Vortrag Physik

Der Transformator

Gliederung:

1. Definition
2. Aufbau
3. Wirkungsweise
4. idealer und realer Transformator
5. belasteter und unbelasteter Transformator
6. Verwendung und Nutzen des Transformators

1. Definition
“Ein Transformator (kurz Trafo ) ist eine elektrische Baugruppe aus zwei oder mehr Spulen auf einem gemeinsamen weichmagnetischen Eisenkern. Mit Hilfe von Transformatoren lassen sich elektrische Spannungen herauf- oder heruntertransformieren das heißt erhöhen oder verringern und damit den technischen Erfordernissen anzupassen.“

2. Aufbau

• Primärspule (Feldspule)
• Sekundärspule (Induktionsspule)
• geschlossener Eisenkern (lamelliert)
• keine elektrisch leitende Verbindung zwischen beiden Spulen
• Unterscheidung der Transformatoren nach der Bauform in
  • Kerntransformatoren
  • Manteltransformatoren
  • Ringtransformator

3. Prinzip und Wirkungsweise

• bei Stromdurchgang durch eine Spule erzeugte Magnetfeld > durchsetzt die andere Spule möglichst vollständig
• Unterstützung durch Kern aus ferromagnetischem Material
• Spulen mit Windungszahlen N1 und N2 umgreifen ein gemeinsames Magnetfeld
• Eisenkern > Verstärkung des Magnetfeldes
• an Primärspule Wechselspannung mit U1 > induzierte Spannung
  (= der Flussänderung durch alle N1-Windungen)
  (erzeugt ein sich ständig änderndes Magnetfeld)
• Flussänderung induziert in Sekundärspule eine Wechselspannung (abhängig von der Windungszahl N2)
  (über geschlossenen Eisenkern > magnetisches Wechselfeld in andere Spule übertragen)
• Verhältnis der Spannungen gleich dem Verhältnis der Windungen
• Minuszeichen > Ausdruck der Gegenläufigkeit der Spannungen
• nur bei Wechselstrom
  > bei Gleichstrom: keine periodische Änderung des magnetischen Flusses, deshalb keine Induktion in der Sekundärspule
• Stromkreis mit Primärspule > Primärstromkreis mit Primärstromstärke I1
• Stromkreis mit Sekundärspule > Sekundärstromkreis mit Sekundärstromstärke I2

Besonderheit des Eisenkernes

• Entstehung von Wirbelströmen
• Induktionsströme in anderen Leitern, bei verändertem umfassten Magnetfeld
• lenzsches Gesetz: Ursache der Entstehung entgegen > würde

4. idealer und realer Transformator

idealer Transformator

• Umwandlung von elektrischer Energie des Primärkreises in elektrische Energie des Sekundärkreises
• im Idealfall: gesamte elektrische Energie des Primärkreises in elektrische Energie des Sekundärkreises umgewandelt
  > idealer Transformator als Modell
• dem Primärkreis zugeführte Energie gleich der im Sekundärkreis nutzbaren Energie
  > keine Energieverluste
• ohmscher Widerstand beider Spulen Null
• keine Verluste im Eisenkern durch ständige Ummagnetisierung
• im Eisenkern keine Wirbelstromverluste
• keine Streuverluste > gesamter magnetischer Fluss durchsetzt beide Spulen in gleicher Weise

realer Transformator

• dem Primärkreis zugeführte Energie ist größer, als die im Sekundärkreis nutzbare
  > Umwandlung eines Teils der Energie in thermische Energie
• Entstehung von Wirbelströmen, können zur Erwärmung führen
• Wirkungsgrad bei etwa 98% bei guten Transformatoren, abhängig von der Belastung
• Wirkungsgrad: η= P2/P1
  > Der Wirkungsgrad des Transformators ist gleich dem Quotienten aus den Wirkleistungen P (so wie normale Leistung P=U*I) im Sekundär- und Primärstromkreis.
• ohmscher W-ohmscher Widerstand: Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie 
  -> Wirkwiderstände iderstand: Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie 
  -> umgesetzte Leistung > Wirkleistung

Phasenverschiebung:

• Sinuswellen passieren nicht gleichzeitig ihren Nullpunkt
• durch kapazitive und induktive Verbraucher verursacht
• Spule: Spannung eilt Strom voraus

5. belasteter und unbelasteter Transformator

• unbelasteter Transformator: (siehe Powerpoint)
• im Sekundärstromkreis fließt kein Strom
• I2 = 0
• kein gerät angeschlossen
• Transformator im Leerlauf
• Spannungsübersetzung: Spannungen U wie die Windungszahlen N der Spulen
  U1/U2=N1/N2
• belasteter Transformator (siehe Powerpoint)
• im Sekundärstromkreis fließt ein Strom
• I2 > 0
• mit Verbraucher
• Stromstärken verhalten sich umgekehrt wie die Windungszahlen
  I1/I2=N1/N2
• Gesetz umso besser erfüllt, je stärker die Belastung ist
• je größer Sekundärstromstärke, umso größer Belastung des Transformators
• am größten bei der Verbindung der Enden der Sekundärspule > Kurzschluss

unbelasteter idealer Transformator (Spannungswandler)

• Primärspule > ständige Induktion einer Spannung, wirkt der Spannung und Spannungsquelle (nach lenzschem Gesetz) entgegen
• Primärspule: U1=-N1*(dΦ/dt) (Induktion einer Spannung in Primärspule > wirkt ihrer Ursache entgegen > lenzsches Gesetz)
• Sekundärspule: U2=-N2*(dΦ/dt) (Sekundärspule mit gleichem sich ändernden Magnetfeld)
  U1/U2=N1/N2
• Beim unbelasteten Transformator verhalten sich die Spannungen annähernd wie die Windungszahlen der Spulen

Die Rückwirkung

experimentell: bei Vergrößerung de Belastung und Erhöhung der Sekundärstromstärke > Vergrößerung der Primärstromstärke

• bezieht sich auf Beeinflussung der Primärstromstärke durch den Sekundärstromkreis
• Ursache:
  • mit dem Sekundärstrom verbundener magnetischer Fluss im Eisenkern
  • wirkt nach lenzschem Gesetz dem primären magnetischen Fluss entgegen
  • Verringerung des Gesamtflusses im Eisenkern > kleinere Induktionsspannung in der Primärspule
  • wirkt der angelegten Spannung entgegen
  • somit Vergrößerung der Primärstromstärke

6. Verwendung und Nutzen des Transformators

• Kernstück von Netzgeräten und Netzadaptern (Fernseher, elektrische Klingel, Zündanlagen im Kfz, Fehlstromschutzschalter, Schweißgeräte)
• beim betrieb des Stromverbundnetzes (Hochspannungstransformatoren; so hoch transformiert > elektrische Energie mit möglichst wenig Verlusten zu Verbrauchern)
• Netztransformatoren
• Hochspannungstransformatoren
• Fernleitung elektrischer Energie (Leistungstransformatoren des Energienetzes)
• Verwendung im Bereich von einem Kilowatt: vor einem Gleichrichter
• Verwendung im Bereich bis zu 100 Watt: Kopplung von elektronischen Schaltkreisen mit Lautsprechern in Radios, Fernsehgeräten, Stereoanlagen
• Verwendung im Bereich von wenigen Miliwatt: UKW- Frequenzen, Hochfrequenzen und Zwischenfrequenzen miteinander zu koppeln (in Abstimm- oder Resonanzschaltungen)

Der Hochstromtransformator

• zum Elektroschweißen
• kleine Spannungen – sehr hohe Stromstärken (einige hundert bis tausend Ampere)
• Sekundärspule mit wenigen Windungen dicken Drahtes
• beim Schweißvorgang: ein Ende der Sekundärspule mit Metallgegenstand verbunden
• anderes Ende: mit Schweißelektrode (mit Griff haltbar)
• Schweißstelle mit Elektrode verbunden > Sekundärstromkreis geschlossen
• sehr hohe Stromstärke > Metall an der Berührungsstelle glüht
• beim Abheben > Lichtbogen
• Metall der Schweißelektrode wird flüssig, tropft auf die zu verbindenden Stellen
• beim Entfernen der Schweißelektrode: Stromkreis unterbrochen

Hochspannungstransformator

• Benzin-Luft-Gemisch > durch Funken gezündet
• Funkenüberschlag > an Zündkerzen sehr hohe Spannung nötig
• durch Zündspule (Hochspannungstransformator)
• Primärspule mit geringen Windungszahl
• mit Unterbrecher: an Batterie angeschlossen
• Sekundärspule an Zündkerze
• durch Unterbrecher: Primärstromkreis laufend ein-/ausgeschaltet
• Ausschalten: starke Änderung des Magnetfeldes
• Induktion der in der Sekundärspule benötigten Spannung zum Zünden

Fernleitung elektrischer Energie (Netztransformatoren)

• Generatoren mit Spannungen bis zu 20 kV
• durch Transformatoren auf 220/380 kV hochtransformiert
• durch Freileitungen über große Entfernungen transportiert
• bis Hunderte Kilometer
• Drähte: mit elektrischem Widerstand
• umso größer, je länger die Leitung
  Leitungswiderstand > Umwandlung in thermische Energie, Erwärmung der umgebenden Luft
• Stromstärke herabsetzen, Spannung erhöhen
• danach: schrittweises heruntertransformieren der hohen Spannungen in der Nähe von Städten 

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