Stromwissen: Was macht eigentlich ein Transformator?

Der Transformator: Definition und Herkunft.

Das Wort Transformator leitet sich aus dem Lateinischen „transformare“ ab und bedeutet umformen oder umwandeln. Er wird von Fans oder Anwendern auch liebevoll als „Trafo“ bezeichnet. Synonyme sind Umspanner oder Übertrager. Seit seiner Erfindung durch Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs (London) 1881 hat sich der Trafo ausgebreitet und ist nun auf der ganzen Welt zu finden.

Was ist ein Transformator?

Der Transformator ist eine technische Anlage der Energietechnik. Das Bauelement besteht aus Spulen, Kupferdraht und Kern: die vielfach gewickelten Drähte fallen sofort auf; sie erinnern ein bisschen an aufgewickeltes Nähgarn. In den meisten Anwendungsfällen ist die Aufgabe des Transformators das Erhöhen oder Verringern von elektrischen Spannungen. Trafos wandeln eine eingehende Wechselspannung a in einem bestimmten Verhältnis (z.B. 20 zu 1- das hängt von den Spulwindungen ab) in eine ausgehende Wechselspannung b um. Das macht also ein Transformator: er transformiert Wechselspannungen (keine Gleichspannungen). Transformatoren verstecken sich in kleinen, freistehenden Gebäuden oder in kleinen Räumen von großen Gebäuden: Der Trafo ist relativ schüchtern und wenn er unter Spannung steht auch nicht ganz ungefährlich. Ein Transformator kann einen satten elektrischen Schlag austeilen, wenn man ihm ohne Vorwarnung und Vorkehrungen zu nahe kommt. Deshalb möchte er die meisten Menschen mit folgendem Schildchen fern halten:

Nur ausgewählten Menschen erlaubt der Trafo einen Besuch. Dann kann es auch sein, dass er mal richtig abschalten kann und die ganze (An-) Spannung des Alltags von ihm abfällt.

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Verschiedene Transformator-Arten.

Den Transformator gibt es in verschiedensten Größen, Bauformen und Farben. Viele Elektrogeräte bzw. Stromverbraucher bei uns im Haushalt besitzen einen kleinen Trafo, da sich oft die erforderliche Betriebsspannung von der Netzspannung unterscheidet. Ladegeräte für Kameras, Smartphones, Tablets und Laptops gibts wohl in jedem Haushalt - in jedem einzelnen befinden sich Transformatoren.

Der große Bruder des Gerätetransformators wird dagegen zur Energieverteilung in der Industrie und von den Stromnetzbetreibern eingesetzt. Er wird als Verteiltransformator bezeichnet. In seiner größten Erscheinungsform wohnt der Trafo in den Umspannwerken. Dort ist er das Bindeglied zwischen den Spannungsebenen der Stromnetze. Er wird auch Netztransformator oder Umspanner genannt.

Die Fähigkeiten und inneren Werte des Trafo.

Hauptanwendungsgebiet von Transformatoren ist die Erhöhung oder Verringerung von Wechselspannungen. Was ermöglicht dem Trafo Spannungen umzuwandeln? Um diese Frage beantworten zu können, müssen wir mal wieder tief in den Fachbereich der Elektrotechnik eintauchen. Wem dies zu technisch ist, kann den folgenden Absatz auch gerne überspringen.

Das Funktionsprinzip des Transformators beruht auf dem Induktionsgesetz. Konstruktiv besteht der Trafo meist aus einem Ferrit- oder Eisenkern sowie elektrischen Leitern, die mehrfach um diesen Kern gewickelt sind. Er besitzt grundsätzlich eine Eingangsseite bzw. Primärseite und eine Ausgangsseite bzw. Sekundärseite. Die Wicklungen werden als Primär- und Sekundärspulen bezeichnet. Dazu gibt es eine Skizze vom Trafo fürs illustrierte Nachdenken:

Der Eisenkern des Trafo ist von zwei Spulen umwickelt, in denen Strom fließt (elektrische Energiequelle an Primärseite: I1). Die Wicklungen sind voneinander isoliert. Die Funktionsweise des Trafos beruht auf dem Induktionsgesetz und dem Ampèreschen Gesetz. © Wikipedia

Eine auf der Primärseite anliegende Wechselspannung bewirkt entsprechend dem Induktionsgesetz einen wechselnden magnetischen Fluss im Eisenkern des Trafos. D.h. es entsteht ein Magnetfeld, das seine Polarität aufgrund der anliegenden Wechselspannung zyklisch wechselt. Der wechselnde magnetische Fluss wiederum induziert auf der Sekundärseite des Transformators eine Spannung.

Was ist ein Wicklungsverhältnis?

Sofern die Anzahl der Kupferwicklungen auf der Primär- und Sekundärseite gleich groß ist, ist die Spannung auf den beiden Seiten des Trafos gleich hoch (im Leerlauffall, d.h. ohne Last). In diesem Fall ist das sog. „Wicklungsverhältnis“ gleich eins. Bei einem abweichenden Wicklungsverhältnis verändert sich die Spannung auf der Sekundärseite des Trafos. Er transformiert also die Spannung auf der Eingangsseite auf ein definiertes Spannungsniveau auf seiner Ausgangsseite. Das nennt man Spannungstransformation.

Wechselstrom und Ampersches Gesetz.

Wird nun ein elektrischer Verbraucher an die Sekundärseite des Trafos angeschlossen, so fließt ein Wechselstrom in der Sekundärwicklung. Es wird also Strom bezogen. Dieser Strom bewirkt gemäß dem Ampère’schen Gesetz auch einen Wechselstrom in der Primärwicklung. Die Stromstärke hängt wiederum vom Wicklungsverhältnis ab. Man spricht hier von einer Stromtransformation.

Transformatoren kurz und anschaulich erklärt: im Video vom VDI (Verein Deutscher Ingenieure).

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Der Transformator in der heutigen Energietechnik.

Transformatoren sind für die Stromversorgung unverzichtbar, da elektrische Energie nur mittels Hochspannungsleitungen über weite Entfernungen wirtschaftlich sinnvoll transportiert werden kann. Wie Ihr bereits wisst, hat das öffentliche Stromnetz verschiedene Spannungsebenen. Große Kraftwerke arbeiten mit hohen Spannungen, wir zuhause dagegen mit relativ niedrigen Spannungen. Das Bindeglied zwischen diesen Spannungsebenen ist der Transformator.

Der Trafo regelt hohe Spannung in niedrige Spannung - oder andersrum.

Ein Trafo wird eingesetzt, um elektrische Energie aus einem Stromnetz höherer Spannung in ein Stromnetz niedriger Spannung einzuspeisen. Da der Trafo ein toleranter Kerl ist, funktioniert das übrigens auch in der Gegenrichtung. Man kann über einen Trafo also auch erzeugten Strom in eine höhere Spannungsebene zurück speisen.

Physikalisch bzw. mathematisch berechnen sich Spannungen und Windungen mit der Formel: U1 : U2 = N1 : N2 (Spannungsübersetzung für idealen Transformator). U1: Spannung in Volt an der ersten Spule; U2: Spannung in Volt an der zweiten Spule; N1: Anzahl der Windungen der ersten Spule; N2: Anzahl der Windungen der zweiten Spule.

Oh, eine galvanische Trennung.

Einen großen Pluspunkt bekommt der Trafo für seine technische Möglichkeit zur „galvanischen Trennung“ von Stromkreisen. Das klingt eher traurig, ist es aber nicht.

Galvanische Trennung bedeutet vielmehr, dass zwei Stromkreise nicht über einen elektrischen Leiter miteinander verbunden sind. Die Energieübertragung erfolgt hier ausschließlich durch Induktion im Magnetfeld des Trafokerns.

Dies bietet jedem Anwender eine erhöhte Sicherheit, auch wenn dieser von jeglichem Wissen über die Gefahren des elektrischen Stromes befreit ist. Kommt es zu einem Kurzschluss im Gerät, kann der resultierende Fehlerstrom bei Gerätekontakt über den menschlichen Körper fließen. Das kann lebensgefährlich sein. Bei Einsatz eines Trafos mit galvanischer Trennung bleibt dieser Fehlerstrom sehr gering und relativ ungefährlich.

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