Funktionsprinzip des Transformators erklärt | Einfacher Leitfaden

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Fast jedes elektronische Gerät hat eine Reihe kleinerer Geräte, die direkt auf eine PCB-Platte. Wir sprechen über den Transformator, ein einfaches, aber wichtiges Bauteil. Seine Hauptfunktion ist die Anpassung der Spannung eines elektrischen Stroms. Er kann eine niedrige Spannung erhöhen oder eine hohe Spannung verringern. Diese Fähigkeit ist für den sicheren und effektiven Betrieb unseres Stromnetzes und unserer elektronischen Geräte unerlässlich.

Obwohl viele Menschen wissen, was ein Transformator tut, sind sie mit seinem Mechanismus nicht vertraut. Ein grundlegendes physikalisches Prinzip liegt der Funktionsweise dieser unscheinbaren Box zugrunde. Es sind keine beweglichen Teile vorhanden. Stattdessen überträgt er die Energie zwischen den Schaltkreisen mit Hilfe eines Magnetfeldes.

Was ist in einem Transformator enthalten?

Um zu verstehen, wie ein Transformator funktioniert, müssen wir zunächst seinen Aufbau verstehen. Ein einfacher Transformator besteht aus nur wenigen wesentlichen Teilen. Sein Aufbau ist einfach, aber unglaublich leistungsfähig. Schauen wir uns ein grundlegendes Schema seines Aufbaus an.

Ziehen Sie einen rechteckigen oder quadratischen Ring in Betracht. Dieser Ring ist ein stabiler Gegenstand, der als Basis für das Gerät dient. Stellen Sie sich nun vor, dass dieser Ring von zwei verschiedenen Drahtspulen umschlossen ist. Auf der einen Seite befindet sich die eine Spule, auf der anderen die andere. Dies ist die grundlegende Konstruktion eines Transformators.

Im Folgenden finden Sie eine Aufschlüsselung dieser Komponenten:

Der Eiserne Kern: Der Kern ist der Ring selbst. In der Regel besteht er aus einer ferromagnetischen Substanz, wie z.B. Eisen. Weil Eisen ein Magnetfeld so gut leitet, wird es verwendet. Der Kern ist dafür verantwortlich, das Magnetfeld von einer Drahtspule zur nächsten zu leiten. Daher ist das Verfahren äußerst effektiv. Daher erhält die zweite Spule fast die gesamte magnetische Energie, die von der ersten Spule erzeugt wird.

Die erste Drahtspule wird als Primärwicklung bezeichnet. Sie ist auf einer Seite um den Eisenkern herumgewickelt. Diese Spule dient als Eingang des Transformators. Die Primärwicklung empfängt den Strom von der Stromquelle. Da Kupfer ein hervorragender elektrischer Leiter ist, besteht der Draht fast immer aus Kupfer. Wir werden sehen, warum es so wichtig ist, wie oft der Draht um den Kern gewickelt wird.

Die zweite Drahtspule wird als Sekundärwicklung bezeichnet. Sie umgibt den Eisenkern auf einer anderen Seite. Der Ausgang des Transformators ist diese Spule. Die modifizierte Elektrizität verlässt die Sekundärwicklung und gelangt zu dem Stromkreis oder dem Gerät, das sie mit Strom versorgt. Auch für diesen Draht wird Kupfer verwendet. Ein weiterer entscheidender Faktor bei dieser Spule ist die Anzahl der Windungen. Die endgültige Ausgangsspannung wird durch sie bestimmt.

Zusammen verändern diese drei Komponenten die Spannung. Physikalisch gesehen gibt es keine Verbindung zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen. Elektrisch sind sie getrennt. Nur das Magnetfeld, das den Kern durchläuft, kann die Energie zwischen ihnen verschieben. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist diese Trennung, die eine elektrische Isolierung bietet.

Das Grundprinzip: Wie elektromagnetische Induktion funktioniert

Die gesamte Funktionsweise eines Transformators basiert auf einem einzigen, mächtigen Prinzip der Physik: elektromagnetische Induktion. Diese Idee wurde von Michael Faraday in den 1830er Jahren entdeckt. Sie ist eine der wichtigsten Entdeckungen in der Geschichte der Elektrizität.

Was ist also elektromagnetische Induktion?

Einfach ausgedrückt bedeutet dies, dass ein wechselndes Magnetfeld einen elektrischen Strom in einem Draht erzeugen kann. Wenn Sie eine Drahtspule haben und einen Magneten in deren Nähe bewegen, entsteht in dem Draht eine Spannung. Auch wenn der Magnet stillsteht, aber das von ihm erzeugte Magnetfeld stärker oder schwächer wird, entsteht in dem Draht eine Spannung.

Das Schlüsselwort hier ist ändern. Ein konstantes, unveränderliches Magnetfeld bewirkt nichts. Das Magnetfeld muss in Bewegung sein oder seine Stärke verändern. Diese Veränderung ist es, die die Elektronen im Draht antreibt und eine Spannung erzeugt. Das ist die Magie hinter dem Transformator. Er nutzt die Elektrizität in einer Spule, um ein wechselndes Magnetfeld zu erzeugen. Dieses veränderte Magnetfeld erzeugt dann in einer zweiten Spule neuen Strom.

Dieses Prinzip verbindet Magnetismus und Elektrizität. Das eine kann das andere erzeugen, aber nur, wenn es eine Veränderung gibt. Ein Transformator ist dafür ausgelegt, diesen Prozess sehr gut durchzuführen. Er verwendet einen Wechselstrom (AC), um das notwendige wechselnde Magnetfeld zu erzeugen. Schauen wir uns an, wie das alles in einem schrittweisen Arbeitsprozess zusammenkommt.

Das schrittweise Arbeitsprinzip eines Transformators

Da wir nun die Teile und das Hauptprinzip kennen, können wir uns Schritt für Schritt ansehen, wie ein Transformator funktioniert. Der Prozess ist eine reibungslose und kontinuierliche Kette von Ereignissen.

Eingang mit Wechselstrom (AC)

Der Prozess beginnt, wenn eine elektrische Stromquelle an die Primärwicklung angeschlossen wird. Diese Stromquelle muss eine Wechselstrom (AC). Dies ist die wichtigste Voraussetzung dafür, dass ein Transformator funktioniert.

Wechselstrom ist eine Art von Elektrizität, bei der der Strom ständig seine Richtung ändert. Er fließt in eine Richtung, kehrt dann um und fließt in die andere Richtung, hin und her, viele Male pro Sekunde. In den Vereinigten Staaten beträgt die Standardfrequenz 60 Hertz, was bedeutet, dass der Strom 60 Mal pro Sekunde seine Richtung ändert. Diese sich ständig ändernde Natur des Wechselstroms ist der Schlüssel.

Erzeugen eines sich verändernden Magnetfeldes

Wenn der Wechselstrom durch die Primärwicklung fließt, erzeugt er ein Magnetfeld um den Draht. Da sich der Strom ständig ändert, ändert sich auch das von ihm erzeugte Magnetfeld ständig.

• Wenn der Strom in einer Richtung am höchsten ist, ist das Magnetfeld am stärksten.
• Wenn der Strom abnimmt, wird das Magnetfeld schwächer.
• Wenn der Strom seine Richtung ändert, kehrt auch das Magnetfeld seine Polarität um (sein Nord- und Südpol wechseln).

Die Primärwicklung wirkt also wie ein Elektromagnet, aber ihr Magnetfeld ist nicht gleichmäßig. Es ist ein pulsierendes, sich ständig veränderndes Magnetfeld. Dieses wechselnde Magnetfeld ist der Energieträger im Transformator.

Der eiserne Kern leitet das Feld

Das wechselnde Magnetfeld, das von der Primärwicklung erzeugt wird, dehnt sich nach außen aus. Der Eisenkern befindet sich genau in der Mitte dieses Feldes. Wie wir bereits gesagt haben, ist der Eisenkern sehr gut im Leiten von Magnetfeldern. Er fängt fast das gesamte Magnetfeld ein und bündelt es.

Dann leitet der Kern dieses sich verändernde Magnetfeld entlang seines Weges. Er leitet das Feld von der Primärwicklung auf die Sekundärwicklung um. Das ist die einzige Aufgabe des Kerns: eine Brücke für das Magnetfeld zu sein. Ohne einen guten Kern würde ein Großteil der magnetischen Energie in die Luft entweichen und verloren gehen. Der Kern sorgt dafür, dass die maximale Energiemenge an die Sekundärwicklung abgegeben wird.

Induzierte Spannung in der Sekundärwicklung

Das sich ändernde Magnetfeld, das durch den Kern geleitet wird, fließt nun durch das Zentrum der Sekundärwicklung. Erinnern Sie sich an das Prinzip der elektromagnetischen Induktion: ein wechselndes Magnetfeld erzeugt eine Spannung in einer nahe gelegenen Drahtspule.

Das ist genau das, was hier passiert. Das pulsierende, kippende Magnetfeld schneidet die Drähte der Sekundärwicklung durch. Diese sich bewegende magnetische Kraft schiebt die Elektronen im Inneren des Sekundärdrahtes an und bringt sie in Bewegung. Diese Bewegung der Elektronen ist ein elektrischer Strom. Es wird also eine neue Wechselspannung erzeugt, oder induziertüber die Sekundärwicklung.

Diese neue Spannung hat die gleiche Frequenz wie die Primärspannung (z.B. 60 Hertz). Aber ihre Spannungshöhe kann unterschiedlich sein. Die Ausgangsspannung hängt vollständig von der Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung im Vergleich zur Primärwicklung ab.

Dieser gesamte Prozess geschieht ohne jegliche physische Verbindung zwischen den Primär- und Sekundärspulen. Die Energie wird unsichtbar über das Magnetfeld übertragen. Dies ist das komplette Funktionsprinzip eines Transformators. Es ist ein vierstufiger Tanz von Elektrizität und Magnetismus.

Step-Up vs. Step-Down: Die Bedeutung des Drehverhältnisses

Wir haben gesagt, dass ein Transformator die Spannung ändern kann. Aber wie kontrolliert er, ob die Spannung steigt oder fällt? Die Antwort ist einfach und elegant. Es hängt von der Windungsverhältnis. Das Windungsverhältnis ist das Verhältnis zwischen der Anzahl der Drahtwindungen in der Sekundärwicklung und der Anzahl der Windungen in der Primärwicklung.

Abwärtstransformator

Ein Abwärtstransformator wird verwendet, um die Spannung zu verringern. Zu diesem Zweck muss der die Sekundärwicklung hat weniger Drahtwindungen als die Primärwicklung.

Beispiel: Stellen Sie sich vor, die Primärwicklung hat 1.000 Windungen und die Sekundärwicklung hat nur 100 Windungen. Das ist ein Verhältnis von 10 zu 1 Windungen. Wenn Sie 120 Volt Wechselstrom an die Primärwicklung anlegen, erzeugt die Sekundärwicklung nur 12 Volt Wechselstrom.

Das ist sehr häufig der Fall. Ihr Telefon- oder Laptop-Ladegerät ist ein perfektes Beispiel dafür. Im Inneren dieses Plastikgehäuses befindet sich ein kleines PCB-Platteund darauf befindet sich ein Abwärtstransformator. Er nimmt die 120 Volt aus Ihrer Steckdose und reduziert sie auf die niedrige Spannung, die zum Laden des Akkus Ihres Geräts benötigt wird.

Während die Spannung sinkt, kann der verfügbare Strom steigen. Wenn wir kleine Energieverluste außer Acht lassen, ist die Leistung (Spannung × Strom) auf beiden Seiten des Transformators die gleiche. Wenn also die Spannung durch 10 geteilt wird, kann der Strom mit 10 multipliziert werden.

Die Grundformel lautet:

Wo:

• VS ist die Spannung an der Sekundärwicklung.
• VP ist die Spannung an der Primärwicklung.
• NS ist die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung.
• NP ist die Anzahl der Windungen der Primärwicklung.

Aufwärtstransformator

Ein Aufwärtstransformator wird verwendet, um die Spannung zu erhöhen. Zu diesem Zweck muss der die Sekundärwicklung hat mehr Drahtwindungen als die Primärwicklung.

• Beispiel: Stellen Sie sich vor, die Primärwicklung hat 100 Windungen und die Sekundärwicklung hat 2.000 Windungen. Dies ist ein Verhältnis von 1 zu 20 Windungen. Wenn Sie 120 Volt Wechselstrom an die Primärwicklung anlegen, erzeugt die Sekundärwicklung 2.400 Volt Wechselstrom.

Aufwärtstransformatoren sind für das Stromnetz unerlässlich. Kraftwerke erzeugen Strom mit einer relativ niedrigen Spannung. Um diesen Strom über weite Strecken durch Übertragungsleitungen zu transportieren, wird die Spannung auf sehr hohe Werte (etwa Hunderttausende von Volt) angehoben. Dadurch wird der Energieverlust in den Leitungen reduziert. Bevor der Strom in Ihrer Nachbarschaft ankommt, wird die Spannung durch eine Reihe von Abspanntransformatoren wieder auf ein sicheres Niveau für den Hausgebrauch reduziert.

Bei einem Aufwärtstransformator steigt zwar die Spannung, aber der verfügbare Strom sinkt im gleichen Verhältnis. Das liegt wiederum daran, dass die Leistung konstant bleiben muss.

Allgemeine Anwendungen von Transformatoren

Da Transformatoren problemlos Spannungen ändern können, werden sie an vielen verschiedenen Orten eingesetzt. Hier sind einige der häufigsten Anwendungen:

• Stromnetz: Wie wir bereits erwähnt haben, sind sie entscheidend für die Übertragung von Strom von Kraftwerken zu den Haushalten. Sie erhöhen die Spannung für den Transport über große Entfernungen und reduzieren sie dann in mehreren Stufen für die sichere Nutzung in Wohngebieten und Häusern.
• Geräte-Ladegeräte: Fast jedes Gerät, das an die Steckdose angeschlossen wird, um einen Akku zu laden, verwendet einen Abwärtstransformator. Dazu gehören Telefone, Laptops, Elektrowerkzeuge und mehr.
• Leistungsregelung auf einer Platine: In komplexen elektronischen Geräten wie Computern oder Stereoanlagen benötigen verschiedene Chips und Komponenten unterschiedliche Spannungen, um zu funktionieren. Kleine Transformatoren werden oft direkt auf ein PCB-Platte um aus einer einzigen Eingangsspannung mehrere niedrigere Spannungen zu erzeugen, die für die Stromversorgung der gesamten Schaltung benötigt werden.
• Audio-Ausstattung: Spezielle Transformatoren werden verwendet in Audio-Verstärker und Lautsprecher. Ihre Aufgabe ist es, die Impedanz (eine Art elektrischer Widerstand) zwischen den verschiedenen Teilen des Audioschaltkreises anzupassen. Dies gewährleistet die beste Klangqualität und Leistungsübertragung.
• Isolationstransformatoren: Manchmal besteht das Hauptziel nicht darin, die Spannung zu ändern, sondern einen Stromkreis aus Sicherheitsgründen von einem anderen zu trennen. Ein Trenntransformator hat ein Windungsverhältnis von 1:1. Die Ausgangsspannung ist die gleiche wie die Eingangsspannung. Da es jedoch keine physische Verbindung zwischen der Primär- und der Sekundärseite gibt, schützt er den Benutzer vor einem Stromschlag durch die Stromquelle. Diese Transformatoren werden häufig in medizinischen Geräten und bei elektronischen Tests eingesetzt.

Warum Transformatoren nur mit AC und nicht mit DC funktionieren

Dies ist eine sehr häufige Frage und eine gute Möglichkeit, Ihr Verständnis des Funktionsprinzips zu überprüfen. Ein Transformator kann absolut nicht mit Gleichstrom (DC) arbeiten.

Und warum?

Kehren wir zum Grundprinzip der elektromagnetischen Induktion zurück. Eine Spannung wird in der Sekundärspule nur dann induziert, wenn das Magnetfeld ändern.

• AC (Alternating Current): Der Strom ändert sich ständig, so dass er ein sich ständig änderndes Magnetfeld erzeugt. Dieses sich ändernde Feld induziert eine Spannung in der Sekundärwicklung. Der Prozess ist kontinuierlich.
• DC (Direct Current): Der Strom fließt nur in eine Richtung mit einem konstanten Wert. Wenn Sie zum ersten Mal eine Gleichstromquelle an die Primärwicklung anschließen, geht der Strom von Null auf seinen vollen Wert. Für diesen sehr kurzen Moment verändert sich das Magnetfeld (es wächst), so dass Sie vielleicht einen winzigen Spannungsimpuls in der Sekundärwicklung sehen. Aber danach ist der Gleichstrom konstant. Ein gleichmäßiger Strom erzeugt ein gleichmäßiges, konstantes Magnetfeld. Ein konstantes Magnetfeld hat keine Auswirkungen auf die Sekundärwicklung, da es sich nicht verändert. Keine Veränderung bedeutet keine Induktion. Es wird also keine Ausgangsspannung erzeugt.

Wenn Sie die Primärwicklung eines Transformators zu lange an eine Gleichstromquelle anschließen, kann dies gefährlich sein. Die Primärwicklung ist nur eine lange Drahtspule mit sehr geringem Widerstand. Bei Wechselstrom erzeugt diese Spule einen sogenannten induktiven Blindwiderstand, der den Strom begrenzt. Bei Gleichstrom gibt es keine Reaktanz, sondern nur den geringen Widerstand des Kupferdrahtes. Dadurch fließt ein sehr hoher Strom, der die Drähte überhitzen und den Transformator zerstören kann.

Transformatoren und Energieverluste in der realen Welt

Der von uns beschriebene Prozess bezieht sich auf einen perfekten oder "idealen" Transformator. In einem idealen Transformator werden 100% der Energie von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen. Aber in der realen Welt ist kein Prozess vollkommen effizient. Echte Transformatoren verlieren eine kleine Menge an Energie, die in der Regel als Wärme freigesetzt wird.

Es gibt einige Hauptgründe für diesen Energieverlust:

• Kupferverluste (oder I²R-Verluste): Die Kupferdrähte in den Primär- und Sekundärwicklungen haben einen gewissen elektrischen Widerstand. Wenn Strom durch diesen Widerstand fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt. Das ist genau so, wie das Element in einem Toaster heiß wird. Dickere Drähte haben einen geringeren Widerstand und können diesen Verlust verringern.
• Wirbelstromverluste: Das sich verändernde Magnetfeld erzeugt nicht nur einen Strom in der Sekundärwicklung, sondern auch winzige, kreisförmige Ströme im Inneren des Eisenkerns. Wir bezeichnen diese als Wirbelströme. Sie bewirken nichts Produktives. Sie zirkulieren lediglich und erzeugen Wärme im Inneren des Kerns. Um dies zu verringern, sind Transformatorenkerne nicht aus einem massiven Eisenblock gefertigt. Vielmehr bestehen sie aus zahlreichen dünnen Eisenschichten, den so genannten Laminaten, mit einer dünnen Isolierschicht dazwischen. Diese Konstruktion verringert diese Art von Energieverlust erheblich, indem sie den Weg der Wirbelströme unterbricht.
• Hysterese-Verluste: Jedes Mal, wenn der Wechselstrom seine Richtung wechselt, muss auch das Magnetfeld im Eisenkern seine Polarität umkehren. Es erfordert eine geringe Menge an Energie, um die magnetischen Domänen im Eisen hin und her zu bewegen. Diese Energie geht als Wärme im Inneren des Kerns verloren. Dies wird manchmal als magnetische Reibung bezeichnet. Die Verwendung spezieller Eisensorten (z.B. Siliziumstahl) für den Kern kann dazu beitragen, diesen Verlust zu verringern.

Selbst mit diesen Verlusten sind moderne Transformatoren extrem effizient. Große Leistungstransformatoren können einen Wirkungsgrad von mehr als 99% haben, was bedeutet, dass nur sehr wenig Energie als Wärme verschwendet wird.

Fazit

Der Transformator ist ein perfektes Beispiel für ein Gerät, das einfach in der Konstruktion, aber tiefgreifend in seiner Wirkung ist. Sein Funktionsprinzip basiert auf einer direkten Anwendung des Faradayschen Gesetzes der elektromagnetischen Induktion.

Alles beginnt mit einem Wechselstrom in der Primärspule. Dadurch wird ein Magnetfeld erzeugt, das sich ebenfalls ändert. Der Eisenkern dient dann als Leiter, der dieses wechselnde Magnetfeld zur Sekundärspule leitet. Dieses sich bewegende Magnetfeld induziert dann einen neuen Wechselstrom in der Sekundärspule. Die Spannung dieses neuen Stroms wird durch das einfache Verhältnis der Windungen zwischen den beiden Spulen bestimmt.

Durch die Verwendung von mehr oder weniger Windungen in der Sekundärwicklung kann ein Transformator die Spannung herauf- oder herabsetzen. Diese einfache Fähigkeit macht unser globales Stromnetz erst möglich. Er ermöglicht die effiziente Übertragung von Strom über große Entfernungen und die sichere Nutzung dieses Stroms in unseren Häusern und Geräten. Ohne den Transformator würde die Welt der Elektrizität, wie wir sie kennen, nicht existieren. Er ist ein grundlegender Baustein der modernen Technologie und verrichtet seine Arbeit im Stillen durch die unsichtbaren Kräfte von Elektrizität und Magnetismus.

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