um. In der modernen Energieversorgung kommen über alle Spannungsebenen hinweg hauptsächlich Drehstromtransformatoren zum Einsatz.
Printtransformatoren: Printtransformatoren sind in der Regel als Trenntransformatoren ausgelegt und kommen vor allem in der Elektrotechnik zum Einsatz. Dort nutzt man sie für den Aufbau auf Leiterplatten. Dabei legt man die Wicklungen unmittelbar auf die Pins, die sogenannten Lötschwerter. Auf diese Weise können die Transformatoren maschinell in die vorgefertigten Bohrungen auf den Leiterplatten eingesetzt werden.^[5]

Wie werden Transformatoren im Alltag eingesetzt?

Ohne Transformator könnten die Endverbraucher elektrische Energie nicht so nutzen, wie es im Alltag und den eigenen vier Wänden erforderlich ist. Ein Beispiel sind Haushaltsgeräte: Diese werden mit Strom versorgt, der mit 230 Volt aus der Steckdose fließt. Gäbe es keine Trafos, bekämen die Nutzer einen Stromschlag und befänden sich in Lebensgefahr, wenn sie ein Gerät ans Stromnetz anschließen. Der Transformator sorgt dafür, dass die Spannung umgewandelt wird und sich die Leistung an das jeweilige Gerät anpasst.^[3] Denn die meisten Haushaltsgeräte benötigen nur sechs, 12 oder 24 Volt. Dazu gehören beispielsweise Halogenlampen, Netzstecker, PC-Zubehör, Türklingeln, Fernseher oder Kfz-Zündanlagen. Der Transformator kommt also auch bei der täglichen Arbeit und im Haushalt zur Anwendung.^[6]

Worauf sollte man bei der Nutzung eines Transformators achten?

Ob Radio oder PC, Lampe oder Ministaubsauger – zahlreiche Haushaltsgeräte werden mit einem externen Transformator betrieben. Wem ein Transformator kaputt geht, der kann zum Teil Universalnetzteile einbauen und die jeweiligen Geräte so weiter verwenden. Dabei sind aber einige Dinge zu beachten.

Allgemein gilt bei der Verwendung von Transformatoren: Wenn kein Gerät angeschlossen ist, das Strom entnimmt, werden die Geräte im Betrieb warm und je nach Technik sogar sehr heiß. Nutzer tun also gut daran, einen Transformator ohne angeschlossenes Gerät regelmäßig auf Wärmeentwicklung zu kontrollieren und so zu platzieren, dass er immer mit Luft versorgt ist.

Als Ersatznetzteil für diverse Haushaltsgeräte, deren Originaltransformator verloren oder kaputt gegangen ist, kann in der Regel jeder beliebige Transformator dienen. Dabei sollte man aber auf folgende Dinge achten:

Gleichspannung oder Wechselspannung: In der Regel befindet sich auf dem Gerät oder dem ursprünglichen Transformator eine Info dazu, ob Gleich- oder Wechselspannung benötigt wird. Das ist wichtig, denn: Geräte, die mit Gleichspannung laufen, gehen beim Anschließen von Wechselspannung meistens kaputt. Geräte, die Wechselspannung benötigen, nehmen beim Anschließen von Gleichspannung zwar keinen Schaden, laufen aber meist nicht.
Geregelte oder ungeregelte Gleichspannung: Benötigt das Gerät Gleichspannung, ist es sinnvoll nachzulesen, ob ein geregeltes Netzteil vonnöten ist. Im Zweifelsfall sollte man einen Transformator nutzen, der geglättete, geregelte Gleichspannung liefert. Selbst wenn das betreffende Gerät ungeregelten Gleichstrom benötigt, kann ihm ein solcher Transformator nicht schaden.
Polarität: Bei Verwendung von Ersatztransformatoren, die nicht zum Gerät gehören, spielt die Polarität eine wichtige Rolle. Diese ist anhand der Transformator Schaltzeichen zu erkennen, das zeigt, ob Minus außen oder innen an dem runden Stecker angelegt werden muss. Der Transformator muss stets die gleiche Polarität aufweisen wie das Gerät. Vorsicht: Wer ein Haushaltsgerät mit einem Transformator mit anderer Polarität verbindet, muss damit rechnen, dass es kaputt geht.
Spannung: Auch die Spannung in Volt muss übereinstimmen. Während die Watt- oder Ampere-Zahl des Transformators keinen Einfluss auf das angeschlossene Gerät hat, können Geräte kaputt gehen, wenn sie an einen Transformator mit einer kleineren Volt-Zahl angeschlossen werden. Das liegt daran, dass sie die erforderliche Leistung nicht verkraften.^[7]

Fazit

Transformatoren gibt es in unterschiedlichen Bauformen und Größen. Die praktischen Bauteile kommen beispielsweise in unserem Stromnetz, zur Umwandlung von Hoch- in Niedrigspannung, zum Einsatz. Dort werden sie auch Netztransformatoren genannt. Sie sind aber auch in vielen Elektrogeräten und Kleinverbrauchern im privaten Haushalt zu finden. Beispielsweise befindet sich in fast jedem Küchengerät, aber auch in Smartphones und PCs ein Transformator. Der Grund: Die für den Betrieb der Geräte erforderliche Spannung unterscheidet sich von der Netzspannung. Der Transformator wandelt die Netzspannung in Betriebsspannung um, was einen sicheren Umgang mit den Geräten ermöglicht.