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Lexikon Physik

Transformator

Ein Trafo bzw. Transformator (von lat. transformare „umwandeln“) ist ein Gerät, das mithilfe der elektromagnetischen Induktion die Amplitude einer Wechselspannung verändern kann, wobei dessen Frequenz gleich bleibt.

Im einfachsten Fall besteht ein Trafo aus zwei Spulen mit N1 (Primärspule) bzw. N2 (Sekundärspule) Wicklungen, die um einen gemeinsamen Eisenkerns in Form eines eckigen Torus gewickelt sind (Abb.). Diesen Aufbau nennt man auch Kern- oder Einphasentrafo. Eine andere Möglichkeit besteht darin, beide Spulen konzentrisch zu wickeln, dabei muss die mit der kleineren Windungszahl innen liegen. Für Drehstrom verwendet man drei Spulenpaare.

Zur Diskussion des physikalischen Verhaltens betrachtet man meistens einen idealen Transformator, für den gilt:

  1. alle Ohm’schen Widerstände verschwinden, es treten also keine Joule’schen Wärmeverluste auf;
  2. es geht kein magnetischer Fluss verloren, d. h. der gesamte magnetische Fluss der Primärspule durchsetzt die gesamte Sekundärspule und umgekehrt;
  3. Wirbelstromverluste und Hysterese-Effekte im Eisenkern können vernachlässigt werden (niedrige elektrische Leitfähigkeit des Eisenkerns, keine Zeitverzögerung bzw. Phasenverschiebung zwischen Strom und magnetischem Fluss).

Bei einem unbelasteten idealen Transistor (kein Verbraucher an der Sekundärspule) beträgt das Übersetzungsverhältnis der Spannungen

\(\dfrac{U_2}{U_1} = - \dfrac{N_2}{N_1}\)

die Spannungen verhalten sich also wie die Windungszahlen und sind um \(\pi\) phasenverschoben (daher das Minuszeichen).

Transformator - Abbildung 1

Beim belasteten idealen Transformator fließt im Sekundärstromkreis ein Strom durch einen Ohm’ schen Widerstand und es wird elektrische Leistung übertragen. Das Stromübersetzungsverhältnis des belasteten idealen Trafos beträgt

\(\dfrac{I_1}{I_2} = - \dfrac{N_2}{N_1}\)

Die Ströme verhalten sich wie die Kehrwerte der Windungszahlen und sind wie die Spannungen um \(\pi\) phasenverschoben (Minuszeichen). Primärspannung und -strom sowie Sekundärspannung und -strom sind dagegen jeweils miteinander in Phase.

Transformator - Abbildung 2

Für die Produkte aus Strom und Spannung, also die Primär- und Sekundärleistung, gilt dann:

\(P_1 = I_1 \cdot U_1 = \dfrac{N_2}{N_1}I_2 \cdot \dfrac{N_1}{N_2}U_2 = I_2 \cdot U_2 = P_2\)

Eingangs- und Ausgangsleistung sind also gleich und der ideale Trafo ist, wie gefordert, tatsächlich verlustfrei.

Um die Verluste eines realen Transformators gering zu halten, wählt man u. a. den Abstand zwischen Primär- und Sekundärspule klein (konzentrische Wicklung), setzt den Eisenkern aus dünnen, gegeneinander isolierten Blechen zusammen (auf diese Weise werden Wirbelströme verhindert) und verwendet außerdem magnetische Werkstoffe mit möglichst kleiner Remanenz, also solche, die sich leicht ummagnetisieren lassen. Schließlich muss man für die Spulen Draht mit einer möglichst hohen elektrischen Leitfähigkeit wählen, z. B. hochreines Kupfer. Für Anwendungen in der Hochenergiephysik und teilweise auch bereits in der Leistungselektronik kommen auch supraleitende Spulen in Betracht.

 

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