Wie erhöht oder verringert ein Leistungstransformator die Spannung?

Transformatoren erhöhen oder senken die Wechselspannung durch elektromagnetische Induktion . Ihre Ausgangsspannung wird hauptsächlich durch das Verhältnis der Windungszahl der Primärwicklung zur Windungszahl der Sekundärwicklung bestimmt.

Hat die Sekundärwicklung mehr Windungen als die Primärwicklung, erhöht der Transformator die Spannung. Hat sie weniger Windungen, senkt er die Spannung.

Obwohl das Prinzip einfach ist, muss ein praktisch eingesetzter Transformator zudem für den erforderlichen Strom, die Leistungsangabe, die Frequenz, die Isolierung, die Temperaturerhöhung, den Wirkungsgrad sowie geltende Sicherheitsstandards ausgelegt werden.

Was ist ein Transformer ?

Ein Transformator ist ein passives elektrisches Gerät, das Energie zwischen zwei oder mehr Wicklungen über ein sich änderndes magnetisches Feld überträgt.

Ein herkömmlicher Trenntransformator besteht aus drei Hauptteilen:

• Primärwicklung: mit der Eingangsstromquelle verbunden
• Sekundärwicklung: versorgt die Last mit Spannung
• Magnetkern: bietet einen pfad mit geringer magnetischer Reluktanz für den wechselnden magnetischen Fluss

Die Primär- und Sekundärwicklungen sind normalerweise elektrisch isoliert, aber magnetisch über den Kern gekoppelt. Diese Isolation kann die elektrische Sicherheit verbessern und eine direkte leitfähige Verbindung zwischen Ein- und Ausgang verhindern.

Allerdings bietet nicht jeder Transformator Isolation. Ein selbsttransformator , beispielsweise, verwendet eine gemeinsame Wicklung und stellt daher nicht die gleiche galvanische Trennung bereit.

Wie funktioniert ein Transformator?

Der Betrieb eines Transformators beruht auf Faradays Gesetz der elektromagnetischen Induktion ein sich ändernder magnetischer Fluss durch eine Spule induziert eine elektromotorische Kraft an dieser Spule.

Der Vorgang lässt sich in drei Phasen verstehen.

1. Die Primärwicklung erzeugt magnetischen Fluss

Wenn eine Wechselspannung an die Primärwicklung angelegt wird, entsteht ein Wechselstrom. Dieser Strom erzeugt einen sich ändernden magnetischen Fluss im Transformator-Kern.

2. Der Kern koppelt den magnetischen Fluss

Der magnetische Kern leitet den größten Teil des sich ändernden Flusses durch beide Wicklungen. Kernmaterialien und Konstruktionsmethoden werden so gewählt, dass eine effektive magnetische Kopplung gewährleistet ist, während Wirbelstrom- und Hysterese-Verluste begrenzt werden.

3. Die Sekundärwicklung erzeugt eine Spannung

Da der sich ändernde Kernfluss die Sekundärwicklung durchsetzt, wird an dieser Wicklung eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung steigt mit der Anzahl der Sekundärwindungen.

Diese Beziehung folgt unmittelbar aus dem Faradayschen Gesetz und bildet die Grundlage sowohl für Spannungshochsetzer als auch für Spannungstiefsetzer. OpenStax University Physics stellt eine detaillierte Herleitung der Transformatorgleichungen bereit.

Die Transformer Windungsverhältnis-Formel

Für einen idealen Transformator gilt:

Vs / Vp = Ns / Np

Wo:

• Vp = Primäre Eingangsspannung
• Vs = Sekundäre Ausgangsspannung
• Np = Anzahl der Windungen in der Primärwicklung
• Ns = Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung

Das Spannungsverhältnis entspricht daher dem Verhältnis der Wicklungswindungszahlen.

Steh-up-Transformator

Ein Transformator erhöht die Spannung, wenn:

Ns > Np

Daher:

Vs > Vp

Die Sekundärwicklung hat mehr Windungen als die Primärwicklung, daher ist die Sekundärspannung höher als die Primärspannung.

Spannungsabgangstransformator

Ein Transformator senkt die Spannung, wenn:

Ns < Np

Daher:

Vs < Vp

Die Sekundärwicklung hat weniger Windungen als die Primärwicklung, daher ist die Sekundärspannung niedriger als die Primärspannung.

Eins-zu-eins-Isolierungstransformator

Wenn die Primär- und Sekundärwicklung annähernd dieselbe Windungszahl aufweisen:

Ns = Np

Daher:

Vs ≈ Vp

Die Ausgangsspannung ist annähernd gleich der Eingangsspannung.

Praktisches Beispiel für einen Spannungstransformator mit Abwärtswandlung

Angenommen, ein Transformator muss 230 V Wechselspannung in 24 V Wechselspannung umwandeln.

Das erforderliche Windungsverhältnis lautet:

Ns / Np = Vs / Vp

Ns / Np = 24 / 230

Ns / Np ≈ 0,104

Falls die Primärwicklung 1.000 Windungen hat:

Ns = 1.000 × 0,104

Ns ≈ 104 Windungen

Daher hätte die ideale Sekundärwicklung ungefähr 104 Windungen.

Bei einem praktischen Transformator kann der Hersteller zusätzliche Sekundärwindungen hinzufügen, um den Wicklungswiderstand und den Spannungsabfall unter Last auszugleichen.

Praktisches Beispiel für einen Hochspannungstransformator

Angenommen, ein Transformator muss die Spannung von 120 V Wechselstrom auf 240 V Wechselstrom erhöhen.

Das erforderliche Windungsverhältnis lautet:

Ns / Np = 240 / 120

Ns / Np = 2

Falls die Primärwicklung 500 Windungen hat:

Ns = 500 × 2

Ns = 1.000 Windungen

Die Sekundärwicklung erfordert daher ungefähr doppelt so viele Windungen wie die Primärwicklung.

Was geschieht mit dem Strom?

Ein Transformator ändert den Strom in entgegengesetzter Richtung zur Spannung.

Bei einem idealen Transformator ist die Eingangsleistung gleich der Ausgangsleistung:

Vp × Ip = Vs × Is

Wo:

• Vp = Primärspannung
• Ip = Primärstrom
• Vs = Sekundärspannung
• Is = Sekundärstrom

Das Stromverhältnis lautet:

Is / Ip = Np / Ns

Daher:

• Hochsetztransformator: Die Spannung steigt an, und der verfügbare Strom sinkt.
• Tiefsetztransformator: Die Spannung sinkt ab, und der verfügbare Strom steigt an.

Ein Transformator erzeugt keine zusätzliche Energie. Bei einem realen Transformator ist die Ausgangsleistung geringfügig niedriger als die Eingangsleistung aufgrund von Kupferverlusten, Kernverlusten und anderen Verlusten.

Warum wird für die Niederspannungswicklung dickere Litze verwendet?

Die Sekundärwicklung eines Tiefsetztransformators führt normalerweise mehr Strom als die Primärwicklung. Sie erfordert daher meist dickere Litze.

Die Leitergröße muss gewählt werden gemäß:

• RMS-Strom
• Zulässiger Stromdichte
• Wicklungstemperatur
• Umgebungstemperatur
• Arbeitszyklus
• Kühlbedingungen
• Isolierdicken
• Verfügbarer Wicklungsraum

Die Verwendung einer zu dünnen Litze erhöht den Widerstand, den Spannungsabfall, die Kupferverluste und die Wicklungstemperatur. Eine übermäßige Temperatur kann die Isolationslebensdauer verkürzen und ein Sicherheitsrisiko darstellen.

Bei einem Hochsetztransformator verwendet die Hochspannungswicklung typischerweise mehr Windungen aus dünnerem Draht, da sie weniger Strom führt. Die genaue Leitergröße erfordert dennoch eine technische Berechnung.

Warum werden Transformatoren für die Energieübertragung eingesetzt?

Bei einer gegebenen übertragenen Leistung verringert eine Erhöhung der Spannung den Strom:

I = P / V

Wo:

• I = Strom
• P = Leistung
• V = Spannung

Wenn die Spannung steigt, sinkt der zur Übertragung derselben Leistung erforderliche Strom.

Da der Strom in dieser Gleichung quadriert wird, kann eine Stromreduzierung die Erwärmung der Leiter und die Übertragungsverluste stark verringern.

Stromversorgungssysteme verwenden daher Hochsetztransformatoren, um die Generatorspannung für die Fernübertragung zu erhöhen. In der Nähe des Verbrauchsorts senken Abwärtstransformatoren die Spannung auf geeignete Verteilungs- und Verbrauchsebenen. Das US-amerikanische Energieministerium (U.S. Department of Energy) erklärt ebenfalls, dass die Hochspannungsübertragung den erforderlichen Strom reduziert und die Leitungsverluste verringert. U.S. Department of Energy

Kann ein Transformator mit Gleichstrom betrieben werden?

Ein herkömmlicher Transformator benötigt einen sich ändernden magnetischen Fluss und kann daher eine konstante Gleichspannung nicht kontinuierlich umwandeln.

Wird eine konstante Gleichspannung direkt an die Wicklung eines Standardtransformators angelegt:

• Es findet nach dem anfänglichen Einschaltvorgang keine kontinuierliche Transformatorwirkung mehr statt.
• Der Wicklungsstrom kann gefährlich hoch werden.
• Der Kern kann in Sättigung gehen.
• Die Wicklung kann überhitzen oder ausfallen.

Elektronische Stromversorgungen können Gleichspannung umwandeln, indem sie diese zunächst mit einer gesteuerten Frequenz schalten. Die resultierende Wechselspannung kann dann einen Hochfrequenztransformator oder einen gekoppelten Drosselkern speisen. So funktionieren viele Flyback-, Forward-, Push-Pull-, Halbbrücken- und Vollbrückenumrichter.

Der entscheidende Unterschied ist, dass ein herkömmlicher Transformator eine konstante Gleichspannung nicht direkt umwandelt; die Gleichspannung muss zuvor elektronisch geschaltet werden.

Ideale Gleichungen vs. reales Transformatorverhalten

Die Übersetzungsverhältnis-Gleichung beschreibt einen idealen Transformator. Reale Transformatoren weisen Verluste und Spannungsabfälle auf.

Kupferverlust

Der ohmsche Leistungsverlust in einem Leiter beträgt:

Leistungsverlust = I² × R

Für maximale WordPress-Kompatibilität kann dies auch geschrieben werden als:

Leistungsverlust = I × I × R

Wo:

• I = Strom, der durch den Leiter fließt
• R = Leiterwiderstand

Da der Strom in dieser Berechnung quadriert wird, kann eine Reduzierung des Stroms die Übertragungsleitungsverluste erheblich verringern.

Kernverluste

Ein wechselndes magnetisches Feld verursacht Hysterese- und Wirbelstromverluste im Kern. Der Kernverlust wird beeinflusst durch:

• Kernmaterial
• Betriebsfrequenz
• Angewandte Spannung
• Anzahl der Primärwicklungen
• Kernquerschnittsfläche
• Magnetische Flussdichte
• Laminierdichte

Streufluss

Nicht der gesamte magnetische Fluss verbindet beide Wicklungen. Der Streufluss beeinflusst die Spannungsregelung und kann elektromagnetische Störungen erzeugen.

Strom ohne Last

Auch ohne Sekundärlast zieht die Primärwicklung Strom, um den Kern zu magnetisieren und die Kernverluste zu decken.

Temperaturanstieg

Kupfer- und Kernverluste erzeugen Wärme. Ein Transformator muss unter den angegebenen Last- und Umgebungsbedingungen innerhalb der Temperaturgrenzen seines Isolationssystems bleiben.

Regulierung der Spannung

Die Ausgangsspannung sinkt normalerweise zwischen Leerlauf und Volllast aufgrund der internen Impedanz.

Die Spannungsregelung kann wie folgt ausgedrückt werden:

Spannungsregelung (%) = [(VLeerlauf − VVolllast) / VVolllast] × 100

Aus diesem Grund können Hersteller die Leerlauf-Sekundärspannung leicht über der Nennausgangsspannung auslegen.

Beeinflusst die Frequenz das Transformatordesign?

Ja. Die Frequenz ist ein entscheidender Konstruktionsparameter.

Bei einer sinusförmigen Welle hängt die ungefähre Effektivspannung pro Wicklung von Frequenz, Windungszahl, Kernquerschnittsfläche und maximaler magnetischer Flussdichte ab gemäß:

V = 4,44 × f × N × A × Bmax

Wo:

• V = Effektivspannung der Wicklung
• f = Betriebsfrequenz in Hertz
• N = Anzahl der Wicklungen
• A = Effektive Querschnittsfläche des Kerns
• Bmax = Maximale magnetische Flussdichte

Ein 60-Hz-Transformator darf nicht automatisch bei 50 Hz und derselben Spannung betrieben werden. Die niedrigere Frequenz kann die magnetische Flussdichte erhöhen, was zu Kernsättigung, übermäßigem Strom, Geräuschentwicklung und Überhitzung führen kann.

Der Hersteller muss die tatsächliche Eingangsfrequenz und den Spannungsbereich kennen, bevor das Design endgültig festgelegt wird.

So spezifizieren Sie einen Hochsetz- oder Tiefsetztransformator

Eine professionelle Transformatorspezifikation sollte mehr als nur die Eingangs- und Ausgangsspannung umfassen.

Geben Sie bei der Anfrage eines Designs oder eines Angebots folgende Informationen an:

• Nennspannung
• Mindest- und Höchsteingangsspannung
• Eingangsfrequenz
• Erforderliche Ausgangsspannung oder Ausgangsspannungen
• Stetiger Ausgangsstrom
• Spitzenstrom und Dauer
• Lastart
• Erforderliche Scheinleistung (VA)
• Arbeitszyklus
• Maximale Abmessungen
• Montageverfahren
• Anforderungen an Anschlussdrähte oder Klemmen
• Umgebungstemperatur
• Kühlungs- und Gehäusebedingungen
• Maximal zulässige Temperaturerhöhung
• Isolationsklasse
• Anforderungen an die Durchschlagfestigkeit
• Erforderliche elektrostatische oder magnetische Abschirmung
• Anforderungen an Thermosicherung oder thermischen Schutz
• Zielland oder Zielmarkt
• Geltende Sicherheits- und Umweltanforderungen
• Geschätzte Produktionsmenge

Die Angabe vollständiger Betriebsbedingungen hilft, eine falsche Dimensionierung zu vermeiden und verbessert Spannungsregelung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Häufig gestellte Fragen

Erhöht ein Hochsetztransformator die Leistung?

Nein. Ein Hochsetztransformator erhöht die Spannung, verringert jedoch den verfügbaren Strom. Seine Ausgangsleistung ist stets geringfügig niedriger als seine Eingangsleistung, da ein realer Transformator Kupfer-, Kern- und andere Verluste aufweist.

Stellt ein Tiefsetztransformator stets mehr Strom zur Verfügung?

Es kann bei annähernd gleicher Leistung eine höhere Nennsekundärstromstärke bereitstellen, doch der tatsächliche Strom wird durch die angeschlossene Last und die Nennleistung des Transformators bestimmt. Ein Transformator zwingt seinen maximalen Strom nicht in die Last.

Sind die Primär- und Sekundärwicklungen miteinander verbunden?

Bei einem Trenntransformator sind sie elektrisch voneinander getrennt und über den magnetischen Kern gekoppelt. Bei einem Autotransformator wird ein Teil der Wicklung gemeinsam genutzt, wodurch keine äquivalente galvanische Trennung besteht.

Kann ein Transformator mehrere Ausgangsspannungen bereitstellen?

Ja. Ein Transformator kann mehrere Sekundärwicklungen, mittelpunktabgegriffene Wicklungen oder Abgriffe an der Wicklung nutzen, um verschiedene Ausgangsspannungen zu liefern.

Wie berechne ich die Scheinleistung (VA) eines Transformators?

Für einen einfachen Wechselstromtransformator mit einer einzigen Sekundärwicklung gilt:

VA = Vs × Is

Wo:

• VA = Scheinleistungs-Nennwert des Transformators
• Vs = Nennsekundärspannung
• Is = Nennsekundärstrom

Beispiel:

Sekundärspannung = 24 V AC
Sekundärstrom = 5 A

VA = 24 × 5

VA = 120 VA

Bei mehreren Sekundärwicklungen wird die erforderliche Gesamt-VA-Leistung aus der Summe der Wicklungsbelastungen berechnet; dabei sind Art der Last, Tastverhältnis, Wirkungsgrad, Spannungsregelung, Gleichrichtung und Temperaturerhöhung angemessen zu berücksichtigen.

Individuelle Hochsetz- und Trenntransformatoren von Dingxin

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Transformatoren können gemäß vorgegebener elektrischer, mechanischer, thermischer und anwendungsspezifischer Anforderungen entwickelt werden, u. a. hinsichtlich:

• Individuelle Eingangs- und Ausgangsspannungen
• Aufwärtswandler- und Abwärtswandler-Designs
• Mehrere Sekundärwicklungen
• EI- und toroidale Aufbauten
• anwendungen für 50 Hz und 60 Hz
• Kundenspezifische Scheinleistungsangaben (VA)
• Anschlussdrähte, Anschlussklemmen, Halterungen und Montagemöglichkeiten
• Elektrostatische Abschirmung
• Thermosicherungen und Temperaturschutzvorrichtungen
• Anwendungsspezifische Isolationssysteme
• Konstruktionen basierend auf den Anforderungen des Zielmarktes des Kunden

Die endgültigen Konformitäts- und Zertifizierungsanforderungen sind im Rahmen des technischen Entwicklungsprozesses gemäß Transformator-Design, vorgesehenem Gerät und Zielmarkt zu bestätigen.

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3. Dauerlast- und Spitzenlastbedingungen
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