Transformatoren

In einem elektrischen Stromkreis werden auf verschiedenen Ebenen Transformatoren eingesetzt. Diese dienen dazu, die elektrische Spannung hoch oder runter zu setzen. Beispielsweise kann den elektrischen Strom vor einem Transport über lange Strecken hochtransformieren, den Strom transportieren und am Zielort wieder auf das gewünschte Niveau herunter transformieren und verteilen. Das Prinzip ist mit ein Grund dafür, dass sich die Energieversorgung über Wechselstrom gegenüber Gleichstrom durchgesetzt hat. Transformatoren sind auch in vielen Geräten und Bauteilen eingebaut bzw. der Netzstecker enthält einen integrierten Transformator. Häufig arbeiten die Geräte mit einer geringeren Spannung als der Spannung, die an den Steckdosen zur Verfügung gestellt wird und die Spannung muss mittels Transformatoren (kurz Trafo) runtergesetzt werden.

Die Hauptbestandteile eines Transformators sind zwei Spulen, die in der Regel aus Kupferdraht gewickelt und Primärspule und Sekundärspule genannt werden. Um den Induktionseffekt zu verstärken, werden die Spulen in der Regel links und rechts um die Arme eines geschlossenen Eisenkerns gewickelt. Ein Eisenkern bündelt das Magnetfeld, ist für die Funktion eines Transformators jedoch nicht zwingend notwendig. Um die Funktionsweise eines Transformators zu verstehen, sind folgende Dinge wichtig:

• Ein Stromdurchflossener Leiter erzeugt ein Magnetfeld
• Der Effekt wird durch Aufwicklung des Leiters zu einer Spule verstärkt
• Ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt elektrische Spannung (Induktionsspannung)

An die Primärspule wird eine elektrische Spannung angelegt. Die Primärspule wird von Strom durchflossen und erzeugt daher ein starkes Magnetfeld. Da bei der Wechselspannung das Plus- und Minuspol sich ständig abwechseln, ändert sich auch mit der gleichen Frequenz das Magnetfeld. Das sich ändernde Magnetfeld wird auf die andere Seite des Eisenkerns zur Sekundärspule übertragen. Da sich das Magnetfeld auf der Sekundärspule ebenfalls ständig ändert, wird auf der Sekundärspule eine elektrische Spannung erzeugt. In Kurzform können die Vorgänge wie folgt zusammengefasst werden:

• An Primärspule wird Wechselspannung angelegt
• Die Wechselspannung erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld
• Das sich ändernde Magnetfeld wird auf die Sekundärspule übertragen
• Elektrische Spannung wird an der Sekundärspule durch das sich ändernde Magnetfeld erzeugt

Mit den Primär- und Sekundärspulen allein lassen sich elektrische Spannungen nicht hoch- oder runtertransformieren. Entscheidend ist die Anzahl der Windungen bzw. das Verhältnis der Windungen zwischen Primär- und Sekundärspule. Hat die Primärspule mehr Windungen als die Sekundärspule, wird die elektrische Spannung runtertransformiert. Hat die Primärspule weniger Windungen als die Sekundärspule, wird die Spannung hochtransformiert. Entscheidend ist dabei das Verhältnis der Windungen und die Spannungen verhalten sich synchron mit den Windungen der Spule.

Der Grund für das Verhalten ist, dass das sich ändernde Magnetfeld an der Sekundärspule pro Windung eine bestimmte Spannung erzeugt. Die Spannung, die pro Windung erzeugt wird, ist abhängig von der Spannung und von der Windungsanzahl an der Primärspule. Es lässt sich ausrechnen, indem man an der Primärspule die Spannung durch die Anzahl der Windungen teilt. Liegt z.B. an der Primärspule mit 1000 Windungen eine Spannung von 230 Volt an, wird pro Windung 230 : 1000 = 0,23 Volt übertragen.

Das Ergebnis braucht man nur noch mit der Anzahl der Windungen an der Sekundärspule zu multiplizieren und man erhält die Spannung an der Sekundärspule. Wenn die Sekundärspule z.B. nur aus 500 Windungen besteht, dann ist die Spannung an der Sekundärspule 0,23 · 500 = 115 Volt. Bei 1000 Windungen an der Primärspule und 500 Windungen an der Sekundärspule hat man ein Verhältnis von 2:1. Die Spannung an der Sekundärspule ist daher die Hälfte von der Spannung, die an der Primärspule anliegt und 115 Volt ist die Hälfte von 230 Volt. Daraus lässt sich die nachfolgende Formel ableiten und umstellen.

• U_P = Spannung an Primärspule
• U_S = Spannung an Sekundärspule
• N_P = Anzahl der Windungen an Primärspule
• N_S = Anzahl der Windungen an Sekundärspule

Hat die Sekundärspule eine geringere Windungszahl, fällt die Stromstärke nicht wie bei der elektrischen Spannung, sondern sie steigt. Ist die Windungszahl an der Sekundärspule größer, steigt die Spannung, dafür fällt die Stromstärke. Der Energieerhaltungssatz, dass die abgeführte Energie der zugeführten Energie entspricht, gilt auch hier.

Würde z.B. bei einer größeren Windungszahl an der Sekundärspule neben der Spannung auch noch die Stromstärke steigen, würde das bedeuten, dass die elektrische Leistung (P), berechnet aus Spannung (U) x Stromstärke (I), größer wäre als an der Primärspule. Solche "Wundergeräte" bräuchte man nur noch in Reihe schalten und man hätte am Ende der Kette eine wesentlich höhere Leistung und könnte alle Energieprobleme der Welt lösen. Das ist natürlich nicht der Fall und es gelten folgende Regeln:

• Windungszahl an Sekundärspule geringer = Geringere Spannung, höhere Stromstärke
• Windungszahl an Sekundärspannung höher = Höhere Spannung, geringere Stromstärke

Die Stromstärke verhält sich umgekehrt proportional zu den Windungszahlen. Stellt man die Formel mit dem Verhältnis zwischen Spannung und Windungszahl um und erweitert diesen mit der umgekehrten Proportionalität der Stromstärke, erhält man folgende Beziehungen zueinander:

Bei den Schaltzeichen gibt es leider nicht überall eine einheitliche Handhabe. Nachfolgend sind vier verwendete Schaltzeichen abgebildet, wovon die Schaltzeichen 1 und 2 die gängigsten sind. Beim 4. Schaltzeichen besteht die Gefahr einer Verwechslung mit einem Widerstand. Es ist durchaus möglich, dass man weitere Varianten zu sehen bekommt.

Es kann vorkommen, dass zwischen den Spulen kein Strich, ein Streich, ein Doppelstrich oder eine gestrichelte Linie eingezeichnet wurde.